船舶新燃料LNG 动力系统改装的设计分析

马超超 郑 健 郑志敏

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011；2.意大利船级社（中国）有限公司 上海 200040）

0 引言

随着国际贸易和航运的持续发展，以传统石油产品为燃料的船用内燃机产生的废气排放对大气所造成的污染已日益引起国际社会关注。发展洁净能源是当今能源利用的重要趋势，液化天然气（liquefied natural gas,LNG）具有良好的燃烧特性、更低的污染和排放，且储量巨大，因此兼具良好的环保效益和经济效益，成为最重要的过渡能源。

近几年有关新造船LNG 动力设计方案的研究很多，如超大型双燃料集装箱船燃气供给系统应用研究[1]、双燃料大型集装箱船LNG 加注系统设计[2]等。对于LNG 动力改装的研究，国内主要以内河LNG燃料动力船舶改造技术探讨为主。对于大型集装箱船改造技术，赵志华等[3]详细介绍了大型集装箱船LNG 燃料舱及船体结构的改造，但对于轮机及供气系统的改造工程鲜有提及。因此，有必要对大型船舶的LNG 动力系统改装领域进行研究分析。

1 项目背景

本文以某大型集装箱船具体改装项目为例，改装内容包括主机、发电机及锅炉的改造，新建1 个 6 500 m3的MARK III 型燃料舱，配置高低压燃气供气系统。船舶总图如图1 所示。此次改装项目的优势有2 点：一是船龄相对较新，二是船舶已具有LNG 预留设计，故动力系统改装相对方便。

图1 某大型集装箱船总图

以原机舱前壁的9 号货舱作为燃料舱处所，燃料舱为独立环段式结构，在船厂内先行建造，并完成MARK III 型薄膜围护系统的施工。主辅机供应商准备设备改装方案及材料，与船东商定航行周期后，将船停靠船厂码头，吊装燃料舱并完成主辅机及燃气系统的改装工作；在完成码头系泊试验及气体试航后，该船重新返回航运船队[3]。

该船改装具体内容如表1 所示。改装前后主尺度不变，仍为总长368.52 m、船宽51 m、设计吃水14.5 m、结构吃水15.5 m。[3]

表1 改装清单

透气系统主要是用于LNG 舱安全阀释放的管路。在出现火灾或者舱压失控的情况下，安全阀的设置是保护LNG 舱的最后一道防线，所以至少需设置2 个安全阀。对于双燃料船舶来说，透气系统的布置路径主要是封闭舱室或者开敞区域。如果在封闭的安全区域内，则应设置双壁管，并且透气桅的布置应考虑危险区域的定义，透气帽应考虑有防雨排水等功能。

船舶系统需要根据危险区域的划分及燃料舱与燃气系统的布置进行相应修改。以舱底水系统为例，对于危险区域的舱底水要特别注意满足规范要求，如燃料准备间的泄放布置需要考虑房间内可能存在的危险气体。因此，如果管路经过安全区域，管子不能留有法兰之类的可拆接口。惰气（氮气）系统、乙二醇水系统等，则需要根据燃气系统及用户的需求进行计算确定，比如氮气系统的容量估算（见下页表2）以及乙二醇水的热平衡计算等。下文重点研究用气设备和供气系统的改造。

表2 氮气系统的容量估算

2 用气设备改造

本研究案例中的15 000标准箱大型集装箱船，其用气设备改造主要通过对主机、发电机和锅炉的改造来完成。

2.1 主机的改造

在该改造项目中，将原船上德国曼恩公司的S90ME-C10.2 燃油主机改造为S90ME-C10.5-GI 双燃料主机。曼恩ME-GI 主机采用迪赛尔循环，压力通常在25～ 33 MPa，最低可至20 MPa，燃气压力波动需控制在±0.2 MPa。如果供气压力比设定值低1 MPa，将会激活燃油补偿模式；燃气压力比设定值低5 MPa，将导致主机切油。

曼恩公司将设计和监督完成所有发动机部件的安装，以便在船厂的支持下进行改装。改装内容包括：缸盖总成包括保护罩、活塞环、活塞头、存气垫片、气缸套、气缸液压单元修改、燃气控制块、喷油器改造（带喷嘴）；燃气喷气阀包含管子、高压燃油管、高压液压控制油管、主机上的燃气管、密封油系统、低压补油系统，以及各种管道（低压液压油、燃油、启动空气、控制和安全空气、排水管）和燃气阀组等。主机缸头示意图见图2。

