双燃料苏伊士型油船燃气系统设计

谭增检

（广州燃气集团有限公司，广东广州 510623）

0 引 言

国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）的海上环境保护委员会（Marine Environment Protection Committee，MEPC）第70 届会议决定将2020 年1 月1 日作为船舶全球0.5% m／m（质量百分比）燃油硫含量标准的实施时间［1］。液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）是一种无色、无味、无毒的低温液体燃料，相比传统的柴油燃料，具有低价格、高热值和低污染等优点，现已得到广泛应用［2］。为此，采用LNG作为燃料成为船东考虑的主要燃油替代方案之一，近几年采用LNG双燃料动力的新造船越来越多。

某双燃料原油船是苏伊士型油船，总长约274.0 m，型宽48.0 m，型深23.7 m，服务航速14.2 kn，为全球首艘采用LNG双燃料动力的苏伊士型油船，其主机、发电机及锅炉均采用双燃料，入级美国船级社（American Bureau of Shipping，ABS），挂旗国为利比里亚，其中主机为MAN ME-GI 机型的高压供气系统，发电机及锅炉为低压供气系统。

下面就该船的燃气系统设计及其布置作基本介绍。

1 燃气系统基本介绍

1.1 原 理

LNG燃气系统主要包括燃料加注系统、燃料围护系统、燃料处理系统和蒸发气（Boil Off Gas，BOG）处理系统，主要功能是通过船上的加注站将LNG燃料加注到储存舱中，经燃料供应系统将LNG加热气化并在预定范围内调整其温度和压力，为船舶燃气用户提供所需的燃气量［3］。本文所述船舶的燃气系统的基本原理见图1。为保证燃气系统的正常运行，还需配置辅助及控制安全系统，主要包括乙二醇／水循环加热系统、燃气透气及泄放系统、控制空气系统、可燃气体探测系统、氮气系统、燃气控制／监测及安全系统、船岸通信及应急切断系统、火灾报警系统、干粉灭火系统、CO2灭火系统和水喷淋系统等。

图1 158 000载重吨双燃料原油船燃气供应系统基本原理图

下面主要介绍燃料围护系统、燃料加注系统和燃料供应系统的设计与布置。

1.2 燃料围护系统的设计和布置

该船的燃料围护系统主要包含2 个IMO C型LNG储存罐，为单壁单圆筒形，带球形封头，外部敷设绝热材料和相关机械保护封皮。每个储存罐都装有2 台潜液式燃料输送泵，用于驳运LNG 至高压增压泵组和高压／低压蒸发器，同时还可用于在2 个储存罐之间驳运LNG，LNG燃料输送泵由恒转速电机驱动，以最小流量通过舱内喷淋管回注LNG燃料储存罐。具体设计参数见表1。

表1 LNG燃料储存罐设计基本参数

基于主机CSR（Continous Service Rating）功率下的燃料消耗，船舶在设计吃水为17.15 m，服务航速为14.2 kn的情况下航行时，其LNG燃料储存罐容积应满足续航力约为17 000 n mile。

LNG燃料储存罐布置在露天上甲板的货油舱区域，左右舷各1 个，位于上层建筑（以下简称“上建”）前壁与货油集管区之间，距离上建前壁约19 m，2 个储存舱之间的距离约为18 m，左右舷的储存罐舷侧外壁（不含绝缘）距离舷侧外板约4.6 m，LNG 燃料储存罐的布置位置需满足《使用气体或其它低闪点燃料船舶国际安全规则》（International Code of Safety for Ships Using Gases or Other Low-Flashpoint fuels，IGF Code）的要求。

每个LNG燃料储存罐设置1 个气室，用来布置燃料输送泵管路、通道人孔及梯道、内外部接管和仪器仪表等。考虑到艉倾，在应急情况下储存罐内的燃料尽可能地排空，气室及燃料输送泵吸井宜布置在燃料舱靠艉部的一端。在气室操作平台处设置1 台0.5 t重的小吊，用来检修燃料输送泵或其他零部件。

