论文部分内容阅读
[摘 要]近年来，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）对SOx和NOx排放的要求日益严格，随着IMO Tier Ⅲ于2020年1月1日正式实施，船用燃料硫排放上限从3.5%大幅降至0.5%，为满足这一规定，“绿色能源”成为如今造船业最鲜明的底色和发展主
旋律，从而带动了一系列船用市场的能源改革，其中LNG属于热值大、性能高的清洁能源，以LNG为原料的FGSS近几年横行于整个船用能源市场。文章针对不同的双燃料发动机，介绍了FGSS系统的主要流程，同时以WinGD 5RT-Flex50DF
为例，详细介绍FGSS的设计要点。
[关键词]FGSS;LNG储罐;LNG汽化器;BOG;缓冲罐
[中图分类号]P631.436 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–00–03
Research on Fgss Design Based on Natural Gas Fuel Ship
Liu Shu-ting
[Abstract]In recent years， the International Maritime Organization （IMO） has increasingly stringent requirements on Sox and NOx emissions. With the formal implementation of IMO tier III on January 1， 2020， the upper limit of sulfur emission from marine fuel has been greatly reduced from 3.5% to 0.5%. In order to meet this requirement， "green energy" has become the most distinctive background and development theme of shipbuilding industry， LNG is a kind of clean energy with high calorific value and high performance. The fuel gas supply system based on LNG has been widely used in the whole marine energy market in recent years. This paper introduces the main process of fgss system for different dual fuel engines， and takes wingd 5rt-flex50df as an example， The design points of fgss are introduced in detail.
[Keywords]fgss; LNG storage tank; LNG vaporizer; BOG; buffer tank
FGSS（Fuel Gas Supply System）是一種以LNG为燃料，经过装载、储存、气化调压后满足双燃料发动机燃烧的供气系统。
目前，双燃料发动机主要有MAN、WinGD和瓦锡兰等公司的低速和中速机，其主要机型及分类见表1。
由此根据发动机的不同压力需求，市场主要将FGSS分为3种类型，即高压供气系统：30～35 MPa;低压供气系统：DF低速机≤1.6 MPa及DF中速机≤0.6 MPa。
1 FGSS流程介绍
1.1 PBU系统
PBU（Pressure Build up Unit）是一种通过自增压的形式无需泵输供给发动机燃烧的供气系统，基本原理如图1所示。
PBU系统主要适用于DF中速机（P<0.6 MPa），以图1为例，C型LNG储罐设计压力<1 MPa，系统的压力建成来源于PBU系统，当LNG储罐中的压力低于某一低压限值，PBU系统气动阀自动开启，通过储罐中的LNG自流进入PBU中的汽化器进行气化，气化后的低温BOG返于储罐内，使得罐内气体压力提升至所需压力，从而达到发动机的供气压力，整套系统无需提升泵，PBU系统实质是增加了一套LNG汽化器专供罐内升压使用，储罐中的LNG进入PBU中的LNG汽化器，与水乙二醇进行换热气化，其中进入PBU的LNG设计量可以根据质量守恒进行计算。
目前，PBU系统多半用于内河船，海船已很少采用，主要归结以下几个原因。
（1）采用PBU系统，需要增加LNG储罐的设计压力，价格成本差异比较大;
（2）采用自增压系统，LNG储罐内压力升高，温度升高从而增加了LNG挥发率及罐内的翻滚现象的发生，不利于节能减排且增加了运行风险;
