小型LNG動力船的技術難點分析

杭州市港航管理局　周小佳

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小型LNG動力船的技術難點分析

杭州市港航管理局周小佳

摘要：對小型LNG動力船在實際應用中存在的包括發動機、氣體管路、氣罐、透氣口、報警和應急切斷、管路保護、危險區域劃分等一些技術問題進行研究分析，從船舶建造規范、設計制造、船舶檢驗、加氣站建設以及配套政策等方面提出部分解決方法和思路。

關鍵詞：LNG動力；小型船舶；船舶建造規范

一、引言

隨著全國性的節能減排運動的展開，近幾年LNG動力船在全國各地得到了大規模的推廣，但從目前來看效果不太理想。究其原因，一是由于油價的回落使得天然氣的性價比下降，加上LNG加注碼頭或加注躉船嚴重缺乏，船東積極性下降。二是目前相關專業技術人員的缺乏和配套產品的落后等因素導致LNG動力船的各種技術指標很難完全達到規范要求，限制了LNG動力船的發展。要改變這一現象，需要各方積極配合，找出原因，研究對策。船長在20～50 m間的小型船舶占我國船舶數量的絕大多數，產生的空氣污染量占船舶排放量的絕大部分，同時LNG動力船在小型船舶上的應用難度比大、中型船舶更大，推廣的成果和意義也更大。本文就小型LNG動力船存在的主要技術難點問題進行分析，并提出部分解決思路和方法。

二、LNG動力船存在的主要技術難點

1.發動機的選擇和氣體管路的問題

LNG動力船分單一天然氣和雙燃料（天然氣和燃油）兩種。因單一天然氣燃料供氣壓力高于雙燃料，為避免因氣體泄漏引發主機動力喪失事故，需采用兩個或多個尺寸相近的氣罐或設兩個完全獨立的氣罐連接處所（采用C型氣罐），儲存空間和技術要求相應提高。所以小型船舶一般采用雙燃料發動機。目前發動機分新造和改造兩種。

改造機天然氣采用總管進氣單點噴射和支管進氣多點噴射兩種方式。其中總管進氣單點噴射方式僅需增加一套燃氣供應系統，可完全保留柴油機的燃油噴射系統，天然氣噴射壓力低，對燃氣泵的要求較低，成本較低，改造方便。但有很多缺陷，如會引發爆燃、總管存在爆炸危險、有燃氣掃出、排放性能差、空燃比不夠精確、燃氣模式下調速性能差等，安全性、經濟性和排放都存在明顯問題。所以這種改造方式應予以淘汰。另一種方式是目前絕大多數改造船舶使用的支管進氣多點噴射方式。該方式空燃比比較精確，沒有燃氣掃出，排放性能較好，部分解決了總管進氣方式的缺陷，但還有單缸爆燃問題、調速性能差、改造成本較高等缺陷。

新造機一般采用支管進氣多點噴射方式，由于天然氣燃點為650 ℃，而柴油燃點僅為220 ℃，所以利用微量柴油引燃天然氣的微引燃模式可以兼顧兩種燃料的燃燒優化，是目前比較理想的發展機型。但以上無論哪種類型的國產發動機，其燃氣管路及零部件普遍采用螺紋連接和法蘭連接，如燃氣混合器、燃氣濾清器、燃氣噴射閥等本身都是螺紋連接，有嚴重的泄漏隱患，規范規定螺紋接頭僅適用于外徑不超過25 mm的輔助管路和儀表管路上，所有閥件和法蘭接頭又必須布置在閥箱內，供氣管路原則上應采用對接焊全焊透型式，且需100%進行射線檢測。所以供氣管路特別是發動機附近的管路連接要完全滿足規范要求有一定難度。

2.機器處所類型的確認

對小型船舶來說，采用本質安全型機器處所，能夠避免很多由于空間間距小而帶來的問題。但本質安全型機器處所要求供氣管路采用雙壁管。由于機器處所的供氣管路的雙壁管由船廠施工，發動機廠家一般不會考慮雙壁管的要求，所以就目前我們國家絕大多數船廠的施工條件和工藝來說，無論采用機械通風導管的雙壁管還是采用填充惰性氣體的雙壁管，對小型船舶來說都不太現實。ESD防護式機器處所（正常情況下處于氣體安全狀態，異常情況下可能變為氣體危險區域，當出現氣體燃料泄漏等異常情況時，非合格防爆設備和機械自動關閉）僅適用于多機艙船舶，且除免除雙壁管要求外，其他對機艙的要求也很高，小型船舶并不適用。所以目前情況下，小型船舶的機器處所僅可能采用增強安全型機器處所。

