浅谈甲醇-柴油双燃料船舶燃料系统设计

刘靖宇 王正钧

摘    要：为减少日益严重的船舶排放污染，甲醇作为一种清洁燃料，已被越来越多的用于船舶燃料。本文主要介绍我司甲醇-柴油双燃料船舶甲醇燃料系统设计要点。

关键词：甲醇；双燃料；系统；设计；船舶

中图分类号：U664.16                              文献标识码：A

Discussion on Design of Methanol Diesel Dual Fuel Ship System

LIU Jingyu，  WANG Zhengjun

（ Jianglong Boat Technology Co.， Ltd.，  Zhuhai 519000 ）

Abstract： In order to reduce the increasingly ship emission pollution， methanol， as a kind of clean fuel， has been used more and more as ship fuel. This paper mainly introduces the main points of the design of the methanol fuel system of methanol diesel dual fuel ships for our company.

Key words： methanol; dual fuel; system; design; ship

1     前言

当今船舶排放污染问题日益严重，绿色环保越来越受到世界各国的重视，相继出台各种法规限制船舶的排放。继《国际海事组织》IMO发布船舶“排放控制区”、“硫排放控制区”后，我国也公布了珠三角、长三角、环渤海水域船舶“排放控制区”，并发布了一系列法规规范船舶的排放标准[1]。

甲醇是清洁能源，其闪点较低、易燃、易爆、有毒，在用作船舶燃料时需做好十足的安全防护措施。

本文介绍甲醇燃料加注、储存、供应等系统的设计、甲醇泄漏的探测、通风、控制、消防等安全系统，使船舶能稳定、安全的营运。

2     甲醇燃料的特点

甲醇燃料不含硫和颗粒，甲醇发动机的硫与颗粒的排放可降低80%～90%[2]，能够比较容易的达到或超过现有的排放限值。

我司与玉柴股份联合天津大学，共同研发了甲醇-柴油双燃料船舶[3]，应用双燃料压燃式工作模式，95%的甲醇燃料做主燃料，5%的柴油做引燃剂，两种燃料的混合物经压燃发火做功，使甲醇替代率可达50％，甲醇对柴油的替换率（应用甲醇后替换下的柴油折合量）＜2.0（替换下的单位柴油等热值的甲醇量）。甲醇燃烧时，可以大幅度减少炭烟生成，改善了排放的品质。

本船应用柴油甲醇组合燃烧技术（DMCC），即起动用柴油，等充分暖车后采用柴油—甲醇二元燃料燃烧的方法，避免了甲醇不易着火的特性，又使二元燃料燃烧的特点得到充分发挥。

我国是个贫油、少气、富煤的国家，甲醇作为煤化工的衍生产品非常丰富，采用甲醇燃料替代柴油、重油燃料，具有重要的意义。

3    甲醇燃料系统设计

3.1  甲醇燃料箱

本船采用耐腐蚀的奥氏体不锈钢[4]材料制成甲醇燃料箱储存甲醇燃料。甲醇燃料箱位于主甲板艉部的开敞甲板上，用固定支架做支撑，周围设置围板，防止甲醇燃料箱因意外碰撞而造成损坏；箱体下方设有集液盘，能收集可能泄漏的燃料；集液盘下方设有止回阀和管路，直接泄放至污燃料油柜，如图1所示。

甲醇燃料箱设有压力/真空阀（PV阀），当箱内压力增加达到压力/真空阀压力端开启压力，则压力阀开启，气体以不小于30 m/s的速度垂直向上排出；当压力降低，不足支撑气体以30 m/s的速度排出时，则自动关闭，防止火星进入燃料箱。

当燃料箱内压力降低达到真空阀开启压力，则真空阀开启，吸入空气，以平衡舱内的压力。压力/真空阀真空端设有不锈钢防火网，也可防止火星进入燃料箱。

3.2  甲醇燃料注入系统

本船燃料箱位于主甲板开敞位置，在燃油箱旁边设有燃料加注站，加注站距离上建生活区的距离大于5 m，以保证加注甲醇燃料泄漏时不会对居住环境造成影響；加注管路和阀件采用316 L不锈钢。

