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上海海事大学船用电喷柴油机培训课题组
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0 引言
为保证大型液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)船的安全运营，《国际海上人命安全公约》(International Conventiorfor Safety oflife at Sea,SOLAS)对运载易燃易爆货物的运输船货舱要求采用有效的保护措施!]，使用惰气对相关区域进行惰化保护是常用的措施之一。与传统惰气不同，对于船舶而言，同货物、货舱、管路材料不产生相互作用且不形成可燃性混合气的气体即可满足船舶基础惰化需求。若要求较为严格，还需进一步处理以降低气体的含氧量和露点。船舶惰化气体通常有3种制取方式:锅炉排气制取惰气、消耗空气含氧量制取惰气和氮气发生器制取氨气。其中，由锅炉排气制取的惰气因含硫量高、杂质多，影响货物品质，无法用于LNG船;而氮气发生器制取的氮气往往产量较少，无法满足大型LNG船对惰气量的需求，使用受限。因此，LNG船用惰气通常采用消耗空气含氧量的方式进行制取，制取流程见图1。
图1 LNG船用惰气制取流程
LNG船用惰气发生器多为燃烧式，此外还有变压吸附式和膜空分式，通过制取氮气完成惰化工作。燃烧式惰气发生器适用于需惰气流量2 000 m3/h以上、惰气含氧量小于5%、对惰气品质要求不太高的场合，如大型液货船主舱的置换与惰化。而变压吸附式和膜空分式适用于需氮气流量2 000 m?/h以下、含氧量5%以下、氮气纯度较高(99%左右)、氮气露点较低的场合，如中小型液货船和化学品船主舱及管路的气体置换、惰化及除气，以及LNG船货舱外围的惰气绝缘保护和液滴清除等对于大型LNG船，由于货舱空间较大，若用氨气置换和惰化，对氨气的需求量过大，且价格较高，经济性较差，故使用燃烧式惰气发生器。
1 大型LNG船用惰气发生器系统特点及要求
1.1 大型LNG船用惰气发生器系统特点
惰气系统示意图见图2。惰气系统主要包括风机、燃油泵、惰气发生器和甲板水封等组成部分。大型LNG船配备的惰气发生器利用燃油燃烧去除空气中的氧气，产生含氧量和露点满足要求的惰气。来自风机的空气与燃油泵喷射的燃油在惰气发生器的燃烧头混合,通过调整空气与燃油比例进行充分燃烧，随后经过海水的喷淋冷却并除去水雾，再通过管道注入货舱内部，置换出货舱中的空气，进而使货舱惰化，大型LNG船的惰气系统还包含冷却单元、洗涤单元和干燥单元等组成部分，除常规惰化模式外，还要求惰气发生器具有可对船舶进行干燥、脱气和空气化等功能。
图2 惰气系统示意图
1.2 LNG船用惰气发生器要求
1.2.1 性能要求
通过燃烧产生的惰气，其主要成分为N、CO、CO,、NO、SO,和一定量的O,，而惰气发生器在设计制造时除满足IMO、船级社的相关要求外，还需符合相关性能指标，见表1。
1.2.2 设踰镉畛滬钵䬺酷罄吱鏄狼硕驗荤潠撖砻术要求
对比分析国外技术发展趋势和主要厂商产品结构组成，对LNG船用惰气发生器的设备单元和技术要求进行介绍和分析
1)供风单元
供风单元包含2台50%额定风量的风机以及相关滤器和消音器等。风机出口管路需配备控制阀对风量进行调节，通过压力传感器监控风压，通过控制阀直接排空过量空气，通过振动传感器对风机振动情况进行监控并产生报警信号。
2)供油单元
两台燃油泵并联运行，为燃烧单元提供稳定压力的燃油，过量燃油需要回流至船上油柜内。输油量由控制阀调节，需配备压力传感器监控油压。
3)燃烧单元
