NO.96薄膜货仓及双燃料电力推进（DFDE）LNG船的舱压控制
王书雷+陈业平
NO.96薄膜型LNG船的货仓是由0.7mm的殷瓦钢板建成的货物维护系统，基本上不允许承受舱压。该维护系统虽然设计成需要安装两层厚度分别为300mm 和230mm的高效热绝缘层，但是，装载在货物维护系统内的LNG（液化天然气，下同）液体因为自身温度低至-163℃，所以始终会随环境温度、海上状况引起船舶震动和摇摆等因素而产生蒸发气体BOG（Boil Off Gas 下同），按照GTT（NO.96薄膜型货仓技术的专利拥有者）的要求，货物蒸发率不能高于0.15%/天。一艘17万立方米的船每天蒸发的液体量约为255立方米，此蒸发气体不适当处理将导致货物维护系统内压力升高，压力超过一定值将引起货仓的损坏，这是完全不允许的，而天然气排入大气不光是浪费能源，更重要的是天然气对大气的温室效应也非常严重，所以，LNG船的核心技术之一就是如何合理的处理或消耗LNG蒸发气体，有效利用LNG气体，既不浪费能源、不污染大气，又要能平稳地控制货仓压力在安全范围内。
目前，世界范围内的NO.96薄膜型LNG船，按照动力装置的设置和相应的舱内蒸发气处理方式分类，大致可以为分为四类：
1. 双燃料锅炉+蒸汽透平推进系统：传统的双燃料锅炉和蒸汽轮机推进系统的设计，是船舶安装可以使用天然气作为燃料的锅炉，货仓内蒸发的天然气BOG由压缩机从舱内抽出供给锅炉作为燃料，锅炉产生蒸汽作为动力源推动蒸汽透平机再带动船舶推进器，是最早的薄膜型LNG船的设计。
2. 单燃料低速柴油机+再液化系统：该船型设计，是低速柴油机作为主推进系统配备天然气再液化系统，低速柴油机使用燃料油作为燃料，货仓内的天然气BOG由再液化装置液化成液体再回流到货仓。
3. 双燃料低速柴油机作+再液化系统：该船型设计，是从货仓内抽取液态LNG由高压泵组将其加压到300bar或更高，然后气化成气体并保持压力供低速主机使用，而货仓内蒸发的天然气BOG通过再液化装置将其液化成液体再打回货仓，这类船型主要因为高压泵组的技术和高压气体进入机舱的安全等问题，暂时尚无应用实例。
4. 双燃料（燃料油+天然气）发电机组+电力推进系统：该船型以双燃料内燃机（燃料油+天然气 下同）驱动主发电机产生电力，安装电力推进系统作为船舶主推进动力装置，货仓内蒸发的天然气BOG由压缩机从舱内抽出并压缩提高压力供双燃料机作为燃料，消化掉舱内蒸发气体也就控制了舱内压力。这是目前的主流船型。
本文将主要讨论第四种船型的货仓压力的控制模式和方法：
BOG处理系统的设置及功能
舱内蒸发的BOG处理系统的设置按照功能分为三部分：一是由两台低负荷压缩机及相关的加热器或冷却器构成的气体燃料供应系统，二是气体燃烧单元GCU（Gas Combustion Unit 下同），三是透气系统。
1. 燃气供应系统
该部分之气体压缩机从舱内抽出BOG，压缩到双燃料主发电机所需的压力，系统中的加热器或冷却器是为将气体冷却或加热到双燃料机的要求，BOG燃气一般在压缩机出口维持在6.0～6.5kg/cm?左右的压力和60℃左右的温度，经GVU（Gas Valve Unit）过滤，并根据负荷进行调压后输送给双燃料机使用，舱内蒸发的气体得到有效利用和消耗，压力也就得到了控制。
2. GCU及系统
舱内蒸发的气体如果超过双燃料机的需求，则超过的气体量将通过气体燃烧单元GCU（Gas Combustion Unit 下同）烧掉以确保舱内压力不要过分升高，如果双燃料机因故障暂时不能使用BOG燃料，则舱内蒸发出来BOG全部由GCU烧掉。
3. 透气系统
