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1、技术篇2010年第五期气体燃烧装置(GCU)在LNG船上的应用董效册1 .李文华2 .陈海泉3 .陈新响 3(1.天津海事局青岛航标处,青岛266011；2.大连海事大学轮机匚程学院，大连116026；3.镇江船艇 学院，镇江212003)摘要：新一代LNG册采用双燃料发动机电力推进或带再液化装置的低速柴油机推进，当 船舶进出港口机动航行或在锚地时，为了处理液货舱内过多的蒸发气，避免液货舱内压力升高， 船上必须装有气体燃烧装置或再液化装置，本文详细介绍r这种气体燃烧装理的作用、布置、要 求和结构.关键词：气体燃烧装置(GCU)； LNG册中图分类号:U664.12文献标识码:A文章编号：100
2、5-8354(2010)05-0013-04Application of Gas Combustion Unit Used in LNG CarrierDONG Xiao-pengl. LI Wen-hua2. CHEN Hai-quan2, CHEN Xin-xiang3(1. Qingdao Beacon Bureau , Tianjin Maritime Safety Administration of P. R. C , Qingdao 266011, China; 2. College ofMarine Engineering , Dalian Maritime University
3、 , Dalian 116026,China; 3. Zhenjiang Boat College, Zhenjiang 212003.China)Abstract:The new generation of LNG carriers use dual fuel diesel electric or slow speed dies el combined with anon board reliquefaction plant. During harbor maneuvers or at anchor for example , to dispose of this excess boil o
4、ff and avoid a pressure rise in the cargo tanks,the ship must install the reliquefaction plant or gas combustion unit on board. This paper presents a review of the function , arrangement , requirement and construction of the gas combustion unit of LNG carriers.Key words:gas combustion unit (GCU); LN
5、G carrier 收稿日期:2010-03-21作者简介:崔效删(1979-),男，匚程师,从事船舶管理工作.0前言以前采用蒸汽轮机作推进系统的LNG船，从液货舱蒸发出来的过多蒸发气在锅炉内燃烧掉，产生过 多的蒸汽卸放到冷凝器.新一代LNG船采用双燃料 发动机电力推进或带再液化装置的低速柴油机推进. 这些新型的推进系统在正常操作或备用状态下需要 具有处理过多蒸发气的能力，而这些过多蒸发气不能 以安全和环境友好的方式作为燃料使用或通过液化 装理处理掉.所以需要特殊的设备即气体燃烧装理 (Gas combustion unit, GCU)来处理这些过多的蒸发气1 .当船舶进出港口机动航行或在锚地
6、时，船舶需要 的推进功率减少，这时虽然液货舱的压力保持在承受 的范围内，但是这些蒸发气超过r推进系统的需要. 为了处理这些蒸发气，避免液货舱内压力升高，需要 考虑以下两种方法：1）船上安装再液化装置,把蒸发气液化后送回液 货舱;2）在满足安全和环境方面的规范要求下，通过船 上安装的气体燃烧装置来处理掉过多的蒸发气.从安 全和环境方面考虑，天然气不能直接排放到大气，W 为甲烷气体的温室效应明显要高于C02.1 GCU在LNG船上的作用气体燃烧装置（gcu）除r主要用来在正常操作时处理过多的蒸发气以外，它还必须用来燃烧在液货31 第五期2010年技术篇舱检查之前情化操作时从液货舱内排放出来的气体.
