LNG动力技术在多用途船上的应用与研究

杨海建,范 祥,马小勇,朱天宇

(南通中远海运川崎船舶工程有限公司,江苏 南通 226005)

0 引言

在全球日益关注绿色环保的大环境下,国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)对船舶排放要求越来越高[1]。液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)燃烧后具有碳排放低、不会产生碳烟颗粒、不含硫氧化物等特点,因此LNG燃料成为实现碳中和、碳达峰很好的过渡燃料。据统计,相比常规燃油,采用LNG燃料可以减少约25% 的二氧化碳(CO2)排放量、20%～30%(高压主机)或85%(低压主机)氮氧化合物(NOx)排放量、95%的硫化物(SOx)和90%颗粒物排放[2]。因此,基于对未来排放法规和油气价格发展趋势的预期,LNG作为船用燃料的优越性将越来越显著,LNG双燃料船也会具有十分广阔的市场前景和发展空间[3]。

随着船用燃料供应系统(Fuel Gas Supply System, FGSS)技术的迅速发展,FGSS的设备投资成本逐渐下降,以LNG作为燃料的多用途船也越来越受到青睐。

本文以LNG双燃料28 000 t多用途船为开发对象,研究双燃料设备选型、LNG燃料舱的设计布置、LNG燃料供应系统等关键技术,分析LNG动力船使用LNG燃料的经济性,形成完整的LNG燃料应用设计流程。

1 项目简介

某LNG双燃料28 000 t多用途船(Genenal Cargo Ship,GCS)的发电机和锅炉均采用双燃料形式,LNG燃料舱采用了IMO C型独立燃料舱,布置在艉部甲板开敞处。其主要参数如下:总长179.5 m,型宽28.0 m,型深14.8 m,吃水9.2 m,LNG燃料舱容积500 m3。

2 双燃料设备选型

2.1 双燃料主机

目前市场主流的双燃料主机分为曼恩的ME-GI机和温特图尔的X-DF机,这2款主机的对比情况见表1。

表1 双燃料主机对比表

综合考虑主机的市场占有率、燃料消耗率、甲烷逃逸和船厂的工作量等因素,本项目主机采用曼恩ME-GI主机。该主机在燃料模式下工作压力为20～30 MPa,温度为(45±10) ℃,详细参数如下:

主机曼恩6S50ME-C8.2-GI-Tier II,最大连续运转功率(SMCR)9 300 kW×122 r/min,正常连续运转功率(NCR)6 510 kW×108.3 r/min,基于轻油低热值(LCV)42 700 kJ/kg时设计燃料消耗25.8 t/d,基于LNG(纯甲烷)的 LCV 50 000 kJ/kg时设计燃料消耗20.7 t/d。

2.2 双燃料发电机

本项目配备3台瓦锡兰低压双燃料四冲程发电机。其主要特征是采用奥托循环模式、低压燃料系统,燃料模式下可以直接满足NOxTier III的排放要求。详细参数如下:

机型瓦锡兰W6L20DF,最大连续运转功率(MCR)1 110 kW,设计燃料消耗3.9 t/d。

2.3 双燃料锅炉

本项目配备1台阿法拉伐欧宝的双燃料锅炉。该锅炉除了常规燃油模式和LNG燃料模式之外,还具有燃烧LNG和氮气的混合气的混合模式。该功能主要用于LNG燃料加注过程中,为了维持LNG燃料舱内的压力时处理回气(采用LNG槽罐车加注,不具有回收气的功能)。

3 LNG燃料舱的设计与布置

3.1 LNG燃料舱的选型

薄膜型和球舱型(MOSS型)被广泛应用于大型LNG运输船。LNG动力船不同于LNG运输船,一般采用非船体结构的液货舱,如A、B、C型舱,建造工艺简单,技术成熟,成本低。A、B、C型液货舱及薄膜型液货舱对比见表2[4]。