该部分主要设置透气桅和相关控制阀门等，当双燃料机因为故障不能使用BOG燃料时，舱内BOG的不断蒸发使压力逐渐升高，到一定值后GCU将自动启动烧掉BOG，而如果GCU也故障不能烧掉BOG气体，则舱内压力还会升高，此时透气系统将启动，将BOG排入大气以平衡舱内压力，确保船舶安全，但这是最后的保护手段，因为BOG对大气的温室效应严重，一般不允许将天然气排入大气。
IAS（Integrated Automation System 下同）系统设置
1.气体管理系统GMS（Gas Management System 下同）
GMS是IAS系统的一部分，该系统从舱内接受舱压信号，通过计算输出指令到下一环节：PMS（Power Management System 下同），正常情况下GMS控制燃气压缩机从舱内抽取BOG，加压到6.0～6.5bar供给双燃料主发电机组使用，如果舱内压力下降则自动降低BOG的抽取量，同时给出供气量下降的信号到PMS，如果舱内压力升高则自动提高BOG抽取量，同时给出增量信号到PMS。
2.功率管理系统PMS（Power Management System 下同）
功率管理系统是气体管理系统的下游环节，PMS如果接受GMS送来的BOG供量减少的信号时，将分别根据实际情况给出启动强制蒸发器来补充BOG缺量或自动降低推进功率，即降低推进速度以平衡BOG量的减少；如果接受BOG量增加的信号时，也将根据实际情况分别给出启动GCU来消耗多出的燃气量或加大推进功率，即提高推进速度来提高双燃料机负荷而消耗BOG的增量。
功率管理系统还可以根据需要控制各发电机组在负荷不均衡工况的模式下运行。
IAS的舱压控制模式和功能
IAS系统对舱压的控制和舱内蒸发气NBOG的处理，设置了多种可能性和用途的控制模式。由于篇幅有限，本文只简述最具典型意义，也是最常用的油气混合模式和全气体模式。
1. 油气混合模式
该模式下又可以分为：
NBOG+Fuel Oil Mode （油气混合模式）
该模式下至少一台双燃料机使用燃油或者至少一台双燃料机使用燃气。
假设共三台双燃料发电机组运行供全船电力用户及推进动力，其中一号和二号机使用燃气，而且舱内自然蒸发气基本够两台机运行在负荷优化点，在不启动强制蒸发器的情况下，三号机使用燃油，但舱内的自然蒸发气量总是随着环境温度和航行中海况变化引起的船舶摇摆及振动等因素而变化，IAS/PMS/GMS将根据舱内压力的变化计算出自然蒸发气量的变化，并根据此变化给出增加或降低使用燃气作为燃料的一号和二号机的负荷，同时降低或增加使用燃油作为燃料的三号机的负荷，舱内压力因此得到控制和平衡。
在舱内压力并没有变化而外界负荷变化时则只改变用燃油作为燃料的三号机的负荷，燃气抽出量始终与舱内的自然蒸发量保持基本平衡，从而控制舱内压力稳定。
Fuel Sharing Mode（油气混烧模式）
油气混烧是指双燃料机气所有缸内同时喷入液体燃料和气体燃料共同燃烧做功。
全球范围内，双燃料柴油机知名厂家有两家，即Wartsilar（瓦锡兰）和MAN（曼恩）。
中海集团联合中石化和日本三井为APLNG（澳大利亚-太平洋）运输项目在沪东船厂建造的六艘17.4万立方米双燃料电力推进的LNG运输船，是我国首次建造该类船型，该项目船使用了5台MAN直列8缸的DF-51/60型双燃料柴油机作为主发电机。
MAN的双燃料机目前是世界上唯一具有油气混烧功能的双燃料机，该功能在一定条件下可以达到节能的目的。
