孫毅良，陳文勤

船用液化天然氣供氣系統(tǒng)的控制系統(tǒng)研發(fā)

孫毅良，陳文勤

（上海藍(lán)魂環(huán)?？萍加邢薰?，上海 201900）

為了船用液化天然氣供氣系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，確保船舶及人員安全。本文介紹了船用液化天然氣供氣系統(tǒng)的工作原理、控制要點(diǎn)以及控制方式。可將液化天然氣燃料儲罐內(nèi)的壓力控制在2.5～3.0 bar范圍內(nèi)，溫度控制為零下140℃以下，水乙二醇換熱后產(chǎn)生的氣態(tài)天然氣溫度始終保持在約25℃至35℃之間，天然氣輸送壓力至少為6.0 bar。對實(shí)現(xiàn)船用液化天然氣供氣系統(tǒng)自主研發(fā)起到良好的推動作用。

船用液化天然氣供氣系統(tǒng) 液貨圍護(hù)系統(tǒng) LNG FGSS 燃料儲罐控制系統(tǒng) 氣體燃料供應(yīng)控制系統(tǒng)

0 引言

國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）海洋環(huán)境保護(hù)委員會（Marine Environment Protection Committee，MEPC）發(fā)布的MARPOL附則VI《防止船舶造成空氣污染規(guī)則》[1]，對船舶因燃燒排放的硫氧化物、氮氧化物等有害污染物做出了明確的限制指標(biāo)。我國交通運(yùn)輸部也多次修訂對船舶污染海洋環(huán)境應(yīng)急處置的決定[2-4]。

液化天然氣（LNG）具有儲存方便、熱值高、便于運(yùn)輸、污染少等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用等領(lǐng)域。在碳達(dá)峰、碳中和背景下，將起著不可替代的作用。隨著國際社會和海事界對環(huán)境保護(hù)的日益關(guān)注，液化天然氣（LNG）作為清潔能源，目前正成為世界未來燃料的新焦點(diǎn)。在這種背景下，以LNG為動力的船舶技術(shù)在不斷進(jìn)步，并向著環(huán)保、低碳、節(jié)能、安全高效方向發(fā)展。

由于船用液化天然氣供氣和陸用液化天然氣供氣所應(yīng)對的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、項(xiàng)目的實(shí)施環(huán)境，均有明顯不同，同時國內(nèi)船舶液化天然氣供氣行業(yè)又處于剛剛起步階段，因此可借鑒的有效經(jīng)驗(yàn)并不多。

本文詳細(xì)介紹了船用液化天然氣供氣系統(tǒng)的工藝原理、控制要點(diǎn)以及控制方式，希望對實(shí)現(xiàn)船用液化天然氣供氣系統(tǒng)自主研發(fā)起到良好的推動作用。

1 液化天然氣供氣系統(tǒng)的工藝原理

液化天然氣通過加注系統(tǒng)輸送至液化天然氣儲罐，液化天然氣通過儲罐連接空間（Tank Connection Space,簡稱TCS）中的液化天然氣供給泵將液化天然氣送至蒸發(fā)器。液化天然氣在蒸發(fā)器中加熱后汽化，氣態(tài)的天然氣通過壓力緩沖罐后輸送至燃?xì)鈫卧?/p>

1-1、1-2液化天然氣加注站（分別布置在左舷和右舷）；2-1、2-2液化天然氣儲罐（分別布置在左舷和右舷）；3-1、3-2液化天然氣供給泵；4-1、4-2液化天然氣蒸發(fā)器；5壓力緩沖罐；6燃?xì)鈫卧ㄖ鳈C(jī)）;7水乙二醇換熱器

供氣系統(tǒng)主要配置包含：液化天然氣加注站2個、液化天然氣燃料儲罐2個、儲罐連接空間2個（其中每個儲罐連接空間內(nèi)配置一臺變頻式液化天然氣供給泵、一臺蒸發(fā)器）、水乙二醇加熱循環(huán)系統(tǒng)（包括兩套固定頻率離心泵、兩套水乙二醇/熱油換熱器和一個膨脹箱）、氮?dú)庀到y(tǒng)（惰性氣體）、儀表空氣系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、燃?xì)夤艿篮烷y門、輔助管道和閥門、安全系統(tǒng)、儀表及控制系統(tǒng)。

1.1 液化天然氣加注系統(tǒng)