表2 LNG燃料舱对比

本项目采用C型独立LNG燃料舱。C罐相比其他形式的燃料舱有着更高的耐压能力,建造门槛低,无需次屏蔽且具有自承压功能[5]。虽然其空间利用率相对低会占有较大的布置空间,质量重会影响船舶的载重吨,但是考虑GCS船型的特点,LNG燃料舱布置在开敞甲板上,不会影响船舶的载货量。LNG燃料舱连接处所(TCS)布置在LNG燃料舱的顶部,内置与LNG燃料舱连接的相关阀门、传感器和报警装置等。LNG燃料舱材料采用单层9%镍钢,并且外加聚氨酯(PU)保温层,蒸发天然气(Boil Off Gas,BOG)蒸发率控制在1.0%/d之内。

3.2 LNG燃料舱舱容决定

(1)最大装载极限

根据《使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则》(IGF Code)要求,LNG燃料舱的装载极限,不应超过下列计算值:

式中:LL为装载限制,%;FL为充装限制,取98%;ρR为在基准温度下燃料的相对密度,kg/m3;ρL为在装载温度下燃料的相对密度,kg/m3。

本文以FLUXYS公司的数据为计算基础,在基准温度(-153 ℃)下,ρR取0.407 kg/m3,ρL取0.440 kg/m3。

经计算,LL=91%。

(2)最小剩余限制

LNG燃料舱的最小剩余限制通常需要考虑以下因素:

①考虑到LNG燃料舱需要始终维持冷态状态,并保留一定的LNG残余量;

②需要考虑LNG燃料舱内的潜液式离心泵吸口位置,以确保船舶在恶劣海况下,不被吸空;

③需要满足厂家对离心泵的必需汽蚀余量(Net Positive Suction Head,NPSH)的要求。

综合这3方面的因素,经计算最小装载为5%。

因此,考虑船舶的续航能力、双燃料设备的燃料消耗量、LNG燃料舱的最大装载极限/最小剩余极限和设计冗余等因素,舱容约为500 m3。

3.3 LNG燃料舱的布置

LNG燃料舱与其燃料供应系统的结构复杂,对船舶的安全性和防火的要求较高。充分研讨船舶的稳定性后,通过多种布置方案对比,最终将LNG燃料舱布置在艉部(机舱上方)的开敞甲板上,见图1。该布置方案可以很好地解决防火、安全、LNG燃料舱支撑鞍座等技术难题。

4 LNG燃料供应系统

4.1 燃料供应系统组成和工作原理

LNG燃料供应系统由LNG加注系统、LNG燃料低温存储系统、燃料处理系统和相应的辅助系统组成,见图2。本船采用曼恩的ME-GI高压双燃料主机,其进气压力为30 MPa,和双燃料发电机、锅炉所需的0.6 MPa进气压力相距很大,故采用高压燃料供应系统和低压燃料供应系统相结合。

图2 供应系统方案示意图

船舶航行过程中,C型燃料舱内潜液式泵(出口压力设定为0.7 MPa)将抽出LNG通过加热加压过程转化成30 MPa的强制蒸发天然气(Forced Boil Off Gas,FBOG)供主机使用。同时,船舶航行过程中自然产生的蒸发天然气(Natural Boil Off Gas, NBOG)会被利用起来,通过加温加压后供给发电机和锅炉作为燃料。若NBOG不够,强制蒸发天然气回路也会补充NBOG供给发电机和锅炉使用。

4.2 LNG加注系统

考虑多种加注方式以满足船舶所有人的运营需求,加注过程主要分初始加注和正常营运过程中加注2个过程。该船不仅可以采用常规的岸基加注,还进一步开发船对船的LNG燃料加注装置,实现了加注船加注[6]。

两舷各配置了1个液相管和气相管接口法兰,并提供了氮气吹扫管。在燃料加注过程中,加注站综合考虑了LNG泄漏和火灾等问题。为防止接口法兰连接处泄露,在底部设置耐低温的不锈钢集液盘,同时设置了舷外水帘保护;船岸连接系统可以保证加注过程中出现问题时立即触发应急安全系统;气体报警监测系统可以监测整个加注过程是否有气体泄露。在防火方面,直接面向加注站的壁面设置有A-60级防火材和水喷淋喷头。

