甲醇加注系统及其惰化监测设计

江练金，孙 瑞，吴 海，颜小明

（1.招商局海洋装备研究院，广东 深圳 518067；2.招商局重工（深圳）有限公司，广东 深圳 518054；3.西安交通大学管理学院，陕西 西安 710049）

随着航运界落实全球“碳达峰、碳中和”对COx减排的阶段性战略需要，LNG、氨、氢、生物柴油和甲醇成为热门的可替代燃料，而甲醇因为其常温常压下呈现液态的优点，近期成为大型船舶主机动力燃料的主要选择[1]。如2022 年10 月，航运巨头穆勒马士基集团在韩国现代重工下单建造6 艘采用甲醇双燃料动力的17 000 TEU 集装箱船，并由此引领新造船舶采用甲醇燃料作为动力成为一个热点。

对传统燃料驱动的现有船舶进行甲醇燃料动力改造也成为一个热点方向，但不管是新造还是改装，船舶甲醇燃料动力系统的设计必须解决燃料加注、存储、调温加压供给、燃料过滤准备、控制阀组通断、惰化吹除、泄漏监测等关键性技术，据此针对整套动力系统的重要部分，即甲醇加注系统及其惰化监测设计展开分析。

1 常见甲醇动力系统设计及其加注站布置

基于甲醇燃料的整套动力系统的设计，与LNG/LPG 动力系统有许多相似之处，如燃料准备间和双壁管都是类似设计[2-3]，但与LPG动力系统具有更多的相似点。以德国曼恩柴油机公司（MAN）的6G60 机型为例，这2 种燃料都要求以液态喷射进缸，只是压力有所不同，甲醇压力为1.0 MPa，LPG 压力为5.3 MPa，但甲醇常温常压下保持液态，LPG 需加压才能保持液态[4]，所以甲醇动力系统设计又与LPG 动力系统具有颇多不同之处。常见甲醇动力系统设计及其加注站布置的原理模型如图1所示，一般设置有燃料存储舱和日用柜，存储舱的舱容需要满足该船航线需求的燃料消耗量，而日用柜的舱容则需要满足主机至少8 h 的燃料消耗量。燃料存储舱内安装有深井泵，在日用柜内液位计低位报警时，将燃料从存储舱加注给日用柜，而日用柜的燃料经过燃料供给单元调温加压后经控制阀组输送给主机燃烧做功。在存储舱内液位计低位报警时，船舶需要靠岸或经专用加注船进行燃料加注，在船舶的左右舷各设置一个加注站，以方便在任一侧可进行燃料加注，加注站配置有液相管、气相管和氮气吹除管。加注作业时，燃料经液相管注入存储舱，舱内气体经气相管返回进行收集。

图1 常见甲醇动力系统设计及其加注站布置的原理模型

现在进行常见甲醇动力系统设计时，一般将燃料日用柜设计为独立箱柜，放置在主甲板上，这种设计一般有如下问题：①日用柜为独立舱柜，其和燃料准备间都布置在主甲板上，需要占用较大空间；②管路系统惰化后仅进行单次检测，没有进行持续监测，无法检测到因后续泄漏带来的安全隐患；③每次燃料舱和日用柜进行加注或驳出作业时，需要进行气体填充和超压释放至大气，浪费氮气。

2 新甲醇动力系统设计及其加注站布置

2.1 新设计原理模型

针对常见甲醇动力系统设计及其加注站布置的问题所在，进行设计改进，特别是对其加注功能进行升级。新设计原理模型示意图如图2 所示。新设计原理模型包含如下部件：船舶（100），船舷（101），燃料舱1（102），燃料舱2（103），隔离空舱（104），压载舱（105），日用柜（106），燃料泵1（201），燃料泵2（202），日用泵（203），PV 阀（204-206），控制阀（207-223），流量控制阀（224），单向阀（230-234），三通阀（225-226），蒸发气管（251），燃料加注管（252），管线（253-263），燃料供给单元（290），氮气管（270），干燥空气管（271），供给主机管（272），透气桅（273），左舷加注站（281），右舷加注站（282），气体探测仪（300），燃料准备间（400）。新设计原理模型与图1进行对比，改进的布置特征为：由船舷至船中依次为压载舱、隔离空舱、燃料舱、燃料准备间和日用柜，各舱柜和房间的顶部保持平齐即为主甲板；燃料舱1 与燃料舱2 合成一个U 型包围住燃料准备间和日用柜，而隔离空舱又呈现U型包围住2 个燃料舱，最后船舷和船底的压载舱合成更大的U 型对隔离空舱进行包围。在船舶主甲板上的左右舷各布置有一个加注站，其功能为对燃料舱1、燃料舱2和日用柜进行甲醇燃料加注或驳出作业[5]。

