镇江船艇学院

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气体燃烧装置（ＧＣＵ）在ＬＮＧ船上的应用

董效鹏 ， 李文华 ， 陈海泉 ， 陈新响

（１．天津海事局青岛航标处，青岛２６６０１１；２．大连海事大学轮机工程学院，大连１１６０２６；３．镇江船艇学院，镇江２１２００３）

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇａｓ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｕｎｉｔ Ｕｓｅｄ ｉｎ ＬＮＧ Ｃａｒｒｉｅｒ

ＤＯＮＧ Ｘｉａｏ—ｐｅｎｇ ，ＬＩ Ｗｅｎ—ｈｕａ。

，

ＣＨＥＮ Ｈａｌ ｑｕａｎ ，ＣＨＥＮ Ｘｉｎ—ｘｉａｎｇ

（１．Ｑｉｎｇｄａｏ Ｂｅａｃｏｎ Ｂｕｒｅａｕ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｓａｆｅｔｙ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐ．Ｒ．Ｃ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０１ １。Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ

Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ １ １６０２６，Ｃｈｉｎａ；３．Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ Ｂｏａｔ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２００３，

Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｌｅｗ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆＬＮＧ ｃａｒｒｉｅｒｓ ｅ ｄｕａｌｆｕｅｌ ｄｉｅｓｅｌ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｏｒ ｓｌｏｗ ｓｐｅｅｄ ｄｉｅｓｅｌ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ａｎ

ｏｎ ｂｏａｒｄ ｒｅｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ．Ｄｕｒｉｎｇ ｈａｒｂｏｒ ｍａｎｅｕｖｅｒｓ ｏｒ ａｔ ａｎｃｈｏｒｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｏ ｄｉｓｐｏｓｅ ｏｆｔｈｉｓ ｅｘｃｅｓｓ ｂｏｉｌ

ｏｆｆａｎｄ ａｖｏｉｄ ａ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｉｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｒｇｏ ｔａｎｋｓ，ｔｈｅ ｓｔｏｐ ｍｕｓｔ ｉｎｓｔａｌｌ ｔｈｅ ｒｅｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ ｏｒ ｇａｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ

ｕｎｉｔ ｏｎ ｂｏａｒｄ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎ，ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ，ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ

ｇａｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｕｎｉｔ ｏｆＬＮＧ ｃａｒｒｉｅｒｓ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇａｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｕｎｉｔ（ｃｃｕ）；ＬＮＧ ｃａｒｒｉｅｒ

Ｏ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

装置处理掉．所以需要特殊的设备即气体燃烧装置

（Ｇａｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｕｎｉｔ，ＧＣＵ）来处理这些过多的蒸发

气…．

当船舶进出港口机动航行或在锚地时，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

收稿日期：２０１０－０３－２１

作者简介：董效鹏（１９７９一），男，工程师，从事船舶管理工作

的范围内，但是这些蒸发气超过了推进系统的需要．

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，因

为甲烷气体的温室效应明显要高于ＣＯ：．

１ ＧＣＵ在ＬＮＧ船上的作用

气体燃烧装置（ＧＣＵ）除了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

技术篇２０１０年第五期 １３

舱检查之前惰化操作时从液货舱内排放出来的气体．

在这个惰化操作期间，液货舱被复温，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惰

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 ．蒸发

气被送人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船

舶所需要的能量，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

燃料发动机突然停车的时，气体燃烧装置在极短时间

（几秒钟）内切换到工作模式，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

实际流程图如图２所示 ，气体燃烧装置主要有三个

作用：

推进电机 ＼、＝＝／厂＿＿Ｌ——＿＿Ｊ 温度限制

ｎ ｒ＿１ 料发电机组 蒸发气（ＢＯＧ） 一

二／／ ， 、ｌ Ｉ

一 一 料发电机组 稀 ＼

空气＼

冈扰 ＼

…ｎ，

、、

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推进电机

其它负荷一 双燃料发电机组

…

ｒ、Ｔ Ｔ

容量） 容量）

新鲜空气 ＧＣＵ 新鲜空

——————－——

图ｌ 双燃料发动机电力推进系统 ２台燃烧空

ｆ每台６０％

释放阀 工作／备用 Ｉ ｌ ／，、

）．２２５ ｂａｒ） 压缩机 燃烧器 Ｌ｝ 圆 ……一一Ｊ 加热暑 。 ／、 ｎ ｒ＿１ 厂■■＝＿］ … Ｉ＿…

ｌ发动机Ｉ：， ， 高 围

自由流量旁通

Ｉ发动机Ｉ·

—— 一ｆ 凰 低 围 ……（ＭＤ。） ＬＮＧ

：自由流量旁通 ：

ｌ Ｌ【 ——上 ｎ＿ Ｊ Ｉ

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．

１４第五期２０１０年技术篇

（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 ．船级社规范要求在船上再液化装

置不能工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％氮气伴随及少量的甲烷在气液分离器中释放出

来．这些释放气体不能排放到大气中，必须通过燃烧

或其他方法处理掉．对于含有少量氮气的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４所示 ，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

蒸发气或船用柴油（ＭＯＯ）来消耗连续废气流的流量

为（５００～２ ３５８）ｋｇ／ｈ废气（２０％一３０％甲烷和７０％

～８０％氮气）．

（３）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态．

２ ＧＣＵ在ＬＮＧ船上的布置

１）ＧＣＵ布置的要求

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船

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．为了满足以上这些要求，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

技术篇２０１０年第五期 １５

机机舱或再液化装置的蒸发气供气管；

（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）给驾驶室和船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％容量的稀释窄气风机和２台每台１００％容量的

燃烧空气风机，见图５．

图５ 一套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 燃烧空气风机，如图６所示

有１台５０％容量的稀释空气风机和１台５０％容量的

图６两套５０％处理量的气体燃烧装置（ＧＣＵ）

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释放天然气，这些受热点

就是点火源．

甲烷的最低点火温度在５４０～７０５￣Ｃ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５３５￣Ｃ，这个温度后来被大多数船级社采用．通过

高比例的过量空气来保持陶瓷内衬的燃烧室温度低

１６第五期２０１０年技术篇

于１ ２００℃，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４５０℃．

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船员健康．因此，

气体燃烧装置的出口必须远离驾驶台．

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）

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，标准沸点为一５２．５￣Ｃ，相

变温度滑移只有０．１℃左右，可以忽略不计．近共沸

足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，用口径小得多的管道仍能保持合

理压降．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，要

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，在船舶制冷装置体积和

重量受到限制的情况下有明显的优势．不过为了适应

高压以及优化热交换器，必须对原有系统重新设计，

包括压缩机和大部分部件．

Ｒ２３６ｅａ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

发了一种含有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．

中国专利报道了一种可直接用于ＲＪ３４ａ热泵机

（上接第１６页）

２）ＧＣＵ的结构

气体燃烧装置主要有以下几个部件 ：

（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）～套电机驱动的风机，它给蒸发气燃烧提供

空气，同时通过稀释相应的热气来冷却热气；

（３）～个燃烧室，它用来容纳火焰和新鲜空气稀

释的燃烧气体；

（４）一个气体供给系统，它用来控制在气体燃烧

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

制系统的燃烧窒甲板；两层甲板把排气管引导到烟囱

２２第７ 期２０１０年技术篇

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

混合工质的ＯＤＰ值均为零，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：

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［２］郑学林．船舶制冷空调装置的ＩＩ２２的替代展望［Ｊ］．机

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外壳的顶部

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ｆｎｒ Ｔ．ＮＧ ａｒｒｉｅｒｓ