船用液化天然气燃料供气系统原理及应用

高天鸿 成杰

为了限制船用柴油机废气排放对环境的污染，国际海事组织通过相关排放附则对船舶发动机的氮氧化物和硫氧化物排放限制作出明确规定。为了实现节能减排，满足日益严格的排放法规要求，选择性催化还原、废气清洗、废气再循环、双燃料发动机、双燃料供气系统等新技术应运而生。作为双燃料供气系统技术分支的液化天然气（liquefied natural gas，LNG）燃料供气系统以船载LNG为原料，通过增压、汽化等工艺流程，将LNG先转变为满足发动机进气要求的气态天然气，再供发动机燃烧做功。本文介绍船用LNG燃料供气系统组成及各模组工作原理，以期为系统应用提供参考。

1 船用LNG燃料供气系统组成

典型的船用LNG主要组成成分为甲烷（体积分数94.0%），还有少量的乙烷（体积分数4.7%）、丙烷（体积分数0.8%）、丁烷（体积分数0.2%）和氮气（体积分数0.3%）。船用LNG燃料供气系统类似于船用燃油系统，能够为主机提供LNG燃料。根据发动机进气压力的不同，船用LNG燃料供气系统可分为低压供气系统和高压供气系统。[1]船用LNG燃料供气系统的工作原理是：将船载LNG通過汽化、加热、加压等方式转变为气态天然气，定时、定量地提供给船舶主机或其他用气设备。船用LNG燃料供气系统由多个模组构成，主要包括LNG存储和监控系统、LNG加注站、LNG汽化加热系统、LNG加热循环系统、LNG加注和供气管路、安全系统、电控系统等。[2]

2 船用LNG燃料供气系统模组及其原理

2.1 LNG存储和监控系统

适配LNG存储和监控系统的LNG液货舱型式有A型独立燃料罐、B型独立燃料罐、C型独立燃料罐和薄膜型燃料舱等，具体特点如下。

（1）A型独立燃料罐 A型独立燃料罐大多采用方形设计，配有完整的次屏壁，最大设计压力一般不超过0.07 MPa，工作温度在 55 ℃以下。

（2）B型独立燃料罐 相较于A型独立燃料罐，B型独立燃料罐的围护系统经过更为精准的应力分析校核，因此仅配备部分次屏壁，设计压力通常不超过0.07 MPa。B型独立燃料罐主要包括MOSS球形罐和SPB棱形罐两种结构。

（3）C型独立燃料罐 C型独立燃料罐按照压力容器的要求设计和生产，分为单C型、双C型和三C型，需要配备马鞍式底座支撑，不需要配备次屏壁，设计压力通常不大于2.16 MPa。C型独立燃料罐按结构可分为双层真空绝热罐和外包绝热层单壁压力罐。双层真空绝热罐的特点是：绝热性能好，蓄压时间长，容积不宜过大，制造成本较高。外包绝热层单壁压力罐的特点是：绝热性能取决于绝热层的厚度，蓄压时间取决于储罐的设计压力和工作压力。

（4）薄膜型燃料舱 薄膜型燃料舱的主屏壁由薄层组成，有完整的次屏壁。作为船体结构的一部分，薄膜型燃料舱须承受与船体结构相同的载荷应力，并且由于船体结构不含低温钢，存在因燃料消耗而导致的晃荡问题。类似的储罐型式液货舱还有半薄膜型燃料舱，其主屏壁也由薄层组成，但比薄膜型燃料舱的主屏壁厚，一般采用殷瓦钢材料。半薄膜型燃料舱空载时为自持型，而装载后则变为非自持型。

在燃料舱设置仪表设备，以便远程或就地读取和监测其重要参数，实现对气体燃料系统的安全管理。一般通过船舶主控制站和驾驶室监控报警板监测燃料舱压力、温度和液位，监测项目在《国际散装运输液化气体船舶构造与设备规则》和《使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则》中有明确要求。船上安装的非固定式燃料舱也应按固定式燃料舱的要求配备监测系统，以保证船舶营运安全。[3]