图2 新设计原理模型示意图

2.2 新设计的特点和功能

1）U 型包围结构和顶平式设计。通过将压载舱、隔离空舱、燃料舱、日用柜和燃料准备间的结构设计成U型包围方式和顶平式布置，具有的泄漏防护方式为：在日用柜发生破损导致燃料泄漏时，泄放至燃料舱1或燃料舱2；在燃料舱1或燃料舱2发生泄漏时泄放至隔离空舱；在隔离空舱发生泄漏时泄放至压载舱。其特点和功能为：U 型包围结构构成多重燃料泄漏保护，将泄漏控制在指定区域，避免燃料对船舶其它安全区域形成威胁。

2）加注站设计。左舷加注站包括蒸发气管、燃料加注管、氮气管、阀门（230、231、207、208）、滤器等部件。右舷加注站包括蒸发气管、燃料加注管、氮气管、阀门（233、234、220、221）、滤器等部件。可根据靠岸需要选择左舷或右舷进行加注燃料作业，如选择左舷进行加注时，其工作流程为：外部加注设施的燃料管和蒸发气回收管分别连接滤器所在燃料加注管上的端部接口和蒸发气管端部接口，燃料通过燃料加注管进入燃料舱和日用柜，需打开阀门（210、214、219），保持对应管路流通。燃料进入舱柜内时，其内部气体从顶部排出，需打开阀门（211、216、222），保持对应管路流通，气体排出后经蒸发气管驳出至外部加注设施的接收装置。阀门（233、234、230、231）为单向阀，防止燃料或气体倒流进入氮气系统。

3）惰化吹除方式和监测设计。燃料舱和日用柜以及管路（251、252）上都安装有氮气管，惰气经氮气管对燃料舱和日用柜以及管路（251、252）内部进行吹除和置换，以保持其内部惰化至含氧量降至小于2%和可燃气小于20%LEL，避免自然空气与燃料蒸发气形成爆炸混合气[6]。

4）PV 阀设计。燃料舱和日用柜上分别安装有PV 阀（204-206），3 个PV 阀 接 至 共 同 管 路（253），并由管路（253）接至设置在高处的透气桅，出于安全考虑，透气桅安装于烟囱旁的平台上，参考图2（b），其危险区域虚线范围与烟囱排气区域不重合。PV 阀为压力真空阀，在舱内绝对压力低于某一设定值时打开吸气，在舱内绝对压力高于某一设定值时打开放气。譬如，在进行加注作业时，如外部加注设施没有安装排气接收装置，则舱内顶部气体在超压时触发PV阀开启排出，并经管路（253）和透气桅排出[7]。PV 阀设定工作区间一般为0.093～0.120 MPa。

该设计可实现燃料在舱柜间内部驳运时不启用PV 阀，参考图2（a）。日用泵将日用柜内燃料通过管路（272）输送给燃料供应单元，然后再输送给机舱内的主机使用，在日用柜内液位开关监测到液位低位报警时，燃料泵（201）启动将燃料通过管路（254、252）输送给日用柜，此步骤保持阀门（209、214）开启，阀门（217）关闭；也可由燃料泵（202）启动将燃料通过管路（255、252） 输送给日用柜，此步骤保持阀门（218、214）开启，阀门（217）关闭；输送过程中同步控制三通阀（225）和/或三通阀（226）进行舱柜间顶部气体通断，避免PV阀启闭。

5）舱底连通设计和自然通断功能。燃料舱1内安装有燃料泵1，燃料舱2 内安装有燃料泵2，日用柜内安装有日用泵，管线（257）保持水平，贯通2 个燃料舱和日用柜，并位于舱柜内顶部[8]，管线（257） 上靠近燃料舱1 处设置有三通阀（225），管线（257）上靠近燃料舱2 处设置有三通阀（226），三通阀（225、226）为Y型，可以进行任意两端口通断操作。燃料舱1 和燃料舱2 底部设置有用于通断的阀（212）及其管线，日用柜底部设置有阀（223）及其管路，用于日用柜向燃料舱1 进行泄放。当泵（201）向日用柜驳运燃料时，打开三通阀（225）保持舱柜顶部气体流通；当泵（202）向日用柜驳运燃料时，打开三通阀（226）保持舱柜顶部气体流通，燃料舱和日用柜内燃料液体体积和顶部气体体积分别保持不变，由此，PV阀（204-206）不会触发吸气和放气。

此设计具有重力自然通断功能，参考图2（a）。当开启阀门（212 或223）进行2 个燃料舱和日用柜中的舱—舱或舱—柜间下部流体通过重力自然通断时，控制阀门（225、226）保持对应舱—舱或舱—柜间顶部气体互相流通，由此，无需启动燃料泵和触发PV阀。

