船用液化天然气供气系统的控制系统研发

孙毅良，陈文勤

船用液化天然气供气系统的控制系统研发

孙毅良，陈文勤

（上海蓝魂环保科技有限公司，上海 201900）

为了船用液化天然气供气系统稳定运行，确保船舶及人员安全。本文介绍了船用液化天然气供气系统的工作原理、控制要点以及控制方式。可将液化天然气燃料储罐内的压力控制在2.5～3.0 bar范围内，温度控制为零下140℃以下，水乙二醇换热后产生的气态天然气温度始终保持在约25℃至35℃之间，天然气输送压力至少为6.0 bar。对实现船用液化天然气供气系统自主研发起到良好的推动作用。

船用液化天然气供气系统 液货围护系统 LNG FGSS 燃料储罐控制系统 气体燃料供应控制系统

0 引言

国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）海洋环境保护委员会（Marine Environment Protection Committee，MEPC）发布的MARPOL附则VI《防止船舶造成空气污染规则》[1]，对船舶因燃烧排放的硫氧化物、氮氧化物等有害污染物做出了明确的限制指标。我国交通运输部也多次修订对船舶污染海洋环境应急处置的决定[2-4]。

液化天然气（LNG）具有储存方便、热值高、便于运输、污染少等优点，已广泛应用于工业、民用等领域。在碳达峰、碳中和背景下，将起着不可替代的作用。随着国际社会和海事界对环境保护的日益关注，液化天然气（LNG）作为清洁能源，目前正成为世界未来燃料的新焦点。在这种背景下，以LNG为动力的船舶技术在不断进步，并向着环保、低碳、节能、安全高效方向发展。

由于船用液化天然气供气和陆用液化天然气供气所应对的法规、标准、项目的实施环境，均有明显不同，同时国内船舶液化天然气供气行业又处于刚刚起步阶段，因此可借鉴的有效经验并不多。

本文详细介绍了船用液化天然气供气系统的工艺原理、控制要点以及控制方式，希望对实现船用液化天然气供气系统自主研发起到良好的推动作用。

1 液化天然气供气系统的工艺原理

液化天然气通过加注系统输送至液化天然气储罐，液化天然气通过储罐连接空间（Tank Connection Space,简称TCS）中的液化天然气供给泵将液化天然气送至蒸发器。液化天然气在蒸发器中加热后汽化，气态的天然气通过压力缓冲罐后输送至燃气单元。

1-1、1-2液化天然气加注站（分别布置在左舷和右舷）；2-1、2-2液化天然气储罐（分别布置在左舷和右舷）；3-1、3-2液化天然气供给泵；4-1、4-2液化天然气蒸发器；5压力缓冲罐；6燃气单元（主机）;7水乙二醇换热器

供气系统主要配置包含：液化天然气加注站2个、液化天然气燃料储罐2个、储罐连接空间2个（其中每个储罐连接空间内配置一台变频式液化天然气供给泵、一台蒸发器）、水乙二醇加热循环系统（包括两套固定频率离心泵、两套水乙二醇/热油换热器和一个膨胀箱）、氮气系统（惰性气体）、仪表空气系统、通风系统、燃气管道和阀门、辅助管道和阀门、安全系统、仪表及控制系统。

1.1 液化天然气加注系统

液化天然气加注站分别安装在船舶的左舷和右舷。

每个液化天然气加注站配置一根液相管路和一根气相管路。每根液相管路和气相管路都安装了急停系统（Emergency Shut Down System,简称ESD）、气动阀、手动阀，并配备N2惰性气体接口和排气喷嘴。

液化天然气加注站符合国际气体燃料动力船协会（SGMF）发布的《船用燃料液化天然气加注安全和操作指南》[5]。

1.2 液化天然气储罐和储罐连接空间（TCS）

每个天然气储罐都是独立的、绝缘的、真空隔热的，储罐内部配置加强环和防晃板，每个储罐外配备1个TCS，在TCS中配备集水井。

天然气储罐带有远程液位测量系统、差压变送器等传感器，实时监控储罐状态。

1.3 液化天然气供给泵

每个TCS内的液化天然气供给泵通过液相管路将液化天然气送至液化天然气蒸发器进行强制蒸发。经过加热和蒸发，气态的天然气经压力调节后通过压力缓冲罐送至燃气单元（主机），为其供应燃料气体。

