1、第 卷 第 期 年 月 船 海 工 程 .:./.新型独立 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)摘 要:根据 箱双燃料集装箱船的船型特点设计所配置的新型 型燃料舱的围护系统介绍新型 型舱围护系统的相关布置对比不同 泄漏扩散方式的优缺点提出有效的 处理方式分析表明新型 型燃料舱围护系统适用于 运输船以及 动力船具有广阔的应用前景关键词:双燃料动力船新型 型 燃料舱围护系统中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:修回日期:第一作者:李欣()男学士研究员级高工研究方向:船舶轮机设计 作为船用清洁燃料 基本完全消除了硫氧化物和颗粒物的排放氮氧化物
2、排放量可减少 二氧化碳排放量可减少 满足 排放标准的要求 属低温液体发生泄漏时自然气化快不会对水体形成显著危害其着火点和爆炸极限高于船用柴油 动力船的出现既符合环保需要又满足船舶续航力 对于 动力船综合考虑船舶营运航线、加注码头布置以及船上用气设备的配置情况不同船型设置的 燃料舱类型不尽相同其相应的围护系统设计也存在较大差异根据国际海事组织 颁布的国际散装液化气体船舶构造与设备规则()的定义 液货舱主要分为独立型液货舱(、型)和薄膜型液货舱 对比表明 型舱具有其它独立液舱具有无法比拟的优势也是 围护系统发展的主流型式可以作为 动力船燃料舱的优选之一 以 箱双燃料集装箱船为研究对象从经济性、操作
3、性、可靠性等方面重点分析其所配置的新型 型燃料舱围护系统设计、处理方式及其安全系统配置为该船型的实船应用提供技术参考 型舱围护系统设计方案 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 型舱作为自持型液舱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 型舱作为 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 图 双燃料集装箱船新型 型舱布置对于布置在主甲板以下的 燃料舱需设置
4、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.型舱气室和泵井布置本船 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 年第 期李欣等:新型独立 型液化天然气燃料舱围护系统设计船海工程第 卷提高经济性 型舱泵井尺寸主要取决于舱内 供给泵的尺寸及其维修空间 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 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 无法满足船舶 年坞修要求因此不
5、排除船东会要求采用 潜液泵一用两备 若考虑深井泵方案则配置 深井泵即可一用一备 本 型舱泵井尺寸设计同时考虑了 潜液泵和 潜液泵的布置可灵活应对船东不同要求.型舱绝缘系统布置所述新型 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 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 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 加注率下蒸发
6、率 .天的设计目标经计算该 型舱的绝缘厚度为 新型 型舱绝缘系统布置图见图 图 双燃料集装箱船新型 型舱绝缘系统布置.型舱泄漏、集液盒通风及加热系统 型舱泄漏主要由 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 型舱采用 个敞开式集液盒分别位于 型舱底部 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 自然气化为 挥发至燃料舱处所内挥发后的 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
7、体结构见图 图 型舱泄漏、集液盒通风及加热系统燃料舱处所风机配置为 风机总通风能力为每小时至少换气 次若一组风机失效通风能力不应下降超过 由于 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 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 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 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 挥发成 排至燃料舱处所内达到一定压
8、力设定值后将触发 阀开启 参考 燃料舱上安全阀的设计在燃料舱处所上配置 阀 需要注意:基于 阀的结构型式 阀无排放接口接至透气桅即 阀开启后只能在阀上直接透气 该 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()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 年第 期李欣等:新型独立 型液化天然气燃料舱围护系统设计船海工程第 卷表 风机控制方式对比传感器布置位置数量方案推荐压力开关 燃料舱处所顶部压力变化不受泄漏位置影响且易探测方便作为控制依据温度开关 燃料舱处所中下部 考虑 扩散后与燃料舱处所内的氮气混合在一起由于该处所容积较大温度变化较难探测较难作为控制依据气
