孫 瑞 黃朝俊 宋秀麗 劉建成 司徒穎峰 易志金

（1.招商局重工（深圳）有限公司 深圳 518054；2.招商局海洋裝備研究院 深圳 518067；3.廣東省海洋資源勘探開(kāi)發(fā)裝備工程技術(shù)研究中心 深圳 518054；4.必維船級(jí)社（中國(guó))有限公司 上海 200010）

0 引言

根據(jù)國(guó)際海事組織（international maritime organization,IMO）海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（marine environment protection committee,MEPC）第72 屆會(huì) 議制定的《船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略》，航運(yùn)界要在2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2050 年實(shí)現(xiàn)碳中和的減碳目標(biāo)。目前的主流清潔燃料——液化天然氣（liquefied natural gas,LNG）的減碳能力為20%～ 25%，而氨燃料燃燒后生成氮?dú)夂退錅p碳能力達(dá)到100%，故其已成為航運(yùn)界當(dāng)前看好的理想零碳燃料之一[1-2]。如今，國(guó)內(nèi)外幾大主機(jī)廠家正進(jìn)行氨燃料機(jī)器研發(fā)：德國(guó)MAN 公司計(jì)劃2024 年交付首臺(tái)機(jī)，瓦錫蘭公司計(jì)劃2023 年實(shí)現(xiàn)首制機(jī)實(shí)船安裝，中船動(dòng)力集團(tuán)計(jì)劃2025 年完成中低速機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)和樣機(jī)研制。與此同時(shí)，基于氨燃料的船用供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)也成為技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)：日本郵輪在LNG 動(dòng)力船ARLFV 號(hào)上完成了“氨燃料預(yù)留”概念設(shè)計(jì)；韓國(guó)現(xiàn)代重工的氨燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)獲得韓國(guó)船級(jí)社頒發(fā)的原則性認(rèn)可AIP 證書(shū)；江南造船研發(fā)氨燃料動(dòng)力40 000 m3氣體運(yùn)輸船獲英國(guó)船級(jí)社頒發(fā)的AIP 證書(shū)；中船動(dòng)力集團(tuán)研發(fā)的氨燃料系統(tǒng)獲得意大利船級(jí)社頒發(fā)的AIP 證書(shū)，中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院和中遠(yuǎn)海運(yùn)針對(duì)超大型油輪（very large crude carrier,VLCC）聯(lián)合研發(fā)了氨燃料動(dòng)力方案，并同時(shí)獲得中國(guó)船級(jí)社和美國(guó)船級(jí)社頒發(fā)的AIP 證書(shū)。

隨著船舶行業(yè)對(duì)氨燃料應(yīng)用的聚焦，美國(guó)船級(jí)社于2021 年發(fā)布《氨燃料船舶指南》，中國(guó)船級(jí)社在2022 年發(fā)布了《船舶應(yīng)用氨燃料指南》，挪威船級(jí)社發(fā)布《面向2050 年的海事展望》，指出從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，氨和甲醇將是前景廣闊的碳中和燃料。但是，馬士基、殼牌和地中海航運(yùn)等公司的一份基于低碳燃料LNG、甲醇、氫和氨的研究指出，氨目前屬于“高風(fēng)險(xiǎn)”替代燃料，在船只擱淺、燃料艙破裂以及氨泄漏的情況下，風(fēng)險(xiǎn)極高，這正是氨燃料動(dòng)力方案在船舶上安全存儲(chǔ)、穩(wěn)定供給、惰化防爆、應(yīng)急泄放和泄漏回收等方面存在的問(wèn)題和面臨的挑戰(zhàn)。[3-4]

