气体燃烧装置在液化天然气运输船的应用

张海涛

摘 要：分析了液化天然气运输船安装气体燃烧装置的必要性，然后以气体燃烧装置在柯蒂斯液化天然气运输船项目的应用为例，分析总结了气体燃烧装置的主要设备、工作模式、安装要求，为液化天然气运输船选用气体燃烧装置提供参考。

关键词：气体燃烧装置 液化天然气运输船 液化天然气

1.前言

液化天然气运输船在运输过程中会产生蒸发气，对蒸发气的处理方式主要有给动力装置作燃料使用、给气体燃烧装置燃烧掉、用再液化装置将蒸发气液化后回流至货舱。气体燃烧装置以安全和环境友好的方式将货舱自然蒸发的天然气焚烧，同时也可以处理货舱惰化或气体置换时从货舱排出的惰气和蒸发气的混合性气体。另外，即使双燃料动力装置能燃烧蒸发气，但是在液化天然气运输船进出港或者在锚地时，船需要的功率较低，蒸发气的产生量超过了动力装置需要的量，也可以通过气体燃烧装置将多余的蒸发气焚烧。

2.安装气体燃烧装置的必要性

采用蒸汽推进系统的液化天然气运输船，蒸汽锅炉可以用燃油或者燃气作燃料，并且过量的蒸发气可以给蒸汽锅炉燃烧掉，产生的过量蒸汽通过海水冷却成冷凝水供蒸汽锅炉循环使用，因此不需要额外的设备来处理过量的蒸发气。但是，由于蒸汽推进系统效率低，只有30%左右、并且环境法令日趋严格、合格的船载汽轮机操作人员紧缺，装备传统的蒸汽推进器的液化天然气运输船逐渐减少。

为了保护环境、节省燃料，液化天然气运输船船东逐渐选择用双燃料发动机或低速柴油发动机来代替传统的蒸汽推进系统，这两种推进系统需要配置再液化装置将蒸发气液化后回流至货舱，或者配置气体燃烧装置将蒸发气燃烧掉。目前，普遍采用的方案是双燃料发动机配置气体燃烧装置将发动机用不完的蒸发气或者发动机突然故障关停导致的过量的蒸发气燃烧掉，或者低速柴油发动机配置再液化装置将蒸发气液化回流至货舱。据业界估测，在所有装备两冲程及四冲程双燃料发动机的液化气运输船中，85%的船只装有气体燃烧装置，通过在安全且可控的条件下燃烧来自货舱的多余气体来调控货舱压力。

3.气体燃烧装置

气体燃烧装置有点火油点火的和电子点火器点火的。柯蒂斯液化天然气运输船项目选用的是电子点火器点火的，无需点火油，没有透孔顶盖、耐火内衬，风机既可以助燃，也可以用于排放尾气，设计更为简约，安装位置极为灵活，操作和维护方便。

3.1主要设备

气体燃烧装置主要由燃烧器、燃气阀组、空气阀组、燃烧腔、燃烧和稀释空气风机、控制柜及附件组成。燃烧器不需要燃气/空气配比控制装置，燃烧所需要的氧气从进入燃烧腔的空气中获得。挡板上安装有两个间歇性电子点火器，紧邻燃烧器。燃气阀组主要用于控制燃气流量和压力，以及燃气管线的氮气吹扫。燃烧腔设置在排烟管内。排烟管内需要设置两个热电偶，用于测量排气温度。气体燃烧装置停止后，风机需要持续运转，直到燃烧腔温度降低到不超过环境温度10℃以下并且运行30分钟后才可以停止风机允许。如果失电情况下，燃烧腔也可以自然冷却，冷却时间取决于环境温度。风机的气流是不变的，不管燃气量多少。气体流速的计算需要确保在最恶劣工作状况下，排气温度低于535℃。每台风机的容量为所需总容量的33%，正常情况下需要3台风机同时运行，1台备用。只有1台风机运转时，气体燃烧装置会出现报警，无风机运转时会自动关断气体燃烧装置。控制柜主要用于气体燃烧装置的操作、报警及关断的处理。另外，气体燃烧装置还需要配置2套火焰检测系统和2个燃烧腔压力传感器。火焰检测探头有火焰探头和继电器组成。火焰探头安装燃烧腔支架上，以便在任何可能的工作状况下检测火焰状况。火焰探头需要一直供应仪表气（包括气体燃烧装置停止状态下），以便冷却和防灰。继电器安装在控制柜上。燃烧腔压力传感器主要用于测量燃烧腔的压力，压力与流速相关，如果1台或者2台风机出现故障，压力下降将被传感器及时检测到。空气阀组主要用于在寒冬状况下向燃烧器底部提供少量的热风，防止降雪等状况造成燃烧器和火花塞区域结冰或者结霜，保证火花塞在冬季也可以正常点火；气流由风机提供，经过电加热器加热，室外温度低于3℃超过5分钟并且气体燃烧装置没有运行时，空气阀组自动启动，室外温度高于5℃超过5分钟或者气体燃烧装置运行时，空气阀组自动停止。

