LNG燃料動(dòng)力船改造技術(shù)分析

裘繼承 梁耀明 李珍

摘? ? 要：本文根據(jù)LNG燃料動(dòng)力船舶改造的特點(diǎn)，對(duì)LNG儲(chǔ)罐布置、機(jī)器處所（機(jī)艙）設(shè)計(jì)、氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)選型、危險(xiǎn)區(qū)域劃分等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：LNG燃料動(dòng)力船舶;改造技術(shù)

中圖分類號(hào)：U664.124 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Reconstruction of LNG-powered Vessel

QIU Jicheng， LIANG Yaoming， LI Zhen

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： According to the characteristics of reconstruction of LNG-powered vessel， this paper analyses the key technologies such as LNG storage tank layout， machinery space （engine room） design， LNG fuel engine selection， hazardous area division.

Key words： LNG-powered vessel; Reconstruction technology

1? ? 前言

隨著IMO對(duì)船舶排放污染物的嚴(yán)格控制和國(guó)內(nèi)排放控制區(qū)的實(shí)施，LNG與傳統(tǒng)船用燃油相比，在環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性以及社會(huì)效益等方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)。目前我國(guó)在長(zhǎng)江流域、京杭大運(yùn)河積極推廣LNG燃料在船上的應(yīng)用，已完成了一批商用船舶的LNG動(dòng)力改造。本文基于LNG燃料動(dòng)力船改造的特點(diǎn)，分析了在改造過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。

2? ?適改性條件評(píng)估

船舶在進(jìn)行LNG燃料動(dòng)力改造前，應(yīng)參考《中華人民共和國(guó)海事局關(guān)于推進(jìn)船舶應(yīng)用液化天然氣燃料工作有關(guān)事項(xiàng)的通知》（海船檢〔 2014〕671 號(hào)）相關(guān)要求，對(duì)船舶適改條件進(jìn)行評(píng)估，如：船舶船齡、推載系數(shù)、結(jié)構(gòu)情況、舵面積系數(shù)等;船舶有無(wú)適當(dāng)位置和空間安裝LNG儲(chǔ)罐、熱交換器、氣體燃料系統(tǒng)及其附件、通風(fēng)系統(tǒng)、LNG安保系統(tǒng)、LNG專用消防系統(tǒng)等。

3? ?LNG儲(chǔ)罐布置方案

3.1? LNG儲(chǔ)罐布置特點(diǎn)

LNG儲(chǔ)罐呈長(zhǎng)圓柱體形狀，端部設(shè)有燃料艙接頭裝置。LNG儲(chǔ)罐的布置需考慮對(duì)船舶總體布置、穩(wěn)性等的影響，以及規(guī)范和法規(guī)的適應(yīng)性。LNG儲(chǔ)罐外形尺寸大，在船上需占據(jù)專門空間進(jìn)行安裝布置，對(duì)原船緊湊的空間帶來(lái)很大影響，原船布置必須做出較大調(diào)整;LNG儲(chǔ)罐重量較大，若布置不當(dāng)將對(duì)船舶穩(wěn)性和安全等造成影響。

3.2? LNG儲(chǔ)罐布置形式

LNG儲(chǔ)罐的布置需滿足《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》對(duì)于燃料艙布置的要求，并應(yīng)盡可能布置在機(jī)艙附近。根據(jù)船舶實(shí)際情況，LNG儲(chǔ)罐橫向布置對(duì)船舶影響更小，所以LNG儲(chǔ)罐布置在很大程度上取決于船舶的寬度。

LNG儲(chǔ)罐布置主要有三種形式（見(jiàn)表1）：上層建筑尾部區(qū)域;主甲板以上艙室;主甲板以下艙室。

對(duì)于船舶穩(wěn)性影響較大的因素主要為船舶的主尺度、線型和重心位置。由于無(wú)法對(duì)船舶主尺度和線型進(jìn)行改變，如果改造后船舶重心過(guò)多時(shí)，則應(yīng)采取措施降低船舶重心位置以提高穩(wěn)性，主要措施有：（1）在船舶底部增加固定壓載;（2）降低船舶裝載量。

4? ?機(jī)器處所（機(jī)艙）設(shè)計(jì)

