船舶甲醇燃料加注站技术分析

摘要：甲醇作为一种低闪点易燃易爆液体，可在常温、常压下液态形式存储，燃料储存成本很低的燃料，正成为大型船舶主机动力燃料的主要选择。本文主要研究甲醇燃料船舶的加注系统，对其进行技术分析，从加注站（Bunkering Station）布置、甲醇燃料船舶特殊需求等方面探讨各类要点，确保整个系统的安全稳定运行。

关键词：双燃料船舶；甲醇燃料动力；加注系统；

1引言

承担全球80%贸易运输任务的航运业，如今正面临更为严苛的“脱碳”考验。国际海事组织（IMO）通过了《2023年IMO船舶温室气体（GHG）减排战略》，要求逐步实现CO2净零排放。由于传统燃料燃烧后产生CO2、硫化物和氮化物等多种有害气体。使用传统燃料不仅要进行脱硫脱硝处理，而且还无法实现CO2碳净零排放。目前全球IMO登记的9万多艘船舶，新能源船舶的数量不到2%，航运业向替代燃料转型已成必然。替代传统燃料重油（HFO）的新燃料有：液化天然气（LNG），液化石油气（LPG），甲醇（Methanol），氨气（Ammonia）和氢气（Hydrogen）等[1]。最新数据显示，全球能源转型趋势已经出现，航运业加快了对清洁燃料应用的探索，甲醇燃料船登上航运舞台并呈快速发展势头。据船舶经纪公司Braemar消息，截至2023年9月6日，甲醇动力船手持订单已达185艘[2]。

甲醇属于低闪点易燃易爆液体，能够在正常环境温度和压力下保持液体状态，不需要低温储存和绝热，而液化天然气、氨、氢等则无法做到这一点。易于储存，这意味着甲醇运输和加注过程相对更加便捷，可以通过现有基础设施以较低成本实现。而且燃烧后的产物只有CO2和H2O，无硫化物和氮化物等有害气体排出。因此，只需回收甲醇燃料燃烧后产生的CO2生产甲醇，形成闭环，就可以实现CO2净零排放。甲醇技术成熟、基础设施改造难度小费用低、使用安全、加注便利、成本低，被综合判定为目前海事领域船用绿色燃料的最佳选择。本文主要以甲醇燃料动力船舶的加注系统为研究对象，归纳分析加注系统设计要点以确保整个系统的安全稳定运行。

2甲醇加注系统

2.1甲醇燃料理化特性及其优势

甲醇（Methanol），化学式为CH4O，其中CH₃OH是结构简式，是一种有机化合物，有毒，分子量为32，沸点为64.7℃，易挥发，IMO定义为低闪点燃料。甲醇单位热值为19.9MJ/kg，LNG单位热值为49.9MJ/kg，轻油单位热值为42.7MJ/kg。甲醇的毒性对比表格如下，由表中看出甲醇为中等毒性，且甲醇为天然存在，人体每天通过食用蔬菜水果等平均吸收21～77mg甲醇，IBC规则仅要求甲醇操作人员配备简单的保护设备和应急设备。

注：衍生无影响剂量值（DNEL）——物质与人员接触而不造成影响的界限值

另外，甲醇的主要优势有两点：

1、环保性：降低99%硫氧化物、60%氮氧化物、95%颗粒物排放；船舶在使用绿色甲醇前提下，全生命周期可实现碳排放量降低95%

2、便捷性：主机改装简单且费用较低；甲醇燃料储存为常压储存，且无需低温储存；

2.2加注系统

甲醇燃料供应系统（Liquid Fuel Supply System）主要针对二冲程低速发动机、四冲程中速发电机和双燃料锅炉等燃烧设备。主要系统组成包括加注系统、甲醇燃料储舱、甲醇燃料日用舱、主机＼辅机甲醇燃料供应单元，以及控制安全系统、氮气系统、通风系统、气体探测系统等配套辅助系统。甲醇燃料供应单元的主要功能是为满足主机对甲醇燃料供应压力和供应温度的需求，甲醇燃料的供应温度要求为25～50℃，供应压力要求为13±0.5barG。

如图1所示为甲醇燃料供应系统组成，其中1-甲醇加注系统；2-甲醇燃料储存舱；3-甲醇驳运泵；4-甲醇日用舱；5-辅机甲醇供应系统；6-主机甲醇供应系统；7-主机燃料阀组；8，13-辅机燃料阀组；10，12-甲醇燃料发电机；11-甲醇燃料主机；9，14-辅机甲醇高压泵单元；15-控制系统；16-安全系统。

其中，加注系统是通过加注单元，将加注船、岸站、槽车等终端的甲醇燃料，驳送至储舱内储存使用；在加注和航行过程中，为防止储舱内压力过高或过低，主要通过两种调节方式解决，一种是将储舱中的气体通过回气管路返回至加注终端进行回收，避免储舱超压；另一种是通过充入氮气补充甲醇消耗造成的舱压下降，从而避免储舱抽真空情况的发生；此外，还可以实现加注前管路吹扫惰化、储舱吹扫惰化等相关操作。首次加注甲醇燃料，先使用惰性气体（氮气）惰化整个管路和甲醇储存舱。甲醇加注期间，蒸汽回收管通过软管同岸基惰性气体（氮气）回收管连接，将舱内惰性气体（氮气）排岸。储存舱加注满后，使用惰性气体吹扫整个加注站管路，惰化整个管路，确保管路无泄漏风险。甲醇储存舱始终使用惰性气体（氮气）维持气体正压力，使得甲醇储存舱始终处于惰性状态。通常需要在船舶左右两舷各布置一个加注站。甲醇加注站原理图如图2所示。