2.2 LNG加注站

LNG加注站配备带绝热层的液体充装管线和蒸气回气管线，用于向LNG燃料罐内充装燃料，一般安装于舷侧的露天甲板上，以确保有良好的自然通风条件。若要将LNG加注站设置在围蔽或半围蔽处所，应通过风险评估并经船级社同意。LNG加注站安装须注意以下几点：（1）在布置加注接头和管路时，确保燃料管路不影响船舶燃料围护系统，以免气体不受控排放;（2）在加注接头和其他可能泄漏的位置下方安装带有泄放阀的承滴盘，以便通过管路将泄漏物排出舷外;（3）充装接头设置防飞溅装置、干式拉断阀或自封式快速释放装置和应急切断阀。LNG加注方式有槽车加注、岸基加注、LNG趸船加注和船靠船加注等。

2.3 LNG汽化加热系统

LNG汽化加热系统的作用是通过热交换方式将LNG汽化，并将其加热到发动机允许使用的温度。汽化加热器一般采用容器式热交换器，外壳采用耐低温不锈钢材料，内管采用不锈钢螺旋盘管结构，可避免产生气阻。汽化加热器可与燃气缓冲罐、PBU蒸发器或增压泵、安全阀、低温截止阀、压力表、温度表等集成到气密冷箱内，形成汽化加热器撬块，同时须满足船级社关于通风系统换气能力的相关要求。

2.4 LNG加热循环系统

LNG加热循环系统的作用是向汽化加热系统或压缩机单元提供热源，通常采用水和乙二醇混合溶液作为加热循环介质。该介质冰点为 30 ℃，可有效防止LNG汽化加热器换热管表面结冰，从而提高换热效率。乙二醇管路采用氮气增压方式，以防燃气进入加热系统。LNG加热循环系统主要由乙二醇泵、热交换器、阀门和仪器仪表等组成，可配备电加热器，用于特定情况下加热介质。水乙二醇溶液加热汽化加热器后，可通过发动机冷却水或船上的蒸气对水乙二醇溶液再加热，从而形成完整的加热循环系统。该系统可集成到撬块上，便于运输和船上安装布置，有利于节省空间。

2.5 LNG加注和供气管路

LNG加注管路为加注站到储罐之间的低温管路，可采用双层真空绝热管或外包绝热层单壁管路。管路设计除须满足常规强度、温度等要求外，还应经过低温应力分析，高压供气管路还须考虑振动和疲劳等应力影响。

LNG供气管路为冷箱后到发动机前的气体管路，采用不锈钢双壁管结构，内管为燃气供气管，外管为通风导管。当发动机在气体燃料模式下运行时，外管须进行有效的负压式机械通风。

2.6 安全系统

（1）惰性气体系统 惰性气体系统用于向装有危险品的舱室、容器或管路输送惰性气体，以降低环境中的含氧量，从而营造不可燃的环境条件。LNG动力船主要采用氮气系统，其作用是降低LNG储罐及相关管系中的含氧量，并在LNG燃料充装结束后对管线进行吹扫。对于存放氮气发生器和氮气储罐的舱室，通风系统应设置低氧报警装置，并且每小时至少换气6次。

（2）可燃气体探测装置 含有液态或气态天然气管路的处所设置可燃气体探测装置，包括固定式气体探测器和便携式气体探测器，装置数量根据处所的面积、布置和通风等情况来确定。当可燃气体含量达到爆炸下限的20%时，触发声光报警;当2个探测器探测到可燃气体含量达到爆炸下限的40%时，触发安全系统。对于机舱内气体管路环围的通风导管：当可燃气体含量达到爆炸下限的30%时，触发声光报警;当2个探测器探测到可燃气体含量达到爆炸下限的60%时，触发安全系统，燃气主阀自动关闭（还可在驾驶室、监控室、主甲板上加注站控制台等区域遥控关闭燃气主阀）。

（3）透气系统 气体燃料罐舱室和穿过船上围蔽处所的气体管路双壁管外管设有负压式机械通风系统，通风能力满足每小时至少换气30次，且通风范围360叭哺恰Mǚ缦低撤缁亢凸β逝渲糜δ苋繁5倍懒⑾呗饭┑绶缁蚬灿孟呗饭┑绶缁V乖俗保ǚ缦低惩ǚ缒芰Φ慕档头炔怀芡ǚ缒芰Φ？0%。[4]