图2 主机缸头示意图

2.2 发电机、锅炉的改造

该项目中，将韩国现代公司的9H35 燃油发电机改造为9H35DF 双燃料发电机，并且对阿法拉伐锅炉的双燃料功能也进行了改造。此外，发电机、锅炉对燃气的压力和温度也有相应的要求，但与主机相比，该压力较小。发电机工作压力通常在0.6～ 0.7 MPa，锅炉的工作压力通常在 0.06 MPa 左右，锅炉兼作气体燃烧装置，用于控制燃料舱压力。当船上其他用气设备出现故障时，锅炉能够处理100%的燃料舱挥发气量。

发电机和锅炉的改造内容，均是围绕使用燃气进行的硬件修改升级，如增加燃气控制模块、燃气管路、燃气阀组等。本研究对象在新船建造时，发电机便是按照双燃料设计。安装时，将燃气相关的设备拆下，以单一燃料来运行；改装后，其功率与发电量满足船舶正常航行需求。双燃料发电机的改装通常意味着功率的下降，需根据电力负荷计算，评估实际需求量与改装后的对比。主机、发电机和锅炉对燃气的流量、压力和温度的要求，参见表3。

在满足用户需求的前提下，LNG 的组分[4]是蒸发气（boil off gas,BOG）压缩机选型、燃气系统设计选型等方面参考依据之一。本文根据用气设备的需求，进行燃气系统的设计工作，对于不同船型，最大的区别是主机，一般XDF 型和ME-GA 型主机燃气进口压力要求11～ 16 kg，ME-GI 型主机进口进口压力要求在250～ 330 kg。对于该集装箱船配置来说，主机改造为ME-GI 型。

3 燃气供气系统的加装

根据不同的功能模块进行划分，燃气供气系统主要包括以下3 个部分：加注系统、高压燃气供气系统与低压燃气供气系统。

3.1 加注系统

加注系统可细分为LNG 注入、LNG 挥发气回收及辅助系统（如干粉灭火、舷侧水幕系统等）共3 个部分。对于大型双燃料集装箱船来说，加注系统大多相似。但对于改装船项目，其位置不仅要考虑LNG 加注的便利性，同时也需要考虑工程改装的可行性。

3.1.1 加注管路双壁管

加注管路布置是从加注站到燃料舱连接的处所。根据IGF code 的要求，穿过封闭区域的燃气管路应采取双壁管形式，常用的有如下3 种形式：通风双壁管、真空双壁管和注氮正压双壁管。双臂管具体细节见表4。

表4 双壁管形式的特点

注氮正压双壁管是在内管和外管之间充满氮气气体，其工作原理是氮气气体压力需高于内管的压力。当内管发生泄漏时，由于环形区域的氮气气体压力大于内管压力，燃气无法泄漏至外管内。同时氮气进入到内管，当压力传感器探测到外管内的氮气气体压力短时间降低至报警值时，即认为发生内管泄漏，触发应急切断阀且停止加注。

相比真空双壁管，注氮正压双壁管并不需要长时间抽真空；而且相比通风双壁管系统，也不需要配置抽风机，因此大大简化了双壁管安装和调试工作。但注氮正压双壁管相较于真空双壁管，隔热性能较差，外表面需包裹预绝缘，因而增大了管路布置的难度。同时，外界环境的温差也会导致环形管路中氮气压力的波动，因此设置合理的报警值非常重要。

通过以上特点的比较，在改造船项目上，不常用的氮气正压双壁管因其施工周期短，也没有额外的辅助工程等优势，适用于改造项目。

3.1.2 加注站布置

加注站的位置在大型集装箱船上有不同的方案。不同于新造船，改装船由于周期性与施工状态，会采取与新造船不同的布置方案，主要有以下3 种：

（1）布置在二甲板位置。该方案需对结构进行较大更改，对舷侧外板进行大开口布置，同时进行局部加强。

（2）布置在机舱加油站区域，另搭一层平台作为加注站。此方案不需要对原结构进行大修改，但该区域过小，加注站进行整体单元布置困难。

（3）布置在燃料舱上方区域。此方案应尽量减少低温管路布置长度。

综合多方面考虑，方案3 为加注站布置较优方案。为匹配改装船的特点、最大限度地利用甲板空间，可以将加注站设计成整体的单元，所有相关设备、附件等都紧凑地布置于此整体单元内。其中的管路、阀件等均可以在内场完成制造和安装，整体吊装至船上。相对独立的模块安装，对于改装项目有很好的制造周期优势。

鞍座用于岸上或加注船对受注船进行加注时，对加注软管进行支撑和导向。在常规设计中，该软管鞍座一般由厂家采购，结构较复杂且尺寸较大，如图3 所示。对于改装船，因加注站空间有限，如果采用常规鞍座布置，则安装非常困难，并且由于占用了加注站很大空间，也影响人员通行和设备维护。