每个LNG燃料储存罐通过2 个鞍座安装在甲板上，其中一个鞍座为固定式，另外一个为滑动式，通常靠近气室一侧的鞍座为固定式，见图2。

图2 燃料储存罐总布置图

LNG 燃料储存罐的支撑、绝热材料及内部管系和设备均根据厂家推荐选取。

1.3 燃料加注系统的设计和布置

LNG加注系统的设计和布置应满足国际气体燃料动力船协会关于气体燃料加注站技术指南（SGMF TGN 06-04）的要求，本文所述船舶在露天上甲板左、右舷燃料储存罐的前端各设置1 个LNG燃料加注站（见图3），每个加注站内均设1个8 in（1 in ＝0.025 4 m）的液体燃料加注接头和1 个6 in的蒸发气回气接头，设计压力为1 MPa，加注速率为800 m3／h，另外配备1 台便携式小吊用来吊运加注用快速接头或其他配件。

图3 LNG加注站立体图

LNG管既用于充装LNG，又用于排出LNG；蒸发气管路用于蒸发气与岸上之间的传输。

加注站的零部件主要包括液化天然气连接接头及盲板法兰（8 in）、蒸发气回气接头及盲板法兰（6 in）、用于蒸发气回气管的可手动和遥控操作的应急切断阀、用于LNG 管的手动隔离阀和电动液压应急切断阀、集液盘和温度传感器、船岸通信线路、液化天然气加注管路滤器（筛网规格0.84 mm）、氮气吹扫接头、温度及压力表等。

根据IGF Code的要求，在加注站区域应设置一套固定安装的化学干粉灭火系统，其灭火能力应确保至少能以3.5 kg／s的速率释放45 s，另外还应至少设置1 具容量不少于5 kg的手提式干粉灭火器［4］。

在加注LNG燃料过程中，为防止LNG泄漏之后与船体结构直接接触导致其受损，配置水幕系统保护该区域。

1.4 燃气供应系统的设计与布置

1.4.1 燃气供应系统

燃气供应系统包括以下2 部分：1）LNG燃料处理系统。通过燃料储存罐上的燃料输送泵将LNG 输送给高压和低压气化蒸发器，LNG先被水乙二醇加热气化成低温天然气，再由气液分离器分离出未气化的液体之后，随后通过加热器，利用水乙二醇加热到用户所需的温度，经缓冲罐进入气体阀件单元（Gas Valve Unit，GVU）供燃气用户使用。

2）BOG处理系统。燃料储存罐内的LNG会因压力发生变化而产生BOG，通过压缩机对这部分气体进行压缩，形成高温高压的气体，并经过后冷却器与低温水乙二醇换热，到达用户所需的温度，随后经缓冲罐进入GVU供燃气用户使用。

为满足上述功能，燃气供应系统的主要设备有LNG高压增压泵、高压／低压蒸发器、BOG预热器、水乙二醇加热器／冷却器、高压／低压燃气缓冲罐、水乙二醇热水／冷水膨胀柜、水乙二醇循环泵和BOG压缩机等。

1.4.2 燃料处理间的布置

本文所述船舶将上述燃气供应系统的主要设备设计成若干个撬块单元，包括BOG 压缩机单元、燃料气化及加热单元、LNG高压增压泵组单元和水乙二醇系统单元等，并将其布置在一个专用舱室（俗称燃料处理间）内，根据各撬块单元的外形尺寸和检修空间确定燃料处理间的尺寸为17.8 m×11.2 m×4.5 m，见图4。

图4 燃气处理间布置图

该船的燃料处理间布置在露天上甲板，位于左右舷2 个燃料储存舱之间，为A类机器处所，其面向燃料舱的舱壁采用“A-60”级防火分隔。

根据IGF Code的要求：燃料处理间应设置有效的负压机械通风系统，通风能力应至少为每小时换气30次；风机的数量和功率应满足从主配电板或应急配电板由独立线路供电的1 台风机失效，或从主配电板或应急配电板由公用线路供电的1 组风机失效时，通风能力不应下降超过50%［4］。

