大型双燃料动力集装箱船氮气系统设计与配置

孟繁伟， 王 怡

(1.中船邮轮科技发展有限公司， 上海 200137； 2.上海外高桥造船有限公司， 上海 200137)

0 引 言

随着国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)对船舶污染物排放要求的日益严格，液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)燃料已成为国际船舶未来主要替代燃料之一[1]。根据《国际防止船舶造成污染公约》[2](MARPOL附则VI防止船舶空气污染规则)要求，所有经过排放控制区域的船舶必须满足硫氧化物及氮氧化物的排放要求，这将进一步刺激市场对天然气动力船的需求。

对于双燃料动力船而言，在设计过程中需考虑相关规范对船舶安全使用LNG 的相应要求，以确保双燃料发动机的安全运行。气态和液态天然气均属于高度易燃易爆物质[3]，且以极低温度储存，一旦泄漏会对人员造成严重冻伤并使常温管材和设备产生脆裂现象[4]。LNG易气化挥发，当与空气混合且达到一定比例时，易发生火灾和爆炸事故。

一般液化气与空气混合比在1.5%～15%属于可燃范围，液化气和空气的比值低于1.5%时称为过稀，高于15%时称为过浓，过稀和过浓都不会引起燃烧或爆炸。然而在LNG燃料处理过程中，LNG燃料储存舱内的气体组成会持续处于这个可燃范围(丁烷的可燃极限为1.5%～9%，甲烷的可燃极限为5%～15%)内，因此必须采取一些特殊的预防措施加以避免该问题。

为保证船舶的安全运营，相关规范、规则及船级社要求在双燃料动力船上使用氮气对燃气阀组(Gas Valve Unit， GVU)、燃气管、双燃料发动机等部件进行吹洗，使其中空气的含氧量减少至不能支持火灾或爆炸的程度，以避免形成爆炸危险环境，对船舶进行有效保护。为保证氮气系统的可靠性，通常在双燃料动力船上设置专门的氮气发生器，将其产生的氮气作为船上相关设备和部件的吹扫气体。

本文以某20 000 TEU大型双燃料集装箱船为研究对象，从安全的角度出发并结合规范要求，提出氮气系统的设计与配置方案，为相关研究及工程设计提供参考。

1 氮气系统概述

1.1 氮气系统构成

氮气系统主要由氮气发生器和氮气缓冲罐组成。氮气发生器从供气空压机获取压缩空气，空气经干燥和过滤后送至氮气发生器进行处理，其后产生的氮气排至氮气缓冲罐进行储存，在用气时氮气从氮气缓冲罐输送至各用户。图1为氮气系统工作流程图。

图1 氮气系统工作流程

氮气系统可提供满足双燃料动力船所需的氮气。氮气规格如表1所示。

表1 氮气规格

1.2 规范对氮气系统的要求

氮气系统与双燃料动力船上其他系统一样，在设计时必须遵循相关的规范、规则以及相关设备制造厂的要求和推荐。其中， IMO制定的强制性规定《使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则》(InternationalCodeofSafetyforShipsUsingGasesorOtherLow-FlashpointFuels， IGF规则)[5]中的要求是必须满足的，且适用于所有双燃料动力船。

根据IGF规则相关规定，氮气系统的设计须满足以下要求：

(1) 惰性气体系统须实现清除燃料加注管路可燃气体的功能，当不进行加注操作时，须保证管线内无可燃气体。

(2) 惰化和吹扫系统的主要目的是防止燃料系统的管系、燃料舱、设备和邻近处所的内部、附近或周围形成可燃气体。

(3) 燃料系统的惰化和吹扫程序须确保空气不被引入管系或燃料舱，气体燃料不被引入邻近燃料系统的围阱或处所。

(4) 加注管路须布置成具备惰化和除气功能。当加注管路闲置时，须保持除气状态，除非不除气的后果已经经过评估和批准。

1.3 氮气系统功能

双燃料动力船氮气系统的功能是提供足够容量的氮气用于如下用途：(1)LNG加注管路在加注后的惰化；(2)LNG燃料管路在维修前的惰化；(3)LNG燃料储存舱驱气后的透气；(4)LNG燃料储存舱绝缘层空间的供气和吹扫；(5)蒸发气(Boiled Off Gas， BOG)压缩机的密封；(6)向主/副机和锅炉GVU的吹扫；(7)LNG加注管、气液管路、放空管和仪表等的吹洗；(8)泄漏试验连接；等等。

需要注意的是，LNG燃料储存舱在初次加注或维修后再加注都需使用氮气对LNG燃料储存舱进行氮气置换惰化并用液氮初步冷却储罐舱体。这需要设置临时设施来供给氮气，通常使用液氮槽罐车运输液氮，液氮气化后向船上供给氮气用于惰化和冷却。初步估计20 000 TEU双燃料集装箱船上置换和冷却用的液氮耗量约200 m3，该耗量不包括船上氮气发生器产生的氮气容量。

2 氮气系统设计

2.1 氮气用途和耗量

为维护LNG燃料供气系统的安全运行，需连续或者间歇性地对一些用气设备和燃料管路进行氮气吹扫、密封和置换。

表2 氮气系统用户及耗气量

根据表2中的计算结果，氮气的连续耗量为10 m3/h，间歇耗量为82 m3/h。按30 d的续航力计算，氮气消耗总量约7 200 m3(30 d×24 h×10 m3/h)。

