船舶雙燃料動力系統設計安裝研究

何金平，周 呈，王炳軒，張 龍，王連佳

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司 天津300452)

0 引言

天然氣燃料作為一種清潔能源，隨著國際海事組織(IMO)在海事環保領域的法律法規趨于嚴厲，其在船舶海運領域的應用越來越受到市場的青睞。雙燃料發動機作為船舶燃用天然氣的一種安全可靠和高效率的動力裝置，隨著技術的進步，已逐步被市場接受。首先在LNG 運輸船舶上得到了廣泛使用，在新造船市場已全面替代了原雙燃料鍋爐和蒸汽透平的動力系統。相對于傳統液體燃料，天然氣燃料的高環保性和高經濟性，已越來越引起傳統海運船舶市場注意，全球主要的常規船舶運營船東，都開始關注和評估天然氣燃料的運用在新造船和已有船舶改造中的可行性。對于課題船舶小型LNG 運輸船舶來說，自身貨物的自然蒸發氣可直接用作船舶的推進動力，選擇一套適合自身船舶營運和操作特點的動力系統對船舶后續的運營安全性和經濟性是至關重要的。

和傳統油類燃料相比，目前天然氣在船舶燃料中所占的比例較小，主要用于LNG 運輸船。隨著世界各國政府對環境問題的日益重視，對能源的環保和可再生的要求也越來越高，常規油類燃料的不足就凸現出來。盡管天然氣作為船用燃料具有很好的環境友好性能，但是大部分船東對采用天然氣作為船舶的主要燃料還持觀望態度。雙燃料動力系統與常規柴油動力系統的最主要區別為燃料的不同及其引起的發動機設計原理和輔助系統的不同[1]。氣體燃料與液體燃料的區別及其導致的設計安裝特點與區別，對于船舶的整體設計至關重要。因此，有必要對雙燃料動力系統的安全性、設計及安裝開展研究。

1 氣體燃料特點及安全保障措施設計特點

與傳統的液體船用燃料相比，作為LNG 運輸船主要燃料的天然氣燃料的最主要特點為低閃點。SOLAS(國際海上人命安全公約)在船用燃料安全性方面的相關規定為燃料的閃點應不低于60 ℃，而天然氣的閃點約為-175 ℃。為了使天然氣燃料能夠在船舶上使用，對其安全性是必須放在首要位置進行考慮的。一切安全保障措施的設計、布置及安裝必須基于天然氣燃料的自然屬性，包括閃點、爆炸極限及密度等屬性。

天然氣作為燃料在船舶上使用，必須進入機艙，而機艙按照SOLAS的定義，為A 類機器處所，其為具有高度失火危險的處所。天然氣作為低閃點燃料進入機艙供發動機使用，為保證天然氣的安全使用必須保證如下幾點：①保證天然氣不會泄露而導致機艙內出現爆炸極限內的大氣。②保證點火源不會在爆炸性大氣中出現。③隨時監控機艙內是否出現天然氣泄漏。④即使在出現危險情況的狀態下仍能保證船舶的最小推進要求。

為了使氣體燃料在機艙內產生爆炸的可能性最小化，IGF(國際氣體燃料安全規則)和CCS出版的《氣體燃料動力船檢驗指南》均給出了使用天然氣燃料機艙的安全準則。有2種機艙安全設計概念可供選擇，即本質安全型機艙和ESD保護型機艙[2]。

本質安全型機艙：機艙的布置應使得機艙在認可情況下(正常和不正常)均處于氣體安全狀態。

ESD保護型機艙：機艙的布置使得機艙在正常情況下被認為處于氣體安裝狀態，但在某種異常情況下可能變為氣體危險區域。當出現燃料氣體泄露等異常情況時，非安全設備(點燃源)和機械應自動關閉，只允許防爆型設備或機械運行。

對于上述2種不同的機艙設計類型、規則和規范給出了不同安全等級的設計、布置和安裝的要求。對比如表1所示。

2種類型機艙的最大區別為機艙內的供氣管路是否為雙壁管設計。2種機艙的具體特點以及技術要點如表2所示。

表1不同機艙設計規則要求對比Tab.1 Comparison of different engine room design rules

表2不同機艙設計特點對比Tab.2 Design features of different engine rooms

2 氣體燃料動力系統及其輔助系統設計特點

氣體燃料具有諸多優點：一是可以滿足IMO關于廢氣排放的要求，可使船舶在排放控制區內自由航行而不必繳納排放稅；二是不用為船用發動機安裝廢氣處理系統，能夠降低購置成本和運行成本；三是如果采用雙燃料的發動機，在排放控制區外，船用發動機燃料可在氣體燃料和燃油之間自由切換，選擇使用成本最低的燃料，可避免燃料價格波動對船舶運營成本產生較大影響。

