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工程可靠性和系统安全性
液化天然气船用新型推进系统的可靠性和安全性研究
文章信息
Available online 21 March 2008
关键词： 液化天然气船
推进
可用性
安全性
危害
摘要
本研究调查了液化天然气船的传统和未来的推进系统的可用性和安全性：
- 双燃料蒸汽透平机械（DFSM）推进,
- 电动双燃料柴油（DFDE）推进,
- 双燃料燃气轮机电力推进（DFGE）,
- 双燃料柴油机械（OFDM）推进, 以及
- 伴随再液化的柴油机械式推进 (SFDM R).
DFDM和DFGE这两种候选方式展示出了设计的有效性以及与最新应用的DFDE和SFDM R能承受的相当高的应急推进载荷，而DFSM方式表现最好。所有供BOG效用的推进系统都能在有效性上达到一种令人满意的层次。新推出的关于 DFDE、 DFDM和 DFGE的双燃料系统伴随着新的危险，因为他们需要气体加压的燃料供应。这些危险造成的失败模式是可以被识别的，可行的安全警卫则可以被激活。火灾的危害和可燃气体泄露造成的爆炸堵塞，在目前的工业标准和船级社的安全要求下已经被认为是可以接受地减少了。
- 介绍
LNG航运业一直谨慎选择推进系统，蒸汽涡轮机在过去的几十年里一直是液化天然气公司的独家选择。液化天然气运输船的货舱是足够绝缘的以用来装大量大约-160℃且低于大气压的低温LNG。然而，热量进入它们总是不可避免地产生自然形成的蒸汽（通常称为天然沼泽）。在蒸汽轮机推进方式中，沼泽气用来点燃锅炉来产生蒸汽，这些蒸汽用来驱动汽轮机。当天然沼泽气不够了，强制汽化器可以产生适量沼泽气，或液化燃料也可以用来弥补。
最近，货物的容量已从15000跃升到250000立方米甚至根据运输距离拉长变得更大。货物容量的进一步提升已经被预见，几乎是传统运货商货物容量的两倍。汽轮机推进系统由于它的低效率正在失去它的高地。
备选推进系统已被建议来替换汽轮机式。天然沼泽气，在船舶航行中不可避免的产物，使得新燃料从进入商业舞台中分离出来。燃烧的沼泽气没有能量回收是不经济的，因为每天超过0.1%的货物会蒸发。如果推进系统的原动机是双燃料类型，沼泽可以用作燃料。否则，它应该在分离装置中恢复或再液化，成为沼泽气再液化装置。
在经过建设和海上测试之后，有两种新概念处在检修边缘：伴随再液化的低速柴油机推进和中速双燃料柴油机电动推进。另外两个：低速双燃料柴油机推进和燃气轮机电动推进，也在试着找到他们的商业机会。
没有任何系统是优先于其他的。推进系统的选择应与各种船舶的具体特点来确定，比如货物容量、航行状况还要考虑到港口的环境法规。然而，他们的可用性和安全性应表现为最低。一个有限数字在比较研究后得出了，主要是在经济和质量上的比较。很少有专门为他们的安全性和可靠性的研究，这是判断商业化的最关键措施。首先，BOG处理系统应处以适当的考虑，因为它不是经济的决定因素，也是由于其高压高故障率的电子管道和旋转机械的中央危险源和故障。
术语
ABOG AE AP BOG
LBOG DFDE DFDM DFGE
沼泽气利用的有效性
紧急推进负载的有效性
设计推进负载的有效性
沼泽气
液化沼泽气
双燃料（中速）柴油电动推进
双燃料（低速）柴油机械推进
双燃料燃气轮机电动推进
本研究涉及了新的推进系统的两个主要问题：可靠性和安全性。沼泽气处理系统也将同时考虑。首先，通过推进系统现有的和将来的统计来描述它们的一般功能。为了避免单纯比较系统的可靠性，三种可靠性将被考虑：一是设计推进载荷，二是应急推进载荷，三是沼泽气可用性。对于安全问题，重大危害在每个推进系统中会识别出来，还有安全法规也会再回顾一遍。
-
推进系统的一般特征
- 推进系统的分类
液化天然气船的推进系统与沼泽地利用和发电密切相关。大多数推进系统除液体燃料还使用沼泽气作为燃料。与之相反，柴油电力推进会产生电力驱动电机与传动轴连接。在船上的沼泽气再液化装置中，沼泽气会在一个专用装置中消耗大量能量从而液化。因此，这样认为推进系统应包括其基本的推进系统本身、主动力发动机和沼泽气利用装置是合理的。
对液化天然气运输船推进系统进行分类的一种方法是按照它们的性质来处理沼泽气，如图一所示。在图1中的缩写词将被广泛使用在本文中。
