純LNG動力船設計與建造亮點

CCS武漢規范研究所 甘少煒

純LNG動力船，是指船舶主推進裝置僅使用液化天然氣（LNG），而不使用其他燃料的船舶。由于LNG基本不含硫、不含雜質，其主要成分甲烷的碳原子含量少等特性，純LNG動力船在硫氧化物（SOx）、顆粒物（PM）和二氧化碳（CO2）減排方面具有天然優勢；由于僅需針對氣體特性設計發動機，而不必如雙燃料發動機那樣需在燃油和燃氣兩種模式間作出“平衡”和“折衷”，純氣體燃料發動機一般具有更高的熱效率和更好的動態響應特性。但是，受燃料單一性與氣體燃燒特性限制，純LNG動力船在燃料供應、發動機設計等方面，又具有特殊之處。現就亞洲首艘純LNG動力船“海洋石油525”號6500HP港作拖輪，淺析純LNG動力船的設計與建造要點。

氣體燃料供應系統

相對于雙燃料動力船，純LNG動力船缺少“燃料冗余”，即在發生氣體燃料泄漏的情況下，不能切換到燃油模式，所以在《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規則》（IGF規則）中，明確要求“對于單一氣體燃料裝置，從氣罐至用氣裝置，燃料供應系統應布置成完全冗余和分隔，以確保一套燃料供應系統發生氣體泄漏時，不會導致不可接受的功率損失。氣體燃料儲存應分成兩個或多個氣罐，儲罐應位于獨立的艙室。對于C型氣罐，如果一個氣罐設有兩個完全獨立的氣罐連接處所，則可接受僅設一個氣罐”。可以看出，IGF規則的基本原則是，氣體燃料供應系統上的單一故障，不應導致“不可接受的功率損失”，因此，純LNG動力船一般通過“供氣系統冗余”或“動力系統冗余”的方式來滿足IGF規則要求。

圖1

要設置冗余，必須弄清楚“氣體燃料供應系統”包括什么，在IGF規則中，并無“氣體燃料供應系統”的定義，一般理解為從LNG燃料儲罐的主閥至發動機燃氣進氣總管之間的管路、閥件和設備（如氣化器、加熱器、壓縮機等）等組成的系統。因此，氣體燃料供應系統冗余，也就意味著相關管路、閥件和設備的冗余，例如，在只設一個C型氣罐和兩路供氣的情況下，氣罐主閥、氣化器、互鎖閥（DBB閥）、氣閥單元（GVU或GRU）等，都需設置雙套。

在“一套燃料供應系統發生氣體泄漏時，不會導致不可接受的功率損失”這一原則指導下，純LNG動力船的供氣系統有如下幾種方式（以C型氣罐為例）：

1、一臺純氣體燃料發動機，兩個氣罐，兩套氣體供應系統；

2、一臺純氣體燃料發動機，一個氣罐，兩套氣體供應系統；

3、兩臺純氣體燃料發動機，兩個氣罐，兩套氣體供應系統；

4、兩臺純氣體燃料發動機，一個氣罐，兩套氣體供應系統；

上述四種布置分別見圖1中的（1）、（2）、（3）、（4）所示。

“海洋石油525”號6500HP港作拖輪采取了上述（3）的布置型式，如圖2所示。

圖2 “海洋石油525”號港作拖輪動力系統布置示意圖

純氣體燃料發動機

常規船舶柴油機采用狄塞爾循環，沒有爆燃的風險，當負荷突增時，可以通過調速器增加燃油噴射量來保持發動機轉速穩定。即使是滿負荷突增，最多也只會發生冒黑煙的現象（局部區域油氣混合不均，造成不完全燃燒）。對于高壓氣體燃料發動機，其采用狄塞爾循環，當負荷突增時，增加燃氣噴射量，由于燃氣是在點火后高壓噴入氣缸，不參與壓縮過程，所以無爆燃風險，發動機的瞬態響應能力與柴油機基本無異。