因此，结合对通风量的计算，为燃料处理间配备2 台风量为28 000 m3／h、静压为400 Pa 的防爆轴流风机，将其布置在房间顶部。

另外，燃气处理间面向燃料储存罐的外围壁还应设置水喷淋系统，房间内应配备CO2灭火系统，其容量均应根据房间的尺寸计算。

2 燃气系统主要设备的综合布置

根据前面的介绍，与燃气系统有关的设备主要包括LNG加注站撬块、LNG燃料储存罐及气室、燃料处理间的设备（如BOG压缩机单元、燃料气化及加热单元、LNG高压增压泵组单元和水乙二醇系统单元等）、用户设备（如主机、发电机及锅炉等）和辅助系统设备（如氮气系统设备、水喷淋系统设备、CO2灭火系统设备和干粉灭火系统设备等）。

本文所述船舶为原油船，其上建居住区及烟囱围岛布置在艉部，货舱区露天甲板从上建贯穿至艏部，因此加注站、LNG燃料储存罐和燃料处理间均布置在货舱区的露天上甲板，其中，加注站撬块的外形尺寸为3.6 m×4.8 m×3.7 m，LNG燃料储存罐的外形尺寸为36.8 m ×10.8 m ×10.8 m，燃料处理间的尺寸为17.8 m×11.2 m×4.5 m，外形尺寸较大，且油船货舱区上甲板货油及船舶系统管束众多，舾装件及设备布置错综复杂，再加上燃气系统有诸多管束及设备等，合理地对这些设施进行综合布置显得尤为重要。

结合相关规则、规范的要求，综合布置的思路如下：

1）LNG燃料储存罐及气室的布置。根据IGF Code的要求，当燃料储存罐位于开敞上甲板时，若面向燃料储存罐的上建等的限界面与燃料储存罐之间的距离小于10 m，则需在其限界面设置水喷淋系统。为节约成本，减少不必要的水喷淋系统，燃料储存罐宜尽可能地远离上建居住区，即尽可能地往船首方向布置，但因燃料储存罐外形尺寸较大，还要考虑驾驶室巴拿马视线盲区的要求。气室的布置应考虑燃料输送泵吸井尽可能地位于气室正下方，且最好布置在燃料舱尾端，当船舶艉倾时，在应急情况下燃料储存罐内的燃料能尽可能地被排空。

2）加注站布置。根据SGMF-TGN 06-04 的推荐，加注站应尽量布置在船体结构平行中体范围内，左舷液相管接头布置在尾端，气相管接头布置在首端，右舷反之［5］。由于加注站与燃料储存罐之间的管路为低温双壁管，且需包覆绝缘材料，因此为节约建造成本，此段管路应尽量短，即加注站应尽量布置在燃料储存罐附近。

3）燃料处理间的布置。该房间主要布置燃料处理设备，LNG从燃料储存罐输出之后先经过燃料处理设备处理，再供给机舱的主机、发电机及锅炉等使用，因此该房间应尽量靠近燃料储存罐的气室，并尽量靠近机舱区域，缩短液相和气相管路，减小供气管路的压力和温度的波动。本文所述船舶的燃料处理间布置在左右舷2 个燃料储存罐之间，靠机舱侧，且房间架空，上甲板纵向管束布置在房间下方，燃气系统的高低压透气桅布置在房间顶部靠艏端。

结合上述思路，本文所述船舶的LNG加注站、燃料储存罐及气室和燃料处理间的综合布置方案见图5 和图6。

图5 系统设备综合布置侧视图

图6 系统设备综合布置俯视图

3 结 语

目前我国在油船上应用LNG燃料还处于起步阶段，已完成设计和建造的LNG双燃料动力油船较少，尤其是苏伊士型油船尚属空白，通过本文的介绍，可对LNG双燃料动力油船燃气系统的原理有基本的认识，并掌握燃气系统主要设备综合布置的注意事项及要领。本文所述燃气系统设计和设备布置满足规范的要求，整体结构布局紧凑合理，有利于降低建造成本，可供后续同类型船舶的燃气系统设计和布置参考。