某型电力推进LNG双燃料动力船燃气供应系统设计

上海振华重工（集团）股份有限公司 谷林春

LNG双燃料动力船的供气系统FGSS因其服务对象不同，在不同的动力装置中会有不同的特点。就目前船舶LNG燃料动力装置技术现状而言，有两种技术路线：高压LNG燃气柴油机动力和低压LNG燃气柴油机动力。

在高压供气系统中，300bar左右燃气压力由LNG增压泵获得。LNG从燃料舱储罐中被低压泵输出后经高压泵对其进行增压，增压以后的LNG再用乙二醇水等进行加温汽化，然后送至GVU单元中进行流量调节，最终送至高压双燃料低速二冲程柴油机主机中。同时，该高压供气系统也可以向四冲程双燃料发动机提供6bar的燃气。

低压供气系统，可以给比较早发展的四冲程双燃料发动机提供6bar燃气，也可以设计成向近些年新发展WIN G&D公司的XDF型低速二冲程柴油机（包括MAN 公司正在研发的ME-GA型）提供16bar燃气。

某型船动力装置配置

如常规的双燃料DFDE电力推进装置一样，某型船动力系统采用双燃料柴油机发电，经配电板、变压器、变频器、推进电机以及减速齿轮箱推动螺旋桨产生动力。双燃料柴油机采用四冲程中速DF机，船舶电站采用三相690V/50Hz电制，电推主机采用两台4.5MW吊舱式推进电机。主发电机选型方案为：WARTSILA 6L 34/40DF×4，港口停泊发电机为MAN 23/30DF×1。

动力装置燃气供应系统FGSS

双燃料动力船舶的FGSS系统主要功能是向双燃料柴油机提供满足一定压力、温度和流量需要的燃气。从船用燃气供应系统的组成环节来看，需要有加注环节、储存环节、汽化环节以及向DF机供气（GVU）环节。在设计上，将该系统储存环节泄漏的热量降至最低，以确保尽可能长的舱内LNG保持时间。

图1 典型电力推进 LNG双燃料动力船动力装置构成

本项目船的燃气供应系统FGSS主要组成包括：LNG加注站、LNG燃料储罐及连接空间TCS、LNG燃料泵、LNG汽化器、燃气加热器、BOG压缩机、燃气缓冲罐、GVU燃气阀组、N2吹洗管线、乙二醇水泵、乙二醇水加热器、乙二醇膨胀柜、通风系统、控制系统、可燃气探测系统以及火灾报警系统组成。

可用的LNG燃料储罐技术方案

在LNG燃料储罐选型过程中,有数种可选方案。根据IMO组织制定的散装液化气体运输船规范IGC Code,国际上对散装运输液化气体船舶的货物围护系统，也就是液货舱的类型，有整体型液货舱、薄膜型货舱、半薄膜型液货舱、独立式液货舱以及内部绝热液货舱五种类型。

1、C型压力式燃料罐

在实际的FGSS系统设计中，C型压力式LNG存储技术根据项目的不同可以使用四种不同方式：C型-真空绝缘圆柱形储罐、C型-PUF绝缘的圆柱形储罐、C型-PUF绝缘的双耳罐以及薄膜型储罐。选择最适合的LNG存储技术的时候，一般需要考虑存储容量和船上可用的空间。此外，三个重要参数也必须考虑：保温时间、装载限制和最大允许释放阀设定压力（MARVS）。

2、薄膜型燃料罐

GTT公司的Mark III和NO.96型货舱技术都可以采用。但是，由于Mark III技术本身在主层屏蔽膜强度方面比NO96具有优势，所以在LNG燃料舱存储应用方面，Mark III应用较多。

3、LNT-A Box型燃料罐

近些年，LNG存储技术一个新的发展动向就是LNT Marine公司开发成功了一个新型的A型货舱技术。该技术采用IMO A型货舱技术，在棱柱形液货舱外部的船体结构内壁上的绝缘层上有一层完整的次屏蔽。

燃料罐容量的确定

为确定LNG燃料储罐的容量，必须找出船舶电网的最大持续功率消耗工况点，结合船舶设计最大续航力的数据，计算出理论需求最大的LNG燃料储罐的容积。

1、动力装置电力负荷计算

某型船舶的工作状态分为：海上航行状态、装卸货状态、进出港状态、在港状态、应急状态，共计5个工作状态。在所有的5个工作状态当中，海上全速航行状态是属于功率消耗最大（9285kW）的工作状态。

2、动力系统中可选择DF机

在船用双燃料柴油机市场，综合目前国内国际两个市场情况来看，国外主流四冲程DF柴油机以MAN和WARTSILA的四冲程柴油机为典型代表。根据电力负荷计算结果，在最大电站功率9285kW情况下，每台在网主发电机平均分配到的功率应该是9285÷4=2320kW。这个功率级别的DF柴油机，分别有MAN公司的6L 35/44DF和WARTSILA公司的6L 34/40DF两种机型可选。两种机型的柴油机由于其自身特性所限制，在同样负荷工况点的耗气率有明显差别，据图2可以明显看出，MAN 35/44DF机在燃气模式下的耗气率要明显低于WARTSILA公司的34/40DF机型。