7、 在这个情化操作期间，液货舱被豆温，剩余的天然气 蒸气被船舶上惰性气体发生器产生的惰性气体置换. 这个置换过程是通过在液货舱底部喷入密度大的情 性气体，而在液货舱顶部排出密度小的天然气蒸发气 来完成的.操作过程中，在液货舱底部收集的天然气 蒸发气和惰性气体混合物必须通过气体燃烧装置来 处理掉，以避免产生任何的安全和环境危害.虽然在双燃料电力推进系统和带再液化装置的 低速柴油机推进系统中都需要气体燃烧装置，但是在 每个系统中对气体燃烧装置又有不同的要求.1）双燃料电力推进系统双燃料发动机电力推进系统如图1所示2 .蒸发气被送入双燃料发动机驱动的发电机产生电，以提供 给船舶推进系统和其他负荷.两台
8、冗余的高速推进电 机通过减速齿轮箱连接到定距螺旋桨,当船舶在锚地 或慢速航行时，双燃料发电机组使用的蒸发气超过明 舶所需要的能:S，可采用气体燃烧装置用来燃烧和处 理掉这部分过多的蒸发气.双燃料电力推进系统中的气体燃烧装置作为一 个压力调节系统工作，当所有的蒸发气被用来提供船 舶能量的需求时，多数情况下处于备用模式.如在双 燃料发动机突然停乍的时，气体燃烧装置在极短时间 （几秒钟）内切换到:作模式，以避免双燃料发动机 供给管上压力过大.所以双燃料电力推进系统中的气 体燃烧装置的主要目标是:在备用模式降低功率消 耗，具有快速的瞬间反应能力.气体燃烧装置在双燃料发动机推进LNG船上的挂进电机挂进电
9、机其它负荷-r4rpp烟囱外壳/空a 良机(60% 客如稀驿 空气 风机45(rC燃气出II 温度限制CCL双燃料发电机 V强制蒸发器双燃料发动机压力林放闲工作，.各用(15)3 0.225 bar) 压缩机加软器:.一二双燃料先动机在N印谊风中气味阀自由於里有通TgJ-K-S-低BCG近昆范国日山流量:苏通供给船田柴油(MDO)图2 GC：立双燃料推进LNG船上的实际流程知3,气体燃烧装置主要有三个 作用：图2 GCU在双燃料推进LNG船上的实际流程图 (1)气体燃烧装置焚烧作用.(2)气体燃烧装置处理污染的蒸发气.仅在LNG 液货舱气体释放的时候，首先消耗富含甲烷的货舱气 体，然后是甲烷和
10、惰性气体混合物，最后使用先导柴 油来燃烧富含惰性气体的货舱气体.(3)气体燃烧装置备用状态.2)带再液化装置的低速柴油机推进系统 这种推进系统是使用重油作为船舶推进系统的 燃料.使用再液化装置把蒸发气液化后返回到液货 舱，如图3所示2.船级社规范要求在船上再液化装 41技术篇2010年第五期置不能1：作的情况下需要一套备用的设备来处理蒸 发气.带再液化装置的低速柴油机推进系统的气体燃 烧装置，既作为船级社要求的备用系统来处理过多的 蒸发气，又作为适当处理含氮气量高的蒸发气的一种 方法.再液化装置的一个特点就是：蒸发气中高达 20%氮气伴随及少曳的甲烷在气液分离器中糅放出 来.这些糅放气体不能排
11、放到大气中，必须通过燃烧 或其他方法处理掉.对于含有少量缸气的LNG,完全蒸发后被再液化返回到液货舱.气体燃烧装置在带再液化的低速柴油机推进LNG 船 上 的 实 际 流 程 如 图-I烟囱外亢450”C燃气出口 巡变跟制风机LNG翅叵液受堆|代体燃烧较度(GCL ) 由液化装置的废气”(ROGi福祥 空气 WJL 160% 容量)t重仙(HFO)软肝空气图3带再液化装置的低速柴油机推进方嫌新圻空气燃烧器2台燃烧审气风机 (每台61%容量)(6(% 容此I作修月 压缁机0.2 lw从热受LING分肉器压力群伏阀 (乐力 0.225 to)E 热器 .2.茂气 再液dK屈S-S- 而BOCi沆员
