論船用燃料供氣系統(tǒng)的組成

船用燃料供氣系統(tǒng)的功能是將船上存儲(chǔ)的液化天然氣通過氣化、加熱、加壓，并定時(shí)定量地提供給船舶主機(jī)或其它用氣設(shè)備。LNG供氣系統(tǒng)由幾個(gè)模組構(gòu)成，主要包括：LNG存儲(chǔ)及監(jiān)控系統(tǒng)、LNG加注站、LNG氣化/加熱系統(tǒng)、加熱循環(huán)系統(tǒng)、LNG加注及供氣管路、控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)。

1.LNG的存儲(chǔ)及監(jiān)控系統(tǒng)

對(duì)于小型LNG動(dòng)力船，其LNG燃料的存儲(chǔ)一般采用C型儲(chǔ)罐的方式，而對(duì)于大型LNG運(yùn)輸船，其LNG的存儲(chǔ)的液貨艙型式有很多，一般分為：獨(dú)立液貨艙(A型、B型、C型)、薄膜型液貨艙、半薄膜型液貨艙、整體液貨艙、內(nèi)部絕熱型液貨艙。

1.1 液貨船的燃料艙

獨(dú)立性液貨艙是完全由自身支撐的液貨艙，它不需要參與分擔(dān)船體強(qiáng)度，不構(gòu)成船體結(jié)構(gòu)的一部分，根據(jù)其設(shè)計(jì)壓力和外形結(jié)構(gòu)可分為A型、B型和C型。

(1) A型獨(dú)立液貨艙主要為方形設(shè)計(jì)，需要配有完整的次屏壁，最大設(shè)計(jì)壓力一般不超過0.07MPa，工作溫度在-55℃以下。A型艙原本只適用于LPG船，之后招商局的一條A-BOX型LNG船將A型艙的絕緣從液貨艙外側(cè)轉(zhuǎn)移到船體內(nèi)側(cè)，同時(shí)升級(jí)了母材，因此也可以裝載LNG。

(2) B型獨(dú)立液貨艙包括MOSS球形和SPB棱形兩種結(jié)構(gòu)，相對(duì)于A型艙，B型液貨艙的圍護(hù)系統(tǒng)會(huì)經(jīng)過更為精準(zhǔn)的應(yīng)力分析校核，因此僅需要配備部分次屏壁,其設(shè)計(jì)壓力一般也不超過0.07MPa。B型獨(dú)立液貨艙的特點(diǎn)是液艙形狀不受約束，蓄壓時(shí)間短。

(3) C型獨(dú)立液貨艙按照壓力容器的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，包括單C、雙C和三C型，需要馬鞍式底座的支撐，不需要次屏壁，通常設(shè)計(jì)壓力不大于2.16MPa。C型艙也可叫C型儲(chǔ)罐，可分為雙層真空絕熱罐和外包絕熱層的單壁壓力儲(chǔ)罐。 雙層真空絕熱罐的特點(diǎn)是：①絕熱性能好；②蓄壓時(shí)間長(zhǎng)；③容積不宜過大；④制造費(fèi)用較高。 而單壁壓力儲(chǔ)罐的特點(diǎn)是：①絕熱性能取決于絕熱層的厚度；②蓄壓時(shí)間取決于儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力和工作壓力。

薄膜型液貨艙屬非自身支持的液貨艙，薄膜作為主屏壁不能獨(dú)立承受貨物重量，需要船體結(jié)構(gòu)對(duì)其予以支持。半薄膜型液貨艙的主屏壁也是一個(gè)薄層組成，一般采用殷瓦鋼材料，但比薄膜型的厚一些，該液貨艙空載時(shí)為自持型，而裝載后則變?yōu)榉亲猿中?，是介于薄膜型液貨艙和A型艙之間的一種液艙型式。整體式液貨艙是構(gòu)成船體結(jié)構(gòu)的一部分，承受與船體結(jié)構(gòu)相同的載荷應(yīng)力，適裝溫度大于-10℃的貨物。內(nèi)部絕熱型液貨艙與整體液貨艙類似，但其絕熱層內(nèi)表面與貨物直接接觸，屬非自身支持型，省去了獨(dú)立液貨艙的各種要求，采用絕熱材料固定與船體內(nèi)殼板上對(duì)貨物予以圍護(hù)和絕熱。

1.2 燃料艙的監(jiān)控系統(tǒng)