图2 MAN 6L 35/44DF与WARTSILA 34/40DF耗气率对比

如果单纯从DF机的耗气率来考虑，MAN 6L35/44DF无疑是最合适的。然而，考虑到在网机的运转负荷， MAN 6L35/44DF的额定功率为：

WARTSILA 34/40DF的额定功率为：

相应地，如果都选择720rpm机型，两种DF柴油机在本项目中的运转工况分别是：

综合以上情况，虽然MAN 6L 35/44DF在耗气率有优势，然而这种机型在网状态的负荷百分比较低，同时如果选取这种机型会造成柴油机闲置功率太大，会造成将近25%的发动机功率容量浪费。

3、动力装置燃料罐容量计算

船舶在海上航行为满足设计续航力要求，需要配备足够的燃料。为了确定所需的LNG燃料储罐的舱容，需要通过DF柴油机的耗气率数据，计算出船舶在航行功率下，按设计航速航行续航力里程所需要的燃料总量。

表1 两种DF柴油机的运转工况

（1）WARTSILA 6L 34/40DF柴油机耗气率计算

查询WARTSILA公司提供的WARTSILA 6L 34/40DF柴油机的产品手册Project Guide可得相关该机型的气耗率信息。

本项目海上全速工况下，主发电机WARTSILA 6L 34/40DF柴油机工作负荷百分比为：

9285÷(2880×4)=80.6%

根据表2，可以在WARTSILA 6L 34/40DF柴油机75%和85%负荷区间内，采用中间插值法计算出80.6%负荷点的近似耗气量为：

表2 WARTSILA 6L 34/40DF型柴油机燃气消耗率表

7526+(7743-7526)÷(85-75)×（85-80.6)=7621 kJ/kWh

（2）动力装置对燃气品质要求

作为双燃料发动机，Wärtsilä34DF发动机设计为在燃气模式或柴油模式下连续运行。Wärtsilä34DF发动机可以使用燃气（天然气）或船用柴油（MDO），也可以使用重燃油（HFO）作为燃料。双燃料柴油机在燃气模式下运行时需要外部供气系统和燃料供油系统同时工作。为了在额定输出功率下连续运行，在气体运行模式下用作主要燃料的气体必须满足一定的质量要求。

根据WARTSILA公司提供Project Guide，可以查得对气态天然气甲烷值要求是最低MN70，燃气进机温度为0～60℃，气态甲烷的低热值为24MJ/m3N（以体积为参考）。

（3）动力装置所需LNG燃料储罐容量计算

基于上述计算结果，在计算LNG燃料储罐所需最大容量的时候，需要考虑船舶以14节设计航速运行时的最大续航力。预计最大续航力为12000海里。那么以设计航速完成12000海里续航力的航行时间可以计算出来。然后根据上述5.3.1中计算的WARTSILA 34/40DF柴油机在80.6%负荷工况点的气耗率7621kJ/kWh之结果，结合此种工况下主发电机的功率输出9285kW，可以计算出总的燃料能量消耗量。如下列计算过程所示：

为了计算出所需的LNG的量，我们需要确定LNG的热值及密度。在LNG热值方面，不同气源产地的LNG有不同的热值。世界各地产出的LNG热值基本在49.0～49.9MJ/kg之 间。 我 们可以根据业内的常规做法选择一个参考数据。MAN公司推荐采用 的LNG热 值 为49.6MJ/kg，WARTSILA公司推荐热值也为49.6MJ/kg。

LNG与传统燃料不同，因为LNG是在低温下以液体形式存储的气体。在船舶和船舶安全概念中，需要考虑气体的挥发性和LNG的低温两个因素。下表罗列出在双燃料柴油机中所使用的三种不同燃料，轻油、重油、LNG的不同密度及热值（WARTSIL公司推荐）。

综上，在本科研项目中我们取LNG的热值为49.6 MJ/kg。

因此，结合上述计算结果，本项目船航行12000海里所需要的LNG的量为：

表3 双燃料柴油机中所使用的三种不同燃料的热值对比（来源于WARTSIL公司资料）

从上述计算过程，可以得出，理论上满足续航力要求所需的LNG约为1223吨。

在进行LNG体积相关计算时，需要选取LNG的不同的参数值。下列为不同的设计方所采用的不同的设计参数：

①TGE方面在进行相关计算时，其采用的数据为：

②WARTSILA方面在进行相关计算时，其采用的数据为：

一般地，业内在计算LNG密度时认定LNG的密度在410～500kg/m3之间。计算最终LNG储罐容量时，我们参考MAN公司推荐的方案，在进行LNG储罐等强度计算时，取LNG比较大的密度470kg/m3，然而在进行燃料热值等相关计算时取比较小的密度425kg/m3。LNG的热值，我们选取49.6MJ/kg。因此航行12000海里所需要的LNG总量是：

7621×9285×(12000÷14）÷1000÷49.6÷425=2877 m3

考虑C型LNG储罐95%的充装率和5%的使用下限，可用量约为储罐几何容积的90%，则储罐几何容积为：

2877÷90%=3196.7 m3≈3200m3

因此，为满足设计续航力所需要的LNG燃料储罐的容积应该是3200m3。

若考虑实际加注的LNG热值可能低于上述设计热值的情况， 还需留出一定的设计余量，则储罐的容积还会相应增加。这个计算结果只是为了满足12000海里续航力需求而估算的最大LNG燃料储罐容量。但是，在实际设计当中，还不得不考虑船上实际可用的LNG燃料罐存储空间。最终的实际LNG燃料罐存储容量，以实际可用空间计算为准。