液化天然氣加注站分別安裝在船舶的左舷和右舷。

每個液化天然氣加注站配置一根液相管路和一根氣相管路。每根液相管路和氣相管路都安裝了急停系統(tǒng)（Emergency Shut Down System,簡稱ESD）、氣動閥、手動閥，并配備N2惰性氣體接口和排氣噴嘴。

液化天然氣加注站符合國際氣體燃料動力船協(xié)會（SGMF）發(fā)布的《船用燃料液化天然氣加注安全和操作指南》[5]。

1.2 液化天然氣儲罐和儲罐連接空間（TCS）

每個天然氣儲罐都是獨(dú)立的、絕緣的、真空隔熱的，儲罐內(nèi)部配置加強(qiáng)環(huán)和防晃板，每個儲罐外配備1個TCS，在TCS中配備集水井。

天然氣儲罐帶有遠(yuǎn)程液位測量系統(tǒng)、差壓變送器等傳感器，實(shí)時監(jiān)控儲罐狀態(tài)。

1.3 液化天然氣供給泵

每個TCS內(nèi)的液化天然氣供給泵通過液相管路將液化天然氣送至液化天然氣蒸發(fā)器進(jìn)行強(qiáng)制蒸發(fā)。經(jīng)過加熱和蒸發(fā)，氣態(tài)的天然氣經(jīng)壓力調(diào)節(jié)后通過壓力緩沖罐送至燃?xì)鈫卧ㄖ鳈C(jī)），為其供應(yīng)燃料氣體。

每個TCS中的液化天然氣供給泵配置液位傳感器和壓力傳感器，并具有報(bào)警功能。帶變頻調(diào)節(jié)功能的供給泵將確保液化天然氣蒸發(fā)器的壓力穩(wěn)定。該液化天然氣供給泵可以遠(yuǎn)程啟動和停止，并在緊急情況（低液位）或故障（低電流或高電流）時自動停止。

液化天然氣供給泵完全浸沒在低溫真空絕熱的泵池內(nèi)，最大限度地減少了熱吸收，保證了其本身的快速響應(yīng)。液化天然氣供給泵的轉(zhuǎn)速由下游排放壓力調(diào)節(jié)。在低消耗或待機(jī)模式下，它可能會減速至最小允許速度，液化天然氣供給泵下游至儲罐設(shè)有回流管道。

1.4 液化天然氣蒸發(fā)器

液化天然氣蒸發(fā)器安裝在每個TCS中。用于液化天然氣汽化，為燃?xì)鈫卧ㄖ鳈C(jī)）供氣。

1.5 壓力緩沖罐

壓力緩沖罐確保在燃?xì)鈫卧ㄖ鳈C(jī)）負(fù)載波動期間穩(wěn)定和快速的壓力調(diào)節(jié)響應(yīng)。壓力緩沖罐配置壓力傳感器，并設(shè)有低壓報(bào)警。

1.6 水乙二醇換熱系統(tǒng)

水乙二醇換熱系統(tǒng)將持續(xù)為兩套液化天然氣蒸發(fā)器提供加熱介質(zhì)。水乙二醇換熱系統(tǒng)由兩套通過熱油加熱的水乙二醇換熱器、兩套循環(huán)泵、一套帶氣體探測器（氣體探測器位于通風(fēng)口附近且不直接位于通風(fēng)口上方，避免高溫蒸汽頻繁報(bào)警）的膨脹箱組成。因?yàn)樗叶紦Q熱系統(tǒng)安裝在危險區(qū)域，所以該系統(tǒng)所有設(shè)備均為防爆型。

1.7 氮?dú)庀到y(tǒng)

氮?dú)庀到y(tǒng)，包括氮?dú)獍l(fā)生器、管道和閥門，用于吹掃（液化）天然氣管路。

1.8 儀表空氣系統(tǒng)

儀表空氣，帶有氣水分離器的控制閥，不銹鋼管路，配備具有自動泄放功能的控制空氣干燥器。

1.9 通風(fēng)系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)區(qū)域封閉空間的有效機(jī)械負(fù)壓通風(fēng)能力為每小時至少30次換氣。TCS通風(fēng)風(fēng)扇將布置在TCS內(nèi)部。通風(fēng)系統(tǒng)不應(yīng)有“死角”。儲罐TCS內(nèi)為負(fù)壓通風(fēng)；進(jìn)氣口和排氣口的位置同時滿足船級社的要求。

2 液化天然氣供氣系統(tǒng)的控制要點(diǎn)

