LNG雙燃料動力船舶設計探討

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(泰州口岸船舶有限公司，江蘇 泰州 225321)

隨著全球?qū)ξ廴疚锱欧乓蟮娜找鎳栏?，特別是船舶航行在ECA(emission controlled area)、加勒比海和加利福尼亞區(qū)域，強制要求船舶有更低的NOx和SOx排放。另外，即將施行的IMO TierⅢ排放標準，也無疑使如何降低船舶發(fā)動機的污染物排放成為一大研究課題。

目前，降低排放的主要途徑有：使用低硫燃料(MGO)、安裝廢體處理裝置(SCR)、使用LNG燃料。使用價格昂貴的MGO或者投入安裝SCR裝置都會增加船舶運營成本。雙燃料發(fā)動機無疑是一個很好的解決方案，極具市場前景和發(fā)展空間。同其它船用燃料相比，LNG燃料最主要的優(yōu)點是對環(huán)境影響較小，排放量少。據(jù)統(tǒng)計，采用LNG燃料可以減少10%～20%的CO2排放量，90%的NOx排放量，100%的硫化物和顆粒物排放。

1 雙燃料發(fā)動機優(yōu)勢明顯

雙燃料發(fā)動機是氣體發(fā)動機的一種，但又與純氣體發(fā)動機不同，它既可以用LNG作為燃料又可以用柴油(輕質(zhì)燃油和重油)作為燃料，并且可在工作過程中實現(xiàn)不同燃料之間的自由轉(zhuǎn)換。由于LNG屬于清潔能源，以其為燃料的船用發(fā)動機廢氣排放量大大降低，環(huán)保性能好，能夠滿足IMO目前最嚴格的Tier III排放標準要求。

將雙燃料發(fā)動機作為船舶動力裝置有諸多優(yōu)點。

1)由于LNG價格比燃油價格低廉，使用LNG作為燃料可以降低船舶營運成本。

2)不用安裝廢氣處理系統(tǒng)，從而降低船舶購置成本和運行成本。

3)與純氣體發(fā)動機船舶相比，雙燃料發(fā)動機船舶的安全性能高，萬一發(fā)生氣體泄漏，仍可使用燃油作為燃料，且不影響船舶的動力和航速。

2 雙燃料發(fā)動機船舶的設計要點

2.1 LNG燃料艙布置

LNG燃料艙一般布置在甲板上方或下方。見圖1。

圖1 LNG燃料艙布置示意

LNG燃料艙如果布置在甲板上方，復雜性和成本都較低。由于LNG在燃料艙中以輕質(zhì)液體狀態(tài)存在，其密度和粘度特性使得LNG液體容易產(chǎn)生晃動。液體LNG晃動會摩擦生熱，進而導致溫度升高，即使微小的溫度變化也會產(chǎn)生比正常蒸發(fā)更多的氣體[1]。所以， LNG燃料艙布置應靠近船舶橫搖和縱搖中心的位置處，以減少晃動。

如果燃料艙布置在甲板下方，則需要設隔離區(qū)、防爆裝置、專用通風系統(tǒng)以及更多的控制報警裝置。一般在LNG儲罐位置需要安裝2個可燃氣體探測器，在機艙內(nèi)部也要安裝可燃氣體探測器。在機艙頂部布置2臺軸流式防爆風機。一旦發(fā)現(xiàn)氣體泄漏，能自動關閉電動截止閥切斷燃氣的供應，并啟動風機進行強制通風。

另外，LNG燃料艙不能布置在貯藏燃油的位置(比如翼艙)。LNG燃料艙所占空間比傳統(tǒng)的柴油燃料儲存艙所占空間大4倍左右，重量也比后者重1.5倍。這樣LNG燃料艙無論布置在甲板上還是甲板下，都會損失貨艙的裝載量。對于船長方向的位置，還應考慮對船舶貨物裝載的影響。

2.2 儲存罐的選型

為了減少晃動，最理想的LNG儲罐外形應為球形。后來演變?yōu)閮啥藶榘雸A形的圓柱體，通常圓柱形儲罐在船上通常為縱向布置，見圖2。

圖2 布置在甲板上的圓柱形儲罐

最近又出現(xiàn)了棱柱形的，也有非常規(guī)的LNG儲罐形狀，總之所有的設計都會受到其他因素的制約，從而對外形產(chǎn)生影響。從LNG儲存罐的選型來看，一般都采用如圖3所示的C型罐。這是因為C型罐設計獨立、壓力靈活、便于安裝、無氣體泄漏、無需維護費用等，但缺點是需要大量空間。

圖3 C型儲氣罐

設置在甲板下方的每個LNG儲罐裝置都應配有通風裝置，通風裝置的出口與任何可能著火源至少要保持10 m的距離。通常在儲罐上方或附近設置有桅桿式通風裝置，加注管路設有過壓安全閥與該通風桅桿連接。

2.3 燃料加注

加氣站位置是隨儲存罐的位置而定，如果位于底部，那么加燃料過程中的能量損失較少且具有較好的冷卻性(可設冷卻器)，從而減少氣化。燃料加注位置設在上部的優(yōu)越性在于燃料補給管不易受到外部的影響而發(fā)生故障。根據(jù)現(xiàn)有的規(guī)范，燃料站不能設置在1/5船寬內(nèi)。有規(guī)范要求，加氣站與其相鄰的處所之間采用“A-60”級防火分隔，其周圍規(guī)定的范圍內(nèi)不得有通風及艙室開口[2]。

