船用LNG供气系统吹扫惰化流程分析及氮气系统设计.pdf

33 船用船用 LNG 供气系统吹扫惰化流程分析供气系统吹扫惰化流程分析 及及氮气系统设计氮气系统设计 陈奕瑄，冷 洽，张文涛（青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东青岛 266101）摘摘 要：要：氮气系统是保证液化天然气（LNG）动力船燃料供气系统（FGSS）安全运行的重要辅助系统，在供气系统进行一些关键操作流程前后，需要通过氮气对天然气进行吹扫惰化，避免可燃气体泄漏的风险。分析船用 LNG 供气系统在加注、供气及维护阶段涉及的吹扫惰化流程，并对 2 种常用的氮气发生装置进行介绍与对比，结合相关规范提出氮气发生装置的选型方案及氮气系统相关计算方法。关键词：关键词：燃料供气系统（FGSS）；吹扫惰化；氮气系统 中图分类号：中图分类号：U664 文献文献标志标志码：码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2023.03.010 Analysis of Purging Inerting Process and and Design of Nitrogen System for Marine LNG Gas Supply System CHEN Yixuan,LENG Qia,ZHANG Wentao(Sunrui Marine Environment Engineering Co.,Ltd,Qingdao 266101,Shandong,China)Abstract:The nitrogen system is an important auxiliary system to ensure the safety operation of the fuel gas supply system(FGSS)in liquefied natural gas(LNG)ship.Before and after some critical process of FGSS,the natural gas has to be purged and inerted by nitrogen to avoid the risk of flammable gas leakage.The purging and inerting process of bunkering,gas supply and maintenance phases of the FGSS are analyzed,and two commonly used nitrogen generators are introduced and compared.The selection,configuration schemes and calculation of nitrogen generator and nitrogen system are proposed according to relevant regulations.Key words:fuel gas supply system(FGSS);purging and inerting;nitrogen system 0 引言引言 近年来，由于海洋环境污染问题加剧，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）针对船舶氮氧化物和硫氧化物的排放出台了更严格的限制法规，要求在氮氧化物排放控制区（NOx Emission Control Area，NECA）区和NECA区以外海域航行时，船舶发动机的氮氧化物排量 应分别符合Tier 标准和Tier 标准，在SECA区和全球海域内，船用燃料的硫含量不得低于0.1%和0.5%的标准。液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）是一种可替代燃油的清洁船舶燃料，故LNG动力船被认为是现阶段应对IMO法规要求的最佳方案之一1，而LNG燃料供气系统（Fuel Gas Supply System，FGSS）是一套为LNG动力船双燃 作者简介：陈奕瑄（1995），男，工程师。研究方向：船用 LNG 供气系统工艺。34 cademic Research 技术交流 A 料发动机提供燃料加注、存储及气体燃料供应的装置，是LNG动力船的核心系统之一。鉴于液化天然气及其气化后的天然气具有易燃易爆的特性，使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则（International Code for Ships Using Gases or Other Low-Flashpoint Fuels）及相关船级社规范要求LNG动力船上需配备氮气发生系统，利用氮气对设备及燃气供应管路进行吹扫惰化，以确保LNG供气系统安全可靠地运行。本文结合船级社规范要求，对船用LNG供气系统的惰化吹扫的过程进行分析，并在此基础上介绍氮气发生装置的选型配置方案及氮气发生系统相关计算方法，以供设计人员借鉴与参考。1 船用船用 LNG 供气系统吹扫惰化分析供气系统吹扫惰化分析 1.1 船用船用 LNG 供气系统简述供气系统简述 以低压供气系统为例，船用LNG供气系统包含LNG加注站、LNG储罐、LNG供给泵、闪蒸汽（Boil Off Gas，BOG）处理单元（BOG压缩机）和气化加热单元（气化加热器）等主要设备和单元模块，以及水乙二醇循环单元（水乙二醇泵）、氮气发生模块（氮气系统）等辅助单元模块，能够实现燃料加注、存储、增压气化、蒸发气处理和管路吹扫惰化等流程2。低压供气流程通常为：利用水乙二醇泵维持系统换热循环，置于LNG储罐内的供给泵将LNG增压至双燃料发动机所需压力，再通过气化加热器转化为常温天然气，最后经由缓冲罐稳定压力后供给用气设备燃烧，BOG压缩机用于处理储罐中的蒸发气，防止储罐超压，而氮气发生模块则可以提供系统管路吹扫惰化所需的氮气。LNG供气系统涉及氮气吹扫惰化的流程主要包括：1）LNG加注前后对加注管路的吹扫惰化；2）油气模式切换时双燃料发动机/锅炉的燃气阀组单元（Gas Valve Unit，GVU）模块以及燃气管路的吹扫惰化；3）系统停机维护前设备管路的吹扫惰化；4）LNG储罐吹扫惰化；5）LNG潜液泵接线柱氮气密封等。1.2 加注管路氮气吹扫加注管路氮气吹扫 按照LNG加注操作规范，为了驱除管路内混入的空气（加注前）及管路中剩余的LNG残液（加注后），LNG动力船在进行加注前后均需对加注管路进行惰化吹扫。在加注作业完成后进行管路的吹扫惰化时应先由LNG加注船/加注站向加注液相管路中通入少量BOG气体，将管路中残留的LNG吹扫进LNG受注船的储罐中，然后利用氮气将管路中的BOG气体吹扫至集中放散口，实现管路惰化3。加注管路氮气吹扫惰化流程见图1。图 1 加注管路吹扫流程 氮气自LNG加注站近岸侧进入加注液相管路，一直由加注站吹扫至燃料舱接头处所（Tank Connection Space，TCS），此时LNG储罐加注根阀已经关闭，氮气会经由加注气相管返回加注站，35 并将BOG气体通过透气管路吹扫至集中放散口。1.3 双燃料发动机及燃气阀组单元氮气吹扫双燃料发动机及燃气阀组单元氮气吹扫 LNG供气系统所提供的气体燃料最终需经过GVU模块调至一定压力才能供给用气设备燃烧。双燃料发动机具有燃油和燃气2种工作模式，以天然气为主要燃料而柴油为备用燃料，当发动机由燃气模式切换为燃油模式或由燃油模式切换为燃气模式时需要先对GVU阀组单元及发动机燃气管路进行吹扫，避免燃气泄漏的风险4。吹扫流程见图2。图 2 双燃料发动机及 GVU 吹扫流程 依照系统吹扫控制逻辑5，燃油模式与燃气模式进行切换时，需先完成对发动机和GVU至发动机段燃气管路的吹扫，氮气通过发动机氮气吹扫口进入，经由靠近发动机的一组双截止透气阀排至集中放散口；然后再完成主气体燃料阀至GVU段燃气管路的吹扫，氮气最终通过主气体燃料阀与GVU内靠近供气管路的遥控阀组成的双截止透气阀排至集中放散口。1.4 系统维护前设备及管路氮气吹扫系统维护前设备及管路氮气吹扫 LNG供气系统检修及停机维护时，须先对系统内设备及供气管路进行吹扫惰化，确保无液态及气态天然气残留。应将LNG和BOG由TCS经供气管路向后端吹扫，再通过透气管路排至集中放散口，透气管路应设置于靠近用气设备的缓冲罐上，吹扫过程中可以借助系统余热将管路中的LNG气化，加快吹扫进程。吹扫流程见图3。图 3 供气管路及设备吹扫流程 来自氮气系统的氮气一路由BOG压缩机回气管路反向进入BOG气相管，经BOG气相管吹扫压缩机后进入燃气缓冲罐，另一路由LNG供给管线进入吹扫换热器及供气管路后进入燃气缓冲罐，最后由缓冲罐顶透气管线排出。也可通过该过程对换热器和BOG压缩机进行单独吹扫。此外，当LNG动力船需要进行燃料存储舱检修时，待暖舱完毕后，也可利用船上的氮气系统进行LNG储罐的吹扫惰化，其流程与加注管路吹扫流程基本相同。由图4可知，氮气通过底部加注 36 cademic Research 技术交流 A 管进入储罐下方，因氮气密度大于天然气，会使储罐内天然气上浮，经由加注回气管和透气管路后排放至集中放散口。但由于LNG储罐容积大，LNG动力船氮气系统排量有限，吹扫惰化用的氮气主要由岸上供给，该流程主要用在一些小型内河LNG动力船上，亦可作为岸氮吹扫惰化的辅助流程。图 4 LNG 储罐吹扫流程 2 氮气发生装置介绍氮气发生装置介绍 2.1 膜式氮气发生装置膜式氮气发生装置 膜分离法制氮主要利用气体在膜中的溶解和扩散系数差异，渗透率相对快的气体如水、氢气、氧气、氦气和二氧化碳等透过膜后在膜的渗透侧被富集，而渗透率较慢的甲烷、氮气、一氧化碳和氩气等气体则在膜滞留侧被富集，使混合气体中不同扩散能力的气体组分分离。膜式氮气发生装置制氮流程见图5。膜组单元的每个膜条均由筒型外壳及内置中空纤维束构成。压缩空气经冷干和过滤进入分离器后，由于其组分中氮气穿透膜纤维的速度比氧气、二氧化碳和水蒸气等的速度慢，会滞留于膜前进行提纯。氧气等其他气体组分会通过旁通管泄放至大气中，而经检验后纯度合格的氮气将被送至用气端6。经此流程产生的氮气纯度能够达到95%以上。图 5 膜式氮气发生装置流程图 2.2 变压吸附氮气发生装置变压吸附氮气发生装置 变压吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）是利用碳分子筛对氧和氮在某一时间内吸附量的差别这一特性，较小直径的氧分子能够较多较快地扩散进入分子筛的微孔中，较大直径的分子扩散较慢，进入分子筛固相较小，被富集到气相中，同时利用加压和减压相结合的方法，使氧分子在加压时被吸附在碳分子筛的微孔中，减压时从分 37 子筛的微孔中释放出去。压缩空气由吸附塔下部管路交替进入2座塔内，设置空气缓冲罐保证交替进气时系统压力稳定，通过2座吸附塔分别进行加压吸附和减压解吸的循环过程，完成空气中氮气和氧气等组分的分离，从而源源不断将高纯度的产品氮气输送至氮气缓冲罐中供给用气端使用7。变压吸附氮气发生装置工艺流程见图6。图 6 PSA 氮气发生装置流程图 2.3 2 种氮气发生装置的比较种氮气发生装置的比较 通过对2种制氮工艺流程的分析及咨询厂家的结果，现将2种氮气发生装置的特点总结见表1。表 1 膜式及 PSA 氮气发生装置对比 项目 膜式氮气发生装置 PSA 氮气发生装置 优点 系统简单，操作方便；设备体积小；便于维护和扩容（可在线更换膜组）氮气纯度可达 99.99%；氮气处理量大；价格较低 缺点 氮气最高纯度只能达 99%；氮气量处理量小；价格略高 系统较为复杂；设备体积大（吸附塔）；维护不便 3 氮气系统设计氮气系统设计 3.1 氮气发生装置选型氮气发生装置选型 LNG供气系统配套氮气系统设计可参考国际海上人命安全公约（International Convention for the Safety of Life at Sea，SOLAS）、国际消防安全系统（Fire Safety System，FSS）规则、使用气 体 或 其 他 低 闪 点 燃 料 船 国 际 安 全 规 则（International Code for Ships Using Gases or Other Low-Flashpoint Fuels，IGF Code）及相关船级社规范，设计要点如下：1）氮气系统所产生的氮气中氧含量应不超过5%。2）氮气管路上应安装1个能连续读数的含氧量测定表和1个氧气报警装置并设置1个5%氧含量的高氧报警。3）空气压缩机和氮气发生器可安装在机舱或一个单独舱室内。如氮气发生器或氮气储存设施安装在机器处所外的单独舱室内，该舱室应设置1个独立的机械抽吸式通风系统，每小时换气次数不小于6次。应设置1个低氧报警装置（19%）。4）氮气缓冲罐可安装在一个专用舱室内、装有空气压缩机和发生器的单独舱室内、机器处所内或货物区域内。如在围蔽处所内，须布置成只能从开敞甲板出入，且出入门应向外开启。须为该舱室提供充足且独立的抽吸式机械通风。5）氮气管路应仅通过通风良好的处所。围蔽处所内的氮气管路应保证管路尽可能短，连接形式为焊接且尽量减少法兰和接头的数量。38 cademic Research 技术交流 A 6）为了避免天然气回流至氮气管，氮气管路应设置1组双截止透气阀，并在双截止透气阀和燃料系统之间应设置一个截止止回阀。这些阀应位于非危险处所之外。氮气发生装置及氮气缓冲罐通常布置于船舶机舱内，由于机舱为密闭空间，为了避免氮气泄漏的风险会单独于机舱内设置一氮气室。另外，由于吹扫惰化用的氮气含量只需达95%即可满足要求（通常要求为97%）。同时考虑到船舶机舱内空间有限，而膜式氮气发生装置设备体积小，操作维护简便，因此更适合作为LNG供气系统配套的氮气发生装置。3.2 氮气消耗量计算氮气消耗量计算 根据前文对LNG供气系统吹扫流程的分析，设计阶段计算氮气消耗量时应主要考虑系统常规运行工况，包括LNG供气系统加注前后管路吹扫惰化、GVU及燃气供应管路吹扫置换以及LNG供气系统常规维护检修前吹扫惰化涉及的所有管线容积。在此基础上考虑吹扫时间和置换次数并取20%的设计裕量，其他过程氮气消耗量较少可不考虑。可参考如下公式进行初步计算：21.24VnL （1）式中：V为氮气消耗量，m3；n为置换次数，n=5；为所吹扫管路内径，m；L为吹扫管长度，m。设计阶段考虑吹扫时间为10 min，计算氮气系统排量的公式为 006VPTQPT （2）式中：Q为氮气系统设计排量，N m3/h；P为氮气供给压力，MPa；T0为标态温度，T0273.15 K；P0为标态压力，P0=0.1 MPa；T为氮气供给温度，K。3.3 氮气缓冲罐容积计算氮气缓冲罐容积计算 氮气系统在运行过程中会根据后端缓冲罐压力自动启停，设置氮气缓冲罐的目的是稳定氮气压力并储存一定量氮气，避免吹扫过程中氮气压力出现波动，并且减少氮气系统启停次数，降低因系统频繁启动对氮气系统使用寿命的影响。氮气缓冲罐的容积可以依据理想气体状态方程进行计算8：610mRTVMP （3）m=0V （4）式（3）和式（4）中：V为缓冲容积，m3；m为系统氮气消耗量，kg；R为气体常数；M为氮气的分子质量；0为设定压力下氮气的密度，kg/m3。4 结论结论 LNG供气系统是双燃料LNG动力船的核心系统之一，在其安全性须得到充分保障，而氮气吹扫惰化是避免燃气泄漏、确保LNG动力船安全运营的重要手段。本文分析了LNG供气系统涉及的氮气吹扫惰化的工况及吹扫流程，并在此基础上结合规范介绍了氮气系统的选型及相关计算方法，推荐使用膜式氮气发生装置作为LNG动力船的氮气系统，以确保整个燃气供应系统安全、可靠地运行。参考文献：参考文献：1 马义平,曾向明,魏海军,等.国内外船用 LNG动力发动机发展现状J.中国航海,2016,39(3):20-25.2 裘春华,孙永元,王璞.双燃料发动机天然气供气系统设计J.柴油机,2018,40(5):27-33.3 徐建勇,范洪军,吴顺平,等.LNG 燃料的船对船(STS)加注技术研究J.船舶工程,2015(1):7-10.4 段斌,王志敏.双燃料发动机在 LNG 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