2.7 电控系统

LNG燃料供气电控系统具有系统控制、报警和安全保护等功能，具体表现为供气系统各部分压力、温度、液位监测及报警，对各功能单元的自动、手动控制，以及紧急切断等安全保护。电控系统主要包括以下部件。

（1）主控制箱 主控制箱是电控系统的核心部件，其与各执行元件和单元（加热循环单元、通风单元、空气控制单元、可燃气体探测单元、火灾探测单元、应急泵单元等）通信，并对各执行元件和单元下达指令，从而实现远程监控、报警和控制。

（2）空气控制单元 电磁阀通过空气控制实现对执行机构的控制，从而实现各個操作动作的执行。

（3）驾驶室和充装站延伸报警板 在驾驶室和充装站显示相关参数，在危险情况下可启动紧急关断系统。

（4）加热循环单元 加热循环单元包括循环泵、热交换器和电加热器。控制系统可以通过主控制箱远程控制循环泵和电加热器启停，并监控其状态。

（5）通风单元 通风单元的风机彼此独立供电，可以通过触摸屏控制和监控风机启停等状态。

（6）应急泵单元 在全船失电的情况下，由备用220 V直流电源供电，使加热循环系统能够持续工作，避免出现低温结冰现象。应急泵单元在主电源失电情况下开始工作，可通过主控制箱监测其运行状态。

3 船用LNG燃料供气系统布置要求

船用LNG燃料供气系统的LNG储罐在船上的布置主要有以下两种形式。

（1）开敞甲板上布置储罐，适用于主甲板上有布置储罐的合适空间的船舶，如油船、化学品船、散货船等。要求是储罐距离船舷不少于800 mm，布置环境自然通风，以防逸出气体聚积，并能保证船舶发生碰撞或搁浅时不会对储罐造成损坏，存在液体泄漏风险的与储罐相连的管路接口处应安装承滴盘。

（2）围蔽处所内布置储罐，适用于主甲板上没有可以布置储罐的合适空间的船舶，如集装箱船、拖船等。此时储罐可布置在独立舱室内，要求是储罐和燃料管路距离舷侧不少于800 mm，储罐和相关管路可设置在次屏壁处所内，与储罐相连的管路、阀门和设备可安装在密闭箱体内。储罐处所应进行通风处理，并设置固定式灭火装置以及可燃气体和火灾探测装置。

此外，根据船舶布置，也可将汽化加热系统集成到燃料罐的气罐连接处所，从而省去单独放置汽化加热器撬块的空间，便于船厂施工。气罐连接处所安装完毕后，应进行试验压力不低于的气密试验。根据《使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则》，当设计温度为110 ℃或更低时，应对管系分支进行完整应力分析;因此，应对LNG管路和设备实施应力分析，并向船级社提交相应分析报告。

4 结束语

近年来，我国顺应全球绿色低碳发展趋势，积极参与国际社会碳减排行动，并制订碳中和计划，现已具备实现碳中和的条件。LNG的主要成分是碳氢化合物，比船用燃油更加清洁：与燃油模式相比，双燃料发动机燃气模式低压供气系统排放的二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物和颗粒物分别减少25%、85%、100%和100%，高压供气系统排放的二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物和颗粒物分别减少25%、25%、96%和37%。船用LNG燃料供气系统的应用将为我国碳达峰和碳中和乃至全球节能减排目标作出重要贡献，具有光明的发展前景。克拉克森的统计数据显示，截至2020年4月，全球已交付LNG动力船561艘。据英国劳氏船级社预测，2025年全球LNG动力船数量将达到1 962艘，LNG动力船占全球新造船订单的比例将超过60%。可见，LNG动力船将是未来主流船型之一。

参考文献：

[1] 卢瑞军，周志勇，武宪磊. 船用天然气发动机关键技术发展及应用[J].内燃机与动力装置， 2014， 31（3）：57-60.

[2] 王世荣.我国内河柴油-LNG 双燃料动力船舶的现状分析与建议[J]. 中国水运（下半月）， 2011， 11（7）：4-5.

[3] 王峰，濮继林.LNG 动力船舶发展现状与趋势[J].江苏船舶， 2011， 28（5）：16-17.

[4] 周淑慧，沈鑫，刘晓娟，等. LNG 在我国内河水运领域的应用探讨[J]. 天然气工业， 2013， 33（2）：81-89.

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2022-08-19）