（3）船用系统对燃气的供应温度及压力更为严格，供气量受航行提速、减速及停靠影响较大，仅靠PBU系统无法保证发动机的稳定运行。
1.2 低压泵输系统
低压泵输系统是一种通过低压离心泵将罐内的LNG外输气化调压供船用发动机使用的供气系统，基本原理如图2所示。
低压泵输系统适用于供气压力≤1.6 MPa的供气系统。图2中，LNG储罐采用C型单层罐外包绝热层或者双层真空充珠光砂，为了避免LNG的气化，LNG提升泵置于单层LNG储罐内，也可置于罐外的专设LNG低温泵池中，罐中LNG通过提升泵输至主气化器中气化升温后，通过缓冲罐进行缓存后进入发动机供其燃烧。 低压泵输系统相对于PBU系统，其在以下各方面有显著优势：
（1）LNG储罐设计压力较低，C型LNG储罐采购成本相对低;
（2）LNG储罐运行压力较低，减少罐内BOG的产生量，罐内的压力稳定，保证系统运行更加安全可靠;
（3）泵輸系统通过缓冲罐中的天然气压力控制LNG泵的变频，系统运行较PBU更加稳定。
1.3 高压泵输系统
高压泵输系统适用于MAN的低速机，其正常供气压力大于30 MPa，基本原理如图3所示。
图3中，LNG通过罐内低压泵输至罐外高压泵进行二级升压，随后输至高压汽化器中与水乙二醇换热，气化LNG并升高天然气温度至发动机所需燃气温度（～45 ℃）后，供主机使用，LNG罐内的BOG，根据船用辅机或者锅炉的需求，可以通过储罐压力控制BOG管线中控制阀的开启，BOG自流进BOG压缩机进行升压后进入气体换热器升温，供辅机或锅炉燃烧使用。
目前，在MAN主机高压泵输系统中，高压泵及气化单元（PVU）一般由MAN公司打包提供，相对低压泵输系统，高压泵输系统成本较高，同时在发动机燃烧排放中不能直接达到T III标准，需配置SCR进行尾气处理后排放。
2 FGSS设计分析
2.1 典型事例
本项目以一艘化学品船为例，船用主机采用WinGD5RT-Flex50DF，供气压力为1.33 MPa，耗气量为950 kg/h;船用燃气设备IGG，供气压力0.2～0.4 MPa，耗气量最大为160 kg/h;项目总耗气量为1110 kg/h。两座C型储罐位于甲板两侧，左右舷各设加注系统配套。
由基础信息可以确定采用低压FGSS泵输系统适用于本项目的设计，但同时也要将系统的节能性与适用性相结合，系统采用IGG用于储存化学品船舱的氮气充装，一方面阻隔空气与化学品的接触面，另一方面更可用于控制LNG罐内压力，BOG处理系统对储罐压力稳定及系统的安全运行起着至关重要的作用。
2.2 设计思路
如图4所示，正常运行中，LNG从罐内通过泵输系统气化升温至缓冲罐进行缓冲后通向主机及IGG燃烧使用，当储罐压力升高至某一设定值（～0.5 MPa），BOG气体阀联锁打开，主供气系统进IGG阀关闭，通过罐内的BOG自流进BOG换热器升温后进入IGG使用，也可以通过阀门操作让BOG升温后的NG使主机在平缓低速下慢行，通过这两种方式可降低LNG储罐压力，减少释放量。
系统设计中要注意以下几点。
（1）系统按照IGF规范设计，并同时执行相应船级社天然气燃料船规范及SOLAS等。
（2）基于本系统的特点，IGG供气压力较低（0.2～0.4 MPa），BOG处理系统考虑与LNG罐内BOG压力联锁启闭，通过自流方式进入IGG燃烧使用，这种模式取消传统BOG压缩机的使用，降低成本，简化流程。
（3）由于船在行驶过程中有提速、减速及停靠的频繁操作，对于燃气的需求处于变动状态，系统对于泵的变频控制尤其重要。一般而言，可以通过缓冲罐内的气体压力控制泵的流量，但是在船减速及停靠的过程中，泵的流速很可能低于泵的最低流量限值，所以在FGSS设计中，泵后回流管线的设置至关重要。一方面，流量过低时，开启LNG回流阀，通过一部分LNG的回流使得泵的流量保持在泵的有效运行区间内;另一方面，在FGSS故障或者停止运行时，保持泵回流低流量运行，维持系统LNG管线时刻预冷状态。
（4）为了阻止LNG的气化，需将LNG离心泵置于低温潜液池中，潜液池需设气相平衡管，防止潜液池中BOG气体压力过高，造成进泵管线气阻或泵的汽蚀。
（5）主汽化器后端需设置LNG储罐补气管，一方面在罐压力过低时，自动补气，另一方面在汽化器出现故障时，可及时将汽化器中大部分的气体短时间内回流至储罐中。
（6）必须设置与PLC系统独立的ESD系统，按照IGF及相关船级社燃料船的相关规定，在加注系统以及LNG储罐进出口连通阀及主气体阀设置ESD紧急切断阀，与相应信号联锁控制，实现ESD紧急切断功能。这也是HAZID重要分析内容。
2.3 软件模拟
HYSYS在船用FGSS中的热量平衡与设备选型方面起到关键作用，图5为项目HYSYS分析模拟图表。
