新型独立B型液化天然气燃料舱围护系统设计

李欣,王怡,王曌文,郭敏捷,周熲

(上海外高桥造船有限公司,上海 200137)

1 B型舱围护系统设计方案

B型舱围护系统系指包括燃料舱接头在内的用于燃料储存的装置,包括主屏壁、次屏壁、绝缘层、燃料舱处所以及相关系统,以及必要时用于支撑这些构件的相邻结构。

B型舱作为自持型液舱[5],需利用船体结构对其进行支撑。在确保续航力的前提下,为获得更优的集装箱布局、装载更多集装箱,目标双燃料集装箱船设置一个B型舱作为LNG燃料储存舱,位于上层建筑居住区域下方、主甲板以下燃料舱处所内。燃料舱绝缘层外表面与内船壳之间设有维修空间,见图1。

图1 双燃料集装箱船新型B型舱布置

对于布置在主甲板以下的LNG燃料舱需设置燃料舱连接处所,作为布置所有燃料舱接头和燃料舱所需阀附件仪表的围蔽处所。

1.1 B型舱气室和泵井布置

本船B型舱气室包括人孔,因此其尺寸主要取决于人孔尺寸以及舱上的阀附件仪表和管路布置。在满足布置的前提下,可将气室尽量做小,以提高经济性。

B型舱泵井尺寸主要取决于舱内LNG供给泵的尺寸及其维修空间。LNG供给泵有潜液泵和深井泵两种形式,深井泵的马达布置在舱外气室平台上,相较潜液泵维修更方便,无需进舱维修,但由于小排量深井泵厂家较少,该型式泵价格昂贵。

本船舱内配置2×100% LNG潜液泵,一用一备。该配置从设计角度完全可以满足系统要求,但是潜液泵的工作寿命为20 000 h,无法满足船舶5年坞修要求,因此不排除船东会要求采用3×100% LNG潜液泵,一用两备。若考虑深井泵方案,则配置2×100% LNG深井泵即可,一用一备。本B型舱泵井尺寸设计同时考虑了2×100% LNG潜液泵和3×100% LNG潜液泵的布置,可灵活应对船东不同要求。

1.2 B型舱绝缘系统布置

所述新型B型舱绝缘系统主体基于双层聚氨酯泡沫系统。第一层为根据B型舱舱体表面形状设计的聚氨酯板,第二层为喷涂聚氨酯泡沫,应用于聚氨酯板表面。新型B型舱围护系统的燃料舱和绝缘与船壳分离,无需分担船体强度,即燃料舱和绝缘的变形和温度应力不会对船体结构造成直接影响[6],船体结构无需选用耐低温钢材,并且减小由于冷缩效应所产生的热应力。

2）译码单元：对AHB-Lite下发的地址和数据进行译码，并分派给相关的寄存器；将控制单元的处理的结果送回总线；译码单元包括数据输入寄存器和控制寄存器，控制寄存器主要控制加速核的工作模式和标志起始工作状态。

绝缘系统同时起到防溅屏和微泄漏防护层的作用,泄漏液体通过舱表面和绝缘内层板之间的泄漏通道进入集液盒。基于95%加注率下蒸发率BOR<0.25%天的设计目标,经计算,该B型舱的绝缘厚度为330 mm。新型B型舱绝缘系统布置图见图2。

图2 双燃料集装箱船新型B型舱绝缘系统布置

1.3 B型舱泄漏、集液盒通风及加热系统

B型舱泄漏主要由B型舱裂纹扩展引起,一旦出现泄漏,泄漏的低温液体自裂纹处流至舱表面与绝缘之间的泄漏通道内。泄漏通道底部设置泄漏管,泄漏管上设置爆破片,在设定的爆破温度下,爆破片两侧压力差达到预设值时,爆破片破裂,泄漏液体流入底部集液盒。所述新型B型舱采用5个敞开式集液盒,分别位于B型舱底部4个角落以及舱底中部,集液盒之间无需设置连通管。泄漏至集液盒内的LNG自然气化为BOG,挥发至燃料舱处所内,挥发后的BOG通过燃料舱处所的风机抽至透气桅进行排放,避免低温气体扩散到周边船体空间破坏船体结构,见图3。

图3 B型舱泄漏、集液盒通风及加热系统

燃料舱处所风机配置为2×50%风机,总通风能力为每小时至少换气30次;若一组风机失效,通风能力不应下降超过50%。由于BOG为低温气体,风机需选用低温风机,出于成本考虑,为了更合理地进行风机选型,考虑通过B型舱泄漏扩散模拟计算,对燃料舱处所内结构温度进行计算,通过模拟温度值进行低温风机选型。

风机的控制可通过在燃料舱处所内设置温度开关、压力开关或可燃气体探头监测进行控制,当达到一定设定值时起动风机进行气体排放。关于传感器设置及对比见表1。

表1 风机控制方式对比

针对集液盒的通风系统设计,也可考虑在燃料舱处所上安装PV阀来取代风机的方案,该方案相较于风机配置更具成本优势。当泄漏至集液盒内的LNG挥发成BOG排至燃料舱处所内达到一定压力设定值后,将触发PV阀开启。参考LNG燃料舱上安全阀的设计,在燃料舱处所上配置2×50% PV阀。需要注意:基于PV阀的结构型式,PV阀无排放接口接至透气桅,即PV阀开启后只能在阀上直接透气。该PV阀的设置位置需满足《使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则》(IGF Code)[7]对危险区域划分要求,即压力释放阀透气出口与通向起居处所、服务处所和控制站或其他非危险区域的空气进口、出口或开口和机器的废气出口的距离应不小于10 m。