4.3 燃料处理系统

LNG动力船燃料处理系统的设计满足IGF 规则、劳氏船级社、SOLAS公约及船旗国主管当局的法规等。

燃料处理系统的功能是将LNG处理成合适温度和压力的天然气,以满足双燃料设备的进口要求。其基本组成如下:

(1)LNG燃料低压泵。根据主机、发电机和锅炉的最大使用量,LNG燃料低压泵选择离心式潜液泵,并采用变频控制。

(2)LNG燃料高压泵。LNG动力船ME-GI主机需要20～30 MPa的供应压力,因此单纯依靠LNG燃料低压泵无法满足压力要求,需要配备高压泵。高压泵采用变频控制,根据主机不同的负荷,实时调节高压泵的转速,从而为主机提供满足主机进口压力和流量的要求。

(3)蒸发器和加热器。蒸发器作为FBOG的热交换器,主要功能为将液态LNG向气态天然气的转换,为主机、发电机和锅炉提供FBOG。加热器的功能为通过加热介质乙二醇水溶液的温度控制,达到控制FBOG的温度。

(4)BOG压缩机。该压缩机主要是压缩NBOG,为发电机和锅炉提供燃料,同时在LNG燃料舱维护保养时,能提供暖舱热源。BOG压缩机采用的是常温无油式螺杆空压机,因此,在BOG压缩机进口设置NBOG预加热器,出口设置冷却器。

(5)阀组单元。主机的阀组单元不含调压功能,其作用是实现对供应系统的供应和切断,以及氮气吹扫系统的控制。主机阀单元采用的非环形封闭形式,需要布置在危险区划。发电机和锅炉的阀组单元可以进行调压,其采用环形封闭形式,可以直接布置在机舱内。

(6)BOG管理对策。本项目选用的C型燃料舱,具有自承压能力,因此,其可作为一种BOG管理对策,同时结合双燃料锅炉的燃料模式,也可烧除多余的BOG。

4.4 辅助系统

(1)加热介质循环系统。该系统采用独立的乙二醇水加热循环系统,其主要由乙二醇水循环泵、膨胀水箱、乙二醇水加热器和温度控制阀组成,采用双燃料锅炉的蒸汽加热。在所有换热过程中,因冷源温度较低,因此必须选择冰点较低且不易氧化的传热介质,50%浓度的乙二醇水冰点约为-35 ℃,是极佳的加热介质。蒸汽的热量通过板冷传递给乙二醇水系统,再用乙二醇水加热LNG。

(2)通风系统。该系统采用30次/h的机械通风系统,对容易存在燃料积聚的围闭处所和半围闭处所进行强制通风,形成微负压,同时实时监测燃料是否有泄露情况。

(3)消防系统。具体措施如下:LNG加注站采用干粉灭火,燃料处理间采用CO2灭火,LNG燃料舱采用水喷淋灭火,面向LNG燃料舱的相应边界采用A-60绝缘方式。

5 经济性分析

LNG燃料作为一种清洁能源,已得到市场的广泛认可,但是,部分船东仍然在观望,其主要原因还是取决于国际市场油价与LNG燃料价格,因此有必要对LNG燃料的经济性进行评估。

假定ME-GI主机正常航行时,功率点a和燃油消耗率b已知。燃油价格为X,LNG燃料价格为Y,见表3。只有当ME-GI在相同时间内在燃气模式运行时所需要的燃料费用低于燃油模式运行时所需的燃料费用,其经济性才得以体现。

表3 双燃料经济性分析

因此,当:

X>0.8Y+(0.05～0.08)X

Y/X<1.150～1.187

根据上述分析过程得出以下结论:当LNG和燃油每吨价格比小于1.150～1.187时,采用LNG燃料的经济性得以体现。

6 结语

在全球排放法规日益严苛的今天,硫氧化物、氮氧化物、温室气体和颗粒物的排放在全球受到越来越多的限制。LNG作为一种清洁能源,其动力船必然会得到更好的发展。本文着力研究双燃料设备选型、LNG燃料舱的设计布置、LNG燃料供应系统和经济性分析等方面,形成完整的LNG燃料应用设计流程。但在LNG动力船上还有很多技术需要进一步完善或优化,今后将对LNG动力船型进一步加大研究和开发力度。