每个TCS中的液化天然气供给泵配置液位传感器和压力传感器，并具有报警功能。带变频调节功能的供给泵将确保液化天然气蒸发器的压力稳定。该液化天然气供给泵可以远程启动和停止，并在紧急情况（低液位）或故障（低电流或高电流）时自动停止。

液化天然气供给泵完全浸没在低温真空绝热的泵池内，最大限度地减少了热吸收，保证了其本身的快速响应。液化天然气供给泵的转速由下游排放压力调节。在低消耗或待机模式下，它可能会减速至最小允许速度，液化天然气供给泵下游至储罐设有回流管道。

1.4 液化天然气蒸发器

液化天然气蒸发器安装在每个TCS中。用于液化天然气汽化，为燃气单元（主机）供气。

1.5 压力缓冲罐

压力缓冲罐确保在燃气单元（主机）负载波动期间稳定和快速的压力调节响应。压力缓冲罐配置压力传感器，并设有低压报警。

1.6 水乙二醇换热系统

水乙二醇换热系统将持续为两套液化天然气蒸发器提供加热介质。水乙二醇换热系统由两套通过热油加热的水乙二醇换热器、两套循环泵、一套带气体探测器（气体探测器位于通风口附近且不直接位于通风口上方，避免高温蒸汽频繁报警）的膨胀箱组成。因为水乙二醇换热系统安装在危险区域，所以该系统所有设备均为防爆型。

1.7 氮气系统

氮气系统，包括氮气发生器、管道和阀门，用于吹扫（液化）天然气管路。

1.8 仪表空气系统

仪表空气，带有气水分离器的控制阀，不锈钢管路，配备具有自动泄放功能的控制空气干燥器。

1.9 通风系统

供气系统区域封闭空间的有效机械负压通风能力为每小时至少30次换气。TCS通风风扇将布置在TCS内部。通风系统不应有“死角”。储罐TCS内为负压通风；进气口和排气口的位置同时满足船级社的要求。

2 液化天然气供气系统的控制要点

液化天然气通过加注站进入液化天然气燃料储罐，燃料储罐内的天然气始终保持以液态为主，气态共存的状态。水乙二醇换热系统保证蒸发器有持续、稳定、可控的热源。液化天然气通过液化天然气蒸发器汽化成为气态天然气。通过燃料供应系统，气态的天然气作为燃料成为船舶推进装置的能源，供给至船舶主机或其它燃气单元（如惰性气体发生器，Inert gas generator简称IGG）。整个过程由船用液化天然气供气系统的控制系统全程控制，确保船舶推进系统稳定运行。因此，控制系统是保证船舶推进装置正常运行的关键。

船用液化天然气供气系统的控制系统主要涉及以下三个方面：

1）液化天然气燃料储罐控制系统直接影响燃料的储存，是船用液化天然气供气系统成败的关键（因为一旦燃料储存出现问题，后续任何工序都是徒劳）。

2）水乙二醇换热控制系统是关系到整个系统的热源控制，是影响液化天然气汽化效果稳定性的关键因素。

3）气体燃料供应控制系统包含了将燃料从液态汽化成为气态和将气体燃料持续供给至燃气单元的重要步骤，这是天然气是否满足作为燃料并最终是否满足燃气单元使用要求的关键因素。

3 控制系统的控制方式

3.1 液化天然气燃料储罐控制系统

液化天然气燃料储罐在储存液化天然气时，由于热量进入，储罐内压力会升高。如果从储罐中排出的液化天然气体积大于蒸发体积（自然蒸发以及液化天然气再循环过程中产生的蒸发），则压力将降低。另外，在进行液化天然气加注作业时，燃料储罐内压力也会受到影响。

