小型LNG运输船燃气供应系统设计

豆庆民，王有利，曲 波

（大连中远船务工程有限公司，辽宁大连 116113）

小型LNG运输船燃气供应系统设计

豆庆民，王有利，曲 波

（大连中远船务工程有限公司，辽宁大连 116113）

以大连中远船务28 000 m3绿色LNG运输船为背景，通过对TGE燃气供应系统的研究，探讨LNG运输船燃气供应系统设计要义，以期为未来LNG运输船供气系统的设计提供参考。

燃气供应系统；BOG压缩机；燃气泵

0 引言

传统的石油能源储量大，便于储存运输，且安全性高，但目前随着能源需求增加，石油价格飞速上涨，且其燃烧会排放出大量CO2、NOX和SOX等有害气体，船用燃料已成为全球大气污染的重要来源。海事组织为积极应对环境挑战，修改了相应的公约和规范，随着这些新公约和规范不断生效，全球航运业将面临更加严厉的污染排放限制。

天然气是一种热值高、环境污染小的洁净能源，随着双燃料发动机技术的日趋成熟，世界各国政府都已将目光聚焦在天然气在船舶上的应用，对于LNG运输船来说，由于可以使用货物的自然蒸发气（BOG）作为燃料，其优势更加明显。如何在LNG运输船上高效利用天然气作为动力，已成为迫切需要解决的首要问题。

大连中远船务28 000 m3绿色LNG运输船采用双燃料驱动，是国内首艘绿色新能源标准船舶，被大连市发改委认定为 2013年大连市制造业重点领域首台技术设备，并给予政府资助。本文以此LNG运输船项目为背景，探讨双燃料主机燃气供应系统在实船上的应用。

1 船舶简要

大连中远船务28 000 m3绿色LNG运输船为一艘单机单桨、双燃料主机驱动可调桨推进的 LNG运输船，带PTO功能，属2G型船。该船按CCS现行规范规则设计、建造，受之检验，取得相应船级符号[1-3]。

全船设3个货舱，货舱区为单舷侧结构，设顶边舱、底边舱及双层底。每个货舱内设一对独立LNG液货舱。液货舱为3对独立的IMO认可的C型货罐，最低设计温度-163℃，液货舱舱顶设计压力 0.35 MPa（IMO）[4]。

主尺度和参数见表1。总图见图1。

表1 主尺度及参数

2 燃气供应系统设计概述

该船燃气系统供气量为主机100%MCR下的总燃气消耗量。燃气管采用AISI316L不锈钢管。

燃气供给有两种方式：一是BOG供给模式，即液货BOG经气液分离后压缩至0.6 MPa～0.7 MPa，加热至主机要求的温度，进入缓冲罐稳压后持续稳定地输送至主机燃烧；二是LNG强制蒸发模式，当BOG实际量小于主机需求时，则通过甲板罐的燃气泵泵送 LNG至强制蒸发器进行强制蒸发，强制蒸发后的燃气经缓冲罐稳压后输送至主机燃烧[5]。燃气供应系统的流程图见图2。

3 燃气供应系统主要设备

3.1 BOG压缩机

两台变频电机驱动，无油型，活塞式BOG压缩机，布置在主甲板上部半遮蔽的压缩机室内。主要性能参数见表2。

该BOG压缩机有两种操作模式，分别是单级压缩模式和两级压缩模式。单级压缩模式用于装载LNG货物时，液货舱内产生的蒸发气通过压缩机加压后，强制回流至岸站。两级压缩模式用于液货舱BOG加压，以便为双燃料主机提供合适压力的燃气。

表2 BOG压缩机主要性能参数表

3.2 气液分离罐

气液分离罐安装在BOG压缩机吸入端，材质为AISI304，容积约2.0 m3，罐体上安装有安全阀，高液位浮子开关等，该罐用于阻止液体和固体微小颗粒进入BOG压缩机，当罐内液位过高时，自动停止BOG压缩机，并发出声光报警。