12、:范恨闩由渝口寺朝-IS-iSS- 高non流量宽用自由而艮为弼匚2 P-ch_ok供给船用荣油(MLKJJ图4 CC.V在低速柴汨矶推法LNC册上的实除流程图3,气体燃烧装置主要有四个作用：图4 GCU在低速柴油机推进LNG船上的实际流程图(1)气体燃烧装置焚烧作用.(2)气体燃烧装置处理再液化装置的废气.使用蒸发气或明用柴油(MDO)来消耗连续废气流的流量为(5002 358)kg/h废气(20%30%甲烷和70%80%氮气).(3)仅在LNG液货舱气体择放的时候，首先消耗富含甲烷的货舱气体，然后是甲烷和惰性气体混合物，最后使用先导柴油来燃烧富含惰性气体的货舱气体.(4)气体燃烧装置备用状
13、态.2 GCU在LNG船上的布置1)GCU布理的要求气体燃烧装置在LNG船上的布置主要满足以下几个方面：(1)必须靠近到双燃料发动机机舱或再液化装置的蒸发气供气管；(2)必须尽可能远离驾驶台和生活居住区，以避免接近热的排气尾流，同时避免燃烧室本身和电动风机的噪声；(3)容易从外面吸进新鲜的空气.基于以上几点，气体燃烧装置的首选位置是在册舶的尾部，位于主机舱之上，在发动机排气管箱能延 伸的范围之内.为r满足以上这些要求，通常按以下 几个方面来布置:(1)气体燃烧装置排气管到达烟囱的顶部的距 离尽可能短，以降低相应的成本和压力降；(2)气体燃烧装置供气管直接来自双燃料发动51 第五期2010年技术
14、篇 机机舱或再液化装电的蒸发气供气管；(3)有足够大的空间来容纳大的天窗，以低的压力降来供应燃烧和稀释空气；(4)给驾驶室和朋员生活区保持最小的噪声；(5)气体燃烧装置热的排气尾流应远离驾驶台 和天线，减少接触热的排气的危险.2)GCU布置方案气体燃烧装置在满足100%蒸发气的时候，根据 选择不同的设备，可以有两种方案.(1)采用一套100%处理量的气体燃烧装置，其 中可以选择2台每台60%容量的稀释空气风机和2 台每台60%容量的燃烧空气风机，或者选择2台每台100%容量的稀择空气风机和2台每台100%容量的燃烧空气风机，见图5.的 气 体 燃 烧 装 置图 5 一 套 100% 处 理 量
15、图5 直100%处理量的气体燃烧装置(2)采用两套50%处理量的气体燃烧装置，每套有1台50%容量的稀择空气风机和1台50%容量的燃烧空气风机，如图6所示.图 6 两 套 50% 处 理 量 的 气 体 燃 烧 装 置(GCU)图6两会50%处理量的气体燃烧装置（GC【.）3 GCU的要求和结构1）GCU的要求从船级社的观点来看，首先是安全方面的要求， 通过避免产生受热点来安全地处理过多的蒸发气，如 果在气体燃烧装置的排气口糅放天然气，这些受热点 就是点火源.甲烷的最低点火温度在540705c之间.美国海 岸警卫队（USCG）首次提出气体燃烧装置最高温度要 求535C,这个温度后来被大多数船级
16、社采用.通过 高比例的过量空气来保持陶流内衬的燃烧室温度低 于1 200C,大量空气通过燃烧室与外壳之间的环形 空间来冷却外壳.为安全起见，空气稀释燃烧产物以 维持最高排气温度为450c.对气体燃烧装置的第二个要求是气体燃烧装置 的排气尾流以避免污染大气或危害朋员健康.因此， 气体燃烧装置的出口必须远离驾驶分.根据不同的船舶类型来考虑，船级社对冗余度的 要求以防止一台风机发生故障.其他安全要求通常涵 盖在IGC规则或IMO的要求中，风机的噪声限制是 最主要的规定.（下转第22页）61第五期2010年技术篇也会对其传热性能产生影响，引起热交换器性能的 恶化,R410A是近共沸混合物，标准沸点为-