燃料艙應(yīng)設(shè)置合理的儀表設(shè)備，能夠遠(yuǎn)程或就地對(duì)其重要參數(shù)進(jìn)行讀取及監(jiān)測(cè)，以確保對(duì)整個(gè)氣體燃料系統(tǒng)的安全管理。一般在船舶主控制站及駕駛室監(jiān)控報(bào)警板對(duì)燃料艙的壓力、溫度、液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)控的項(xiàng)目在IGF和IGC規(guī)則上有明確要求。

對(duì)于船上安裝的非固定式燃料艙，也應(yīng)按固定式燃料艙的要求配備1套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以保證船舶營(yíng)運(yùn)的安全。

1.3 儲(chǔ)罐在船上的布置

LNG儲(chǔ)罐在船上的布置分為兩種形式，分別是位于開敞甲板上和位于圍蔽處所內(nèi)。

(1) 開敞甲板上布置儲(chǔ)罐的方式，適用于主甲板上有合適的空間可以對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行布置的船舶，如油船、化學(xué)品船、散貨船等。其要求是儲(chǔ)罐距離船舷不少于800mm，儲(chǔ)罐的布置應(yīng)能確保自然通風(fēng)，防止逸出的氣體聚積，儲(chǔ)罐的布置應(yīng)能保證船舶發(fā)生碰撞或擱淺時(shí)不至于對(duì)儲(chǔ)罐造成損壞，對(duì)于與儲(chǔ)罐相連的管路接口處存在液體泄漏的地方應(yīng)安裝承滴盤。

(2) 圍蔽處所內(nèi)布置儲(chǔ)罐的方式，適用于主甲板上沒有合適的空間可以對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行布置的船舶，此時(shí)儲(chǔ)罐可布置在獨(dú)立艙室內(nèi)，如集裝箱船、拖輪等。其要求是儲(chǔ)罐及燃料管路距離舷側(cè)不少于800mm，儲(chǔ)罐及相關(guān)管路可設(shè)置在次屏壁處所內(nèi)，與儲(chǔ)罐相連的管路、閥門及設(shè)備科安裝在一個(gè)密閉箱體內(nèi)，儲(chǔ)罐處所應(yīng)進(jìn)行通風(fēng)處理，并設(shè)置固定式滅火裝置，以及可燃?xì)怏w和火災(zāi)探測(cè)裝置。

2.LNG加注站

LNG加注站用于向LNG儲(chǔ)罐內(nèi)充裝燃料，帶充裝接口和回氣功能，一般位于舷側(cè)的露天甲板上，保證有足夠的自然通風(fēng)，若設(shè)置到圍蔽或半圍蔽處所，應(yīng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，且需經(jīng)船級(jí)社同意。加注接頭和管路的布置，應(yīng)使得燃料管路受到任何損壞都不會(huì)造成船舶燃料圍護(hù)系統(tǒng)損壞，導(dǎo)致氣體的不受控排放。

LNG加注站的充裝管路靠近通岸接頭處應(yīng)串聯(lián)安裝1個(gè)手動(dòng)截止閥和1個(gè)遙控切斷閥，或1個(gè)手動(dòng)操作和遙控的組合閥。在加注接頭和任何可能泄漏的位置下方應(yīng)安裝承滴盤，帶有泄放閥，可通過管路排出舷外。加注站還包括帶絕熱層的液體充裝管線和蒸氣回氣管線，充裝接頭需設(shè)有放飛濺裝置和干式拉斷閥，或自封式快速釋放裝置，以及應(yīng)急切斷閥，此外，還需設(shè)置必要的壓力及溫度顯示儀器儀表，以及氮?dú)獯祾呖酆蜌怏w采樣口。若設(shè)有承受燃料艙壓力或承受燃料泵或蒸氣壓縮機(jī)排放壓力的軟管，應(yīng)按其爆破壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)，次壓力應(yīng)不小于燃料加注期間軟管可能承受的最大壓力的5倍。

LNG的加注方式一般包括以下四種：①槽車加注；②岸基加注；③LNG躉船加注；④船靠船加注。此外，在加注過程中，還應(yīng)設(shè)有防止LNG泄漏到周圍船體或甲板上，使其遭受低溫?fù)p傷的措施，如水幕、防護(hù)罩等。

3.LNG氣化/加熱系統(tǒng)