但對于低壓氣體燃料發動機，氣體從進氣道噴入，與空氣一起參與壓縮，采用的是奧托循環。負荷突增時，氣體燃料噴射量增大，而增壓器由于轉速來不及迅速提高而導致新鮮空氣的供應不能相應的迅速增加，這樣就會造成過量空氣系數下降，氣缸內存在濃燃氣-空氣混合氣，所以在壓縮過程中存在爆燃風險；另一方面，過量空氣系統過高，則氣缸存在熄火風險。因此，對于純氣體燃料發動機，對于過量空氣系數（或空燃比）的控制十分重要，尤其是對于高平均有效壓力（Pme）的發動機，其空燃比的“可用窗口”非常窄（如圖3所示），對其控制要求非常精確，所以對于高Pme的低壓氣體燃料發動機，一般不允許過快加載，以免發生爆燃，常配合可調槳（CPP）或電力推進系統使用。但本船的純氣體燃料發動機，采用了廢氣旁通、可變截面增壓器（或稱可變噴嘴環，VGT，如圖4所示）、進氣節流閥等系列技術，能夠在保證高Pme的情況下，迅速控制空氣進氣量和精確的空燃比，以應對負荷的變化，因此，具有良好的瞬態響應特性，據稱可配合定距槳（FPP）使用（但目前尚無配合FPP使用的實船案例）。國產低壓純氣體燃料發動機，其Pme相對較低，因此空燃比的“可用窗口”較寬，對其控制要求相對較低，所以允許較快的加載速率，據稱也可配合定距槳使用。

圖3 OTTO循環λ-Pme

圖4 可變截面增壓器

雙壁管（double wall piping）

本船機艙型式為氣體安全機艙，或稱本質安全型機艙，其本質是，在機艙內，通過設置環圍（雙壁管外管）的方式，從機艙內“隔離”出一個空間，在其內部布置氣體供應管路、閥件、接頭等，這樣，即使發生接頭泄漏、供氣管路破裂等故障，可燃氣體也不會漏入機艙。IGF規則和《天然氣燃料動力船舶規范》（以下簡稱“規范”）對于機艙內的雙壁管均有詳細要求，實船的常見布置如圖5所示。

圖5 典型氣體安全機艙的布置

雙壁管應視作一種圍護理念，而不應視為具體產品，對于其形狀、大小并無限制，只要滿足相應的氣密、強度要求即可。比如，內設“氣體閥件單元（GVU或GRU）”的處所或房間，可視作雙壁管的“外管”，對于小型船舶，由于空間和布置的限制，該處所或房間可“縮減”為一個密閉的“閥箱”，安放在機艙內部，該閥箱仍可視作雙壁管的外管。本船的GRU如圖6所示。

圖6 氣體調節單元（GRU）

雙層管在建造過程中有兩個難點，一是雙壁管應終止于何處，二是雙壁管內管（inner pipe）的聯接與支承。根據IGF規則要求，“發動機本體上的所有氣體管路應設置雙壁管，直至氣體噴入氣缸；但對于從各氣缸空氣支管直接進氣的低壓氣體燃料發動機，如果單一故障不會導致可燃氣體漏入機艙，則空氣支管上可免設雙壁管。”可以看出，這里免設雙壁管的對象僅限于低壓、支管進氣的氣體燃料發動機，對于如何判斷“單一故障不會導致可燃氣體漏入機艙”，規則沒有給出明確說法，在“規范”中給出的方案是，在發動機上方設置一個可燃氣體探測器，并連接至安保系統。

對于雙壁管內管的聯接與支承，目前有多種做法，如：內外管采用雙聯法蘭接頭，既能聯接又能支承；內管采用法蘭接頭，通過彈性滑動式支承或懸吊式支承置于外管內部，等等。各廠家可根據實際情況，設計更實用、方便的內外管聯接和支承方案。

圖7 滑動式或懸吊式支承

“海洋石油525”號6500HP港作拖輪的順利建造，標志著我國在純LNG動力船設計、建造、檢驗等方面達到了國際先進水平，為后續同類船型的建造積累了寶貴經驗。但應看到，在純氣體燃料發動機、C型以外的其他型式LNG燃料艙等關鍵設備、系統的研發和制造方面，我國尚存在較大差距，只有真正掌握這些關鍵技術，才能使我國純LNG動力船舶的應用和發展達到新的高度。