例：设蒸发气（NBOG）量刚好够两台半机使用，而推进负荷加船舶其他负荷却需要三台机的功率，假设不启动强制蒸发器补充燃气BOG缺量，则需要半台机使用燃油，如果双燃料柴油机只能使用燃油或者燃气，不能同时混烧燃油和燃气，在这种情况下，需要运行四台机组才能满足船舶电力的需求，众所周知，同样情况下运行三台机要比运行四台机节约能源。
该模式下，IAS/PMS调节油气混烧工况下的柴油机燃油的比例来适应舱内NBOG量的变化，即当舱内压力升高时，IAS/PMS将给出指令增加燃气压缩机从舱内抽出的燃气量并减小运行在油气混烧工况下的柴油机燃油进进的比例来平衡燃气的增量，反之亦然。
中海集团联合中石化和日本三井在沪东中华造船厂建造的APLNG项目，是国内首次建造双燃料电力推进形式的LNG船，所建造的6艘船将应用此“Fuel-Sharing”的功能和控制模式，也是到目前为止世界上的首次应用。
2.Gas Only Mode（全气体模式）
该模式下又可分为：
NBOG（Natural Boil Off Gas）+FBOG（Forcing Boil Off Gas） Mode：即自然蒸发气加强制蒸发气。该模式下，所有双燃料机都以使用燃气模式运行。
假如自然蒸发气的量不够双燃料机的需求时，为了提供足够双燃料机所需求的燃气量，燃气压缩机抽出的燃气量大于自然蒸发的燃气量，舱内压力慢慢下降，当舱内压力下降到一定值后，IAS之PMS将给出启动强制蒸发器的指令，强制蒸发器启动后可以强制蒸发一部分燃气来补充自然蒸发气的缺量，此时，燃气压缩机减少从舱内抽取BOG的量，从而维持舱压。
如果自然蒸发的量多于双燃料机所需求量时，燃气压缩机抽出的燃气量小于自然蒸发量，则舱内压力慢慢将升高，当舱内压力升高到一定值后，IAS/PMS将给出启动GCU的指令，则燃气压缩机将加大抽出量，供应双燃料机使用后多出的量将供给GCU烧掉，这样，舱压得到控制和平衡。
该控制模式存在一个问题：当舱内自然蒸发气量与双燃料机需求量不想等时，需要启动GCU烧掉多出的量，形成浪费，而反之时，又要启动强制蒸发器来从舱内抽取液态LNG进行加热强制蒸发来补充燃气缺量，这也需要使用电力和蒸汽，一定程度上也造成浪费。
NBOG Only Mode：全自然蒸发气NBOG模式，所有双燃料机仅仅使用NBOG作为燃料。
该模式是在上述模式基础上开发并进一步优化而来的模式，即所有双燃料机都以燃烧自然蒸发气NBOG模式运行，不启动强制蒸发器补充燃气缺量，也不启动GCU烧掉自然蒸发气的多出量。
推进负荷加船舶其他负荷的总和，其设计点一般设定在满载自然蒸发量的负荷点附近，双燃料机的负荷刚好消耗自然蒸发的NBOG，但是，随着环境温度的变化，航行中海况的变化引起的船舶摇摆和震动等因素，势必造成自然蒸发气NBOG量的变化，舱内压力也将随之发生变化，此时，IAS/PMS/GMS将接受舱内压力变化信号进行计算，根据计算结果改变推进功率来适应舱内自然蒸发气NBOG量的变化，即舱内压力升高时，IAS/PMS/GMS将给出加大推进功率的指令，双燃料机的负荷随之加大，燃气压缩机也将得到指令加大从舱内燃气的抽出量，使舱内压力得到平衡和维持，反之亦然。
在一定条件下，该模式能达到很好的节能效果，是近一年左右时间才开发出来，并得到应用的控制模式， APLNG项目6艘运输船将实现和应用此功能。
上世纪70年代，欧美国家开始建造LNG船舶，80年代以来日本和韩国引进薄膜货仓专利技术开始建造，我国LNG市场及LNG船舶建造起步较晚，但呈现出欣欣向荣、蓬勃发展之势；LNG船本身的功能需要不断地发展、优化和完善，特撰写此文助势，然笔者从事LNG船舶建造时间较短，恐难概全，也难免错漏，期望能达抛砖引玉之效，则幸甚！也将试图就本文提及的典型控制模式和进一步优化的船舶控制功能作后续专题探讨。