LNG貯存在低溫環(huán)境中，且一旦泄漏會損壞船體結(jié)構(gòu)。為了確保管道是干燥的，在加注前應向LNG輸送管道中吹入惰性氣體(如氮氣)，以排除管道中空氣和水汽。直到管內(nèi)空氣完全排凈，管內(nèi)全部為LNG液體時才可以進行加注。

同樣在燃料補給結(jié)束后，必須確保補給管中的LNG已經(jīng)完全進入LNG燃料艙或者流回燃料站。因為1 L的液態(tài)LNG可以產(chǎn)生600 L的蒸氣，也就是說液態(tài)LNG氣化會吸收大量熱量。如果有液態(tài)LNG殘留在管道中，會對管道產(chǎn)生冷脆性破壞。

此外，燃料站必須在集管箱下方安裝一個由耐低溫材料制成的承滴盤。根據(jù)《氣體燃料動力船檢驗指南》要求承滴盤由不銹鋼制成，該盤裝滿后應通過耐低溫泄放管將溢出的液體排到舷外的水面上。這樣即使發(fā)生燃料泄漏，也可以保證周圍的船體或者甲板結(jié)構(gòu)免遭低溫破壞。

2.4 雙層壁燃氣管路

雙層壁管路可以降低燃氣檢測、通風等方面對船舶機艙設計的要求，從而簡化了機艙布置。見圖4。

圖4 雙層壁管路模型

穿過圍蔽處所的供氣管路需要采用雙壁管路，雙層壁管路的內(nèi)管含有氣體燃料。同心管之間的空腔用惰性氣體加壓，其壓力要大于氣體燃料的壓力。當此空腔內(nèi)惰性氣體壓力降低時，報警系統(tǒng)會報警予以警示。如果內(nèi)管含有高壓氣體，當主氣體閥關閉時，位于主氣體閥和發(fā)動機之間的管路可以自動進行惰性氣體吹掃。

除使用雙層壁管路外，也可以將氣體燃料管路安裝在通風的導管內(nèi)。氣體燃料管路和導管內(nèi)壁之間的氣室安裝有機械式抽風機，其至少換氣30次/h。若導管內(nèi)裝有氣體探測設備，當探測到發(fā)生氣體燃料泄漏時，導管內(nèi)自動充灌氮氣，此時低壓通風能力可減至10次/h[3]。風機應符合安裝區(qū)域的防爆保護要求。通風口應設置保護屏，保護屏布置在無可燃燃氣，即空氣混合氣可能被點燃的位置。

2.5 特殊要求的排氣系統(tǒng)

對于使用LNG氣體燃料為動力的船舶，其排氣管要盡量一直向上傾斜，讓可能進入排氣系統(tǒng)的燃氣不會在系統(tǒng)內(nèi)積聚，見圖5。

圖5 排氣管通風裝置示意

另外，還需要布置排氣管保護泄放法蘭，這樣即使發(fā)生爆炸也不會損壞排氣管的主體，保護泄放法蘭的數(shù)量和布置位置應根據(jù)排氣管的布置而定。另外，根據(jù)規(guī)范要求布置排氣管通風裝置，該裝置應在燃氣模式下停車后對排氣管進行通風。

2.6 獨特的供氣系統(tǒng)

2.6.1 GI型機高壓進氣系統(tǒng)

MAN公司的低速二沖程ME-GI型機采用高壓進氣系統(tǒng)，其供氣流程見圖6。

圖6 GI型機供氣系統(tǒng)流程示意

ME-GI型機由ME型機改裝而來，需要在原ME型機基礎上增加一套燃氣噴射系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。但是，該機需要燃氣以30 MPa的高壓噴入，這樣液態(tài)的LNG便需要通過蒸發(fā)器和高壓泵，使其達到需要的溫度和進氣壓力。

2.6.2 DF型機低壓進氣系統(tǒng)

中速四沖程DF機則可以采用如圖7所示的低壓進氣系統(tǒng)。通過儲存罐內(nèi)氣體本身的壓力，使LNG流向主蒸發(fā)器。一般，使用乙二醇的水溶液作為加熱媒介來加熱液態(tài)LNG燃料使其達到需要的溫度和壓力。然后，燃料氣體通過布置在主機附近的燃氣閥單元(GVU)，該單元對主機的燃料進氣進行調(diào)節(jié)和控制。GVU選型與主機的功率和LNG熱值有關。

圖7 DF型機供氣系統(tǒng)流程示意

3 結(jié)束語

LNG燃料的低排放和價格優(yōu)勢一直被認為

是未來最理想的船用發(fā)動機燃料。與傳統(tǒng)柴油動力船舶相比，LNG雙燃料船舶主要涉及LNG燃料艙的布置和主機供氣系統(tǒng)的修改，圓柱形存儲罐所需空間約為等量柴油所需空間的3～4倍，特殊的儲氣罐和艙室結(jié)構(gòu)增加了LNG儲存的重量，約為船用柴油的1.5倍，使建造成本增加約8%～20%，同時維護成本也會隨之增加 。

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雙燃料發(fā)動機船舶的推廣和使用。但是，隨著相關基礎設施逐步建成，LNG雙燃料動力船舶以其綠色環(huán)保的優(yōu)勢一定會得到船東青睞。

[1] 周羽歡.LNG燃料船的設計[J].中國船檢,2012,(3):58-62.

[2] 中國船級社.氣體燃料動力船檢驗指南[S].北京:人民交通出版社,2008.

[3] 中國船級社.雙燃料發(fā)動機系統(tǒng)設計與安裝指南[S].北京:人民交通出版社,2007.