2.2 氮气供气模式选择

选择氮气的供气模式，需兼顾氮气连续耗量和间歇耗量，同时也需考虑在续航期内的总体消耗量。目前广泛应用的小型供氮系统主要有以下几种型式：

(1) 氮气瓶组。氮气瓶组的型式适合小型LNG气站，该方案可连续供气，也可间歇性供气。20 000 TEU大型双燃料集装箱船续航时间长，在续航期内氮气消耗总量大，需要的瓶组也较多，占用空间大，因此该方案不适用该船型。

(2) 液氮储存气化。通过在船上储存液氮然后再气化供应氮气是一种常用的氮气供应方式，液氮通常布置在主甲板上，该方案在一些LNG运输船上有应用案例。考虑到20 000 TEU大型双燃料集装箱船主甲板空间局限性及设备管理问题，该方案不适用。

(3) 薄膜式氮气发生器。膜分离技术的原理是采用高科技中空纤维膜，当气体混合物通过高分子膜时，不同气体在膜中相对渗透速率不同，从而实现混合气体分离的目的。薄膜式氮气发生器的体积小且运行可靠，是常用的制氮设备，但薄膜制氮的空氮比例高，与相同规格的变压吸附式(Pressure Swing Adsorption， PSA)氮气发生器相比价格较高。

(4) PSA式氮气发生器。PSA式氮气发生器是以空气为原料、以碳分子筛为吸附剂，利用其对氧与氮的选择性吸附而使氮和氧分离的方法，是纯物理的分离方法。该型式氮气发生器制氮方便快捷、可靠稳定，可提供持续不间断的氮气供应；与其他制氮方式相比，其具备运行成本低、能耗低和效率高等优点，且产生氮气的质量较高，氮气纯度可达99.999%。

结合上述分析结果，综合对比不同型式氮气发生器的空氮比和设备价格等因素，20 000 TEU大型双燃料集装箱船更适宜使用PSA式氮气发生器作为船上氮气系统的氮气来源。氮气系统原理图如图2所示。

图2 大型双燃料集装箱船氮气系统原理图

在系统工作时，将抽取的空气由空压机压缩至一定压力后，先后送入空气干燥器和过滤器去除压缩空气里的水分和杂质，之后排至空气瓶，给氮气发生器提供空气，空气进入氮气发生器后经过处理得到满足要求的氮气，产生的氮气送入氮气缓冲罐后便可送至BOG压缩机、加注站、GVU及相关燃料管路等多个处所以实现密封或吹扫的功能。

3 氮气系统配置

以20 000 TEU大型双燃料集装箱船为例，确定氮气系统内各主要设备的容量，相关计算如下。

3.1 氮气发生器数量计算

为确定PSA式氮气发生器的制氮能力，主要考虑如下因素：

(1) 氮气连续供气量(10 m3/h)：系统需要连续供气时的氮气消耗量；

(2) 最大氮气间歇供气量(LNG 燃料储存舱绝缘层空间吹扫30 m3/h)：系统间歇需要供气时的氮气消耗量；

(3) 系统设计裕量：为保证氮气系统工作的可靠性，需为系统考虑20%的设计裕量；

基于上述因素，PSA式氮气发生器的制氮能力为(氮气连续供气量+氮气间歇供气量)×120% = 48 m3/h。考虑到系统冗余，该船配置2台PSA式氮气发生器。

3.2 氮气缓冲罐容积计算

氮气缓冲罐的容量通常应按照LNG供气系统厂家和船舶建造规格书要求进行选择，氮气缓冲罐应设计有足够容量以防止氮气发生器在正常航行过程中每小时超过2次的频繁启动，从而影响其使用寿命，氮气发生器会根据氮气缓冲罐的压力自动起停。

氮气缓冲罐容积计算公式如下：

V=(Δm·R·T)/(Δp·MW)

式中：Δm为5 min吹扫所需的氮气质量(单次操作的最大量为80 m3/h，加注时吹扫LNG管)，Δm= 80 m3×5 min ×1.25 kg/m3/(60 min)= 8.4 kg；R为气体常数, 取8.314 J/(mol·k)；T为大气温度, 取303 K；Δp为储罐压降, 取0.4 MPa；MW为氮气摩尔质量, 取28 g/mol。

通过计算，氮气缓冲罐容积为1.88 m3，实际选用1.9 m3。

3.3 空压机容量计算

PSA式氮气发生器的空气来源为压缩空气，其制氮所消耗的压缩空气量根据氮气发生器厂商的空氮比经验值估算，根据相关厂商参考资料，当氮气纯度(体积分数)为97%时本船所选用氮气发生器的空氮比为2，即每台制氮装置至少需要的供气压缩空气量预估为96 m3/h，压力为7 bar。对于2台制氮装置则需配置2台至少96 m3/h的空气压缩机。

综上所述，该大型双燃料集装箱船氮气系统主要设备配置选型如表3所示。

表3 氮气系统设备配置选型

4 结束语

结合IGF规则要求，以20 000 TEU大型双燃料集装箱船为研究对象，对该船的氮气系统设计与配置方案包括氮气系统工作原理、氮气发生器选型的主要设备容量计算进行分析。研究表明，对于双燃料动力船，必须满足IGF规则中对于氮气系统的要求，对船上LNG燃料储存舱、燃料管道及相关用气设备等处所使用氮气进行惰化或吹扫，使得系统中的天然气完全被氮气取代，彻底消除可能的爆炸风险。

随着双燃料动力船舶的日益增多，相关船上的安全性也得到越来越多的重视，在船上配置氮气系统是防范燃气风险的重要手段之一。本文所述的氮气系统是针对大型双燃料集装箱船的，设计思路与其他双燃料动力船类似，可供相关设计人员参考。