LNG氣化/加熱系統(tǒng)的作用是將液態(tài)天然氣通過熱交換的方式將其氣化，并加熱到發(fā)動(dòng)機(jī)允許使用的溫度。氣化器和加熱器比較典型的是采用容器式熱交換器，外殼采用耐低溫的不銹鋼材料，內(nèi)管采用不銹鋼螺旋盤管結(jié)構(gòu)，可避免產(chǎn)生氣阻。氣化加熱器可與燃?xì)饩彌_罐、PBU增壓蒸發(fā)器或增壓泵、必要的安全閥和低溫截止閥，以及壓力表和溫度表集成到一個(gè)氣密冷箱內(nèi)，形成氣化加熱器撬塊，該冷箱需裝有有效的抽吸式機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，具備每小時(shí)至少換氣30次的通風(fēng)能力。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于燃?xì)饽Ｊ綍r(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

根據(jù)船舶的布置，也可將氣化加熱系統(tǒng)集成到燃料罐的氣罐連接處所，這樣會(huì)省去單獨(dú)放置氣化加熱器撬塊的空間，便于船廠施工，氣罐連接處所在船上安裝完畢后，應(yīng)進(jìn)行不低于0.02MPa的氣密試驗(yàn)。

4.加熱循環(huán)系統(tǒng)

LNG加熱循環(huán)系統(tǒng)是負(fù)責(zé)向氣化加熱系統(tǒng)或壓縮機(jī)單元提供熱源的加熱循環(huán)系統(tǒng)，比較主流的是采用水和乙二醇的混合溶液作為加熱循環(huán)介質(zhì)，該介質(zhì)冰點(diǎn)可達(dá)-30℃，可有效防止LNG氣化器換熱管表面出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，提高換熱效率，乙二醇管路可采用氮?dú)庠鰤旱姆绞?，防止燃?xì)膺M(jìn)入到加熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要有乙二醇泵、熱交換器、必要的閥門和儀器儀表等組成，也可附帶一套電加熱器，用于特定情況下對(duì)介質(zhì)進(jìn)行加熱。

對(duì)氣化加熱器進(jìn)行加熱后的水乙二醇溶液，可通過發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水或船上的蒸氣對(duì)其進(jìn)行再加熱，這樣就形成了一套完整的加熱循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)也可集成到一個(gè)撬塊上，便于運(yùn)輸和船上的安裝布置，節(jié)省空間。

5.LNG加注及供氣管路

LNG加注管路為加注站到儲(chǔ)罐之間的低溫管路，可采用雙層真空絕熱管或外包絕熱層的單壁管路。管路的設(shè)計(jì)除滿足常規(guī)強(qiáng)度、溫度等的要求外，還應(yīng)進(jìn)行低溫應(yīng)力分析，高壓供氣系統(tǒng)的管路還需要考慮振動(dòng)和疲勞等應(yīng)力影響。

LNG供氣管路為冷箱后到發(fā)動(dòng)機(jī)之前的氣體管路，需采用不銹鋼雙壁管結(jié)構(gòu)，內(nèi)管為燃?xì)夤夤埽夤転橥L(fēng)導(dǎo)管，發(fā)動(dòng)機(jī)處于氣體燃料模式運(yùn)行時(shí)，外管需進(jìn)行有效的負(fù)壓式機(jī)械通風(fēng)。

6.安全系統(tǒng)

船用燃料供氣系統(tǒng)的安全系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分，分別是：惰性氣體系統(tǒng)、可燃?xì)怏w探測(cè)裝置、透氣系統(tǒng)。

(1) 惰性氣體系統(tǒng)

惰性氣體系統(tǒng)是向裝有危險(xiǎn)品艙室、容器或管路輸送惰性氣體，降低這些處所的環(huán)境大氣含氧量，從而營(yíng)造一個(gè)不可燃環(huán)境條件的系統(tǒng)。LNG船主要采用的是氮?dú)庀到y(tǒng)，其功能是對(duì)LNG儲(chǔ)罐及管系進(jìn)行惰化以及在充裝結(jié)束后對(duì)管線進(jìn)行吹掃。存放氮?dú)獍l(fā)生器及氮?dú)鈨?chǔ)罐的艙室，應(yīng)設(shè)置1個(gè)獨(dú)立的機(jī)械抽吸式通風(fēng)系統(tǒng)，每小時(shí)換氣次數(shù)不少于6次，且應(yīng)設(shè)置1個(gè)低氧報(bào)警裝置。氮?dú)夤苈窇?yīng)僅通過通風(fēng)良好的處所，圍蔽處所內(nèi)的氮?dú)夤苈窇?yīng)為全焊接連接，僅具有安裝閥所必需的最少法蘭接頭，且要盡可能的短。

