液化天然氣雙燃料動力港作拖輪設計研究

2013-09-27 08:31:38金寶燕鄭玄亮

船舶與海洋工程 2013年2期

金寶燕，鄭玄亮

（上海佳豪船舶工程設計股份有限公司，上海 200233）

0 引言

以LNG為代表的新能源在環保方面具有的獨特優勢和產生的效益已經越來越顯著，其在船舶交通運輸行業的應用和推廣已呈潮涌之勢[1]。

以天然氣為能源有利于環境保護，能夠有效減少溫室氣體排放。根據某船用LNG燃料發動機生產商的產品手冊，與使用常規燃油的內燃機相比，以LNG為燃料的內燃機的減排效果與環保性能十分顯著，其中CO2排放量降低約22%；SOx排放量降低接近100%；顆粒物排放量降低接近100%；NOx排放量降低約92%。在發生泄漏的情況下，天然氣會迅速汽化擴散，不易對水體或土壤造成污染。

長期以來，全球范圍內的LNG動力船舶主要集中在歐洲的挪威、荷蘭等國家，船型主要為海峽渡輪、海洋工程輔助船、LNG貨物運輸船等。船舶LNG動力燃料應用相關的設計和建造技術（如LNG燃料發動機、LNG液貨圍護系統等）也集中掌握在歐美等發達國家和地區。我國作為世界造船大國，近年來也有很多業內的學者和技術人員針對LNG船舶的設計和建造[2,3]、相關設備和系統的關鍵技術[4,5]方面進行了大量的研究工作。

1 動力系統

為滿足大型 LNG運輸船舶港內作業要求，國內某船東準備投資設計建造一批全回轉港作拖輪。基本要求除滿足相關的國內外公約、規范及LNG行業通行要求之外，還希望使用LNG燃料作為清潔動力能源以貫徹綠色環保的理念，提高節能減排目標。

港作拖輪即主要服務于港區的拖輪，通常需要按照排定的工作計劃分航次開展周期性服務作業。圖1為美國洛杉磯和長灘（LA/LB）港口拖輪船隊作業數據。從圖中可以看出港作拖輪的作業符合特點。根據相關數據統計，港作拖輪約有90%的作業時間主機功率低于50%最大負荷，約有98%的作業時間主機功率低于75%最大負荷。

圖1 美國港口拖輪船隊作業統計數據

表1是船東根據LNG運輸船輔助作業需求給出的LNG終端港作拖輪的作業時間與主機功率負荷數據?？梢?，國內外的港口拖輪作業性質是一樣的——工況復雜，主機功率變化頻繁，在大部分作業時間內主機功率負荷不會很高。換言之，在主機高負荷狀態下的船舶作業時間比較短。

表1 LNG終端港作拖輪主機功率負荷及時間比例 %

選擇 LNG燃料為船舶主要動力，選取雙燃料發動機以及氣體燃料發動機作為拖輪的備選機型。從多方面對兩種發動機進行綜合分析比較，最終選定適合港作拖輪的動力系統。

雙燃料發動機可以在兩種燃料模式下工作，不同工況下燃料自動切換，動力系統穩定可靠，適應能力強。氣體燃料發動機燃料單一，對燃料供應與補給條件的依賴性強，現階段有較大的空間和時間的局限性。氣體燃料發動機是針對單一燃料專門開發的機型，針對 LNG燃料優化，因而燃料效率高，功率特性好。而雙燃料發動機由于需要兼顧兩種不同特性的燃料，因而在這方面較弱。

氣體燃料發動機具有良好的動態響應特性，比一般常規柴油機的反應速度還快（廠家實驗數據），在各種工況下的載荷突加突卸均可以在較短的時間內完成。雙燃料發動機在燃氣模式下的響應時間比較遲緩，可以滿足一般作業情況下的負荷變化需求。而對某些需要作出快速高負荷響應的情況，雙燃料主機在燃氣模式下可能難以滿足要求。在此情況下，可以迅速從燃氣模式切換至燃油模式，并在5～10s內完成切換，在燃油模式下作出迅速響應，其反應時間與常規柴油機相當[6]。