整套系统的供热通过水乙二醇闭式系统提供，50%∶50%水乙二醇的冰点为–30 ℃，避免了与LNG换热过程中的结冰现象的发生，水乙二醇的供水量及进出水温度影响整个系统的运行情况。
在FGSS换热系统中，为保证发动机的最佳运行，天然气供气温度设置为40 ℃，水乙二醇分两路进入系统，第一路进主供气系统供天然气主流程气化及升温使用，另一路进BOG系统为BOG升温提供热量;主供热系统中，设置水乙二醇先为气化后的天然气升温后再进入LNG汽化器为LNG气化提供热量，保证天然气升温后的温度能达到40～45 ℃，系统热量计算对于整个FGSS的设计及设备选型非常重要，由HYSYS模拟数据见表2。
2.4 系统计算结果
水乙二醇系统由达西公式、天然气管线采用威莫斯公式及温降公式结合以上HYSYS模拟数据，水力压降及温降计算见表3。
2.5 其他辅助系统说明
整个设计除工艺及供热系统设计外，同时要考虑TCS通风及安全区域双壁管的通风设计、系统的氮气吹扫设计、仪表风设计及TCS、加注系统的集液池的安全设计等。
3 结语
船用FGSS设计不仅需要考虑系统的安全性，还需结合船厂船东的意见做到操作简单合理，船体布置合理、成本控制得当。船用FGSS设计船级社送审文件及图纸工作量大，设计过程中需设计者对传热学与流体力学相关知识熟练运用，同时精通HYSYS模拟操作以及CAESAR对管线的应力分析;近几年随着国内绿色长江及国际IMO TierⅢ的实施，FGSS在国内及国际船用市场逐渐进入高峰，也许需要更多的专业技术人员加入这一新时代的船用领域，对系统及设备有更好的钻研及开发，让FGSS走的更久更远。
参考文献
[1] 马钧.关于长输天然气管道水力计算的分析[J].化工管理，2016（35）：180.
[2] 桑子龙.天然气输气管线温降计算[J].内蒙古石油化工，2014（14）：70-71.
[3] 王雪原，黄慎勇，付忠志.长输管道水力计算公式选用需注意的问题[J].西南给排水，2006（2）：16-18.
[4] 孙德任，张攀.西部某区高压天然气管道水力计算研究[J].石化技术，2017（5）：257.
[5] 马钧.关于长输天然气管道水力计算的分析[J].化工管理，2016（35）：180.
旋律，从而带动了一系列船用市场的能源改革，其中LNG属于热值大、性能高的清洁能源，以LNG为原料的FGSS近几年横行于整个船用能源市场。文章针对不同的双燃料发动机，介绍了FGSS系统的主要流程，同时以WinGD 5RT-Flex50DF
为例，详细介绍FGSS的设计要点。
[关键词]FGSS;LNG储罐;LNG汽化器;BOG;缓冲罐
[中图分类号]P631.436 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–00–03
Research on Fgss Design Based on Natural Gas Fuel Ship
Liu Shu-ting
[Abstract]In recent years， the International Maritime Organization （IMO） has increasingly stringent requirements on Sox and NOx emissions. With the formal implementation of IMO tier III on January 1， 2020， the upper limit of sulfur emission from marine fuel has been greatly reduced from 3.5% to 0.5%. In order to meet this requirement， "green energy" has become the most distinctive background and development theme of shipbuilding industry， LNG is a kind of clean energy with high calorific value and high performance. The fuel gas supply system based on LNG has been widely used in the whole marine energy market in recent years. This paper introduces the main process of fgss system for different dual fuel engines， and takes wingd 5rt-flex50df as an example， The design points of fgss are introduced in detail.