為了減少機(jī)艙發(fā)生氣體爆炸的可能性，LNG燃料動(dòng)力船機(jī)艙設(shè)計(jì)必須保證其安全性和可靠性，應(yīng)將氣體燃料發(fā)生泄漏和產(chǎn)生危害的概率和影響降至最低。根據(jù)規(guī)范要求，機(jī)艙可采用氣體安全機(jī)器處所或ESD防護(hù)型機(jī)器處所：

（1）當(dāng)氣體燃料管路采用雙壁管進(jìn)行環(huán)圍通風(fēng)時(shí)，機(jī)艙為氣體安全機(jī)器處所，可不作為危險(xiǎn)區(qū)域且與常規(guī)機(jī)艙一致。按此要求，可避免機(jī)艙設(shè)計(jì)復(fù)雜化，同時(shí)提高船舶安全性;

（2）對(duì)于ESD防護(hù)型機(jī)器處所，在出現(xiàn)涉及氣體危險(xiǎn)的異常情況時(shí)，應(yīng)自動(dòng)關(guān)閉（ESD）非安全設(shè)備（著火源）和機(jī)器，而在這些情況下處于使用或活動(dòng)狀態(tài)的設(shè)備或機(jī)器應(yīng)為合格防爆型。因此，如采用ESD防護(hù)型機(jī)器處所，則需把原船部分機(jī)艙設(shè)備改為防爆型。

綜合考慮安全因素及改造工程量，建議將機(jī)艙設(shè)計(jì)成氣體安全機(jī)器處所。

5? ?氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)選型

5.1? 氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)類型

氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)包括單一氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)：?jiǎn)我粴怏w燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，系指只能依靠天然氣燃料運(yùn)轉(zhuǎn)且不能轉(zhuǎn)換到燃油運(yùn)轉(zhuǎn)模式的內(nèi)燃機(jī);雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，系指既可以以天然氣為燃料，又可以燃燒燃油，或者同時(shí)燃燒燃油和天然氣燃料的內(nèi)燃機(jī)。氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同燃料使用方式對(duì)比見(jiàn)表2。

5.2? 氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)選型

原船柴油機(jī)可采取直接改裝為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，或整體更換為新的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)這兩種方式。

（1）采用原船柴油機(jī)直接改裝為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的方案，是在原柴油機(jī)的基礎(chǔ)上增加天然氣供氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，通過(guò)預(yù)先的標(biāo)定工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)具備混燒功能，其技術(shù)特點(diǎn)與表2中雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)（混燒）相似。此類改造不需更換柴油機(jī)基座，為柴油機(jī)服務(wù)的燃油、滑油、冷卻水等系統(tǒng)基本保持不變，因此改造工程量相對(duì)較小，但是機(jī)器改裝認(rèn)證相對(duì)麻煩;在柴油機(jī)基礎(chǔ)上直接改造的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，在使用能源結(jié)構(gòu)方面可發(fā)揮一定的作用，但效率不一定比柴油機(jī)高;采用原柴油機(jī)機(jī)型改裝，燃燒CH4也難以達(dá)到最佳燃燒效果，掃氣時(shí)或會(huì)將部分CH4直接排放到大氣中，故一般不建議采用此種方式。

（2）從燃燒效率和綜合排放性能來(lái)看，單一氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)比雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)要好，主要原因是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)要兼顧兩種燃料的使用，在燃燒效率上低于專門針對(duì)天然氣燃料設(shè)計(jì)的單一氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，綜合排放性能也差一些。由于LNG單位體積熱量約為柴油的60%，柴油儲(chǔ)存條件要求不高，可充分利用船舶空間配置較大容積的燃油艙，具備較大的續(xù)航力。而作為儲(chǔ)能設(shè)備的LNG儲(chǔ)罐，LNG儲(chǔ)存條件不如柴油，因此采用單一氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的LNG改造船的續(xù)航力一般會(huì)減少，最好是在固定航線營(yíng)運(yùn)，確保LNG的及時(shí)供應(yīng)。

（3）雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)進(jìn)氣方式可分為缸外進(jìn)氣和缸內(nèi)進(jìn)氣兩種：（A）缸外進(jìn)氣分為總管進(jìn)氣和支管進(jìn)氣，總管進(jìn)氣是在總管直接噴射，不能精確控制空燃比且無(wú)法逃避CH4的逃逸;而支管進(jìn)氣是電控多點(diǎn)順序噴射，可以克服總管進(jìn)氣的缺點(diǎn)，提高熱效率;（B）缸內(nèi)進(jìn)氣分為低壓缸內(nèi)直噴和高壓缸內(nèi)直噴。由于高壓缸內(nèi)直噴雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)還需要配備專門的高壓泵，供氣管路要求較高，一般不適用于功率小、機(jī)艙布置較為緊湊的內(nèi)河LNG改造船。