(2) 可燃?xì)怏w探測(cè)裝置

對(duì)于含有液態(tài)或氣態(tài)天然氣管路的處所應(yīng)設(shè)置可燃?xì)怏w探測(cè)裝置，每個(gè)處所內(nèi)氣體探測(cè)裝置的數(shù)量應(yīng)考慮該處所的大小、布置和通風(fēng)情況等。對(duì)于可燃?xì)怏w濃度達(dá)到爆炸下限的20%時(shí)，應(yīng)觸發(fā)聲光報(bào)警，兩個(gè)探測(cè)器探測(cè)可燃?xì)怏w濃度達(dá)到爆炸下限的40%時(shí)，應(yīng)觸發(fā)安全系統(tǒng)。對(duì)于機(jī)艙內(nèi)氣體管路環(huán)圍的通風(fēng)導(dǎo)管，報(bào)警極限可設(shè)定在30%，兩個(gè)探測(cè)器探測(cè)到可燃?xì)怏w濃度達(dá)到60%時(shí)，應(yīng)觸發(fā)安全系統(tǒng)，此時(shí)燃?xì)庵鏖y應(yīng)能自動(dòng)關(guān)閉，且該燃?xì)庵鏖y不但可以就地操作，還能夠在駕駛室、監(jiān)視室、主甲板上加注站控制臺(tái)等區(qū)域遙控關(guān)閉。船上可燃?xì)怏w探測(cè)裝置應(yīng)同時(shí)包括固定式氣體探測(cè)器和便攜式氣體探測(cè)器。

(3) 透氣系統(tǒng)

儲(chǔ)存氣體的燃料罐艙室和穿過船上圍蔽處所的氣體管路雙壁管外管，應(yīng)設(shè)有有效的負(fù)壓式機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)能力應(yīng)滿足每小時(shí)至少換氣30次，通風(fēng)系統(tǒng)不應(yīng)存在死角。風(fēng)機(jī)數(shù)量和功率應(yīng)能確保當(dāng)獨(dú)立線路供電的一臺(tái)風(fēng)機(jī)或共用線路供電的一組風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通風(fēng)能力的降低不會(huì)超過總通風(fēng)能力的50%。

7.控制系統(tǒng)

LNG燃?xì)夤?yīng)電控系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)LNG供氣系統(tǒng)的控制、報(bào)警和安全保護(hù)功能，包括對(duì)供氣系統(tǒng)各部分壓力、溫度、液位顯示的監(jiān)測(cè)和報(bào)警，對(duì)各個(gè)功能單元的自動(dòng)、手動(dòng)控制，以及緊急切斷等安全保護(hù)功能。控制系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：

(1) 主控制箱：主控制箱是電控系統(tǒng)的核心部分，它與各執(zhí)行元件及各單元(加熱循環(huán)單元、通風(fēng)單元、控制空氣單元、可燃?xì)怏w探測(cè)單元、火災(zāi)探測(cè)單元、應(yīng)急泵單元等)之間進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、報(bào)警，同時(shí)對(duì)各執(zhí)行元件單元下達(dá)指令，以此來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

(2) 控制空氣單元：電磁閥通過控制空氣來實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)操作動(dòng)作的執(zhí)行。

(3) 駕駛室和充裝站延伸報(bào)警板：在駕駛室和充裝站顯示必要的參數(shù)，并在危險(xiǎn)情況下可緊急切斷ESD閥。

(4) 加熱循環(huán)單元：此單元包括循環(huán)泵、熱交換器及電加熱器，控制系統(tǒng)可以通過主控制箱在遠(yuǎn)程來控制每個(gè)泵和電加熱器的運(yùn)行及停止，并監(jiān)控其狀態(tài)。

(5) 通風(fēng)單元：通風(fēng)單元的風(fēng)機(jī)彼此獨(dú)立供電，可以通過觸摸屏控制和監(jiān)控每臺(tái)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行、停止及其狀態(tài)。

(6) 應(yīng)急泵單元：全船出現(xiàn)失電情況下，將由備用220V直流電源進(jìn)行供電，來實(shí)現(xiàn)加熱循環(huán)系統(tǒng)能夠持續(xù)工作，避免出現(xiàn)低溫結(jié)冰情況。此單元在主電源失電情況下開始工作，其運(yùn)行狀態(tài)可以在主控制箱中監(jiān)測(cè)。

關(guān)于LNG燃料供氣系統(tǒng)，作者有更加詳細(xì)的闡述，如有需求，請(qǐng)參閱中國(guó)船檢2020增刊1。