甲醇燃料注入采用标准注入接头，接头后设有一个手动截止阀和一个气动遥控截止阀，以确保在紧急情况下可就地关闭，也可遥控关闭；同时，在燃料箱上设有高位报警和高高位报警，设置两道报警系统，以确保当其中一个故障时，不会造成燃料加注时溢出危险的发生。

燃料加注管路上还设有惰化和扫线专用的快速接头和止回阀，在加注燃料之前对加注管路进行充氮惰化，以排出管内可能存在的氧气；在燃料加注完成后，再次对燃料加注管路进行充氮，以将管内残存的燃料吹扫入燃料箱内。

燃料加注管路上设置常闭截止止回阀，在充氮扫线结束后打开此阀，让可能存在于加注管路内的残存燃料泄放至污燃料油柜，然后拆卸燃料加注接头完成加注。

甲醇燃料注入系统图，如图2所示。

3.3   甲醇燃料供应系统

甲醇燃料管在进入机舱之前，使用耐腐蚀的不锈钢316 L管做输送管路，输送管路除有阀件和附件的地方使用法兰连接外，其他地方均采用全焊接结构，以防止管路的泄漏。

燃料从主甲板燃料箱重力输送至底部燃料准备间[5]（泵阀间），甲醇燃料输送管系上的甲醇泵、甲醇滤器、阀件等带有接头容易造成泄露的阀附件，均设置于燃料准备间中，接头下方设置集油盘，并设置止回阀和泄放管系自动泄放至污燃料油柜。

从燃料准备间至机舱主机之间的管路采用双壁管，双壁管内外均采用316 L不锈钢，外管和内管焊接为一体，中间形成气密空间，在外管前后两端设置惰化接头，初次使用之前，使用氮气惰化系统对双壁管中间进行驱气惰化，以降低氧气含量；在双壁管外管上设置压力表和压力传感器，以保证双壁管中间惰性气体的压力大于燃料管路设计压力，当惰性气体的压力低于内管设计压力时发出警报，以便检查管路是否有泄漏，并及时补充氮气；外管上设有泄放管路和截止止回阀，能将可能产生的泄漏自动泄放至污燃料油柜。

每台发动机的燃料供应管路上，设有1 个气动遥控截止阀和1 个手动截止阀，确保在发动机维修期间能进行安全有效的隔离；另外，在整个燃料供应管路上设置惰化接头，在初次使用之前使用氮气对所有的管系进行惰化。

甲醇燃料供應系统图，如图3所示。

3.4   甲醇燃料惰化系统

本船设有2套氮气瓶、减压阀和管路等，为全船提供惰化所需的压缩氮气。

2套惰化系统：一套为手动惰化系统，即每次加注、扫舱或管路惰化时，采用连接氮气瓶的软管接至燃料箱或管路的惰化快速接头，向管路或箱体手动充氮；另一套为自动惰化系统，使用于燃料箱，燃料箱设有氧气浓度传感器，当氧气浓度达到设定浓度时打开连接氮气瓶至燃料箱管路上的电磁阀，自动向燃料箱内补充氮气，以降低箱内的氧气浓度；当氧气含量达到设定的低浓度时，关闭电磁阀停止供氮，以保证燃料箱的惰化效果。

甲醇燃料惰化系统图，如图4所示。

3.5   气动遥控站

本船在主甲板上建舱壁旁设有1套气动速闭阀控制箱，箱体上设有压缩空气瓶和多个接口，可将压缩空气接至各个需要遥控操作的气动速闭阀上，以实现紧急情况下的遥控关闭。

3.6   淋浴和洗眼站

上建后舱壁布置有供紧急情况下使用的淋浴和洗眼站，淋浴和洗眼站在所有情况下都可以操作和使用，以降低任何误操作和泄漏对船员人生安全的影响。

3.7   防火防爆及消防安全

燃料准备间作为防火防爆处所，燃料准备间和机舱采用A-60级防火分隔，面向甲醇燃料箱的上建界限面采用A-60级防火分隔。

本船消防区域分为三类：

（1）水消防

主甲板所有区域使用常规水消防，机舱设有一台消防水泵，可供全船所有消防水所需；全船设有3只水柱、水雾两用型消防水枪，可喷射消防水到全船甲板所有失火区域。

（2）水喷淋消防系统

上建及上建到甲醇燃料箱之间的有人区域，额外设置一套水喷淋消防系统，当甲醇泄露有毒气体扩散时，可开启本区域的水喷淋消防系统，喷射的水雾可使甲醇气体溶于其中，保证不被人体呼吸吸入。