液化天然氣通過加注站進(jìn)入液化天然氣燃料儲罐，燃料儲罐內(nèi)的天然氣始終保持以液態(tài)為主，氣態(tài)共存的狀態(tài)。水乙二醇換熱系統(tǒng)保證蒸發(fā)器有持續(xù)、穩(wěn)定、可控的熱源。液化天然氣通過液化天然氣蒸發(fā)器汽化成為氣態(tài)天然氣。通過燃料供應(yīng)系統(tǒng)，氣態(tài)的天然氣作為燃料成為船舶推進(jìn)裝置的能源，供給至船舶主機(jī)或其它燃?xì)鈫卧ㄈ缍栊詺怏w發(fā)生器，Inert gas generator簡稱IGG）。整個過程由船用液化天然氣供氣系統(tǒng)的控制系統(tǒng)全程控制，確保船舶推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，控制系統(tǒng)是保證船舶推進(jìn)裝置正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

船用液化天然氣供氣系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要涉及以下三個方面：

1）液化天然氣燃料儲罐控制系統(tǒng)直接影響燃料的儲存，是船用液化天然氣供氣系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵（因?yàn)橐坏┤剂蟽Υ娉霈F(xiàn)問題，后續(xù)任何工序都是徒勞）。

2）水乙二醇換熱控制系統(tǒng)是關(guān)系到整個系統(tǒng)的熱源控制，是影響液化天然氣汽化效果穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

3）氣體燃料供應(yīng)控制系統(tǒng)包含了將燃料從液態(tài)汽化成為氣態(tài)和將氣體燃料持續(xù)供給至燃?xì)鈫卧闹匾襟E，這是天然氣是否滿足作為燃料并最終是否滿足燃?xì)鈫卧褂靡蟮年P(guān)鍵因素。

3 控制系統(tǒng)的控制方式

3.1 液化天然氣燃料儲罐控制系統(tǒng)

液化天然氣燃料儲罐在儲存液化天然氣時，由于熱量進(jìn)入，儲罐內(nèi)壓力會升高。如果從儲罐中排出的液化天然氣體積大于蒸發(fā)體積（自然蒸發(fā)以及液化天然氣再循環(huán)過程中產(chǎn)生的蒸發(fā)），則壓力將降低。另外，在進(jìn)行液化天然氣加注作業(yè)時，燃料儲罐內(nèi)壓力也會受到影響。

熱量進(jìn)入燃料儲罐主要有兩個來源，一個來源是外部環(huán)境通過隔熱層（包括儲罐支架）等進(jìn)入儲罐的熱量傳遞，另一個來源是在液化天然氣供給泵運(yùn)轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的熱量。當(dāng)系統(tǒng)在閑置狀態(tài)時，儲罐內(nèi)壓力在正常操作條件下也會持續(xù)升高，控制系統(tǒng)需要將儲罐內(nèi)的壓力上限控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

液化天然氣燃料儲罐內(nèi)的壓力控制在2.5～3.0 bar范圍內(nèi)，溫度控制為零下140℃以下。當(dāng)罐內(nèi)壓力因熱量進(jìn)入而增大時，控制系統(tǒng)將主動調(diào)節(jié)壓力，次級燃?xì)鈫卧ㄈ鏘GG）準(zhǔn)備接收多余的氣體：通過打開自然蒸發(fā)氣體（Boil Off Gas，簡稱BOG）加熱器上游的遠(yuǎn)程控制閥，自由流管路將自動打開。通過這些閥門和控制閥之間的軟件聯(lián)鎖，確保不可能發(fā)生竄氣?？刂葡到y(tǒng)對兩個液化天然氣燃料儲罐進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)測和控制，以控制在罐內(nèi)壓力達(dá)到或高于設(shè)定值的儲罐中激活自由流模式。

圖2 液化天然氣儲罐壓力控制圖

液化天然氣的消耗量如果比由于熱量進(jìn)入和再循環(huán)吸熱而產(chǎn)生的蒸發(fā)量更大，則除非得到補(bǔ)償，否則液化天然氣儲罐中的壓力將降低。為了保持液化天然氣儲罐中的壓力穩(wěn)定，控制系統(tǒng)將打開蒸發(fā)器出口的回流閥，使蒸發(fā)后的部分天然氣回流至儲罐的氣態(tài)天然氣環(huán)境中，通過PID控制閥門開度，可將壓力保持在2.5～3.0 bar的設(shè)定值附近。圖3儲罐容積控制變量圖說明了容積控制的主要要素。