[Keywords]fgss; LNG storage tank; LNG vaporizer; BOG; buffer tank
FGSS（Fuel Gas Supply System）是一種以LNG为燃料，经过装载、储存、气化调压后满足双燃料发动机燃烧的供气系统。
目前，双燃料发动机主要有MAN、WinGD和瓦锡兰等公司的低速和中速机，其主要机型及分类见表1。
由此根据发动机的不同压力需求，市场主要将FGSS分为3种类型，即高压供气系统：30～35 MPa;低压供气系统：DF低速机≤1.6 MPa及DF中速机≤0.6 MPa。
1 FGSS流程介绍
1.1 PBU系统
PBU（Pressure Build up Unit）是一种通过自增压的形式无需泵输供给发动机燃烧的供气系统，基本原理如图1所示。
PBU系统主要适用于DF中速机（P<0.6 MPa），以图1为例，C型LNG储罐设计压力<1 MPa，系统的压力建成来源于PBU系统，当LNG储罐中的压力低于某一低压限值，PBU系统气动阀自动开启，通过储罐中的LNG自流进入PBU中的汽化器进行气化，气化后的低温BOG返于储罐内，使得罐内气体压力提升至所需压力，从而达到发动机的供气压力，整套系统无需提升泵，PBU系统实质是增加了一套LNG汽化器专供罐内升压使用，储罐中的LNG进入PBU中的LNG汽化器，与水乙二醇进行换热气化，其中进入PBU的LNG设计量可以根据质量守恒进行计算。
目前，PBU系统多半用于内河船，海船已很少采用，主要归结以下几个原因。
（1）采用PBU系统，需要增加LNG储罐的设计压力，价格成本差异比较大;
（2）采用自增压系统，LNG储罐内压力升高，温度升高从而增加了LNG挥发率及罐内的翻滚现象的发生，不利于节能减排且增加了运行风险;
（3）船用系统对燃气的供应温度及压力更为严格，供气量受航行提速、减速及停靠影响较大，仅靠PBU系统无法保证发动机的稳定运行。
1.2 低压泵输系统
低压泵输系统是一种通过低压离心泵将罐内的LNG外输气化调压供船用发动机使用的供气系统，基本原理如图2所示。
低压泵输系统适用于供气压力≤1.6 MPa的供气系统。图2中，LNG储罐采用C型单层罐外包绝热层或者双层真空充珠光砂，为了避免LNG的气化，LNG提升泵置于单层LNG储罐内，也可置于罐外的专设LNG低温泵池中，罐中LNG通过提升泵输至主气化器中气化升温后，通过缓冲罐进行缓存后进入发动机供其燃烧。 低压泵输系统相对于PBU系统，其在以下各方面有显著优势：
（1）LNG储罐设计压力较低，C型LNG储罐采购成本相对低;
（2）LNG储罐运行压力较低，减少罐内BOG的产生量，罐内的压力稳定，保证系统运行更加安全可靠;
（3）泵輸系统通过缓冲罐中的天然气压力控制LNG泵的变频，系统运行较PBU更加稳定。
1.3 高压泵输系统
高压泵输系统适用于MAN的低速机，其正常供气压力大于30 MPa，基本原理如图3所示。
图3中，LNG通过罐内低压泵输至罐外高压泵进行二级升压，随后输至高压汽化器中与水乙二醇换热，气化LNG并升高天然气温度至发动机所需燃气温度（～45 ℃）后，供主机使用，LNG罐内的BOG，根据船用辅机或者锅炉的需求，可以通过储罐压力控制BOG管线中控制阀的开启，BOG自流进BOG压缩机进行升压后进入气体换热器升温，供辅机或锅炉燃烧使用。
目前，在MAN主机高压泵输系统中，高压泵及气化单元（PVU）一般由MAN公司打包提供，相对低压泵输系统，高压泵输系统成本较高，同时在发动机燃烧排放中不能直接达到T III标准，需配置SCR进行尾气处理后排放。
2 FGSS设计分析
2.1 典型事例
本项目以一艘化学品船为例，船用主机采用WinGD5RT-Flex50DF，供气压力为1.33 MPa，耗气量为950 kg/h;船用燃气设备IGG，供气压力0.2～0.4 MPa，耗气量最大为160 kg/h;项目总耗气量为1110 kg/h。两座C型储罐位于甲板两侧，左右舷各设加注系统配套。
由基础信息可以确定采用低压FGSS泵输系统适用于本项目的设计，但同时也要将系统的节能性与适用性相结合，系统采用IGG用于储存化学品船舱的氮气充装，一方面阻隔空气与化学品的接触面，另一方面更可用于控制LNG罐内压力，BOG处理系统对储罐压力稳定及系统的安全运行起着至关重要的作用。
2.2 设计思路