（3）抗醇泡沫灭火系统

由于常规泡沫灭火和高压CO2灭火系统在甲醇做燃料的环境下已无法适用，本船特设置抗醇泡沫灭火系统，可在此环境下及时扑灭机舱或燃料准备间的火灾。

本船设置抗醇泡沫罐[6]和泡沫泵间一个，并设置相应管路通向机舱和燃料准备间，在舱内设置泡沫喷头，当机舱或燃料准备间失火时，起动泡沫泵抽泡沫罐内的泡沫与水混合后扑灭火灾并吸收可能泄漏的甲醇。

抗醇泡沫灭火系统图，如图5所示。

3.8   通风透气

机舱设有两台大流量轴流风机，为机舱中推进主机和发电柴油机提供燃烧所需空气，以及排出机舱多余热量和可能会出现的甲醇燃料气体。

料准备间与周围舱室的限界面设计成气密和水密，以防止准备间内气体进入相邻舱室；燃料准备间内设有2台由主配电板直接独立供电的防爆型轴流抽风风机（一用一备），每小时的换气量大于30次，能完全排出燃料准备间中甲醇供应管路上设置的阀件、附件等溢出的甲醇气体；房间内安装有甲醇气体浓度探测器，用以探测可能泄漏的燃料。

3.9   检测报警与自动控制系统

本船设有一套新型甲醇气体检测报警系统[7]。通过该气体检测报警系统，可检测甲醇储存和输送管路的安全情况，并将检测数据传送至控制站、岸基和移动电子设备，实现实时监控。当检测到隔离空舱内甲醇浓度超标、双壁管内甲醇浓度超标、甲醇液体泄漏等危险情况时，可自动切断甲醇燃料供应；另外，设有自动惰化系统，可根据舱内氧气浓度，自动对甲醇燃油舱进行惰化。

甲醇气体检测报警系统，由驾驶室监测显示系统、信号收集系统、若干个监测报警单元及无线网络传输系统组成，驾驶室监测显示系统与机舱信息收集系统电信号连接，监测报警信号网采用高速冗余环网结构，分布于各个甲醇燃料储藏及使用场所，若干个所述监测报警单元均通过所述控制信号网与所述机舱信息收集系统电信号连接，可通过4G/5G无线网络传输系统采用最新网络技术将各个监测报警单元的内容传控制站、岸基和移动电子设备，使甲醇作为船舶燃料的使用上，更加安全。

4    总结

以上各系统，可以保证甲从注入到使用过程的安全、甲醇舱内压力的平衡、氧气浓度的含量控制，防止可燃有毒甲醇的聚集，还能在发生泄漏和火灾时进行有效的控制，保证甲醇作为船舶燃料在整个使用过程中的安全可靠。该系统的设计满足中国船级社CCS《船舶应用甲醇乙醇燃料指南》2022的要求。

参考文献

[1]船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法实施指南[S]. 北京：中国船级社， 2018.

[2]袁世春.甲醇燃料船试验方案分析[J].世界海运， 2017（04）.

[3]戚朋哲，刘高令，王双波，宋印东.柴油机燃用甲醇柴油的研究现状[J]. 科技资讯， 2017（04）.

[4]李方晨，于朋，金贤. 30 000 DWT不锈钢化学品船液货系统设计[J].船舶工程， 2015（11）.

[5]船舶应用甲醇乙醇燃料指南[S]. 北京：中国船级社， 2022.

[6]王鹏.抗醇泡沫灭火剂在水溶性有机溶剂表面铺展能力的实验研究[J].火灾科学， 2015（12）.

[7]徐小兰.大气中甲醇监测分析方法的探讨[J].科技信息， 2010（35）.