在供氣系統(tǒng)從液化天然氣儲罐向燃?xì)鈫卧畲罅枯斔鸵夯烊粴馄陂g，如果儲罐內(nèi)的壓力低于設(shè)定范圍（2.5～3.0 bar），系統(tǒng)將自動完成液化天然氣再循環(huán)功能，將一定量的液化天然氣回流至儲罐，以保證儲罐內(nèi)的壓力穩(wěn)定。

同時，控制系統(tǒng)也能控制液化天然氣供給泵將一定量的液態(tài)天然氣噴射回儲罐的氣相環(huán)境中，以將氣相溫度保持在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)。這對于燃料加注操作的準(zhǔn)備工作非常重要，這樣的壓力控制可以使得罐內(nèi)溫度變化保持在最低水平，很好地限制了儲罐和周圍管道的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

圖3 儲罐容積控制變量圖

以上過程均由可編程控制器控制，實(shí)現(xiàn)了全自動運(yùn)行，無需專人值守，且結(jié)構(gòu)緊湊，適用于船舶安裝，滿足船級社規(guī)范要求。

3.2 水乙二醇換熱控制系統(tǒng)

水乙二醇換熱系統(tǒng)控制基于大流量和小溫差的設(shè)計(jì)原則，可以為液化天然氣蒸發(fā)提供熱量和起到氣體調(diào)節(jié)作用。該系統(tǒng)從船舶的熱油系統(tǒng)中獲取熱量，當(dāng)換熱系統(tǒng)運(yùn)行時，該熱油系統(tǒng)也必須處于運(yùn)行狀態(tài)。

加熱介質(zhì)水乙二醇的溫度由熱油熱交換器中的旁通管線控制，設(shè)定值為60℃（進(jìn)入熱交換器的船舶熱油溫度約為160℃）。液化天然氣流量的變化會立即導(dǎo)致蒸發(fā)量變化，但產(chǎn)生的氣態(tài)天然氣溫度始終保持在約25℃至35℃之間（取決于燃?xì)鈫卧铓怏w流量），保持滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

系統(tǒng)通常在預(yù)設(shè)壓力下運(yùn)行（約3 bar），在這個壓力情況下，液化天然氣蒸發(fā)器和氣體熱交換器中的天然氣如泄漏到加熱介質(zhì)回路中也是安全的。膨脹箱位于系統(tǒng)高點(diǎn)上所有氣體熱交換器的下游，它將應(yīng)對冷卻劑（50%淡水和50%乙二醇）的輕微體積膨脹。系統(tǒng)中任何壓力超出設(shè)定值都會被控制系統(tǒng)監(jiān)控，導(dǎo)致報(bào)警，甚至關(guān)停系統(tǒng)。從膨脹箱到排氣管路的專用氣體管道中設(shè)有氣體檢測傳感器，可以檢測到氣體泄漏，并將報(bào)警傳至控制系統(tǒng)。

3.3 氣體燃料供應(yīng)控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于輸送約20 kg/hr至1110 kg/hr耗氣量的工況（主要是甲烷和微量氮?dú)猓?，為避免機(jī)械磨損或氣穴現(xiàn)象，最大負(fù)荷增加率取決于液化天然氣供給泵的允許速度增加速率（約15 s內(nèi)從最小值至最大值）。

液化天然氣的流量變化會立即導(dǎo)致蒸發(fā)量變化，通過控制水乙二醇換熱系統(tǒng)，保持輸送的氣體燃料溫度在25℃至35℃之間。

控制系統(tǒng)通常將確保蒸發(fā)后的天然氣輸送壓力至少為6.0 bar，實(shí)際工作壓力值將根據(jù)燃?xì)鈫卧?fù)載而變化，并在所有操作要求期間保持壓力不低于6.0 bar且相對穩(wěn)定。

表1 氣體燃料供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件表

為滿足較小的氣體需求，液化天然氣供給泵在輸送液化天然氣時，可以控制在最小速度下進(jìn)行再循環(huán)控制。當(dāng)需求較高量的氣體燃料時，會通過調(diào)節(jié)供給泵的頻率進(jìn)行提速控制。系統(tǒng)由PID控制器進(jìn)行壓力控制，PID控制器從上游的壓力變送器獲取信號。圖4燃料供應(yīng)控制圖說明了燃料輸送控制系統(tǒng)方式。

