《Journal of Marine Science and Engineering》：Simulation-Based Analysis of the Effects of Alternative Fuel Properties on the Operating Characteristics of Marine Fuel Supply Systems
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现有液化石油气（LPG）燃料供应系统被考虑用于转换为替代船用燃料，但燃料性质对其运行条件的影响尚未量化。本研究确定了当使用氨、甲醇或乙醇时，现有200 kW级LPG燃料供应系统的运行条件和设备负荷如何变化。在保持系统配置不变的情况下，利用Aspen HYSYS
现有液化石油气（LPG）燃料供应系统被考虑用于转换为替代船用燃料，但燃料性质对其运行条件的影响尚未量化。本研究确定了当使用氨、甲醇或乙醇时，现有200 kW级LPG燃料供应系统的运行条件和设备负荷如何变化。在保持系统配置不变的情况下，利用Aspen HYSYS进行了稳态模拟，并将模型与使用LPG时的系统运行数据进行了比较。在LPG运行条件下，氨在高压泵入口处未能保持液态（气相分数为0.935）；将低压段压力从10 barg提升至11 barg可使其保持液态，压力裕度为0.57 bar。即使在服务舱压力为2 barg的条件下，甲醇和乙醇仍保持液态。泵功率与液体密度的倒数成比例变化，热负荷与液体热容成比例变化；在等质量流量下，氨的热负荷是LPG的1.7–2.1倍，在等热量输入下则为1.6–2.4倍。因此，相似的蒸气压并不能保证相稳定性，研究结果为燃料转换提供了基于性质的指导原则。
研究背景与问题
国际海事组织（IMO）于2023年通过了修订后的战略，目标是在2050年左右实现国际航运温室气体净零排放，并要求到2030年零或近零排放燃料至少占所用能源的5%。替代燃料船舶订单持续增长，2024年共订购了149艘甲醇燃料船和27艘氨燃料船。现有液化石油气（LPG）燃料供应系统处理加压液化气体，其许多部件与氨兼容，因此被视为向替代燃料过渡的桥梁平台。然而，不同目标燃料在工作温度下的蒸气压差异很大——丙烷和氨在20–40°C时的蒸气压约为8–16 bar(a)，而甲醇和乙醇的蒸气压低于大气压。因此，将针对LPG设计的系统应用于其他燃料时，需要根据每种燃料的性质重新审查运行条件。
现有研究存在三个空白：第一，尚无研究在同一系统配置下定量比较不同燃料；第二，LPG燃料供应系统转换为氨燃料对相稳定性和设备负荷的影响在公开文献中未被量化；第三，以往研究未考察更换燃料后各燃料在泵入口处是否能保持液态。此外，现有研究主要针对几兆瓦的大型二冲程发动机，而对小型低压系统的关注很少。
研究内容与结论
本研究旨在阐明替代燃料的性质如何改变专为LPG设计的船用燃料供应系统的运行特性。研究人员将一台200 kW级LPG燃料供应系统的配置和设备设置保持不变，仅替换工作流体为氨、甲醇和乙醇。通过稳态Aspen HYSYS模拟，确定了使各燃料保持液态所需的低压段和回流管线压力，比较了四种燃料的压力裕度、泵功率以及换热器和加热器负荷，并从燃料性质角度解释了差异，推导出多燃料燃料供应系统设计的意义。
主要结论包括：对于氨，低压段需从10 barg提升至11 barg，换热器和加热器负荷增加至LPG的约1.7–2.1倍；丙烷和氨的相似蒸气压并不能保证相稳定性，高压泵入口处的过冷裕度被确定为燃料转换的关键参数；泵功率和热负荷分别与液体密度和液体热容成比例关系；甲醇和乙醇可在低至2 barg的服务舱压力下保持液态；所用物性包高估了甲醇和乙醇的液体热容32–39%。
关键技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：（1）基于韩国船用设备制造商提供的200 kW级LPG燃料供应系统工艺流程图、设计和运行条件，在Aspen HYSYS中建立稳态仿真模型；（2）针对不同燃料选择合适的热力学模型——LPG和氨采用Peng-Robinson状态方程，甲醇和乙醇采用NRTL活度系数物性包配合COSTALD液体密度计算方法；（3）设定相同的系统配置和边界条件，包括等质量流量44.5 kg/h、泵绝热效率75%、高压泵压升固定为10.5 bar；（4）以气相分数（VF）和压力裕度作为判断液相稳定性的评价参数，计算并比较各监测点的状态。
研究结果
4.1 相稳定性
当将LPG运行条件直接应用于氨时，高压泵入口处（10 barg）的气相分数（VF）为0.935，意味着进入泵的大部分燃料为蒸气。将高压泵入口压力提高至约10.6 barg以上可获得VF=0。在案例A1-A3中，低压段设为11 barg时，燃料在高压泵入口和发动机入口均保持液态。高压泵入口处的压力裕度为0.57 bar，大于LPG参考案例的0.39 bar。减压阀下游，LPG和氨均发生因降压导致的部分汽化，氨的VF为0.053（10 barg）和0.041（11 barg），小于LPG参考案例的约0.09。甲醇和乙醇在所有监测点即使服务舱出口压力为2 barg时压力裕度也至少为2.9 bar，发生相变的可能性极低。
4.2 压力分布
高压泵压升固定为10.5 bar，因此发动机供油压力随吸入压力变化。L-Ref、M2和E2中发动机供油压力为20.0 barg，A1-A3中为21.0 barg，M1和E1中为14.0 barg。在M1和E1中，降低服务舱压力使高压泵吸入压力降至4 barg，若要在该条件下获得20 barg的发动机供油压力，需将高压泵压升增至约16.5 bar。