如图4所示，正常运行中，LNG从罐内通过泵输系统气化升温至缓冲罐进行缓冲后通向主机及IGG燃烧使用，当储罐压力升高至某一设定值（～0.5 MPa），BOG气体阀联锁打开，主供气系统进IGG阀关闭，通过罐内的BOG自流进BOG换热器升温后进入IGG使用，也可以通过阀门操作让BOG升温后的NG使主机在平缓低速下慢行，通过这两种方式可降低LNG储罐压力，减少释放量。
系统设计中要注意以下几点。
（1）系统按照IGF规范设计，并同时执行相应船级社天然气燃料船规范及SOLAS等。
（2）基于本系统的特点，IGG供气压力较低（0.2～0.4 MPa），BOG处理系统考虑与LNG罐内BOG压力联锁启闭，通过自流方式进入IGG燃烧使用，这种模式取消传统BOG压缩机的使用，降低成本，简化流程。
（3）由于船在行驶过程中有提速、减速及停靠的频繁操作，对于燃气的需求处于变动状态，系统对于泵的变频控制尤其重要。一般而言，可以通过缓冲罐内的气体压力控制泵的流量，但是在船减速及停靠的过程中，泵的流速很可能低于泵的最低流量限值，所以在FGSS设计中，泵后回流管线的设置至关重要。一方面，流量过低时，开启LNG回流阀，通过一部分LNG的回流使得泵的流量保持在泵的有效运行区间内;另一方面，在FGSS故障或者停止运行时，保持泵回流低流量运行，维持系统LNG管线时刻预冷状态。
（4）为了阻止LNG的气化，需将LNG离心泵置于低温潜液池中，潜液池需设气相平衡管，防止潜液池中BOG气体压力过高，造成进泵管线气阻或泵的汽蚀。
（5）主汽化器后端需设置LNG储罐补气管，一方面在罐压力过低时，自动补气，另一方面在汽化器出现故障时，可及时将汽化器中大部分的气体短时间内回流至储罐中。
（6）必须设置与PLC系统独立的ESD系统，按照IGF及相关船级社燃料船的相关规定，在加注系统以及LNG储罐进出口连通阀及主气体阀设置ESD紧急切断阀，与相应信号联锁控制，实现ESD紧急切断功能。这也是HAZID重要分析内容。
2.3 软件模拟
HYSYS在船用FGSS中的热量平衡与设备选型方面起到关键作用，图5为项目HYSYS分析模拟图表。
整套系统的供热通过水乙二醇闭式系统提供，50%∶50%水乙二醇的冰点为–30 ℃，避免了与LNG换热过程中的结冰现象的发生，水乙二醇的供水量及进出水温度影响整个系统的运行情况。
在FGSS换热系统中，为保证发动机的最佳运行，天然气供气温度设置为40 ℃，水乙二醇分两路进入系统，第一路进主供气系统供天然气主流程气化及升温使用，另一路进BOG系统为BOG升温提供热量;主供热系统中，设置水乙二醇先为气化后的天然气升温后再进入LNG汽化器为LNG气化提供热量，保证天然气升温后的温度能达到40～45 ℃，系统热量计算对于整个FGSS的设计及设备选型非常重要，由HYSYS模拟数据见表2。
2.4 系统计算结果
水乙二醇系统由达西公式、天然气管线采用威莫斯公式及温降公式结合以上HYSYS模拟数据，水力压降及温降计算见表3。
2.5 其他辅助系统说明
整个设计除工艺及供热系统设计外，同时要考虑TCS通风及安全区域双壁管的通风设计、系统的氮气吹扫设计、仪表风设计及TCS、加注系统的集液池的安全设计等。
3 结语
船用FGSS设计不仅需要考虑系统的安全性，还需结合船厂船东的意见做到操作简单合理，船体布置合理、成本控制得当。船用FGSS设计船级社送审文件及图纸工作量大，设计过程中需设计者对传热学与流体力学相关知识熟练运用，同时精通HYSYS模拟操作以及CAESAR对管线的应力分析;近几年随着国内绿色长江及国际IMO TierⅢ的实施，FGSS在国内及国际船用市场逐渐进入高峰，也许需要更多的专业技术人员加入这一新时代的船用领域，对系统及设备有更好的钻研及开发，让FGSS走的更久更远。
参考文献
[1] 马钧.关于长输天然气管道水力计算的分析[J].化工管理，2016（35）：180.
[2] 桑子龙.天然气输气管线温降计算[J].内蒙古石油化工，2014（14）：70-71.
[3] 王雪原，黄慎勇，付忠志.长输管道水力计算公式选用需注意的问题[J].西南给排水，2006（2）：16-18.
[4] 孙德任，张攀.西部某区高压天然气管道水力计算研究[J].石化技术，2017（5）：257.
[5] 马钧.关于长输天然气管道水力计算的分析[J].化工管理，2016（35）：180.