鑒于以上諸多優勢，加上自2010年以來LNG一直被認為是未來最理想的船用發動機燃料，船東和運營商對該類發動機的興趣越來越大。目前來看，在航運市場和造船市場低迷的背景下，船東的安裝意愿不強，但等到市場好轉，從節約運營成本的角度考慮，船東和運營商一定會優先選用這種清潔燃料。此外，由于在存儲、加氣等方面的基礎設施尚不完善，目前很難對在航船舶提供及時、完善的LNG 供給，這在一定程度上也制約了此種燃料的推廣和使用，但是，隨著相關基礎設施逐步建成后，LNG 作為船用發動機燃料的主要障礙將被消除，屆時，LNG 燃料市場需求將快速增長。

瓦錫蘭DF發動機的排放物較少，NOx排放物只有相同功率柴油機的十分之一，產生CO2排放物也少。這主要歸功于天然氣燃料本身所具有的優勢?！秶H防污染公約》附則VI《防止船舶造成大氣污染規則》已于2005年5月19日生效，它對NOx的排放提出了嚴格的具體要求：對于2000年1月1日以后建造或經過重大改裝的船舶，輸出功率大于130 kW 的柴油機，當柴油機轉速n＜130 r/min 時，NOx≤17 g/(kW·h)；當柴油機轉速130 r/min≤n＜2000 r/min 時，NOx≤45 g×n-0.02 g/(kW·h)。當柴油機轉速n≥2000 r/min 時，NOx≤9.8 g/(kW·h)。顯然，雙燃料發動機比柴油機、燃氣輪機更容易滿足《防止船舶造成大氣污染規則》的要求[3]。

截至目前，LNG 船舶加氣方面的技術問題一直是限制行業發展的最主要因素。由于船舶受潮漲、潮退影響，無法確定停泊位置，而LNG 輸送管道均為低溫管道，不易延展與伸縮，給船舶加氣成了目前需要克服的最大難題。目前，國內也有嘗試利用躉船，即一種移動式的小型儲氣船只，與陸上管道實現對接，裝滿LNG 之后在水中下錨，為經過的柴油-LNG雙燃料船只加注液化天然氣，但這也僅僅停留在試驗階段，并未真正實施采用。

雙燃料系統主要包括：雙燃料發動機；燃料罐；燃料輸出系統；加注站；燃氣閥門單元；相關管路、閥門等。如圖1所示。

圖1雙燃料系統組成圖Fig.1 Composition of dual fuel system

瓦錫蘭公司是雙燃料發動機技術發展的先驅者，被公認為該領域市場的領頭羊。雙燃料發動機研發的核心理念是，在使用天然氣燃料的同時，保留使用液體燃料的能力，供其在需要時轉換。通過使用現代電子燃燒控制技術，瓦錫蘭公司為完善其燃氣發動機性能及穩定性做好充足準備。

雙燃料應用研發工作實現了燃料選擇和操作運行方面絕無僅有的靈活性。因為天然氣有害排放物較少，價格相對較低，這一靈活性已逐漸被看作是遵守環保法規、控制運行成本的關鍵因素。液氣轉換的靈活性使得可以根據需求決定使用高效燃料還是穩定燃料。瓦錫蘭雙燃料發動機，以燃氣模式運行時，能夠滿足最嚴格的環保法規要求。同液體燃料容許情況相比，其氮氧化合物排放量減少約80%。在燃氣模式下，瓦錫蘭雙燃料發動機采用稀微燃燒原則，也即汽缸中空氣與燃氣的混合物中混有超過完全燃燒所需要的空氣。瓦錫蘭雙燃料發動機技術所包含的環境可持續性中另一個要點為其高效性，這直接影響了燃料消耗量，以此降低廢物排放量。

燃氣閥門單元(GVU)主要由燃氣濾器；控制空氣濾器、惰性氣體濾器、手動關閉閥、透氣閥、模塊閥、燃氣控制閥、壓力傳感器、電磁閥等組成。裝置主要處理由燃料罐輸送過來的燃氣，并向雙燃料發動機提供穩定燃氣。