將氨燃料動(dòng)力方案與目前已成熟應(yīng)用的LNG 動(dòng)力方案比較[5]，可以發(fā)現(xiàn)：LNG 是經(jīng)過(guò)汽化器相變后以氣態(tài)進(jìn)入主機(jī)做功，無(wú)需設(shè)置回路；而目前的氨燃料主機(jī)要求為以液態(tài)供給，與常規(guī)柴油動(dòng)力系統(tǒng)類似，需要針對(duì)富余燃料設(shè)置回液管和超壓溢流管。另外，氨氣有毒且泄漏后可與空氣形成爆炸混合物，需要設(shè)置氨捕捉設(shè)施來(lái)嚴(yán)格控制泄漏和排放。根據(jù)氨燃料以上特性，目前LNG 燃料供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)無(wú)法直接用于氨燃料。雖然前述國(guó)內(nèi)外眾多公司和研究所已研發(fā)出多種氨燃料動(dòng)力方案，并獲得AIP 認(rèn)證，但基本都是針對(duì)某單一船型且處于技術(shù)嚴(yán)格保密狀態(tài)。氨作為新穎的燃料需要研究解決的問(wèn)題頗多，本文主要針對(duì)氨燃料供給系統(tǒng)中一些通用的關(guān)鍵問(wèn)題提出解決方案，并進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics,CFD）仿真驗(yàn)證[6]。

1 氨特性分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

氨在常壓下的液化溫度為-33.35 ℃,在空氣中爆炸濃度范圍為16%～ 25%，相對(duì)于LNG 沒(méi)有那么易燃易爆[2]。然而，氨的氣味刺激且毒性大，空氣中最高容許濃度為22.8 mg/m3。

根據(jù)MAN 和瓦錫蘭研發(fā)中的氨燃料主機(jī)目前公開(kāi)數(shù)據(jù)，要求壓力范圍為7.0～ 8.5 MPa，溫度范圍為25～ 45 ℃，表明其進(jìn)機(jī)壓力和溫度較高，輸出壓力和溫度進(jìn)一步升高，需進(jìn)行減壓和冷卻后方可使用。根據(jù)以上氨的特性，供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需解決燃料供給端的存儲(chǔ)、過(guò)濾、加壓、加溫、緩沖、氣阻消除、超壓回流、惰化防爆，以及回流端的減壓、冷卻、混合物收集、防汽化、氣液分離等問(wèn)題，并具有應(yīng)急釋放管路和具備氨排放捕捉處理功能，以保障船舶主機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行及船上人員設(shè)施的安全性。

2 需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題

對(duì)比LNG 燃料系統(tǒng)，氨燃料供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中需要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

（1）定壓定溫供給

氨主機(jī)需求壓力為7.0～ 8.5 MPa，溫度為25～ 45 ℃。與常見(jiàn)LNG 系統(tǒng)1 MPa 的工作壓力相比[7]，氨主機(jī)壓力要求高，屬于中高壓和較高溫供給。

（2）進(jìn)行緩沖和降壓，消除管路中的氣阻

氨在供給管路中需加壓輸送，在啟停階段易因管內(nèi)介質(zhì)沖擊產(chǎn)生局部水錘現(xiàn)象、且管內(nèi)也會(huì)有少量蒸氣形成氣阻，造成供給系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定，需要在超壓時(shí)進(jìn)行降壓。

（3）惰化防爆問(wèn)題

氨具有毒性，常溫常壓下易蒸發(fā)和易燃易爆，需設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的惰化系統(tǒng)以配合主機(jī)啟停工況進(jìn)行驅(qū)氣和惰氣置換操作，以保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

（4）排放捕捉和收集處理

氨較LNG 毒性大，故其排放控制需要更嚴(yán)格和嚴(yán)謹(jǐn)，必須進(jìn)行排放捕捉和收集處理。

3 系統(tǒng)原理模型和解決方案

3.1 原理模型

根據(jù)氨燃料特性和系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出如圖1所示的原理模型。整個(gè)燃料供給系統(tǒng)由主機(jī)、燃料罐、燃料供應(yīng)單元、雙截止釋放（double block and bleed,DBB）閥組、供給管、回液管、管路伴熱、減壓閥、氮?dú)夤芤约鞍辈蹲侥K等組成。