燃烧单元包括点火器、燃烧室和洗涤塔，燃烧火焰由火焰探测器进行监测。船上压载泵输送的海水进入燃烧室和洗涤塔内，通过喷淋方式冷却燃烧室。洗涤塔下部需设计水封装置用于将冷却海水排出眩外，同时避免惰气或空气逸出;通过液位传感器对水封液位高度进行监测;通过将燃烧单元内部压力与排水管路压力的压差信号设置为输入信号来控制排水阀;燃烧单元出口需配备除雾器。
4)冷却单元
冷却单元由冷却器和冷水机组组成。冷却单元循环换热作业，可在相对湿度100%的情况下，将额定流量的惰气或干燥空气冷却至露点。冷水机组一般包括蒸发器、压缩机、冷凝器等3个主要部件，冷媒水为一定浓度的乙二醇水混合物，使用R系列制冷剂。冷却单元内部相关设备与管路，以及冷却单元与干燥单元之间的管路需包覆绝缘材料，避免产生空气凝水和冷能过量损失
5)干燥单元
干燥单元包含电加热器和蒸汽加热器。和冷却单元类似，干燥单元也需采取绝缘材料以避免热能过量损失。
6)控制系统
惰气发生器除就地启停操作外，还需与船上综合自动化系统(Integrated Automation System,IAS)系统进行通信，以实现远程遥控。通信信号通常包括如下内容:运行指示、露点、露点超温报警、含氧量、高/低含氧量报警、惰气/干空气流量、出口压力/温度、控制阀开度、洗涤塔高水位报警、风机振动监测信号及高值报警和停机等。当含氧量高于3%时，控制系统需要关停惰气发生器。
7)其他设备
除上述6个主要单元外，船用惰气发生器还需包含氧气浓度分析仪、露点仪、流量计、各类传感器、阀件和报警系统等设备。
1.3 总体布置准则依据《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》 (lIntermational Code for the Construction and Equipment of ships Calrying Liquefied Gases in Bulk,IGC Code)和SOLAS的相关规定，装有惰气发生器的处所不得有通往起居处所、服务处所或控制站的直接通道，制造惰气用的燃烧设备不得位于货物区域内，但惰气发生器可位于机器处所内，并归属于A类机器处所。为此，需设置单独惰气发生器间用于布置其各个组成单元。惰气发生器间的围壁与顶部甲板采用钢板进行分隔，甲板通舱件应能防止火焰和烟雾通过
惰气发生器占用空间大，安装和维护要求高，黑采取严格的布置方案，惰气发生器间各设备单元布置设计需充分考虑设备主尺度、维修操作空间以及人员通道等多方面因素。设备与设备、设备与舱壁之间的距离至少为800 mm，就地控制柜和背面无维护操作空间要求的设备可靠舱壁布置。在制定布置方案时，需要结合船体结构空间、各单元设备外形尺寸、操作维护空间、管路布置安装等要求进行综合考虑。
2 大型LNG船用惰气发生器典型应用
惰气发生器在不同船型、不同功能的船舶上均有广泛应用，实船应用中需要根据不同船型特点匹配相应的惰气发生器，以满足不同场景的使用需求。
本节案例中LNG船舶的惰气系统均配置1台惰气发生器和2台氮气发生器。其中，惰气发生器产生的惰气主要用于货舱及管路的惰化，也可在应急情况下为船上管弄、隔离空舱和压载舱等相关区域提供干燥空气;氮气发生器产生的氨气主要用于阀件、管路的吹洗与惰化。以某型LNG船例，对厂商A~C的惰气发生器结构型式及其特点进行介绍。
2.1 厂商A
厂商A惰气发生器原理图和冷却单元示意图分别见图3和图4。系统结构主要包括助燃风机、燃烧单元、洗涤单元、冷却单元和干燥单元等。空气与被喷射雾化的燃油充分混合后在洗涤塔上部进行燃烧，同时将海水送至洗涤塔对燃烧后的气体进行冷却和除杂等随后，再将气体输送至后续单元完成进一步冷却及干燥。
厂商A惰气发生器具有以下注意事项:1)在布置海水管路时，需至少保持15°倾斜;2)与燃烧、洗涤相关的所有设备均集成在洗涤塔上;3)洗涤塔最低点与船体满载水线间的垂向距离不得小于2.2 m;4)干燥单元布置有电动式/蒸汽式蓄热加热器;5)采用压力雾化式燃油喷嘴，技术要求低，价格便宜;6)所有机械设备工作温度不得超过50℃，若环境温度过高，则需采取冷却措施，否则易引起故障。