NO.96薄膜型LNG船的货仓是由0.7mm的殷瓦钢板建成的货物维护系统，基本上不允许承受舱压。该维护系统虽然设计成需要安装两层厚度分别为300mm 和230mm的高效热绝缘层，但是，装载在货物维护系统内的LNG（液化天然气，下同）液体因为自身温度低至-163℃，所以始终会随环境温度、海上状况引起船舶震动和摇摆等因素而产生蒸发气体BOG（Boil Off Gas 下同），按照GTT（NO.96薄膜型货仓技术的专利拥有者）的要求，货物蒸发率不能高于0.15%/天。一艘17万立方米的船每天蒸发的液体量约为255立方米，此蒸发气体不适当处理将导致货物维护系统内压力升高，压力超过一定值将引起货仓的损坏，这是完全不允许的，而天然气排入大气不光是浪费能源，更重要的是天然气对大气的温室效应也非常严重，所以，LNG船的核心技术之一就是如何合理的处理或消耗LNG蒸发气体，有效利用LNG气体，既不浪费能源、不污染大气，又要能平稳地控制货仓压力在安全范围内。
目前，世界范围内的NO.96薄膜型LNG船，按照动力装置的设置和相应的舱内蒸发气处理方式分类，大致可以为分为四类：
1. 双燃料锅炉+蒸汽透平推进系统：传统的双燃料锅炉和蒸汽轮机推进系统的设计，是船舶安装可以使用天然气作为燃料的锅炉，货仓内蒸发的天然气BOG由压缩机从舱内抽出供给锅炉作为燃料，锅炉产生蒸汽作为动力源推动蒸汽透平机再带动船舶推进器，是最早的薄膜型LNG船的设计。
2. 单燃料低速柴油机+再液化系统：该船型设计，是低速柴油机作为主推进系统配备天然气再液化系统，低速柴油机使用燃料油作为燃料，货仓内的天然气BOG由再液化装置液化成液体再回流到货仓。
3. 双燃料低速柴油机作+再液化系统：该船型设计，是从货仓内抽取液态LNG由高压泵组将其加压到300bar或更高，然后气化成气体并保持压力供低速主机使用，而货仓内蒸发的天然气BOG通过再液化装置将其液化成液体再打回货仓，这类船型主要因为高压泵组的技术和高压气体进入机舱的安全等问题，暂时尚无应用实例。
4. 双燃料（燃料油+天然气）发电机组+电力推进系统：该船型以双燃料内燃机（燃料油+天然气 下同）驱动主发电机产生电力，安装电力推进系统作为船舶主推进动力装置，货仓内蒸发的天然气BOG由压缩机从舱内抽出并压缩提高压力供双燃料机作为燃料，消化掉舱内蒸发气体也就控制了舱内压力。这是目前的主流船型。
本文将主要讨论第四种船型的货仓压力的控制模式和方法：
BOG处理系统的设置及功能
舱内蒸发的BOG处理系统的设置按照功能分为三部分：一是由两台低负荷压缩机及相关的加热器或冷却器构成的气体燃料供应系统，二是气体燃烧单元GCU（Gas Combustion Unit 下同），三是透气系统。
1. 燃气供应系统
该部分之气体压缩机从舱内抽出BOG，压缩到双燃料主发电机所需的压力，系统中的加热器或冷却器是为将气体冷却或加热到双燃料机的要求，BOG燃气一般在压缩机出口维持在6.0～6.5kg/cm?左右的压力和60℃左右的温度，经GVU（Gas Valve Unit）过滤，并根据负荷进行调压后输送给双燃料机使用，舱内蒸发的气体得到有效利用和消耗，压力也就得到了控制。
2. GCU及系统
舱内蒸发的气体如果超过双燃料机的需求，则超过的气体量将通过气体燃烧单元GCU（Gas Combustion Unit 下同）烧掉以确保舱内压力不要过分升高，如果双燃料机因故障暂时不能使用BOG燃料，则舱内蒸发出来BOG全部由GCU烧掉。
3. 透气系统