3.3 中间冷却器

中间冷却器设置在燃气进入二级压缩机之前，当主机低负荷运行时，用于冷却一级压缩后的燃气。需要注意的是，主机正常负荷运行时，BOG经过一级压缩后，排出温度仍低于冷却水温度，此时没有必要使一级压缩后的BOG通过中间冷却器。但是，由于航行过程中，主机负荷变化频繁，如果主机负荷突然降低，则由于缓冲罐中的燃气再循环，压缩机进口燃气温度迅速升高，从而导致一级压缩后的燃气温度相应升高，如果此时再手动打开中间冷却器，可能会造成压缩机二级进口的燃气温度高。为保证主机在各种负荷下压缩机均能可靠运行，通常中间冷却器保持随时运行。

中间冷却器为板式热交换器，型号CBM400-106L，换热量约46 kW，材质为不锈钢。主要性能参数见表3。

表3 中间冷却器主要性能参数表

3.4 后冷却器

后冷却器设置在BOG压缩机二级压缩出口的燃气管路上，用于冷却二级压缩后的燃气，使其温度满足燃气用户进机要求。后冷却器为板式热交换器，型号CBM400-106L，换热量约90 kW，材质为不锈钢。主要性能参数见表4。

表4 后冷却器主要性能参数表

3.5 燃气泵

甲板罐配置1台立式，两级离心式燃气泵。泵的电机包含在泵壳内，整个燃气泵及其电机均浸没在液货中，由泵送的液货进行冷却。燃气泵可以就地及遥控启停。在应急和故障（高、低电流）情况下可以自动切断。燃气泵流量通过旁通调节机构控制。

该泵用于BOG量不足时，将甲板罐中的LNG泵送到强制蒸发器，进行强制蒸发，再经缓冲罐稳压后输送至主机燃烧。

燃气泵的主要性能参数见表5。

表5 燃气泵主要性能参数表

3.6 强制蒸发器

强制蒸发器布置在压缩机室内，当液货舱产生的BOG不能满足主机燃气需求时，必须通过强制蒸发产生该燃气附加量。

强制蒸发器采用间接加热，初级加热采用蒸汽加热，先用锅炉产生的蒸汽加热水/乙二醇溶液；次级加热采用乙二醇水系统，再用水/乙二醇溶液加热并汽化LNG。为保证持续、稳定的汽化LNG，水/乙二醇溶液进入强制蒸发器的温度一般控制在 50℃左右。

强制蒸发器为壳管式热交换器，换热量约1 500 kW，材质为不锈钢。主要性能参数见表6。

表6 强制蒸发器主要性能参数表

3.7 燃气缓冲罐

燃气缓冲罐布置在靠近生活区前壁的主甲板上，其目的是为了保证能够持续、稳定的向双燃料主机供气，燃气缓冲罐的材质为低碳钢，容积约19 m3，设计压力为1.0 MPa，正常工作压力约0.6 MPa。整个罐体表面包有保温绝缘，以防止寒冷天气时主机燃气进机温度过低。

4 燃气供给模式介绍

4.1 BOG供给模式

航行过程中，主机应优先使用液货舱内产生的BOG，以保持液货舱内的压力低于释放阀的最大允许调定值。

此供给模式如图3所示。当主机正常负荷运行时，经BOG压缩机压缩后的燃气可以完全被主机消耗。此工况下，进入BOG压缩机的燃气全部来自液货舱产生的BOG，液货舱内的BOG温度大约为-140℃，经气液分离罐分离后，进入BOG压缩机进行一级压缩，一级压缩后的燃气温度约为-60℃～-50℃，经中间冷却器加热后，进入BOG压缩机二级压缩的燃气温度约为40℃～50℃，二级压缩后的温度约为80℃～120℃，二级压缩后的燃气经过后冷却器冷却到约40℃，进入燃气缓冲罐稳压后再经过流量计、燃气总阀输送到机舱供主机使用。

