4.99万吨甲醇双燃料船补气系统的优化设计_黄由华.pdf

-42-作者简介：黄由华（1985-），男，工程师，船舶设计。程超（1983-），男，工程师，船舶设计。4.994.99 万吨甲醇双燃料船补气系统的优化设计万吨甲醇双燃料船补气系统的优化设计黄由华程超（广船国际技术中心）摘要：通过对 4.99 万吨甲醇双燃料船工作状态的的研究，优化其燃料舱室补气系统的设计，更节能环保。关键词：甲醇；双燃料补气系统DOI：10.3969/j.issn.2095-4506.2023.01.0120前言甲醇用作船舶动力燃料是目前使用的一项新技术，但是相关系统的设计不是很成熟。按目前相关规范的要求，货舱兼做甲醇燃料储存舱为甲醇日用柜服务，其设计要满足两个舱的透气系统与氮气系统做到完全独立，而实际应用过程如果采用多个系统来满足规范的要求，则会造成浪费和加重坏境污染的现象。本文主要介绍了我司在 4.99 万吨甲醇双燃料化学品/成品油船设计对于甲醇燃料储存舱及甲醇日用柜的氮气补气系统进行的优化设计，为以后类似系统设计工作提供借鉴及参考作用。14.99 万吨甲醇双燃料化学品/成品油船概况本船是国内首例采用甲醇双燃料动力的项目，是一艘 4.99 万吨、单机、单桨适用于无限航区的化学品/成品油轮。主机为双燃料甲醇主机，设置 8 对货油舱、1 对污油水舱、1 个残油舱、1 个甲醇日用柜，其中污油水舱兼作甲醇燃料储存舱。本船配置一套氮气系统用于货舱及甲醇系统惰化。本船入级DNV，满足 DNV 2019 年 1 月的规范。2甲醇系统及惰气系统原理简述船舶航行过程时通过燃料泵抽取甲醇日用柜中的甲醇为主机提供燃料，此时污油水舱装载甲醇成为甲醇燃料储存舱。甲醇日用柜设置在露天甲板上并装备有高低液位开关，当甲醇日用柜中的甲醇燃料消耗至低位时会自动启动补给泵（污油泵），通过抽吸甲醇燃料储存舱中的甲醇并驳送至甲醇日用柜，直至甲醇日用柜中的液位到达高位设定值后自动停止补给泵。此时污油水舱被定义为甲醇燃料储存舱，因此该舱必须与其它货油舱不能存在任何联通的管路，以做到完全物理隔离防止其他货品污染甲醇燃料。根据船级社规范的要求，甲醇燃料储存舱和甲醇日用柜均需要配置高速透气 PV 阀及氮气系统，来维持舱压在正常的范围之内，保证舱室的安全性。甲醇燃料储存舱和甲醇日用柜在装载前，需要通过使用氮气系统提前惰化舱室，防止舱内的氧气含量超标而到达爆炸极限。在船舶航行运营中，两个舱会因各种因素造成的气压变化，需要通 过氮气系统来补气，以维持舱内的气压在正常范围内。特别是当主机不断的消耗甲醇燃料，两个舱内的气压必然会加速下降，所以在高速透气 PV 阀真空端（进大气之前），需要通过氮气系统进行补气。3氮气补气系统的优化设计按常规化学品/成品油船的氮气系统配置，分为两个模式：一种是 95%纯度的氮气生成后，通过双截止透气阀之后进入氮气总管，可用于各舱室的惰化和补气；另一个是 99%纯度的氮气生成后，储存在甲板面的氮气罐中，也可进入氮气总管可用于舱室补气吹扫。如果简单的按规范理解来设计：货舱及污油水舱（货品操作模式下）需设置一路氮气补气管维持货舱内的舱压，甲醇日用柜也要设置一路氮气补气管在主机消耗甲醇的工况下维持舱压，污油水舱（甲醇燃料操作模式下）需要设置一路氮气补气管在从本舱向甲醇日用柜驳运补给甲醇过程当中维持正常舱压。为了避免不同状态下各舱室出现联通的情况，每一路氮气管的来源必需是单独的，因此如果从氮气设备供给过来的总管上去区分的话，则需要额外增一个氮气罐或者一套双截止透气阀，来满足规范对货舱或者甲醇燃料舱补气的要求。显然常规的氮气系统已经满足不了正常的使用要求，但是如果简单地按此去匹配多路独立的补气管，势必会造成设计成本的增加。因此，在利用常规配置的前提下如何去满足不同舱室的补气要求成为本次研究的突破点。本船的污油水舱可以兼做甲醇燃料储存舱，也就意味着这个舱存在装载货品或者甲醇燃料两个模式，但可以肯定的是这两个模式不会同时存在。因此，本船所有需要补气的舱室可以简单的分成了两大类：货品类和燃料类，只要实现同类别共用则补黄由华程超：4.99 万吨甲醇双燃料船补气系统的优化设计-43-气管就能实现优化布置。污油水舱从货品类切换至燃料类模式时，因规范要求物理隔离，原配置的补气系统必须完全隔离开（货品模式下污油水舱是同其他货油舱共用氮气补气管路，通过可拆短管实现脱离），那么补气唯一的来源只能考虑与甲醇日用柜共用。此时通过联通甲醇日用柜上的透气管与污油水舱（甲醇储存舱）的透气管就完美的解决了该问题。其设计优化原理如图 1 所示。当甲醇日用柜处于低液位需要补充甲醇燃料时，污油水舱的污补给泵自动开启开始驳运，此时甲醇日用柜与甲醇储存舱已通过透气管联通了，两个舱实现了自然压力平衡。如果不考虑主机消耗的情况，在整个驳运过程中就不会用到补气，只有当甲醇不断的消耗才会通过氮气罐向日用柜里面补气。整个设计过程当中可能存在的风险点：第一，两个不同的模式下甲醇燃料储存舱若不能与货舱做到完全隔离则会造成燃料被污染，第二。操作人员的误操作，在货品模式下联通了甲醇燃料舱的透气管和甲醇日用柜的透气管造成燃料被污染。因此针对以上两个风险点考虑如何实现避免风险的发生，经设计考虑后在联通管上设置可拆短管保证在不同的模式下，可以通过联通或拆除可拆短管，来实现舱室的不同模式的功能，同时要求在可拆管附近设置警示铭牌和管路不同颜色区分，防止操作人员的误操作。目前该布置优化已通过了船级社的风险评估，也得到了船东的认可。4结束语本船正常运营工况下甲醇消耗量为 3.26 立方米/小时，高速透气 PV 阀的设定值为：压力端 20KPa，真空端-3.5KPa,预计正常运营每天可节省消耗的氮气量约为 92 立方米，一个航程下来大大减少了氮气的消耗量，相应也减少了电能消耗，最终减少了燃料的消耗，还避免了甲醇日用柜在补充燃料的时候往外排放甲醇蒸发气体造成的环境污染。参考文献：1 DNV 挪威船级社（DNVGL）:DNV.GL RULES FORCLASSIFICATION Edition July 2019S.2020-01-012 IMO 国际海事组织:IMO MSC.367（93）May2014S.2016-01-01投稿日期：2021-4-2图 1氮气补气系统原理GSI SHIPBUILDING TECHNOLOGY广船科技2023 年第 1 期(总第 164 期)