该部分主要设置透气桅和相关控制阀门等，当双燃料机因为故障不能使用BOG燃料时，舱内BOG的不断蒸发使压力逐渐升高，到一定值后GCU将自动启动烧掉BOG，而如果GCU也故障不能烧掉BOG气体，则舱内压力还会升高，此时透气系统将启动，将BOG排入大气以平衡舱内压力，确保船舶安全，但这是最后的保护手段，因为BOG对大气的温室效应严重，一般不允许将天然气排入大气。
IAS（Integrated Automation System 下同）系统设置
1.气体管理系统GMS（Gas Management System 下同）
GMS是IAS系统的一部分，该系统从舱内接受舱压信号，通过计算输出指令到下一环节：PMS（Power Management System 下同），正常情况下GMS控制燃气压缩机从舱内抽取BOG，加压到6.0～6.5bar供给双燃料主发电机组使用，如果舱内压力下降则自动降低BOG的抽取量，同时给出供气量下降的信号到PMS，如果舱内压力升高则自动提高BOG抽取量，同时给出增量信号到PMS。
2.功率管理系统PMS（Power Management System 下同）
功率管理系统是气体管理系统的下游环节，PMS如果接受GMS送来的BOG供量减少的信号时，将分别根据实际情况给出启动强制蒸发器来补充BOG缺量或自动降低推进功率，即降低推进速度以平衡BOG量的减少；如果接受BOG量增加的信号时，也将根据实际情况分别给出启动GCU来消耗多出的燃气量或加大推进功率，即提高推进速度来提高双燃料机负荷而消耗BOG的增量。
功率管理系统还可以根据需要控制各发电机组在负荷不均衡工况的模式下运行。
IAS的舱压控制模式和功能
IAS系统对舱压的控制和舱内蒸发气NBOG的处理，设置了多种可能性和用途的控制模式。由于篇幅有限，本文只简述最具典型意义，也是最常用的油气混合模式和全气体模式。
1. 油气混合模式
该模式下又可以分为：
NBOG+Fuel Oil Mode （油气混合模式）
该模式下至少一台双燃料机使用燃油或者至少一台双燃料机使用燃气。
假设共三台双燃料发电机组运行供全船电力用户及推进动力，其中一号和二号机使用燃气，而且舱内自然蒸发气基本够两台机运行在负荷优化点，在不启动强制蒸发器的情况下，三号机使用燃油，但舱内的自然蒸发气量总是随着环境温度和航行中海况变化引起的船舶摇摆及振动等因素而变化，IAS/PMS/GMS将根据舱内压力的变化计算出自然蒸发气量的变化，并根据此变化给出增加或降低使用燃气作为燃料的一号和二号机的负荷，同时降低或增加使用燃油作为燃料的三号机的负荷，舱内压力因此得到控制和平衡。
在舱内压力并没有变化而外界负荷变化时则只改变用燃油作为燃料的三号机的负荷，燃气抽出量始终与舱内的自然蒸发量保持基本平衡，从而控制舱内压力稳定。
Fuel Sharing Mode（油气混烧模式）
油气混烧是指双燃料机气所有缸内同时喷入液体燃料和气体燃料共同燃烧做功。
全球范围内，双燃料柴油机知名厂家有两家，即Wartsilar（瓦锡兰）和MAN（曼恩）。
中海集团联合中石化和日本三井为APLNG（澳大利亚-太平洋）运输项目在沪东船厂建造的六艘17.4万立方米双燃料电力推进的LNG运输船，是我国首次建造该类船型，该项目船使用了5台MAN直列8缸的DF-51/60型双燃料柴油机作为主发电机。
MAN的双燃料机目前是世界上唯一具有油气混烧功能的双燃料机，该功能在一定条件下可以达到节能的目的。
例：设蒸发气（NBOG）量刚好够两台半机使用，而推进负荷加船舶其他负荷却需要三台机的功率，假设不启动强制蒸发器补充燃气BOG缺量，则需要半台机使用燃油，如果双燃料柴油机只能使用燃油或者燃气，不能同时混烧燃油和燃气，在这种情况下，需要运行四台机组才能满足船舶电力的需求，众所周知，同样情况下运行三台机要比运行四台机节约能源。