（4）微引燃式支管電控多點(diǎn)噴射和低壓缸內(nèi)直噴采用稀薄燃燒和空燃比控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)單缸燃燒精確控制，充分發(fā)揮氣體燃料的優(yōu)勢(shì)，且能獲得較好的排放性能。但是目前雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)一般功率較大且價(jià)格昂貴，適用性和性價(jià)比不如混燒式雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

國(guó)內(nèi)LNG燃料動(dòng)力改造船多數(shù)采用混燒式雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，此類發(fā)動(dòng)機(jī)是在雙燃料模式下，由控制單元（ECU）直接控制電噴閥的噴氣時(shí)間來(lái)決定參與缸內(nèi)混合的燃?xì)饬浚_(dá)到一定的替代率，在一定功率范圍內(nèi)能做到純柴油模式和雙燃料模式的迅速切換。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際節(jié)能效果不如預(yù)期，臺(tái)架試驗(yàn)顯示減排效果也不太理想，雖然SOx排放為零，但CH4排放則顯著增加，目前GB15067-2016《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第一、二階段）》已實(shí)施，混燒式雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)面臨著CH4排放要求的限制。

綜上所述，對(duì)于大功率的海船，建議采用微引燃雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，增加的LNG儲(chǔ)罐相當(dāng)于增加了續(xù)航力;對(duì)于小功率的內(nèi)河船，建議采用單一氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)船舶要確保一定的續(xù)航力時(shí)，混燒式雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)如滿足GB15067-2016的要求，也可適當(dāng)考慮。

6? ?危險(xiǎn)區(qū)域劃分

天然氣是易燃易爆氣體，危險(xiǎn)區(qū)域是指可燃?xì)怏w可能出現(xiàn)的量，要求對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、安裝和使用采取特殊預(yù)防措施的區(qū)域。LNG燃料動(dòng)力船的危險(xiǎn)區(qū)域劃分，是為了采取相應(yīng)的措施來(lái)確保船舶在LNG燃爆風(fēng)險(xiǎn)方面的安全性。LNG燃料系統(tǒng)導(dǎo)致船舶危險(xiǎn)區(qū)域存在的設(shè)施主要有：LNG加注站、環(huán)圍導(dǎo)管通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)出風(fēng)口、壓力釋放閥的透氣出口。在以上設(shè)施3 m以內(nèi)的開(kāi)敞甲板上的區(qū)域?yàn)?區(qū)，1區(qū)外1.5 m范圍內(nèi)所包含的開(kāi)敞區(qū)域?yàn)?區(qū)。

為了減少危險(xiǎn)區(qū)域?qū)υ写暗挠绊懀瑧?yīng)盡可能減少危險(xiǎn)區(qū)域的范圍，合理布置危險(xiǎn)處所進(jìn)出風(fēng)口及加注站是其中的關(guān)鍵，應(yīng)將LNG儲(chǔ)罐壓力釋放口、環(huán)圍通風(fēng)出風(fēng)口和加注口緊湊布置;對(duì)于危險(xiǎn)區(qū)域的處理，可通過(guò)改變門窗位置、窗戶氣密性等措施，使得危險(xiǎn)區(qū)域與居住處所（安全區(qū)域）得到有效隔離;當(dāng)危險(xiǎn)區(qū)域范圍覆蓋了原船部分電氣設(shè)備時(shí)，可將電氣設(shè)備移出危險(xiǎn)區(qū)域，如布置不允許則改用防爆電氣設(shè)備;對(duì)于安裝在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的緊急切斷閥，可采用氣控型式，避免電控元器件電起火危險(xiǎn)。

7? ?結(jié)束語(yǔ)

隨著船舶排放控制要求的日益嚴(yán)格以及LNG加注設(shè)施的不斷完善，相信未來(lái)會(huì)有更多船東選擇將柴油動(dòng)力船改造為L(zhǎng)NG燃料動(dòng)力船。

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