本船的上层建筑位于B型舱上方,因此若选用PV阀,会对居住区域造成直接影响,并对危险区域划分及相关设备布置带来一定困难。因此,本船优选风机方案。

根据船级社规范,每个集液盒的容量需满足最大舱的泄漏总量,由于各船级社对B型舱泄漏率要求不同,集液盒的尺寸也有差异。为了合理设计集液盒尺寸,可通过在集液盒上设置加热系统,加速LNG气化减少集液盒内LNG积聚的方式减小集液盒尺寸。对于集液盒内未及时蒸发的液体,可以选择三种加热方式:电加热、蒸汽加热以及水乙二醇加热,具体实施方案根据不同项目情况而定。该三种加热方式的对比见表2。

表2 集液盒加热方式对比

每个集液盒内设有温度传感器,用于监测集液盒的温度变化,当盒内温度降低到设定值时,则启动加热系统,加速集液盒内泄漏液体的气化。

1.4 B型舱安全系统

1.4.1 氮气系统

氮气系统主要用于向B型舱泄漏通道提供密封气,并根据IGF Code要求对燃料舱处所提供氮气进行惰化,降低该处所的环境大气含氧量,同时用于用气设备和相关LNG管路的吹扫。

考虑到万一存在泄漏,氮气系统还需向B型舱泄漏通道以及燃料舱处所进行补氮,为保障氮气系统正常运行,本船氮气系统考虑冗余配置,即每台氮气发生器配置独立空压机,若一台氮气发生器或空压机发生故障,还有备用氮气发生器及空压机可以使用,保持氮气系统依然在工作,见图4。

图4 氮气系统

1.4.2 可燃气体探测系统

根据IGF Code要求,需对可能存在液化天然气泄漏的处所设置固定式可燃气体探测系统。与燃料舱相关的可燃气体探头应布置在如表3所示的处所内。其中,针对燃料舱接头处所,当可燃气体浓度达到20%时应触发声光报警;当两个可燃气体探头探测浓度达到40%时则触发安全系统,燃气主阀相应关闭。

表3 B型舱相关可燃气体探头布置处所

2 B型舱BOG处理方式

B型舱为非承压容器,其设计压力一般不超过0.07 MPa,蓄压时间短,但LNG在船上的储存不可避免地会产生多余BOG蒸发气(Boil Off Gas),对LNG燃料舱舱压造成一定程度的影响。因此,针对B型舱,选择合适的BOG处理方式对于整个供气系统的稳定性和船舶安全性至关重要。根据规范要求,BOG处理方式的选择,应能使燃料舱的压力在燃料舱压力释放阀的设定压力以下至少维持15 d。

本船配置1台双燃料主机、3台双燃料发电机组以及1台双燃料组合锅炉。其中,推进主机选取了德国曼恩公司(MAN-ES)的双燃料高压发动机,该机型的燃气供给压力为30 MPa,而双燃料发电机供气压力约为0.6～0.9 MPa,双燃料组合锅炉的供气压力则为0.4～0.6 MPa。该船配置低压常温BOG压缩机,将燃料舱内产生的BOG经BOG压缩机供至双燃料发电机组和双燃料组合锅炉,以此处理舱内BOG,降低舱压。

由于正常航行时,只需运行一台双燃料发电机组,无法消耗舱内产生的全部BOG。因此,只能通过双燃料组合锅炉烧掉燃料舱内多余的BOG,确保维持较低舱压。在此过程中,锅炉燃烧BOG会产生大量蒸汽。根据蒸汽平衡计算,该模式下产生的蒸汽量超出船上正常所需蒸汽耗量,这部分蒸汽只能通过锅炉过量蒸汽泄放阀泄放至大气冷凝器,经冷却回到热井[9]。此外,为了更好地处理舱内BOG,双燃料组合锅炉还配置了“Free flow”功能,即BOG经加热后可直接供双燃料组合锅炉燃烧,无需通过BOG压缩机增压,确保舱压较低时也能及时处理舱内BOG。BOG处理系统见图5。

图5 BOG处理系统

经综合对比,本船的B型舱配置采用双燃料组合锅炉作为处理舱内多余BOG的方式最为简单可靠,经济性更佳。

3 结论

现阶段,针对新型B型舱围护系统的应用和设计研究成果相对较少,本文基于9 200箱双燃料集装箱船新型B型燃料舱围护系统,进行了系统设计和设备布置研究,同时对比了LNG泄漏扩散处理方案,分析了作为非压力容器的B型舱BOG处理方式。此围护系统的设计符合IGF Code和船级社相关规范的要求,能保证系统相关工艺流程设计要求,为后续其他大型LNG 动力船的B型舱围护系统设计提供参考和依据。

1)经过研究,新型B型舱围护系统舱容利用率高,相较于其他独立液舱安全性和可靠性更佳,可同时应用于LNG运输船和LNG动力船,具有很好的应用前景。

2)分析LNG泄漏扩散的不同处理方案,后续应考虑进一步通过LNG泄漏扩散分析,进行LNG燃料舱处所内的温度场计算,验证气化后的BOG扩散是否会对船体结构造成低温影响,并优化风机选型。

3)新型B型舱设计压力低于0.07 MPa,选择合适的BOG处理方式控制舱压则尤为重要。通过对比,针对ME-GI双燃料主机,若B型舱内多余的BOG 无法消耗,既可通过配置“Free Flow”功能的双燃料组合锅炉消耗BOG,该方案为最经济有效的BOG处理方式。