4.3 泵功率
在相同质量流量和压升下，高压泵功率与液体密度成反比。氨、甲醇和乙醇的高压泵功率分别为LPG的82%、62%和62%，与LPG液体密度与各燃料密度之比一致。氨的低压泵功率大于LPG，因为低压段升至11 barg使压升从2 bar增至3 bar。
4.4 换热器和加热器负荷
换热器和加热器在固定温度范围内调节燃料温度，因此热负荷与液体热容成正比。氨的热负荷最大，约为LPG的1.7–2.1倍，因其液体热容较大。经热容校正后，甲醇和乙醇的加热器负荷估计为LPG的84–86%。校正使甲醇和乙醇的热负荷降低28%和24%，定性改变了与LPG的比较——直接模拟结果显示热负荷比LPG大约9–47%，而校正值为LPG的83–106%。
4.5 等热量输入下的结果
氨、甲醇和乙醇的低位发热量小于LPG，同等热量输入下发动机消耗量分别增至约110、103和76 kg/h。泵功率不变，氨的新鲜燃料流量增大使高压泵吸入温度从29.4°C降至28.5°C，压力裕度从0.57增至0.85 bar，过冷裕度从1.6增至2.5 K。等热量输入下氨的热负荷约为LPG的1.6–2.4倍，甲醇和乙醇校正后的加热器负荷约为LPG的79–80%。
4.6 部分负荷运行
随着负荷降低，新鲜燃料流量减少，吸入温度趋近回流燃料温度。在25%负荷下，LPG和氨的压力裕度分别从0.39降至0.28 bar和从0.85降至0.50 bar，对应过冷裕度从约1.4降至1.1 K和从2.5降至1.4 K。氨在11 barg下的裕度在所有负荷下仍大于LPG在10 barg下的裕度。最低负荷是高压泵入口相稳定性的关键工况。为在所有负荷下获得2 K的过冷裕度，低压段需运行在约10.3 barg（LPG）和11.2 barg（氨）下；为获得5 K的过冷裕度，则需约11.1 barg和12.3 barg。
讨论与结论
讨论部分：研究结果表明燃料供应系统的运行特性由三种燃料性质分别决定——蒸气压决定保持液态所需运行压力，液体密度决定泵功率，液体热容决定换热器和加热器负荷。这些关系的强度已从模拟结果中量化：泵功率比与液体密度倒数比的偏差在0.1%以内，回程换热器负荷比与模型液体热容比的偏差在1.3%以内。四种燃料按蒸气压分为两组：丙烷和氨是液化气体，相稳定性限制其运行压力；即使蒸气压相似，若现有设计压力裕度较小，也必须重新设定运行条件。甲醇和乙醇蒸气压极低，相稳定性不构成约束。对于氨的实际应用，低压段最低需运行在11 barg，建议进一步增加过冷裕度（如约12.3 barg以获得5 K的过冷裕度），换热器和加热器需能处理约两倍于LPG的热负荷。对于醇类燃料，服务舱可在接近常压下运行，但高压泵需提供更大压升，安全设备仍需配备。
结论部分翻译：
6.1.1 模拟结果
在本研究中，固定了一台200 kW级LPG燃料供应系统的配置，将工作流体替换为氨、甲醇和乙醇，通过稳态Aspen HYSYS模拟比较了各燃料的运行特性。主要结果如下：
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在LPG运行条件下，氨在高压泵入口处的气相分数（VF）为0.935，燃料未能保持液态。将低压段运行压力从10 barg提升至11 barg可使燃料在高压泵入口和发动机入口保持液态，高压泵入口处的压力裕度为0.57 bar，大于LPG参考案例的0.39 bar。然而，两种设计在汽化发生前仅能耐受约1.5 K的吸入温度升高。在25%负荷下，氨的压力裕度降至0.50 bar，LPG降至0.28 bar，因此低负荷运行是相稳定性的关键工况。
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减压阀下游，LPG和氨均发生因降压导致的局部汽化。氨的气相分数（10 barg时为0.053）小于LPG参考案例的约0.09，当下游压力升至15 barg时汽化消失。
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甲醇和乙醇即使在服务舱压力为2 barg时所有监测点的压力裕度也至少为2.9 bar，因此相稳定性不约束运行压力。
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高压泵功率与液体密度成反比：相对于LPG，氨为82%，甲醇和乙醇为62%。换热器和加热器负荷与液体热容成正比，氨的最大，约为LPG的1.7–2.1倍。在等热量输入下，氨的热负荷约为LPG的1.6–2.4倍，主要由于供油侧换热器负荷增大。
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燃料供应系统的运行特性分别由蒸气压、液体密度和液体热容决定。蒸气压决定保持燃料液态所需的运行压力，液体密度决定泵功率，液体热容决定换热器和加热器负荷。
6.1.2 实际应用建议
这些结果表明，当LPG燃料供应系统应用于替代燃料时，对于高蒸气压燃料必须首先检查现有设计的压力裕度，而对于低蒸气压燃料则有降低运行压力的空间。本研究的结果可作为设定运行条件和审查多燃料船用燃料供应系统设计的基础数据。研究结果可通过三种方式在实际中应用：第一，当现有LPG燃料供应系统转换为氨时，低压段应在11 barg或更高压力下运行并附加过冷裕度（约12.3 barg以获得所有负荷下5 K的过冷裕度），检查储罐和管道的设计压力，换热器和加热器应能处理约两倍于LPG的热负荷；第二，对于甲醇和乙醇，服务舱可在较低压力下运行，前提是高压泵能提供所需压升；第三，在多燃料设计的筛选阶段，可利用液体密度和热容的比例从现有设计估算新燃料的泵功率和热负荷。