LNG燃料發動機屬于高新技術，目前處于市場壟斷與技術保護階段。由此導致在船舶整體造價的構成中，燃氣發動機和燃料供應系統所占比例超過總造價的50%。此外，燃料補給的可靠性和便捷性是設計和選擇動力系統的關鍵因素。根據當前我國 LNG燃料供應設施的現狀，現階段采用槽罐車加注方式最為切實可行。對于應用 LNG燃料的船型，難免要頻繁（幾天）靠岸加注燃料，尤其是在一個作業周期內，剩余燃料有限的情況下，燃料的加注將受限于作業的時間和空間。雙燃料推進系統則能比較靈活地安排LNG燃料和燃油的加注時間，也能夠較好地保障在作業周期內的服務質量。

最后，由于雙燃料發動機有兩種燃料供給模式，對現行LNG動力船舶相關規范和法規的適用性更好，使動力系統的設計難度和施工難度都有所降低。在國內現有 LNG燃料配套設施的服務水平和條件下，雙燃料發動機方案是兼顧各種因素的穩妥選擇，更有利于LNG燃料的普及和推廣應用。

2 船型優化與系統布置

2.1 適用規范

1) 中國船級社（CCS）《國內航行海船建造規范》；

2) 中華人民共和國船舶檢驗局《國內航行海船法定檢驗技術規則》；

3) 材料與焊接規范；

4) 國際噸位公約；

5) 國際海上避碰公約；

6) 中華人民共和國船舶檢驗局《海船防污染結構與設備規范》；

7) 瑞典工業標準（SIS）鋼板除銹和油漆標準；

8) 中國海事局和CCS頒布的其他規范和規則，以及上述規范、規則的修改通報。

LNG動力船舶的設計和建造除需要滿足上述同類一般船舶的規范和法規要求外，還要滿足如下幾個專門針對LNG燃料船舶的規范要求：

1) CCS《氣體燃料動力船檢驗指南》；

2) CCS《雙燃料發動機系統與安裝指南》；

3) CCS《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》（氣體儲罐及設備）。

2.2 船型與布置

在確定了主機和動力系統后，選擇若干成熟優秀的港作拖輪作為參考母型船優化形成初步設計方案。同時考慮到該船雙燃動力系統的特點，比常規拖輪增加一套LNG燃料存貯和供氣系統，由于LNG燃料的能量密度為柴油的60%，且需要在一定壓力下集中低溫存貯，故需要在主尺度上進行適當的放大，同時還必須保證拖輪作業的靈活操縱性，這就要求布置方案科學合理、充分提高空間利用率。另一方面，布置上適當的優化與調整，并輔以初步性能計算，以保證能安全航行和工作。

該船初步方案設三層甲板室，位于船的舯前部，分設主甲板室、起居甲板室、駕駛室，型深比常規拖輪略有升高，為主甲板下的LNG罐存貯艙提供必要的布置空間。

主甲板下設有舵槳艙、機艙、LNG罐存貯艙。LNG罐存貯艙位于艏尖艙之后，與錨鏈艙用水密艙壁分隔；機艙位于LNG罐存貯艙之后，由水密橫艙壁分隔。

主甲板上設有公共生活艙室，主甲板前部設錨泊設備，艉部設拖帶系泊設備。氣體燃料補給加氣站設置在主甲板左舷，靠近船首的位置。起居甲板上設有生活艙室、氣脹式救生筏。駕駛室甲板上設有駕駛室。羅經甲板上設信號桅一根，船用消防炮2臺。

規拖輪略顯肥大，整體高度有所增加。另一方面，LNG燃料的特殊物理化學性質使得該船的安全性設計成為一大難點，LNG罐、艙及相關的各類通風、透氣和安全閥門要集中通過組合式透氣桅對外釋放，以盡量減小船舶的危險區域。由于拖輪船型較小、各類設備布置空間緊湊，危險區劃分要兼顧不同系統及作業工況的要求，部分設備的防爆性能要求需要根據不同特點進行具體分析和處理，最終得到船東認可并通過船級社認證。

[1] 嚴新平. 新能源在船舶上的應用進展及展望[J]. 船海工程, 2010, 39, (6)： 111-115.

[2] 陳建國，等. LNG船建造技術的消化吸收與自主創新[J]. 上海造船, 2010, (1)： 22-24.

[3] 宋吉衛，等. 大型液化天然氣船線形設計若干問題研究[J]. 上海造船, 2011, (4)： 1-3.

[4] 吳嘉蒙，等. 液化天然氣船貨艙內部壓力研究[J]. 上海造船, 2011, (1)： 37-42.

[5] 劉文華. 中小型LNG船C型獨立液貨艙載荷分析[J]. 船舶與海洋工程, 2012, (2)： 1-6.