燃料罐是具有一定壓力的液態燃料儲存罐，需要經過主蒸發器(MGE)通過乙二醇與水的混合液將液態的LNG 燃料加熱至氣態，通過主供氣閥將燃氣輸送至GVU，另外為了使燃料罐內部保持一定的壓力，需要另外配備一個蒸汽壓力換熱器(PBE)，將一部分液態燃料通過乙二醇與水的混合液加熱至氣態，重新回到儲液罐的頂部，并對管內的液體產生一定壓力。為滿足規范的相關要求，在機艙內的燃氣管需采用雙壁管，并在管壁間的空隙用壓縮空氣進行應急吹掃[4]。

3 雙燃料發動機與常規柴油機的布置及輔助系統的安裝設計區別

無論是何種燃料的發動機均需要遵循以下的基本原則：①應滿足相關規范、公約、規則及入級符號的特定要求；②要求動力裝置能夠可靠而持久地工作，提供足夠的航行動力，保證航行安全，同時便于船員管理維修；③采取綜合利用、多層布置設備的方法盡可能地充分利用機艙空間、縮小機艙長度，以增加船舶貨艙容積；④各種機械設備相互間位置分布合理，按其功能不同(如船舶系統、冷卻水、燃油、滑油、電站等)分區布置，以便于維護使用并節省管路；⑤主要通道、開口、艙柜、艙室的布置應考慮船體結構的完整性，設備基座簡單合理以便施工建造；⑥應盡量保持左、右兩舷重量平衡，且盡可能降低重心。

機艙內布置有大量動力設備、油水艙柜、管路和電纜，為了充分合理利用空間，在進行布置時，除了需要遵從上述基本原則之外，針對不同的設備還應根據設備自身特性關注布置要點。從布置上不僅需要將無論是雙燃料發動機還是常規柴油機布置在機艙內，還需要注意發動機所需要的輔助設備的布置空間以及布置位置，達到滿足設備正常運行以及合理的維修空間的要求。以本船為例，無論何種發動機均會布置在機艙的下平臺，并且除了發動機以外還需要布置相應的輔助設備。如雙燃料發動機所需的主燃氣閥組單元，排煙管驅氣風機等設備，還需要布置無論何種發動機均需要的燃滑油系統，壓縮空氣系統，冷卻系統以及相應的設備。各系統設備相對處在比較集中的區域，并且在布置時充分考慮主機接口的分布位置，可以實現簡化管線、方便維護的目的[5-6]。

從系統設置上來說無論是雙燃料發動機還是柴油發動機的輔助系統有許多相同之處。如：均會設有燃油系統、滑油系統、壓縮空氣系統、冷卻水系統、排氣系統等。但由于雙燃料的特殊性也會存在一些明顯的區別。

任何型式發動機的燃油系統均需要考慮燃料的輸送、供給、泄放等系統的設計。除常規的系統以外，雙燃料發動機的燃氣供給系統是一個專用的系統(圖2)。

圖2 燃氣供給系統圖Fig.2 Gas supply system diagram

對于本項目每臺雙燃料發電發動機配1支燃氣閥組單元，并布置于機艙內，通過雙壁管與發動機供氣管相連接。自貨物區域的燃氣管路分為3條支管，分別接入機艙內的3臺燃氣閥組單元，發動機的燃氣供給系統各自獨立。雙壁管的環形空間管路及放空管路接至機艙外露天甲板。燃氣閥組單元采用封閉式結構，內部空間與燃氣雙層管環狀空間相通，每臺發動機燃氣供給系統分別配置抽風機連續抽風。除此以外還從首部氮氣發生器將氮氣接入每個燃氣閥組單元，用于燃氣管路的惰化與吹掃。

雙燃料發動機為安全起見，防止未燼燃燒的燃氣進入排氣系統造成船舶的不安全因素。在排氣系統中額外設置有離心驅氣風機以及防爆蓋等安全設施。在本項目研究對象中雙燃料發動機廢氣經增壓器排至廢氣經濟器和火星熄滅消音器后直接排入大氣，在增壓器后設置離心式驅氣風機及相應的控制閥，用于在燃氣模式停機后驅除排氣管內可能存在的可燃氣體。另外，經過計算后按排氣管的實際布置及位置設防爆蓋，滿足規范要求。

4 總 結

節能環保、低碳已經成為未來全球航運業發展的方向，面對環保以及競爭的壓力，LNG 作為新興的船用動力燃料越來越受到航運產業的關注與青昧。目前，LNG 動力船舶在國內外越來越受青睞，其推廣步伐也會不斷加快。與傳統燃料相比，LNG 燃料作為船舶燃料具有體積小、熱值高、容量大、供應足、污染少、易運輸、更安全等不可替代的優勢。未來LNG 作為新興船用動力燃料在我國應用和推廣依然面臨很多挑戰，亟待更深入的研究探索。