目前許多改建或新建LNG動力船供氣管路部分采用雙壁管，氣體閥件單元也做成氣密（氣密效果因工藝不同不盡相同），管路有獨立的機械通風，另外機艙其他要求基本參照增強安全型機艙要求。這種方法滿足規范要求，機艙安全性有保障，但成本很高。

3.小船氣罐的布置問題

小型船舶特別是一部分改建船舶，由于船長的限制，機艙距船尾較近，氣罐的布置比較困難。為了留出船尾必要的防撞間距，氣罐部分空間要放置在機艙上方，此種情況按規范要求必須設置寬度至少達到900 mm的隔離艙。為解決這一問題，設計時在其下方機艙部位增加一塊900 mm高度的隔離區域。由于小船機艙高度有限，這一區域沒有了利用空間，給機艙區域的布置帶來了極大的困難。

4.氣體管路及氣罐透氣口與其他區域的間距問題

一般情況下，小型LNG動力船舶的舵機艙位于氣罐后下方，其開口距氣罐透氣口、燃料閥、氣體管路法蘭等距離較近，但其內部設備不能完全達到防爆等級要求，采取過壓措施也不太現實。考慮到LNG氣體密度約為空氣的55%，一般情況下很少會有LNG氣體在舵機艙積聚，故對舵機艙的要求應予適當放寬，不把其劃入危險區域之內。氣罐的透氣口位置和高度要求對小型LNG動力船來說是很大的考驗。盡管規范對內河船舶考慮了其布置的困難，對內河船舶氣罐的透氣口的高度從6 m降為3 m，但對受航道橋梁限制的內河船舶，還是偏高。透氣口距機器廢氣出口及機艙空氣出口的距離規范要求為海船10 m，內河船舶5 m，對小型船舶來說，出口的布置是非常困難的。

5.可燃氣體泄漏報警和供氣閥的切斷

可燃氣體探測器探測精度缺乏檢測手段，規范要求氣體濃度在20%～40%LEL（爆炸下限）時發出報警或切斷供氣閥。但目前檢驗時沒有有效的檢測工具和手段來確定氣體濃度和報警或切斷的可靠性。常用的方法只是簡單地在探測器下方釋放可燃氣體來確認是否報警或切斷供氣閥，而氣體濃度無法確定。

6.危險區域的劃分

危險區域的劃分參照了閃點≤60°的油船要求。對小型船舶來說，機艙部分、舵機艙部分，特別是艉燈區域很難布置到危險區域以外。危險區域內的電氣設備只能布置合格的防爆設備。這幾個區域的電氣設備除一般的防爆燈具和防爆開關外，沒有合格的防爆航行燈及其他防爆電氣設備可供。通常的做法是在危險區域內的機艙部分做成氣密，普通機艙門、窗布置在危險區域以外，機艙及各類進風口在危險區域外，面向船首方向。但舵機艙和艉燈布置很難解決。

7.氣體充裝管路的保護

部分船舶的氣罐位于主甲板下方的艙室中，充氣管路部分穿過主甲板，為防止船體發生冷脆現象及保證充裝人員的安全，管路的保溫是很重要的工作。但目前對管路的保溫材料的選擇、施工缺乏明確要求，配套的合格產品幾乎沒有。