该模式下，IAS/PMS调节油气混烧工况下的柴油机燃油的比例来适应舱内NBOG量的变化，即当舱内压力升高时，IAS/PMS将给出指令增加燃气压缩机从舱内抽出的燃气量并减小运行在油气混烧工况下的柴油机燃油进进的比例来平衡燃气的增量，反之亦然。
中海集团联合中石化和日本三井在沪东中华造船厂建造的APLNG项目，是国内首次建造双燃料电力推进形式的LNG船，所建造的6艘船将应用此“Fuel-Sharing”的功能和控制模式，也是到目前为止世界上的首次应用。
2.Gas Only Mode（全气体模式）
该模式下又可分为：
NBOG（Natural Boil Off Gas）+FBOG（Forcing Boil Off Gas） Mode：即自然蒸发气加强制蒸发气。该模式下，所有双燃料机都以使用燃气模式运行。
假如自然蒸发气的量不够双燃料机的需求时，为了提供足够双燃料机所需求的燃气量，燃气压缩机抽出的燃气量大于自然蒸发的燃气量，舱内压力慢慢下降，当舱内压力下降到一定值后，IAS之PMS将给出启动强制蒸发器的指令，强制蒸发器启动后可以强制蒸发一部分燃气来补充自然蒸发气的缺量，此时，燃气压缩机减少从舱内抽取BOG的量，从而维持舱压。
如果自然蒸发的量多于双燃料机所需求量时，燃气压缩机抽出的燃气量小于自然蒸发量，则舱内压力慢慢将升高，当舱内压力升高到一定值后，IAS/PMS将给出启动GCU的指令，则燃气压缩机将加大抽出量，供应双燃料机使用后多出的量将供给GCU烧掉，这样，舱压得到控制和平衡。
该控制模式存在一个问题：当舱内自然蒸发气量与双燃料机需求量不想等时，需要启动GCU烧掉多出的量，形成浪费，而反之时，又要启动强制蒸发器来从舱内抽取液态LNG进行加热强制蒸发来补充燃气缺量，这也需要使用电力和蒸汽，一定程度上也造成浪费。
NBOG Only Mode：全自然蒸发气NBOG模式，所有双燃料机仅仅使用NBOG作为燃料。
该模式是在上述模式基础上开发并进一步优化而来的模式，即所有双燃料机都以燃烧自然蒸发气NBOG模式运行，不启动强制蒸发器补充燃气缺量，也不启动GCU烧掉自然蒸发气的多出量。
推进负荷加船舶其他负荷的总和，其设计点一般设定在满载自然蒸发量的负荷点附近，双燃料机的负荷刚好消耗自然蒸发的NBOG，但是，随着环境温度的变化，航行中海况的变化引起的船舶摇摆和震动等因素，势必造成自然蒸发气NBOG量的变化，舱内压力也将随之发生变化，此时，IAS/PMS/GMS将接受舱内压力变化信号进行计算，根据计算结果改变推进功率来适应舱内自然蒸发气NBOG量的变化，即舱内压力升高时，IAS/PMS/GMS将给出加大推进功率的指令，双燃料机的负荷随之加大，燃气压缩机也将得到指令加大从舱内燃气的抽出量，使舱内压力得到平衡和维持，反之亦然。
在一定条件下，该模式能达到很好的节能效果，是近一年左右时间才开发出来，并得到应用的控制模式， APLNG项目6艘运输船将实现和应用此功能。
上世纪70年代，欧美国家开始建造LNG船舶，80年代以来日本和韩国引进薄膜货仓专利技术开始建造，我国LNG市场及LNG船舶建造起步较晚，但呈现出欣欣向荣、蓬勃发展之势；LNG船本身的功能需要不断地发展、优化和完善，特撰写此文助势，然笔者从事LNG船舶建造时间较短，恐难概全，也难免错漏，期望能达抛砖引玉之效，则幸甚！也将试图就本文提及的典型控制模式和进一步优化的船舶控制功能作后续专题探讨。