圖1 原理模型

其主要特征為：燃料罐為半冷半壓形式，燃料在燃料供應(yīng)單元內(nèi)進(jìn)行階梯式增壓增溫后供給主機(jī)，富余燃料經(jīng)回液管和燃料供應(yīng)單元進(jìn)行再循環(huán)利用或收集至燃料罐。氨捕捉模塊用于整個(gè)燃料系統(tǒng)中燃料排放時(shí)的收集、捕捉和吸附等處理，并提供濃度報(bào)警信號(hào)給主機(jī)控制系統(tǒng)（engine control system,ECS）。進(jìn)入機(jī)艙區(qū)域后，供給管采用雙壁管設(shè)計(jì)，管夾層空間進(jìn)行負(fù)壓通風(fēng)[8]，風(fēng)機(jī)為防爆型，雙壁管上應(yīng)安裝氨氣濃度檢測(cè)儀和流量開(kāi)關(guān),以實(shí)施監(jiān)測(cè)泄漏和通風(fēng)量。通風(fēng)量≥30 次/h[9]，氣體濃度報(bào)警點(diǎn)設(shè)置為114 mg/m3。

在供給管和回液管上設(shè)置有DBB 控制閥塊，包含供給控制閥組和回液控制閥組，與液化石油氣（liquefied petroleum gas,LPG）供給系統(tǒng)具有相似設(shè)計(jì)。在需要緊急切斷時(shí)，關(guān)閉雙截止閥、開(kāi)啟泄放閥，將管路內(nèi)燃料應(yīng)急釋放至氨捕捉模塊。

考慮到氨進(jìn)機(jī)溫度要求較高，在寒區(qū)作業(yè)時(shí)，供給管上應(yīng)設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)和伴熱措施，在監(jiān)測(cè)到燃料溫度降到25 ℃以下時(shí)，予以再次加熱。[10]

該方案相較于LNG 供氣系統(tǒng)，有3 個(gè)典型的不同設(shè)計(jì)：一是增加了回流管；二是用燃料供應(yīng)單元替代蒸發(fā)單元；三是具有氨捕捉模塊。該方案與LPG 供給系統(tǒng)都為液態(tài)進(jìn)機(jī)噴射（liquefied gas injection,LGI），具有類似的回流管設(shè)計(jì)，但氨供給壓力要求更高，氨捕捉模塊替代了LPG 直接排放至透氣桅的設(shè)計(jì)。[11]

3.2 關(guān)鍵問(wèn)題的解決方案

3.2.1 燃料供應(yīng)單元的功能設(shè)計(jì)

通過(guò)設(shè)計(jì)燃料供應(yīng)單元，以實(shí)現(xiàn)過(guò)濾、加壓、加溫、緩沖、氣阻消除、超壓回流、惰化防爆，以及回流端的冷卻、混合物收集、防汽化、氣液分離等功能。整個(gè)燃料供應(yīng)單元由第一增壓泵106、第二增壓泵107、第一換熱器108、第二換熱器109、緩沖罐104、控制盤(pán)110、控制閥V1 至V10、控制閥V13、安全閥V21 至V23、管路201～ 210、氮?dú)夤?20～ 221、液位計(jì)230～ 231、控制信號(hào)線240、溫度傳感器251～ 255、壓力傳感器261～ 267、粗濾器280、精濾器281 等組成，相關(guān)信號(hào)接入控制盤(pán)110 進(jìn)行控制，并根據(jù)主機(jī)控制需要接入ECS。

工作時(shí)，第一增壓泵和第二增壓泵將燃料進(jìn)行階梯增壓，第一換熱器給燃料加溫，第二換熱器可將返回高溫燃料冷卻，返回管路204 上設(shè)置有旁通支管206 并在支管上安裝有緩沖罐，罐出口接入燃料管路205，管路205 接入第二增壓泵的入口，返回燃料經(jīng)管路205 進(jìn)入第二增壓泵可再循環(huán)進(jìn)入主機(jī)。管路和緩沖罐上設(shè)計(jì)有安全閥V21 至 V23,用于超壓時(shí)緊急泄壓至氨捕捉模塊。