圖4 燃料供應(yīng)控制圖

液化天然氣儲罐的壓力變化僅會略微影響供氣壓力的功能。這是因?yàn)榕c液化天然氣消耗量相比，不論是再循環(huán)回儲罐內(nèi)的流量還是儲罐內(nèi)的自然蒸發(fā)量都較小，液化天然氣儲罐中的壓力變化速率很慢，能夠保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。

系統(tǒng)的啟動控制是首先使供給泵在全循環(huán)模式下運(yùn)行，此時沒有液化天然氣對外輸送，在狀態(tài)穩(wěn)定后，再按要求達(dá)到天然氣已備好的狀態(tài)，而這通常僅需要很短的時間。

系統(tǒng)的正常停機(jī)控制是先使供給泵以最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，并進(jìn)行全循環(huán)模式，最后停止供給泵。

在系統(tǒng)緊急停機(jī)（包括停電）期間，正在運(yùn)行的液化天然氣供給泵將立即停止工作，氣閥組單元上游的主控制閥將關(guān)閉，再循環(huán)管路的壓力控制閥將打開。回儲罐的再循環(huán)閥具有延遲關(guān)閉裝置，在蒸發(fā)器排空之前不會完全關(guān)閉（相關(guān)閥門將在所需的30 s內(nèi)關(guān)閉）。在加熱介質(zhì)泵失去動力后，管路中殘留的液化天然氣由于系統(tǒng)中積累的壓力繼續(xù)進(jìn)入蒸發(fā)器，通過仍在流動的加熱介質(zhì)的熱量來蒸發(fā)剩余的液化天然氣。這是為了防止蒸發(fā)器結(jié)冰，同時這也是通過向水中添加乙二醇而獲得的保護(hù)方法的補(bǔ)充（乙二醇可將混合物的冰點(diǎn)降低至零下35℃以下），因?yàn)檎舭l(fā)器最容易受到剩余液化天然氣蒸發(fā)潛熱的影響。由于氣體輸送系統(tǒng)的初始壓力較高，通過這種方法系統(tǒng)將會在幾秒內(nèi)排空蒸發(fā)器中的所有液體。

當(dāng)停止?fàn)顟B(tài)完成且系統(tǒng)中的各傳感器參數(shù)穩(wěn)定后，氣體燃料供應(yīng)控制系統(tǒng)可以重新啟動。

4 結(jié)語

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）主要成分是甲烷（CH4），作為船舶動力能源，燃燒后不會產(chǎn)生硫氧化物和氮氧化物等有害物質(zhì)，可以滿足國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）發(fā)布的MARPOL附則VI《防止船舶造成空氣污染規(guī)則》。船舶液化天然氣（LNG）供氣系統(tǒng)（FGSS）的控制系統(tǒng)是船舶推進(jìn)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的保證。主要對涉及船用液化天然氣供氣系統(tǒng)幾個關(guān)鍵部分（包含液化天然氣燃料儲罐控制系統(tǒng)、水乙二醇換熱控制系統(tǒng)、氣體燃料供應(yīng)控制系統(tǒng)）進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)，并在緊急情況下的應(yīng)急響應(yīng)，保證液化天然氣供氣系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，確保船舶及人員安全?？刂葡到y(tǒng)取得法國必維船級社產(chǎn)品認(rèn)證，并已經(jīng)在兩艘15000DWT化學(xué)品船穩(wěn)定運(yùn)行超過一年。

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[2] 交通運(yùn)輸部關(guān)于修改《中華人民共和國船舶污染海洋環(huán)境應(yīng)急防備和應(yīng)急處置管理規(guī)定》的決定[J]. 中華人民共和國國務(wù)院公報(bào). 2020(09): 35-36.

[3] 交通運(yùn)輸部關(guān)于修改《中華人民共和國船舶污染海洋環(huán)境應(yīng)急防備和應(yīng)急處置管理規(guī)定》的決定[J]. 中華人民共和國國務(wù)院公報(bào). 2019(02) : 29-35.

[4] 交通運(yùn)輸部關(guān)于修改《中華人民共和國船舶污染海洋環(huán)境應(yīng)急防備和應(yīng)急處置管理規(guī)定》的決定[J]. 中華人民共和國國務(wù)院公報(bào). 2017(19): 42-50.

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Research on the control system for ship LNG fuel gas supply system

Sun Yiliang, Cheng Wenqin

(Shanghai Bluesoul Environmental Technology Co., Ltd, Shanghai 201900, China)

U674

A

1003-4862（2023）08-0057-05

2023-02-02

孫毅良（1987-），男，工程師。