9、体探头 燃料舱处所顶部 考虑 扩散后与燃料舱处所内的氮气混合在一起由于该处所容积较大浓度变化不易探测较难作为控制依据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 本船的上层建筑位于 型舱上方因此若选用 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 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 气化减少集液盒内 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
10、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 每个集液盒内设有温度传感器用于监测集表 集液盒加热方式对比加热方式布置方案方案特点电加热在集液盒外布置电热丝加热性能稳定价格较高蒸汽加热在集液盒外设置加热伴行管蒸汽温度较高不是作为 热交换的最合适介质水乙二醇加热在集液盒外设置加热伴行管水乙二醇温度较低促进 快速气化能力有待考证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.型舱安全系统.氮气系统氮气系统主要用于向 型舱泄漏通道提供密封气并根据 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 管路的吹扫考虑
11、到万一存在泄漏氮气系统还需向 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图 氮气系统.可燃气体探测系统根据 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 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 时应触发声光报警当两个可燃气体探头探测浓度达到 时则触发安全系统燃气主阀相应关闭 型舱 处理方式 型舱为非承压容器其设计压力一般不超过.蓄压时间短但在船上的储存 年第 期李
12、欣等:新型独立 型液化天然气燃料舱围护系统设计船海工程第 卷表 型舱相关可燃气体探头布置处所编号设置处所数量 燃料舱泄漏通道 燃料舱处所(左)燃料舱处所(右)燃料舱连接处所 燃料舱气闸不可避免地会产生多余 蒸发气()对 燃料舱舱压造成一定程度的影响因此针对 型舱选择合适的 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 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 本船配置 台双燃料主机、台双燃料发电机组以及 台双燃料组合锅炉 其中推进主机选取了德国曼恩公司()的双燃料高压发动机该机型的燃气供给压力为而双燃料发电机供气压力约为.双燃料组合锅炉的供
13、气压力则为.该船配置低压常温 压缩机将燃料舱内产生的 经 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 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 因此只能通过双燃料组合锅炉烧掉燃料舱内多余的确保维持较低舱压 在此过程中锅炉燃烧 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 此外为了更好地处理舱内 双燃料组合锅炉还配置了“”功能即 经加热后可直接供双燃料组合锅炉燃烧无需通过 压缩机增压确保舱压较低时也能及时处理舱内 处理系统见图 图 处理系统 经综合对比本船的
14、型舱配置采用双燃料组合锅炉作为处理舱内多余 的方式最为简单可靠经济性更佳 结论现阶段针对新型 型舱围护系统的应用和设计研究成果相对较少本文基于 箱双燃料集装箱船新型 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 泄漏扩散处理方案分析了作为非压力容器的 型舱 处理方式 此围护系统的设计符合 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 动力船的 型舱围护系统设计提供参考和依据)经过研究新型 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 运输船和 动力船具有很好的应用前景)分析 泄漏扩散的不同处理方案后续应考虑进一步通过 泄漏扩散分析进行
15、 燃料舱处所内的温度场计算验证气化后的 扩散是否会对船体结构造成低温影响并优化风 年第 期李欣等:新型独立 型液化天然气燃料舱围护系统设计船海工程第 卷机选型)新型 型舱设计压力低于.选择合适的 处理方式控制舱压则尤为重要 通过对比针对 双燃料主机若 型舱内多余的 无法消耗既可通过配置“”功能的双燃料组合锅炉消耗 该方案为最经济有效的 处理方式参考文献 王世荣.我国内河柴油 双燃料动力船舶的现状分析与建议.中国水运():.():.().王永伟王晶.储罐系统设计及特点.船舶物资与市场():.刘东进甘少炜顾华等.型独立液货舱设计分析.船海工程():.杨仁记王佳颖刘金峰.型独立液货舱 船支撑座疲劳强度分析.船舶工程():.():.().李国隆巨永林傅允准.新型独立 型液化天然气船围护系统及蒸发率计算.化工学报():.中国船级社.天然气燃料动力船规范.(.):.:(上接第 页)(.):.:
