豪华客滚船热油锅炉双燃料系统设计

来源:用户上传      作者:李林

　　摘    要：根据客滚船“威斯堡”号（VISBORG）热油锅炉双燃料系统的设计与建造实例，介绍热油锅炉双燃料系统的特点。结合客滚船安全返港有关要求、双燃料等对热油锅炉系统设计的影响进行分析和探讨，简述热油锅炉双燃料系统设计与建造过程需要注意的问题。
　　关键词：LNG燃油双燃料;热油锅炉双燃料系统;安全返港
　　中图分类号：U662.2                                  文献标识码：A
　　Design of Thermal Oil Heater Dual Fuel System for
　　Luxury Ro-pax Vessel
　　LI Lin
　　（ C&S GESAB （Shanghai） Boiler Co.， Ltd. Shanghai 200124 ）
　　Abstract： This paper introduces the characteristics of thermal oil boiler dual fuel system based on the design and construction of dual fuel system for thermal oil boiler of GOTLAND ROPAX VISBORG. The influence of dual fuel on the design of thermal oil boiler system is analyzed and discussed according to the requirements of SRTP， and briefly describes the problems needing attention in the design and construction process of dual fuel system of thermal oil boiler.
　　Key words： LNG/MGO dual fuel; Thermal oil boiler dual fuel system; Ro-pax SRTP
　　1    引言
　　随着环境污染日益加剧，国际海事组织颁布了一系列环保法规，航运业对节能减排也日趋重视。而LNG作为船舶燃料，具有低硫和清洁燃烧特性，被越来越多的船东接受。“威斯堡”号（VISBORG）在此背景下采用了国际先进的双燃料主机驱动、双燃料热油锅炉。LNG燃料在公海和排放控制区内完全满足有关法规排放标准，废气排放几乎为零，“威斯堡”号是当今世界上节能环保型高端豪华客滚船之一。本文结合“威斯堡”号重点介绍船用双燃料热油锅炉系统设计。
　　2    双燃料热油锅炉系统组成
　　“威斯堡”号（VISBORG）是一艘豪华客滚船，上建房间多、车道甲板长，为了满足安全返港要求，采用双机舱冗余设计和双燃料热油锅炉作为全船热源，满足相关规范和公约要求及制造厂家标准（包括DNVGL， ICG code ，Swedish Flag， SMA，STA and GESAB）。
　　本船由两台双燃料热油锅炉和两台废气热油锅炉组成。船上设有两个独立机舱，每个机舱安装一套热油系统，每套系统由一台双燃料热油锅炉和一台废气锅炉组成。双燃料热油锅炉和废气锅炉串联使用，通过可编程逻辑控制器（PLC）实现自动运行;双燃料热油锅炉一用一备，两个机舱之间设有热油连通管;两台废气锅炉在正常航行工况下同时使用，代替双燃料热油锅炉。
　　船上热油系统主要为下列用户提供热源：机舱需要加热的舱柜（油渣舱和舱底水舱）;居住舱室;主甲板用户;生活用水。
　　2.1  双燃料热油锅炉
　　根据船舶建造规格书及热负荷计算，本船设置前后两个独立機舱、左右舷各布置一个锅炉舱;每个锅炉舱安装一台功率为2 500 kW卧式双燃料热油锅炉;两台废气热油锅炉分别布置在前后机舱围井。双燃料热油锅炉参数如下：
　　功率：2 500 kW
　　设计温度：299 ℃
　　设计压力：10 bar
　　热油进口温度：150 ℃
　　热油出口温度：200 ℃
　　热油流量：92 m?/h
　　2.2  双燃料燃烧器
　　每台双燃料热油锅炉配置一台双燃料燃烧器，全船共2台。双燃料燃烧器的特点是内部有一个双壁管通道，内侧管供燃油使用，外侧管供气化的LNG使用。
　　双燃料燃烧器的燃料分别为：
　　（1）天燃气（LNG）负荷调节模式：燃气运行时比例调节为1：4 （100 % - 25 %）;
　　（2）船用轻柴油（MGO）负荷调节模式：燃油运行时比例调节为1：2.5 （100 % - 40 %）。
　　2.2.1 燃烧器功率计算
　　燃烧器功率=热油锅炉功率2 500（kW/h）/锅炉效率（88.2%）=2 834 kW/h
　　根据燃烧器功率和锅炉的烟气背压，选择合适的型号300 M-II。
　　2.2.2 LNG消耗量计算
　　根据燃烧器功率，可以计算出LNG消耗量及最大助燃空气量：
　　（1）LNG消耗量=燃烧器功率2834 kW×3.6/LNG热值35.8 MJ/m3=285 m3/h
　　（2）最大助燃空气量：1 300 m?/MW 　　2.2.3 燃油（MGO）消耗量计算
　　根据燃烧器功率，可以计算出燃油消耗量及最大助燃空气量：
　　（1）燃油消耗量=燃烧器功率2834 kW×3.6/燃油热值42.7 MJ/kg=238 kg/h
　　（2）最大助燃空气量：15 m?/kg
　　2.2.4  气体阀和压力调节单元
　　气体阀和压力调节单元主要是调节和控制燃烧器的供气。所有部件都安装在一个气密罐里，满足防爆區域要求：
　　数量：2台
　　通径：DN65
　　进口压力范围：4～7  bar
　　进口温度范围：0～60 ℃
　　出口压力：95 mbar
　　燃烧器进气压力：最大为500 mbar
　　2.3  燃油输送泵
　　数量：4台
　　排量：1 050 litres/h
　　粘度范围：1.5～37 mm2/s
　　电机功率：0.55 kW
　　2.4  热油废气锅炉
　　数量：2台
　　功率：1 250 kW/h
　　设计温度：299 ℃
　　设计压力：10 bar
　　热油进口温度：150 ℃
　　热油出口温度：200 ℃
　　2.5  热油循环泵
　　数量： 6台
　　排量： 46 m3/h
　　电机功率： 18.5 kW
　　2.6  热油膨胀柜（开式）
　　数量： 2个
　　容量： 2 000 升
　　2.7  热油除气柜（闭式）
　　数量： 2台
　　容量： 250升
　　2.8 控制箱
　　数量： 2个
　　包含锅炉控制系统和燃烧器控制系统：锅炉控制系统和燃烧器控制系统之间的通讯需用硬线连接;燃烧控制系统是主控制系统PLC的一个应急PLC;主控制系统PLC可以使用LNG或燃油，但燃烧器控制系统PLC只能在应急模式下使用燃油。
　　3   热油锅炉双燃料系统的布置
　　4   热油锅炉双燃料系统设计注意事项
　　4.1 安全返港对双燃料系统的影响
　　国际海事组织IMO早已明确新建造的客滚船需满足安全返港有关技术要求，即要求在海上遭遇诸如海损、火灾等危害生命的安全事故后，能继续航行至港口或安全区域的生存能力。
　　“威斯堡”号客滚船航线在北欧，冬季最低温度常低于零下30 ℃，因此空调及热油系统的配置均要考虑安全返港的要求。热油系统分布在前后机舱，在任意一个机舱失效的时候可以保证另外一个机舱正常运行，与之对应的废气锅炉也可以正常使用，即保证热源的供应。
　　本船设有左右机舱冗余，在航行工况下热油废气废气锅炉会同时使用，因此左右机舱设有热油连通管路，在隔离舱壁处热油连通管路需要设置两个隔离阀，当任意机舱失效的时候用于系统的隔离。
　　4.2  复杂舱室对双燃料系统的影响。
　　由于客滚船机舱层高较矮，对热油系统设备和管路的布置有更高的要求。比如开式除气柜的透气管要求有45°的倾斜角向上透气到膨胀柜，如遇到层高原因无法布置管路则最好改用闭式除气柜。另外，热油管路还需要考虑布置Ω弯应对热胀冷缩。
　　为了满足安全返港要求，客滚船对水密区和防火区的分隔比普通商船复杂，而且从一个水密区或防火区进入另外一个水密区或防火区的管子是不允许再返回原水密区或防火区的，由此对加热用户和管路的布置提出了更高的要求。
　　4.3  LNG燃料对双燃料系统的影响
　　与传统燃油相比，船上使用LNG燃料在许多方面可靠性均优于燃油：柴油着火点为257 ℃、爆炸局限为0.5～7.5%，而LNG燃料着火点为650 ℃、爆炸局限为4.6 ～14.57%， 因此LNG燃料瞬间着火比油慢、不容易达到爆炸局限;LNG燃料属于低温液体，泄漏时自然气化快不会对水质产生污染;LNG燃料密度比空气小，发生泄漏后会自动上溢扩散到大气中，加入特殊嗅剂后发生泄漏可及时被发现，即使船舶意外在海洋中发生泄漏，也不会对安全和海洋造成巨大的危害;油价的大幅上涨提高了船东的运营成本，同时也凸显了LNG作为船用燃料在价格上的优越性。
　　为了能够燃烧LNG燃料，系统需配置相关的LNG进气管路、气体阀和压力调节单元GVUR、进气双壁软管等设备，对锅炉及燃烧器的周边要求保留更多的空间;与此同时，也需增加扫气、通风和可燃性气体探测等辅助设备和系统。
　　燃烧控制系统需要对燃烧器和气体阀和压力调节单元GVUR进行通风监测。
　　在机舱外需要布置供气系统和双壁管吹扫的氮气系统，氮气系统需要进行吹扫的情况包括：
　　（1）气体阀和压力调节单元GVUR内任何测量信号错误;
　　（2）LNG进气压力高或调节后LNG气体压力高;
　　（3）进气温度过低或过高;
　　（4）气体阀检测失效;
　　（5）紧急停炉;
　　（6）气体阀和压力调节单元气体泄漏;
　　（7）供气双壁管通风失效;
　　（8）手动关闭/系统气体施放。
　　5   结语
　　由于全球LNG基础设施尚处于起步阶段，燃料转移技术效率还处于发展推广阶段，对于LNG燃料的应用，一次性的解决方案比分阶段解决方案更节省成本和后续投入，符合当前可持续绿色发展趋势。低硫油的解决方案无法从根本上解决大气污染问题，设定控制硫氧化物排放限制区域只是暂时的措施，最终目标是全球航区船舶尾气排放限制，因此LNG燃料的优势将逐步显现。
　　客滚船特点是：主竖区划分多、结构复杂、上建房间多、车道甲板长、机舱空间紧凑等，使用LNG燃料安全要求更高，对热油系统的设计布置增加很大难度，因此需要在前期设计阶段对整个系统进行综合考虑。
　　该船已投入营运，状况良好。希望本文对后续的客滚船设计具有指导和借鉴作用，为其它船舶热油锅炉双燃料系统的设计与建造提供有价值的参考。
　　参考文献
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