17、52.5C,相 变温度滑移只有0.1C左右，可以忽略不”近共沸 是它作为替代制冷剂的长处.R410A的压力明显高于 R22.大约高出50%,所以它的容积制冷量大,相同制 冷量所需的压缩机输气量比用R22小得多.因为它 有高密度和高压力，川口径小得多的管道仍能保持合 理乐降.理论上，R410A循环的COP值不如R22高， 但是它的传热性能很好，在用R410A替代R22时，耍 达到相同的制冷效果，R410A系统所需的换热面积要小于R22系统的换热面积，在船舶制冷装没体积和 重量受到限制的情况下有明显的优势.不过为r适应 高乐以及优化热交换器，必须对原有系统重新设计， 包括压缩机和大部分部件.R23
18、6ea的GWP值为710,远远小于R236fa(GWP =6300),因此R236ea具有更好的环保性能，基于R236ea开发的混合物作为替代制冷剂可应用于R12 及 R22 的替代.Korea Inst Science Technology 开发r一种含有R236ea的混合工质，性能测试结果表明该混合工质的能效比、容积制冷量、蒸发压力和冷凝压力均介于R407c和R410A之间，可以替代R22用作制冷剂.中国专利报道一种可直接用于R134a热泵机组中,由R134a. R227ea和R236ea组成的或由R134a、R227ea. R236ea和R600组成的混合工质,该混合1：质的ODP值均为
19、零，且具有与R134a相近或更低的GWP值，应用时压缩机与系统中的主要部件 无需改动.3结论目前，替代制冷剂的发展呈现“百花齐放格局，新开发出的各种替代制冷剂在陆用设备中经过实践验证后，仍要满足船舶设备的使用要求才能够在船舶制冷系统中得到应用，以免产生安全性、经济性方面 的问题.在近段时间内，制冷剂的替代将呈现出多元 化、区域化的趋势，在我国应利用较长的时间作进一 步的观察和研究.参考文献：1韩厚德.面向21世纪的远洋船舶CFC-12和HCFC-22的替代研究EJ.航海技术，1997(6):36-40.2郑学林.船舶制冷空调装置的R22的替代展望J.机电设备，1998(2):27-28.3高虹
20、，道日娜，田瑞.氟里昂替代制冷剂的研究现状J.内蒙古石油化工，2007(1):7-8.4朱明善.CFCS和HCFCS替代制冷剂的趋势与展望J.制冷学报.2000(1)：麋糜糜糜糜麋糜糜糜糜糜糜麋麋醍糜麋糜糜糜糜麋糜糜糜糜糜糜麋麋醍糜麋糜糜糜糜麋糜糜糜糜糜糜麋 2-9.(上接第16贞)2)GCU的结构气体燃烧装置主要有以下几个部件2, 4：(1)一个燃烧器和它的点火器，在蒸发气流量和 氮气含量方面提供更宽的工作范围；(2)一套电机驱动的风机，它给蒸发气燃烧提供 空气，同时通过稀样相应的热气来冷却热气； (3)一个燃烧室，它用来容纳火焰和新鲜空气稀 祥的燃烧气体；(4)一个气体供给系统，它用来控制
21、在气体燃烧装置中被处理的蒸发气的流量.整套装置一般安放在四层甲板之内:一层用于安装风机和”空气室的风机甲板;一层用于安装燃烧器、燃烧室、气体供应和控 制系统的燃烧室甲板;两层甲板把排气管引导到烟囱 外壳的顶部5.参考文献：1 Year Book 2007. Progress of Marine Engineering Technology in the year 2006.2 Damien Feger. Gas combustion units: high performance technologies for safe disposal of excess boil off gas on the new generation of LNG carriers Z .2006.3李文华.液化气船舶设备与安全管理M.大连:大 连海事大学出版社，2009.4 Saacke Marine System, gas combustion unit.5 Hamworthy Combustion. AMOxsafe gas combustion unit for LNG carriers.22