热量进入燃料储罐主要有两个来源，一个来源是外部环境通过隔热层（包括储罐支架）等进入储罐的热量传递，另一个来源是在液化天然气供给泵运转时所产生的热量。当系统在闲置状态时，储罐内压力在正常操作条件下也会持续升高，控制系统需要将储罐内的压力上限控制在规范要求范围内。

液化天然气燃料储罐内的压力控制在2.5～3.0 bar范围内，温度控制为零下140℃以下。当罐内压力因热量进入而增大时，控制系统将主动调节压力，次级燃气单元（如IGG）准备接收多余的气体：通过打开自然蒸发气体（Boil Off Gas，简称BOG）加热器上游的远程控制阀，自由流管路将自动打开。通过这些阀门和控制阀之间的软件联锁，确保不可能发生窜气。控制系统对两个液化天然气燃料储罐进行单独监测和控制，以控制在罐内压力达到或高于设定值的储罐中激活自由流模式。

图2 液化天然气储罐压力控制图

液化天然气的消耗量如果比由于热量进入和再循环吸热而产生的蒸发量更大，则除非得到补偿，否则液化天然气储罐中的压力将降低。为了保持液化天然气储罐中的压力稳定，控制系统将打开蒸发器出口的回流阀，使蒸发后的部分天然气回流至储罐的气态天然气环境中，通过PID控制阀门开度，可将压力保持在2.5～3.0 bar的设定值附近。图3储罐容积控制变量图说明了容积控制的主要要素。

在供气系统从液化天然气储罐向燃气单元最大量输送液化天然气期间，如果储罐内的压力低于设定范围（2.5～3.0 bar），系统将自动完成液化天然气再循环功能，将一定量的液化天然气回流至储罐，以保证储罐内的压力稳定。

同时，控制系统也能控制液化天然气供给泵将一定量的液态天然气喷射回储罐的气相环境中，以将气相温度保持在预设的范围内。这对于燃料加注操作的准备工作非常重要，这样的压力控制可以使得罐内温度变化保持在最低水平，很好地限制了储罐和周围管道的结构应力。

图3 储罐容积控制变量图

以上过程均由可编程控制器控制，实现了全自动运行，无需专人值守，且结构紧凑，适用于船舶安装，满足船级社规范要求。

3.2 水乙二醇换热控制系统

水乙二醇换热系统控制基于大流量和小温差的设计原则，可以为液化天然气蒸发提供热量和起到气体调节作用。该系统从船舶的热油系统中获取热量，当换热系统运行时，该热油系统也必须处于运行状态。

加热介质水乙二醇的温度由热油热交换器中的旁通管线控制，设定值为60℃（进入热交换器的船舶热油温度约为160℃）。液化天然气流量的变化会立即导致蒸发量变化，但产生的气态天然气温度始终保持在约25℃至35℃之间（取决于燃气单元所需气体流量），保持满足规范及设计要求。

系统通常在预设压力下运行（约3 bar），在这个压力情况下，液化天然气蒸发器和气体热交换器中的天然气如泄漏到加热介质回路中也是安全的。膨胀箱位于系统高点上所有气体热交换器的下游，它将应对冷却剂（50%淡水和50%乙二醇）的轻微体积膨胀。系统中任何压力超出设定值都会被控制系统监控，导致报警，甚至关停系统。从膨胀箱到排气管路的专用气体管道中设有气体检测传感器，可以检测到气体泄漏，并将报警传至控制系统。

3.3 气体燃料供应控制系统

该系统设计用于输送约20 kg/hr至1110 kg/hr耗气量的工况（主要是甲烷和微量氮气），为避免机械磨损或气穴现象，最大负荷增加率取决于液化天然气供给泵的允许速度增加速率（约15 s内从最小值至最大值）。