燃料供應(yīng)單元如圖2 所示。

圖2 燃料供應(yīng)單元

3.2.2 緩沖罐的功能設(shè)計(jì)

緩沖罐設(shè)計(jì)為在主機(jī)啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行緩沖、減壓和消除氣阻；在停機(jī)后進(jìn)行氣液混合物收集和分離，分離后的液體返回燃料罐，氣體釋放至氨捕捉模塊進(jìn)行處理。

緩沖罐上設(shè)計(jì)有可開(kāi)度控制的閥門(mén)V9、閥門(mén)V10、安全閥V22 和壓力傳感器265。閥門(mén)V9 用于控制罐內(nèi)氣體排出至氨捕捉模塊，具有泄放減壓作用；閥門(mén)V10 用于控制氮?dú)膺M(jìn)入緩沖罐104 內(nèi)進(jìn)行增壓，通過(guò)V9 和V10 進(jìn)行開(kāi)度控制配合，可調(diào)節(jié)罐內(nèi)壓力。緩沖罐內(nèi)還設(shè)有液位計(jì)230、液位計(jì)231、閥門(mén)V13 和排放管路210。液位計(jì)231 為低位報(bào)警，液位計(jì)230 為高位報(bào)警，與閥門(mén)V13 聯(lián)控將緩沖罐的液位控制在高低位報(bào)警中間。

3.2.3 回流匯入設(shè)計(jì)

為使回液管中燃料重新進(jìn)入第二增壓泵入口并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，整個(gè)供給系統(tǒng)壓力和溫度控制區(qū)間設(shè)計(jì)參見(jiàn)下頁(yè)圖3：P1設(shè)定區(qū)間0.43～ 1.0 MPa，按氨飽和蒸氣壓將燃料罐最高工作溫度T0設(shè)定在區(qū)間0～ 25 ℃；P2設(shè)定區(qū)間2.9～ 3.2 MPa；P3設(shè)定區(qū)間2.65～ 2.9 MPa，T1設(shè)定區(qū)間35～ 45 ℃控 制；P4設(shè)定區(qū)間7.0～ 8.5 MPa。

3.2.4 惰氣系統(tǒng)防爆設(shè)計(jì)

如先前的圖1 所示，供給管上設(shè)置了氮?dú)夤?。主機(jī)啟動(dòng)前，先用氮?dú)獯党苈泛椭鳈C(jī)內(nèi)空氣，然后啟動(dòng)泵將管路和主機(jī)內(nèi)氮?dú)庵脫Q成燃料，氮?dú)夂腿剂匣旌衔锉皇占诰彌_罐；主機(jī)停止后，再次用氮?dú)膺M(jìn)行主機(jī)和管內(nèi)吹除，氮?dú)夂腿剂匣旌衔锉皇占诰彌_罐,氣液混合物在緩沖罐進(jìn)行分離處理。

3.2.5 氨捕捉模塊的功能設(shè)計(jì)

氨捕捉模塊功能為捕捉收集供給系統(tǒng)管路上排放和應(yīng)急釋放的氨燃料[12]，并進(jìn)一步處理和收集，以實(shí)現(xiàn)無(wú)害排放（參見(jiàn)圖4）。氨捕捉模塊包括如下部件：釋放罐102、捕捉罐103、收集柜105、吸附器111、控制閥V11 至V12、氮?dú)夤?22、液位計(jì)232～ 235、控制信號(hào)線240 以及氨氣濃度檢測(cè)儀270。

工作時(shí)，當(dāng)DBB 閥組、安全閥、緩沖罐和燃料罐等排放的介質(zhì)進(jìn)入釋放罐102，其中的液氨在釋放罐內(nèi)因降壓而快速汽化，汽化后的氨氣進(jìn)入捕捉罐103。氨氣濃度檢測(cè)儀270 進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到氨氣濃度大于設(shè)定濃度（如22.8 mg/m3）時(shí)，關(guān)聯(lián)啟動(dòng)管路210 進(jìn)行水霧噴淋，水霧與氨氣生成水合氨沉降在罐底部。通過(guò)2 個(gè)液位計(jì)（233 和234）關(guān)聯(lián)控制閥門(mén)V12 啟閉泄放來(lái)將液位保持在中間值。氨氣在水中的溶解比為700∶1，為最大利用水噴淋效率，可另安裝循環(huán)泵將捕捉罐內(nèi)液體循環(huán)至管路210 進(jìn)行再噴淋，在檢測(cè)到形成一水合氨飽和液后，才泄放至收集柜。