8.船用產品證書的問題

規范規定，與氣體燃料系統相關的重要產品如氣罐、氣體燃料發動機、熱交換器、ECU、燃料管路上的閥件、軟管、波紋管、泵和壓縮機等需持有CCS證書，但現實條件下，產品檢驗沒有跟上實際需求，很多部件沒有證書。發動機廠家僅提供發動機及配套的電子控制系統（ECU）證書，但氣體燃料控制系統及雙壁管、閥件箱的通風系統和機器處所通風系統的控制箱作為LNG動力船舶的重要單元，因為船舶差異化，沒有統一的控制系統，往往沒有CCS證書。另外氣罐及燃料管路絕大多數是由原來生產船用鍋爐或壓力容器的廠家生產，生產條件及技術條件良莠不齊，外購的閥件五花八門，如核心的防爆電磁閥，有進口的、國產的，類型很多但質量得不到有效保證。氣體燃料控制系統的生產廠家水平也是參差不齊，給船舶安全性和檢驗工作留下極大的隱患。

以上是小型LNG動力船實船建造、檢驗過程中存在的部分技術難點，產生的原因很多，有些是短時期還無法徹底解決的，如發動機綜合性能的提高和成本的控制，其他還有諸如設備制造廠家和船廠的技術、工藝缺陷，小型船舶對規范的適應性還缺乏全面的研究等。為把LNG動力真正成功應用于小型船舶，提出以下建議。

三、相關建議

（1）適當降低規范的某些條文要求。規范對LNG燃料的危險性估計偏高，天然氣的燃點為650 ℃，大于柴油的220 ℃及汽油的427 ℃，其爆炸濃度也大于柴油、汽油，密度也僅為空氣的55%，一般情況下很難有區域能積聚達到其爆炸濃度的氣體，所以其危險程度并不是很大。在采取一些必要的防護后，如保證必要的抽吸風系統，規定非防爆電氣設備與閥件、氣體管路等有氣體泄漏危險的單元的最小間距等，在氣體燃料控制系統和氣體安保系統能正常工作的情況下，安全性是完全可以保障的。危險區域的劃分及開口間距的適當降低可以使小型LNG動力船的設計、施工難度大大降低，相應的成本也會有所下降，對LNG動力船的推廣很有好處。

（2）氣體燃料發動機、電子控制系統（ECU）、氣體燃料控制系統、LNG氣罐及熱交換器的生產廠家必須密切配合，組合成相對固定的整體，在目前船廠LNG技術人員嚴重缺乏的情況下，只有各方密切配合，才能建造出合格的LNG動力船舶。

（3）驗船師除必須學習掌握相應的LNG知識和檢驗技能外，還應配備相應的檢測設備，相互交流檢驗的經驗，在實踐中逐步完善檢測和檢驗方法。CCS對產品的檢驗工作要跟上實際的需求。因為大部分小型LNG船舶的檢驗是由地方船檢部門承擔的，所以地方船檢部門對規范沒有明確需要CCS認可的重要產品的檢驗工作也要及時承擔完成。此外CCS也需要承擔對地方船檢部門的技術指導工作，通過前幾年的實船試制，盡快發布檢驗指南以指導現場驗船師的檢驗工作。

（4）進一步做好LNG水上加注躉船或岸上加注碼頭的建設，使LNG動力船能方便地加注LNG。

（5）政策的引導工作要加強。除必要的政府補貼、政策扶持外，對現有大量的低性能、高排放柴油機要采取逐步淘汰或進行LNG改造的方法加以解決。

四、結束語

從目前國內船廠和船用產品廠的現狀來看，能夠建造完全滿足LNG動力船規范的廠家非常少，一定程度上也限制了LNG動力船的發展。要改變這一狀況，除船廠和產品廠家要不斷投入資金提高技術水平和生產工藝外，規范的編寫也要適應當時的實際狀況，循序漸進。規范要求過高有時會阻礙新技術的發展，欲速則不達。當然，LNG動力船規范的頒布，對船舶新技術的應用起了一個非常好的帶頭作用。以往新技術要應用于船舶，很多情況下由于廠家和檢驗部門沒有規范和標準的支持，規范所也沒有人力和物力投入新規范的研究，如此不斷惡性循環，使得我國船舶新技術的應用水平非常低。此次LNG動力船規范的頒布很好地解決了這一難題，盡管LNG動力船的發展沒有達到預想的效果，但其給我國船舶制造的發展起到了非常大的作用。

DOI:10.16176/j.cnki.21-1284.2016.06.003

作者簡介：周小佳（1966—），男，碩士，高級工程師，E-mail：zhouxu10@sohu.com