加注站用于岸上或加注船上对甲醇舱进行加注。加注站设计充分考虑加注过程惰性环境的维持和监测，撬块设计考虑实船加注操作所需的空间。加注站撬块集成液相和气相管路，管路上设ESD阀门、压力传感器和压力表，兼顾取样、泄放、扫线等功能。

3甲醇加注站设计

甲醇燃料加注站主要由甲醇注入管、蒸汽回收管、惰性吹扫管（N2）、加注站积液盘和泄放管以及必要的阀门仪表、管路支撑、钢结构等组成。

3.1加注站布置

加注站用于岸上或加注船上对甲醇舱进行加注。加注站设计充分考虑加注过程惰性环境的维持和监测，撬块设计考虑实船加注操作所需的空间。根据IMO发布《使用甲醇-乙醇作为燃料的船舶安全临时导则》其布置需要满足以下条件：1）加注站应位于开敞甲板，安装在围蔽或半围蔽区的加注站需进行风险评估；2）加注接头下方设置集液盘，收集加注过程中泄漏的甲醇燃料，并通过泄放管引入到泄放舱里面存储；3）通过非危险区域内的围蔽处所的加注管应为双壁管；4）加注站附近布置洗眼淋浴站，供应急情况下使用；5）起居处所、服务处所、机械处所和控制站的入口、空气进口和开口不得面向甲醇加注站。

可见，甲醇加注站布置非常重要。油化船和散货船都可以在开敞甲板选择最佳位置，确保加注站自然通风良好，远离生活区。集装箱船布置位置比较特殊，为了保证集装箱运输数量，加注站通常布置在半围蔽区域。

3.2加注站管路设计

加注站积液盘是支撑整个加注站的钢结构，除了要保证自身的功能外，还要考虑整个加注站管路的支架布置和载荷。通常根据液相管，气相管（蒸汽回收管）和惰性气体管（N2）的布置和人员操作便携性来确定加注站积液盘的外形尺寸。

根据前面式（1）以及计算结果表格可以看出其所需的管径，另外还需要考虑到管路的间距以及距离撬块边缘以及船体等结构的尺寸要求。关于甲醇燃料加注站的布置规范还不完善，目前相关设计参考SGMF-Manifold arrangements for gas-fuelled vessels标准[3]。

上图3所示为开敞甲板加注站俯视图。其中，S为气相管路和液相管路的间距；L为操作空间；X为船舷侧空间。对于此三项尺寸要求见下表。

另外，为防止附加载荷造成管子的损坏、破断和过度下垂或失稳而需要一定的机械强度时，管壁应满足或者增加厚度要求。如不能增加管壁厚度或增加后会使管子产生过大的局部应力，则应采取其他的设计方法，以减小、防止或消除上述附加载荷。此类附加载荷可能是由于支持构件、船舶变形、驳运作业时的液压波动、吊阀的重量、装卸臂连接处的反作用力或其他原因产生。

3.3加注站监控系统

甲醇燃料加注监控系统是通过下面方案实现的。注入管和蒸汽回收管上设置了压力和温度传感器；甲醇储存舱设置了液位遥测系统、压力传感器、温度传感器和压力控制阀（PV阀）；每个加注站旁均设置了就地控制、启停装置、船岸通讯系统（SSL）和应急切断（ESD）系统。注入管、蒸汽回收管上的压力和温度传感器检测管路状态，信息接入船舶中控系统，并在就地控制板上显示；甲醇储存舱上的液位遥测、压力传感器、温度传感器和压力控制阀（PV阀）共同检测储存舱状态，信息接入船舶中控系统，并在就地控制板上显示。当甲醇储存舱加满，会被液位遥测检测到，并将信息输送到船舶安保系统触发声光报警，同时，此信息会及时通过船岸通讯系统（SSL）反馈到岸基或燃料加注船加注系统。

加注过程中可以通过加注站旁的就地控制、启停装置、船岸通讯系统（SSL）和应急切断（ESD）系统直接迅速关停加注。

4结语

本文通过介绍船舶甲醇燃料加注站的设计应用，给出了在船舶上选择最佳加注站的标准和主管路加注管和回气管通径的计算方法，系统的介绍了甲醇加注站的设计要点、重要组成部分、甲醇燃料加注站监测系统。此设计满足现行规范要求，能够保证船舶甲醇燃料加注的安全和效率，为后期新燃料加注站的设计和应用提供参考依据

参考文献：

[1]满亮，汤小九.船用甲醇燃料储运和供给系统设计[J].船舶物资与市场，2024，32（04）：44-46.DOI：10.19727/j.cnki.cbwzysc. 2024.04.015.

[2]梅冠军，孙瑞，胡成龙，等.船舶甲醇燃料加注站的设计应用[J].船舶物资与市场，2024，32（04）：47-50.DOI：10.19727/j.cnki.c bwzysc.2024.04.016.

[3]陈海，丁宝喜，杨万博，等.大型双燃料集装箱船LNG船对船加注关键技术及安全管理[J].中国船检，2020，（12）：40-44.

作者简介：郑文博，男，汉族，1997年4月，山东日照人，硕士研究生，工程师，研究方向：船舶与海洋工程。