持續(xù)進(jìn)行水霧噴淋，直到釋放罐內(nèi)氨氣濃度檢測(cè)值低于22.8 mg/m3時(shí)，開(kāi)啟閥門(mén)V11，微量剩余氨氣進(jìn)入吸附器被吸附，最終實(shí)現(xiàn)安全無(wú)害排放。吸附器可采用無(wú)毒硅膠顆粒[13]，在飽和變色后予以置換。

釋放罐102 具有高位液位計(jì)232、高高位液位計(jì)235，當(dāng)液氨未汽化時(shí)便觸發(fā)報(bào)警。此時(shí)可提供2 個(gè)級(jí)別的報(bào)警信號(hào)，以進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作。氮?dú)夤?22 可將釋放罐102和捕捉罐103內(nèi)的氨氣稀釋并惰化吹除。

4 水力計(jì)算、仿真和結(jié)果分析

4.1 水力計(jì)算

為驗(yàn)證上述燃料回流重新匯入第二增壓泵入口的設(shè)計(jì)可行性，建立回流匯入模型，3 路分支在節(jié)點(diǎn)O匯合，見(jiàn)下頁(yè)圖5。

圖5 回流匯入模型

根據(jù)文獻(xiàn)[6]和水動(dòng)力學(xué)中多分支管路中所遵循的能量守恒和質(zhì)量守恒：

（1）質(zhì)量守恒

各截面節(jié)點(diǎn)的燃料流量相加后結(jié)果為0，應(yīng)遵守式（1）：

按圖3 中管路205 與管路201、管路202 重匯于第二增壓泵入口，3 條管路的質(zhì)量流量（Q201、Q202和Q205）之和等于0，如式（2）所示：

（2）能量守恒

支路上任取2 個(gè)截面，其節(jié)點(diǎn)的能量關(guān)系應(yīng)遵守式（3）：

此公式也適用在圖2 里設(shè)計(jì)的3 路分支匯合，即管路節(jié)點(diǎn)中任意2 處的總能都等于恒數(shù)C，其伯努利方程見(jiàn)式（4）：

式中：P為節(jié)點(diǎn)處壓力，MPa；ρi1、ρi2為兩點(diǎn)處的燃料密度，kg/m3；v為流速，m/s；h為位能高度，m；g為重力加速度，m/s2；hi1-i2為兩點(diǎn)間能量損失。

代入已知參數(shù)，即可運(yùn)用該方程算出其余未知數(shù)。

4.2 運(yùn)用CFD進(jìn)行快速仿真

在Flowmaster 軟件里建立簡(jiǎn)化模型，參見(jiàn)圖6，僅對(duì)主機(jī)運(yùn)行時(shí)燃料回流的穩(wěn)態(tài)進(jìn)行計(jì)算。以零件28 模擬燃料罐，零件12 模擬主機(jī)，零件27 為第一增壓泵，零件10 為第二增壓泵，零件20 和零件24 為供給管，零件13 為回路減壓元件，零件22 和零件15為回流管，基于燃料罐初始?jí)毫υO(shè)定為0.489 4 MPa，仿真結(jié)果如圖6 所示。經(jīng)2 級(jí)泵加壓，進(jìn)入主機(jī)節(jié)點(diǎn)3 處的壓力為7.996 MPa，燃料回流先經(jīng)減壓（在節(jié)點(diǎn)7 處的壓力為3.513 MPa），后在節(jié)點(diǎn)23（圖5 中節(jié)點(diǎn)O）處重新匯入第二增壓泵入口，壓力為2.663 MPa。仿真結(jié)果在圖3 所示的控制區(qū)間內(nèi)。