BOG压缩机设计吸入压力为0.1 MPa，为防止BOG压缩机因吸入压力过高损坏本体部件，在气液分离罐前设置了一个压力控制阀PCV P1101，该阀可根据气液分离罐上的压力传感器PT P1101测量的实际压力自动调节开度，确保BOG压缩机进口压力不超过0.1 MPa。

当主机高负荷运行时，为保证BOG压缩机高效运转，控制系统首先会调节PCV P1101，以确保BOG压缩机的燃气进机压力在允许的范围内保持最大，然后通过调节BOG压缩机的转速，维持燃气缓冲罐中的压力稳定。当一台BOG压缩机不能满足主机需求时，控制系统会发出报警，并自动起动另一台BOG压缩机并联运行。

当主机负荷降低时，燃气缓冲罐中的压力会慢慢升高，为保持压力稳定，控制系统首先降低BOG压缩机的转速，如果BOG压缩机运行在最小转速（400 rpm）时，燃气缓冲罐中的压力仍然升高，控制系统会进一步减小PCV P1101开度。如果最小转速和最小开度下，燃气的供给量仍然高于主机的需求，控制系统会打开PCV P6250，使燃气缓冲罐中的燃气再循环，如果此时压力仍无法稳定，最终控制系统会打开PVK P6254，将燃气缓冲罐中的燃气回流液货舱中。

当主机负荷再次升高时，控制系统会顺次关闭PVK P6254和PCV P6250，然后调节PCV P1101开度，最后增加BOG压缩机的转速，以便满足主机燃气需求。

4.2 L NG强制蒸发模式

航行过程中，如果液货舱中的BOG不足以满足主机需求时，必须通过强制蒸发产生该燃气附加量，用以补足主机燃烧所需的燃气量。

此供给模式如图4所示。甲板罐中的LNG通过罐内的燃气泵，被驳运到强制蒸发器，气化后的燃气进入燃气缓冲罐稳压后再经过流量计、燃气总阀输送到机舱供主机使用。

强制蒸发器的蒸发量由燃气缓冲罐中燃气压力控制。当罐内压力降低时，控制系统会慢慢打开LNG控制阀PCV P6259；反之，当罐内压力较高时，控制系统会慢慢关闭LNG控制阀PCV P6259。

当强制蒸发器需要的 LNG流量小于燃气泵连续工作的最小流量时，控制系统会打开燃气泵的旁通阀，使多余的LNG回流至甲板罐中。

5 结论

大连中远船务28 000 m3绿色LNG运输船采用双燃料驱动，是国内首艘绿色新能源标准船舶，本文通过对该船双燃料主机燃气供应系统的设计，探讨 LNG运输船燃气供应系统设计要义，以期为未来LNG运输船供气系统的设计提供参考。

[1]中国船级社.双燃料发动机系统设计与安装指南[S].2007.

[2]中国船级社.散装运输液化气体船舶构造与设备规范[S].2016.

[3]中国船级社.钢质海船入级规范[S].2016.

[4]上海佳豪船舶工程设计股份有限公司.28 000 m3LNG船技术规格书[Z].2012.

[5]TGE Marine Gas Engineering GmbH.28 000 m3LNG Carrier Operations Manual[Z].2014.

Design Fuel Gas Supply System of Small LNG Ship

DOU Qingmin, WANG Youli, QU Bo
(COSCO (Dalian) Shipyard Co., Ltd., Liaoning Dalian 116113, China)

Taking the 28 000 m3 green LNG carrier built by COSCO Dalian Shipyard as the background,through the study of TGE fuel gas supply system, the paper explores the design essentials of the fuel gas supply system.Hope to offer reference for the design of future fuel gas supply system of small LNG carrier.

fuel gas supply system; BOG compressor; fuel gas pump

ⅹU664.13

A

10.14141/j.31-1981.2017.06.000

豆庆民（1983—），男，硕士，工程师，研究方向：海工及常规船舶轮机设计。