图3 厂商A惰气发生器原理图
2.2 厂商B
厂商B惰气发生器结构示意图见图5。其工作原理与厂商A相似，主要有以下区别:1)厂商B惰气发生器将燃烧单元从洗涤塔中划出，可有效减小洗涤塔的高度尺寸，将原本需要占据2层甲板的布置形式修改为仅占用一层甲板的卧式倾斜布置形式，布置空间更为灵活，但占地面积也更大;2)具有更大的燃烧室，燃烧更为充分，但同时燃油耗量和系统功率也更高;3)采用蒸气雾化式燃油喷嘴,燃烧效率更高，可获得SO₂/0,含量更低的惰气，但需额外消耗蒸汽，且价格较高;4)海水管路布置倾斜角度不得小于20°;5)燃烧及洗涤单元最低点与船体满载水线间的垂向距离不得小于3 m;6)30%的海水用于冷却燃烧单元，70%的海水用于冷却洗涤塔,
图5 厂商B惰气发生器结构示意图
2.3 厂商C
与厂商B相似，厂商C惰气发生器同样拥有独立燃烧单元，同时还具有以下注意事项:1)采用压力雾化式燃油喷嘴;2)在布置海水管路时，其倾斜角度不得小于20°3)燃烧及洗涤单元最低点与船体满载水线间的垂向距离不得小于2 m;4)各单元结构尺寸更小，安装及维护更为简便，成本更低，但系统振动及噪声相对较大，适用于各型LNG船舶的惰化工作。
3 应用总结
在满足相关要求的前提下，惰气发生器的性能主要体现在惰气出口温度、燃油耗量和系统功耗等方面。此外，因系统单元较多整体体积较大，为船舶匹配惰性发生器时还需考虑安装布置问题，整机尺寸通常也会纳入惰气发生器的选型考虑。不同厂商惰气发生器对比情况见表2。由表2可知:1)厂商A惰气发生器的系统功耗最小，惰气出口温度灵活可控，整机质量较大，而由于将燃烧单元与洗涤单元合为一体，其拥有最大的高度尺寸，这可能会导致单层甲板无法容纳整机的问题，故多用于大型LNG船;2)厂商A惰气发生器采用卧式倾斜式布置形式，具有最大的占地面积，对船型要求更大;此外，其燃油喷嘴采用蒸汽雾化方式，燃烧效率更高，惰气品质较好，多用于对惰气组成要求严格的大型LNG船:3)厂商C惰气发生器的燃油耗量最少，整机质量最同时整机尺寸相对较小，布置灵活，可用于大型LNG船，多用于中小型LNG船。
目前大型LNG船用惰气发生器均为进口产品，尚未脱离国外的垄断控制，而国内应用于FPSO的双燃料直燃模式惰气发生器的成功研制[4]，为推动不同类型惰气发生器的国产化进程奠定了基础，这对大型LNG船用惰气发生器的自主化设计具有深远的借鉴意义。
4 结论
本文从惰气制取流程出发，首先总结了不同类型惰气发生器的应用范围，随后基于不同厂商制造的惰气发生器，并详细介绍了大型LNG船用惰气发生器的结构形式、系统特点、要求及布置准则，研究了其在LNG船上的适用性与局限性，得出如下结论:1)对于带有一体式燃烧洗涤单元的惰气发生器，因其整机高度尺寸较大，将占用船舶机舱两层甲板，仅适用于大型LNG船;而对于拥有独立燃烧单元的惰气发生器，通过合理布置设备及管路，可应用于大中小型LNG船;2)因经济性好，大型LNG船常采用压力雾化形式的惰气发生器;若对惰气品质要求较高，则须采用蒸汽雾化形式的惰气发生器;3)大型LNG船因船舶机舱空间充足，在匹配惰气发生器时,其油耗、整机功率、排量等参数为首要考虑因素;若船舶机,舱空间有限，如中小型LNG船或油船，则应考虑采用整机尺寸较小的惰气发生器，4)目前我国LNG船所采用的惰气发生器均为国外厂商制造，这对大型LNG船的自主化设计建造是个挑战，要求大型LNG船用惰气发生器亟须加快国产化进程。
参考文献：
[1]陈祚琛,闫冬峰,颜廷乐,等.大型LNG船用惰气发生器系统特点及其应用[J].船舶标准化工程师,2024,57(04):60-64+69.
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