图3 常规设计加注站软管鞍座（落地布置）

通过对改装船加注站进行综合布置，对加注站栏杆最上层导管管径放大并加厚壁厚，将鞍座布置在上方，取消落地放置，同时自行设计鞍座图纸。自制鞍座结构简洁且不占用大量空间，方便船员操作。不进行操作时，可旋转90°朝上放置，更有利于鞍座的日常维护，如图4 所示。

图4 简易鞍座布置（通过栏杆固定）

3.2 高压燃气系统

将天然气燃料压缩到30 MPa 左右，可以采用气态压缩方式，也可以采用液态加压方式。由于液体为不可压缩流体，更容易使压力升高到所需的数值，因此采用液体压缩是可行的方案之一。

由于液体的不可压缩性，显然选择液态加压比气态加压更经济，能耗相对较小。此外，同种物质的气体密度比液体密度小很多，单位质量的气体从压缩机处所得的静压能，要比液体从泵处获得的静压能大很多，而且在同等条件下，用泵加压比压缩机更节省功耗。液态加压泵设备的体积比气态压缩机小很多，更有利于设备在船舶上的布置，因此从设计初始就排除了采用高压压缩机的方案。图5 为高压燃气供气系统总览图。

图5 高压燃气供气系统总览图

由于主机供气压力高（30 MPa），为保证连续稳定的供气，对主要设备从以下几个方面加以考虑：

（1）LNG 输送泵

在布置方面，高压泵所处的燃料准备间和燃料舱有一定距离，并且当船舶在航行中出现摇晃等现象时，可能导致高压泵进口端压力不足，从而使高压泵发生汽蚀，进而影响供气压力。因此，为了确保输送泵能将LNG 稳定地输送至高压泵进口，LNG 输送泵最大扬程应保证输送的LNG 在克服系统压损后，仍能在输出端达到高压泵要求的压力。[5]

（2）高压泵

ME-GI 双燃料主机最大燃气供气压力为30 MPa，为维持压力稳定，高压泵需连续不断地运行。高压泵设计方案有2 种：一种是采用变频电机驱动的高压泵，另一种是采用液压油驱动的高压泵，该船采用的是液压油驱动的高压泵。液压油驱动在技术上已经非常成熟，且成本较低，故广泛使用于船舶中。该方案输出的LNG 压力和流量稳定、设备故障少，但缺乏流量调节功能，故需要布置单独的回流管路。如果主机负荷下降，多余的LNG 则通过回流管路重新回到大舱。

（3）高压气化器

经过高压压缩后的LNG 需进一步气化并转化为高压气体，然后输送至主机使用。高压气化器既要保证足够的 LNG 气化量供给发动机，又要确保气化后的燃气温度可满足发动机的要求，同时还要考虑换热器在高压、低温状态下的可靠性和使用寿命。加热介质采用乙二醇水，优点在于其冰点低于-20 ℃，可以有效改善LNG 气化器的结冰情况。

对于改装项目，单元模块化布置是首选，可以节约改造周期；采用MAN-ES 的高压泵及气化器合成体，出口温度可以精确控制在45±5 ℃、出口压力控制在20～ 33 MPa，较好地满足了主机对供气的要求。图6 为高压泵及气化器单元主要部件图。

图6 高压泵及气化器单元主要部件图

对燃气泵、高压泵、气化器单元及主燃气阀组选型、布置和功能实现进行研究，综合统筹考虑设计布置，使系统功能得以保障。

3.3 低压燃气供气系统

低压燃气供气系统主要是提供燃气给发电机与锅炉，实现满足用户需求的供气压力和温度。在发电机、锅炉负荷较低时，可以单独通过BOG 压缩机进行供气；当多台发电机同时工作或发电机负荷较高，需通过LNG 输送泵进行供气，两者也可以同时并联进行供气。

3.3.1 压缩机供气模式

相较于LNG 运输船，双燃料船的BOG 量较少，因此LNG 运输船常用的离心式压缩不一定适用于双燃料船，而小排量、结构简单且运行稳定的压缩机才是双燃料船的首选。常用压缩机形式有螺杆式、活塞式、离心式和旋转式等，本文将以变频控制的旋转式压缩机为例。