有2个类别取决于沼泽气是否被回收或作为燃料消耗的。随着液化柴油机械推进（SFDM R）是沼泽气回收分支一个独特的解决方案。其他分支将根据双燃料利用的完整性来区分，即发动机是否可以同时或分别通过液体燃料燃烧沼泽气。中速DFDE推进对应于后者。有三种推进系统可以同时使用沼泽气和液体燃料：双燃料蒸汽透平机械（DFSM）推进，（低速）双燃料柴油机械（OFDM）推进，以及双燃料燃气轮机电力推进（DFGE）
在过去的几十年中，电机在LNG船舶工业领域的推进系统的市场主导。特别地，200多个小型液化天然气运输船都配备了柴油机。最近，两个新的替代品，SFDM R和DFDE已进入商业领域。粗略地说，这俩新类型占有液化天然气运输船的一个季度的订单。仍然，一半的液化天然气公司还是将配备蒸汽涡轮机。大多数的用SFDM R型的液化天然气船其货物容量大于200000立方米，同时DFDE型船与DFSM型船有相媲美的货物容量。
-
- 推进系统的主要特点
图2所示的DFSM系统在锅炉中燃烧沼泽气来产生高压蒸汽，从而驱动汽轮机与螺旋桨。尽管系统的燃油效率低，由于其简单的操作性和内在的安全性，该系统在过去的几十年里一直占据着主导地位。这种类型的优点之一是易于处理沼泽气，使其能够和液体燃料同时燃烧。当货舱压力升高时，锅炉会燃烧过多的沼泽气，产生的蒸汽则被引入到主冷凝器中。沼泽气处理的简单原理消除了气体燃烧装置的需要，而接下来的系统则是被强制安装了气体燃烧装置。
沼泽气回收
同时燃烧
电力
柴油机
伴随再液化
单燃料（低速）柴油
机械推进
SFDM R
DFGE
DFDM
DFSM
DFDE
双燃料汽轮式
电动推进
双燃料（低速）柴油
机械推进
沼泽气作为燃料
分开燃烧
机械式
汽轮机
双燃料蒸汽轮机
机械推进
双燃料（中速）柴油
电力推进
图1. 液化天然气运输船用推进系统的分类
锅炉
Turbine Generator
Diesel Generator
Steam Turbines
Gear Box
Boilers
BOG Compression System 1
Liquid Fuel System
变速箱
汽轮机
沼泽气压缩机系统1
液体燃料系统
冷凝器
蒸汽发动机
柴油发电机
涡轮机
主泵
换热器
Pump Turbine
Consumers
Condenser
Exchangers
消耗装置
冷却水
图二. 双燃料蒸汽透平机械推进系统原理（DFSM）
BOG Compression System 2
Gas Valve System
Dual Fuel Generator
GCU
Dual Fuel Generator
Gear Box
齿轮箱
沼泽气压缩系统2
液体燃料箱
电动
马达
发电机控制器
双燃料发电机组
气阀系统
双燃料发电机组
其他消耗装置s
双燃料发电机组
r
气阀系统
柴油发电机
双燃料发电机组
图3. 双燃料（中速）柴油电动推进系统示意图(DFDE).
Other Consumers
Diesel Generator
Liquid Fuel Tank
Gas Valve System
Dual Fuel Generator
Dual Fuel Generator
图3中的DFDE是其他载体中的一个修改版的基于柴油发动机的推进方式，为了燃烧沼泽气如同燃烧柴油一样。双燃料发动机产生电力，并通过电动马达推动船舶。然而，发动机不能同时燃烧两种燃料，还需对不同的燃料来改变燃料模式。此外，它需要较低的压力（约6巴）使沼泽气作为燃料。请注意，这种推进系统包含GCU是为了满足当沼泽气远多于发动机的燃气需求。
图4介绍了SFDM R，沼泽气在专用系统里液化的地方称为再液化装置，而不是被用来作为燃料。低速柴油机是直接连接到一个传动轴的。从概念上讲，推进根据沼泽气的处理来区分的。再液化装置包含大量各种机械和低温换热器。请注意，该推进系统也配备了GCU来应对沼泽气远多于再液化装置容量的情况。
如图5所示，DFGEE将汽轮机和热回收蒸汽发动机结合起来，使用燃气轮机的热废气来驱动蒸汽轮机发电。余热锅炉也配备液体燃料或沼泽气作为燃烧物以用来辅助燃烧。配有螺杆式压缩机的燃料气体供应系统，可以提高压力，使其进入主燃气轮机。液体燃料进入主燃气轮机或余热锅炉燃烧器以供燃烧。一种辅助汽轮机会选择性安装来应对不同操作下的低载荷需求，如同按需要来执行冗余推进一样。Gcu 部件被安装来处置沼泽气，也作为必要的备用措施在当所有的沼泽气不能在主要的燃气轮机或余热锅炉中消耗时提供货物舱压力控制。余热锅炉产生的过热蒸汽与汽轮机产生的热废气一起驱动汽轮机。由于燃气轮机负荷降低与低负荷需求，余热锅炉的蒸汽产量相应减
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