3.2工作模式

在点火前，需要对燃烧腔和排气管区域进行吹扫，吹扫风量是燃烧腔和排气管体积的4倍以上，确保燃烧腔和排气管区域没有未燃尽的气体。吹扫过程需要持续到至少2台风机运行30秒以后，吹扫过程由气体燃烧装置的控制系统自动控制。设备停止时先启动点火器，然后关闭主燃气阀、打开主放空阀，之后停止电子点火器，然后自动启动氮气吹扫程序，持续吹扫35秒，氮气吹扫完毕后气体燃烧装置才可以再次启动。

气体燃烧装置的工作模式主要有：正常气体模式、暖舱模式、自由流量模式。正常气体模式是正常模式。暖舱模式主要用于货舱加注前、货舱惰化时燃烧高含氮量的气体混合物；由于氮含量超过一定量时，混合气体不是易燃的，并且火焰也不稳定，这种状况下点火变压器保持工作以提供稳定的点火源；这时，火焰检测将被旁通，即使火焰丢失也不会导致气体燃烧装置关断，这种模式只有在遥控状态下可用，启动前及此模式运行时，要确保点火器正常工作；此外此模式下的燃气流速需要限制在正常工作流速的50%以下。自由流量模式下，天然气直接从货舱流向燃烧器，不需要使用压缩机，此模式只有在压缩机没有运行时才可以启动。另外，配置再液化装置的液化气运输船还需要有一种废气模式，来处理再液化装置不能液化的废气。

气体流量的控制是通过燃气控制阀实现的，燃气阀组设置有燃气温度、阀位异常、控制空气压力、燃气压力、燃气流量等报警点，燃烧器设置有火焰故障、燃烧腔压力、燃烧腔温度、排气温度等报警点。如果集成控制系统的燃气流量计故障，气体燃烧装置将自动切换到开始循环控制，流量控制阀根据PLC预先存储的曲线通过线性差值预估的命令来调节，此时，实际气体流量和预估的有差异，只要装置一直运转，就必须通过操作者停止装置后才能返回到正常闭环控制。如果排气温度或者燃烧腔压力接近设定点，控制系统将自动减少燃气流量设定值。

3.3安装要求

船级社对气体燃烧装置的首要要求就是安全处置过量蒸发气，避免产生过热区域，防止天然气释放到气体燃烧装置的排气区域被引燃。甲烷的引燃温度大概在540—705℃。美国海岸警卫队首次提出气体燃烧装置的最高温度要求为535℃，这个温度也被多数船级社认可。

船级社对气体燃烧装置的第二个要求就是气体燃烧装置的排气要避免损坏天线或危害船员健康。气体燃烧装置的布置应靠近到双燃料发动机机舱或再液化装置的蒸发气供气管路，还需要尽可能远离驾驶台和居住舱，同时需要采取措施减小燃烧腔和风机的噪声，另外还要考虑风机布置容易从外面吸进新鲜的空气。因此，气体燃烧装置基本布置在船艉机舱棚。

气体燃烧装置的安装步骤主要是风机安装、排气管安装、燃烧腔吊装、燃烧腔安装、减震器安装、附件安装。风机的安装要考虑振动及噪音要求。燃烧腔的安装要保证以保证燃烧腔的垂直定位确保燃烧腔顶部和排气管的间隙，相对两个位置间隙差必须小于5mm。

4.结论

气体燃烧装置以安全和环境友好的方式很好地处理了液化天然气运输船货舱产生的蒸发气，将会在安装有双燃料动力装置的液化天然气运输船上得到更广泛的应用。

參考文献：

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