6）泄漏监测设计。PV 阀出口公共管线（253）反向连接透气桅的一端，安装有干燥空气管（271），流量控制阀（224），单向阀（232），在PV阀（206）和透气桅之间安装有气体探测器（300），管路（253）在3 个PV 阀出口段保持水平安装，避免凹型积水形成气阻，气体探测器（300）靠近PV阀（206）安装。其监测流程为：干燥空气经流量控制阀（224）调节后，以微速从公共管（253）吹向透气桅，以便在3 个PV 阀任一发生泄漏或释放时尽快探测到。流量控制阀（224）调节后输出的干燥空气风速设定区间以0.5～3.0 m/s为宜。

3 惰化和泄漏监测方法

甲醇加注、惰化和泄漏监测分以下5个步骤实施。

1）氮气由氮气管分别进入燃料舱1、燃料舱2、日用柜以及蒸发气管进行惰化，被置换的自然空气经蒸发气管的左舷或右舷的加注站端口排出；氮气由氮气管从左舷或右舷的加注站端口进入燃料加注管路进行惰化，被置换的自然空气经另一船舷加注站端口排出。惰化后由便携式检测仪测得氧气含量低于2%。

2）燃料由左舷或右舷加注站的燃料加注管路注入燃料舱1 或燃料舱2 或日用柜，在舱柜达到指定液位时停止加注[9]，同时舱柜内氮气由蒸发气管舷旁接口排出至第三方接收装置，或经透气桅排向大气。

3）加注停止后，先通过氮气管对管路（251、252）进行吹扫，将管路内燃料残液吹送至任一燃料舱或日用柜，然后关闭阀门（210、211、219、214、215、216、218、219、222） 后 进 行 管 路（251、252）内部惰化置换，惰化后由便携式检测仪测得氧气含量低于2% 和可燃气浓度小于20%LEL，然后保持阀门（217、207、208、220、221）关闭。

4）氮气经干燥空气管进入，对管路（253）进行惰化吹除并排放至透气桅，当检测可燃气含量低于20%LEL 后停止。然后气源由氮气切换为干燥空气，调节阀门（224）指定流量风速，持续对管路（253）保持微量通风，并经透气桅排出。

5）气体检测仪（300）持续对管路（253）内微量流通的空气进行监测，在检测到可燃气体浓度高于20%LEL时进行报警，信号给控制系统。

4 设计的优点和改进的特征

通过上述新型原理模型设计和加注、惰化、监测方法等关键问题的分析，对比常规设计，新设计具有如下优点和改进特征。

1）在加注管路和甲醇燃料舱之间设置隔离控制阀，加注作业时开启，非作业时关闭。

2） PV 阀出口管路上设置甲醇气体探测仪，加注后先进行管路惰气吹除，直到可燃气含量低于20%LEL，再以微量干燥空气保持管路内持续通风，当可燃气高于20%LEL时进行报警。

3）燃料舱、日用柜和燃料准备间都布置于主甲板下，该布置可保持尽量少占用主甲板空间，方便主甲板上进行更多货物的装载。

4）燃料舱和日用柜进行加注或相互驳运作业时，可由舱顶三通阀进行气体流通，避免PV 阀开启泄放而浪费氮气，也可开启舱底连通阀进行燃料液体自然重力流通替代泵进行驳运。

5）船舶舱室结构采用与主甲板顶平设计，且采用U型包围方式，形成多重燃料泄漏保护，提高了船舶安全性。

5 结束语

1）经上述分析可知，将压载舱、隔离空舱、燃料舱和日用柜采用U型层层包围结构并保持顶平设计，节省了主甲板空间，并有利于将PV 阀出口的公共管路设计成水平安装，从而便于进行惰化和泄漏监测。该新设计具有可操作性和便利性，特别适合大型集装箱船等对主甲板上空间安排极其严苛的船型，同时也适用于VLCC、VLOC 和散货船等船型。该改进方案有利于船东进行以上船型的新造船或改装时，在燃料日用柜和燃料准备间的布置地点上进行综合分析，以做出较经济适用的选择。

2）甲醇作为一种可常温常压液态存储的新型燃料，与传统柴油燃料有诸多相似之处，在现有营运船舶上进行甲醇动力双燃料改装是较为经济可行的方式，由此被航运界寄予厚望。但甲醇由于腐蚀性、易燃性、对人体有毒性，所以其诸多相关技术和规范要求还需在实际应用中进一步完善[10]，特别是加注系统和惰化监测的设计作为关键技术环节也需要不断进行优化，以增强其使用的实用性和安全性。