旋转式压缩机属于容积式压缩机的一种，直接带动叶轮旋转。叶轮上的叶片外径逐渐减小，相应的气腔也变小，从而实现对气体的压缩，如图7所示。

图7 旋转式压缩机吸气排气过程

BOG 在旋转式压缩机中的气体路径为：气体进入吸气管道，首先经6 μm 过滤精度的滤器将BOG中杂质过滤；而后经由带有集成止回阀的进气控制器进入压缩腔内；在压缩腔内，转子带动叶轮进行旋转运动，使腔内空气体积减小，对气体进行压缩；再经出口将气流运送到压缩机下一级或排出。

BOG 在压缩过程中，约1%进口流量的冷却油被注入到封闭室中，这部分油-气混合物经压缩得到静压能后，进入到冷却油预分离器中，这一步骤可以实现将99%的冷却油从压缩气体中分离[6]。经安装在冷却油分离器中的气体脱油元件，冷却油的含量可以进一步降低至0.01～ 0.1 mg/m3。

对于分离出的冷却油，首先从分离器进入到油冷却器，然后经冷却器冷却并通过过滤器和喷嘴再次进入到压缩机中，进行下一次冷却及润滑，以实现冷却油的循环使用，如图8 所示。

图8 旋转式BOG 压缩机工作流程

旋转式压缩机具有如下优点：

（1）结构简单，单级压缩，无级间冷却器；

（2）无固定压缩比，排气压力不受进口压力 影响；

（3）近似等温压缩，排气温度低；

（4）压缩后的气体无脉动，轴承无轴向力，振动小；

（5）由于依靠叶片离心力甩出，故与腔室形成气体密闭压缩空间，转子不易磨损且对中要求低并具有自对中能力，因此操作和维修保养方便、压缩机头具有超长的使用寿命，维护费用低[7]；

（6）零部件少、机体体积小、质量轻、便于安装且节省安装空间。

其缺点在于：

（1）转子在进行旋转运动的过程中，易出现抱轴和卡缸的情况；

（2）机壳由于润滑油需从排气中分离而来，要具备耐高压的特性，这便会导致压缩机和电机产生过热现象。

综合考量上述情况，对于改装项目来说，在选择上倾向于旋转式压缩机。

3.3.2 LNG 输送泵供气模式

BOG 压缩机吸入端的最小进气压力要求为 0.02 MPa 左右，设计排量为398 kg/h。当燃料舱舱压低于0.02 MPa，BOG压缩机将无法自动停机。此外，当船上冷箱数量较多时，发电机要求多台并联运行，此时BOG 压缩机设计排量将无法满足要求，便需要开启LNG 输送泵进行辅助供气或者单独供气。

当采用辅助供气时，LNG 输送泵需与BOG 压缩机协调工作，避免蒸发气的出口压力偏差过大。当主机同时也处于燃气模式状态时，LNG 输送泵还需满足泵气化单元（pump vaporizer unit,PVU）的供液压力要求，这对LNG 输送泵的运行状态提出了很高的要求，具体如下：

（1）LNG 输送泵供气时

LNG 输送泵设计排出压力为0.85 MPa，发电机要求的供气压力为0.6～ 0.8 MPa，高压燃气泵及气化器组对供液最低压力要求为0.45 MPa，对最高压力没有要求。因此仅当LNG 输送泵工作时，LNG 泵输出压力设定在0.7 MPa，经气化后可以直接供发电机使用。在LNG 输送泵总管路上设置有流量计，当输出流量过大时，可以同时通过回流阀和LNG 输送泵变频器进行控制，优先通过变频器进行控制。低压燃气系统如图9 所示。

（2）BOG 压缩机和LNG 输送泵同时供气

当BOG 压缩机和LNG 输送泵同时供气时，BOG 压缩机的出口压力与LNG 输送泵的排出压力应控制在合理范围，避免压缩机出现无效工作等其他情况。BOG 压缩机和燃气泵的出口压力，统一通过燃气缓冲罐上的压力设定值进行调整。由同一参数统一控制2 个出口，可以很好地解决2 台设备出口压力不一致的问题。

4 结语

本文通过对15 000 标准箱集装箱动力系统改装设计研究，以LNG 燃料舱、主机、发电机及锅炉、供气系统、加注系统、辅助系统等为主要研究对象，依据实际船舶的布置，得出对LNG动力系统加装或改装是可行的。虽然不同船型设计方案略有差别，但主要方案和设计思路比较接近。

采用天然气为燃料可以使NOX排放量减少20%～ 80%、CO2排放量减少20%～ 30%，更易满足排放要求及新船能效设计指数（energy efficiency design index,EEDI）三阶段标准的要求[8]。希望本文的研究，能为船舶新燃料改装及采用新燃料动力系统的船舶设计工作提供一些参考借鉴。