液化天然气的流量变化会立即导致蒸发量变化，通过控制水乙二醇换热系统，保持输送的气体燃料温度在25℃至35℃之间。

控制系统通常将确保蒸发后的天然气输送压力至少为6.0 bar，实际工作压力值将根据燃气单元负载而变化，并在所有操作要求期间保持压力不低于6.0 bar且相对稳定。

表1 气体燃料供应系统设计条件表

为满足较小的气体需求，液化天然气供给泵在输送液化天然气时，可以控制在最小速度下进行再循环控制。当需求较高量的气体燃料时，会通过调节供给泵的频率进行提速控制。系统由PID控制器进行压力控制，PID控制器从上游的压力变送器获取信号。图4燃料供应控制图说明了燃料输送控制系统方式。

图4 燃料供应控制图

液化天然气储罐的压力变化仅会略微影响供气压力的功能。这是因为与液化天然气消耗量相比，不论是再循环回储罐内的流量还是储罐内的自然蒸发量都较小，液化天然气储罐中的压力变化速率很慢，能够保持相对稳定状态。

系统的启动控制是首先使供给泵在全循环模式下运行，此时没有液化天然气对外输送，在状态稳定后，再按要求达到天然气已备好的状态，而这通常仅需要很短的时间。

系统的正常停机控制是先使供给泵以最低转速运行，并进行全循环模式，最后停止供给泵。

在系统紧急停机（包括停电）期间，正在运行的液化天然气供给泵将立即停止工作，气阀组单元上游的主控制阀将关闭，再循环管路的压力控制阀将打开。回储罐的再循环阀具有延迟关闭装置，在蒸发器排空之前不会完全关闭（相关阀门将在所需的30 s内关闭）。在加热介质泵失去动力后，管路中残留的液化天然气由于系统中积累的压力继续进入蒸发器，通过仍在流动的加热介质的热量来蒸发剩余的液化天然气。这是为了防止蒸发器结冰，同时这也是通过向水中添加乙二醇而获得的保护方法的补充（乙二醇可将混合物的冰点降低至零下35℃以下），因为蒸发器最容易受到剩余液化天然气蒸发潜热的影响。由于气体输送系统的初始压力较高，通过这种方法系统将会在几秒内排空蒸发器中的所有液体。

当停止状态完成且系统中的各传感器参数稳定后，气体燃料供应控制系统可以重新启动。

4 结语

液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）主要成分是甲烷（CH4），作为船舶动力能源，燃烧后不会产生硫氧化物和氮氧化物等有害物质，可以满足国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）发布的MARPOL附则VI《防止船舶造成空气污染规则》。船舶液化天然气（LNG）供气系统（FGSS）的控制系统是船舶推进系统安全、稳定运行的保证。主要对涉及船用液化天然气供气系统几个关键部分（包含液化天然气燃料储罐控制系统、水乙二醇换热控制系统、气体燃料供应控制系统）进行研发设计，并在紧急情况下的应急响应，保证液化天然气供气系统稳定运行，确保船舶及人员安全。控制系统取得法国必维船级社产品认证，并已经在两艘15000DWT化学品船稳定运行超过一年。

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[2] 交通运输部关于修改《中华人民共和国船舶污染海洋环境应急防备和应急处置管理规定》的决定[J]. 中华人民共和国国务院公报. 2020(09): 35-36.

[3] 交通运输部关于修改《中华人民共和国船舶污染海洋环境应急防备和应急处置管理规定》的决定[J]. 中华人民共和国国务院公报. 2019(02) : 29-35.

[4] 交通运输部关于修改《中华人民共和国船舶污染海洋环境应急防备和应急处置管理规定》的决定[J]. 中华人民共和国国务院公报. 2017(19): 42-50.

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Research on the control system for ship LNG fuel gas supply system

Sun Yiliang, Cheng Wenqin

(Shanghai Bluesoul Environmental Technology Co., Ltd, Shanghai 201900, China)

U674

A

1003-4862（2023）08-0057-05

2023-02-02

孙毅良（1987-），男，工程师。