圖6 仿真結(jié)果

進(jìn)一步分析，以零件13 回路減壓元件作為可變參數(shù)，研究通過(guò)參數(shù)變化來(lái)影響管網(wǎng)中第一增壓泵出口壓力P2、第二增壓泵進(jìn)口壓力P3（即節(jié)點(diǎn)O）和第二增壓泵出口壓力P4。零件13 的壓力損失公式如下。

式中：Pj1為節(jié)點(diǎn)9 處的壓力，MPa；Pj2為節(jié)點(diǎn)7處的壓力，MPa；K為損失系數(shù)；ρ為燃料密度，kg/m3；A為橫截面積，m2；m2為質(zhì)量流量，kg/s。

以損失系數(shù)K為邊界參數(shù)，并結(jié)合式（1）至式（4），便可求解出ΔP、P2、P3、P4。

通過(guò)CFD 計(jì)算所得數(shù)據(jù)與結(jié)論見(jiàn)表1。

表1 仿真結(jié)果

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

從表1 計(jì)算結(jié)果分析：在損失系數(shù)K為650 時(shí)，結(jié)果1 為管網(wǎng)計(jì)算失敗，說(shuō)明回流匯入不成立；在損失系數(shù)K為4 000 時(shí)，回流匯入成立但結(jié)果7 中P3<2.65 MPa,不合格。

提取表1 數(shù)據(jù)，形成關(guān)系變化曲線，見(jiàn)圖7。在損失系數(shù)K定義為700～ 3 200 時(shí)，回流匯入成立且在圖3 所示的控制區(qū)間內(nèi)，結(jié)果合格。

圖7 損失系數(shù)K 與各點(diǎn)壓力關(guān)系

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)氨燃料特性，預(yù)設(shè)一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理模型，針對(duì)燃料供應(yīng)單元、緩沖罐、惰氣防爆設(shè)計(jì)和氨捕捉模塊等幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)展開(kāi)具體設(shè)計(jì)和功能解析，并通過(guò)CFD 仿真驗(yàn)證了原理模型的可行性和可靠性。

通過(guò)在回路設(shè)定減壓元件作為可變參數(shù)，分析出損失系數(shù)K與各點(diǎn)壓力關(guān)系曲線，計(jì)算結(jié)果表明：損失系數(shù)K對(duì)P2和P3影響較小，對(duì)ΔP和P4影響較大。仿真僅對(duì)回流壓力的影響進(jìn)行了分析，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合溫度、流量的變化深入研究，進(jìn)一步驗(yàn)證燃料供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

氨燃料作為具有良好前景的零碳解決方案[12]，多家船級(jí)社已發(fā)布了相應(yīng)的應(yīng)用指南，但基于對(duì)其毒性和安全性的考慮，目前IMO 所發(fā)布的《使用氣體或其他易點(diǎn)燃料船國(guó)際安全規(guī)則》（international code for ship using gases or other low-flashpoint fuels,IGF）中，尚未將其列入允許的燃料目錄，相關(guān)安全研究和法規(guī)的進(jìn)一步完善才能為氨燃料的大規(guī)模運(yùn)用釋放前景[14]。

以上僅針對(duì)氨燃料供給系統(tǒng)及其氨捕捉模塊展開(kāi)設(shè)計(jì)分析，基于氨的全生命周期考慮，綠氨的生產(chǎn)合成、全球供應(yīng)鏈和加注站的分布、氨主機(jī)燃燒工況研究和防逃逸措施、船舶擱淺破裂時(shí)的氨滲漏風(fēng)險(xiǎn)及減碳成本分析等環(huán)節(jié)都在不斷試驗(yàn)論證中，任一環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)氨燃料在船舶上的應(yīng)用產(chǎn)生制約，各環(huán)節(jié)的研究都需要不斷深入和修正，以使氨燃料真正符合船舶溫室氣體減排的遠(yuǎn)景目標(biāo)。