LNG雙燃料系統(tǒng)技術(shù)方案準(zhǔn)備

(揚(yáng)州中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225211)

0 引言

LNG因其儲(chǔ)量豐富、安全穩(wěn)定、價(jià)格低廉及環(huán)保屬性，已經(jīng)成為替代燃油的首要選擇。隨著運(yùn)輸船規(guī)模的擴(kuò)大、加注站和加注船的增多、LNG技術(shù)在應(yīng)用過程中的優(yōu)化和改進(jìn)，運(yùn)輸成本高、加注困難和技術(shù)穩(wěn)定性等問題正在逐步得到解決，頁巖氣技術(shù)的發(fā)展和探明儲(chǔ)量的增加，也促使價(jià)格進(jìn)一步下降。由于新造船舶的設(shè)計(jì)使用壽命較長，必須具有技術(shù)前瞻性，LNG雙燃料船舶既可以應(yīng)對目前LNG單燃料的不足又能滿足技術(shù)前瞻性的要求，已經(jīng)成為船東的首選，造船企業(yè)應(yīng)盡早做好技術(shù)方案的準(zhǔn)備。

1 LNG雙燃料系統(tǒng)及關(guān)注的重點(diǎn)

LNG雙燃料系統(tǒng)包括存儲(chǔ)、輸送、汽化、閥組單元、惰氣、通風(fēng)及控制系統(tǒng)等共計(jì)模塊和雙燃料主機(jī)、雙燃料發(fā)電機(jī)和雙燃料鍋爐等消耗設(shè)備。

現(xiàn)代總裝造船模式下，船廠的主要職能為整體設(shè)計(jì)并組織采購、生產(chǎn)、總裝、安裝和調(diào)試等工程以滿足既定的設(shè)計(jì)指標(biāo)。對于LNG雙燃料系統(tǒng)的技術(shù)方案，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注對船舶整體性能有影響LNG燃料艙的選型及布置和主機(jī)選型等關(guān)鍵技術(shù)，具體的技術(shù)細(xì)節(jié)由專業(yè)化的配套企業(yè)予以解決。

2 燃料艙的選型與布置

燃料艙的選型及布置問題，關(guān)系到船舶總體布置、穩(wěn)性、性能和規(guī)則規(guī)范的適用性等，應(yīng)根據(jù)船舶的建造及運(yùn)營特點(diǎn)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合考慮，針對不同船型，給出差異化的技術(shù)方案。

2.1 選型

燃料艙由運(yùn)輸船的存儲(chǔ)艙衍生而來，主要分為獨(dú)立型和薄膜型2大類，針對燃料艙需要部分裝載能力、技術(shù)成熟度高和安全性高的特點(diǎn)，主要包括獨(dú)立B型、C型以及薄膜型的 MARK Ⅲ等，具體特點(diǎn)如表1。

表1 燃料艙形式對比表

C型燃料艙經(jīng)濟(jì)性好、技術(shù)成熟度高、工藝簡單、不延長施工周期、承壓能力強(qiáng)且可以靈活選擇壓力值、泄露風(fēng)險(xiǎn)小，安全性強(qiáng)、維護(hù)保養(yǎng)方便等，是比較理想的選擇。但是一般為對稱布置的雙層罐體，占用空間較大，單位重量大于其他形式，對于燃料需求量大的超大型集裝箱船適應(yīng)性不強(qiáng)，對船舶穩(wěn)性和裝載空間有影響，需考慮其他形式。B型在耐壓性、材料、施工周期、專利費(fèi)和技術(shù)成熟度方面均優(yōu)于MARKⅢ，而MARKⅣ有限的施工和材料供應(yīng)商、嚴(yán)苛的施工條件和環(huán)境要求均不利于其推廣成為燃料艙。

2.2 布置

燃料艙應(yīng)布置在船舶橫搖和縱搖的中心以減少燃料艙的晃動(dòng)并兼顧經(jīng)濟(jì)性和安全性，目前接受度較高的3種布置方式為主甲板以上船艉區(qū)域、上建前部區(qū)域和主甲板以上區(qū)域，其特點(diǎn)如表2。

表2 燃料艙布置特點(diǎn)對比表

布置在甲板上方，考慮自然通風(fēng)即可，安全性高，系統(tǒng)簡單，經(jīng)濟(jì)性好，布置在甲板下方，需要設(shè)置隔離區(qū)，防爆裝置，專用通風(fēng)系統(tǒng)及更多的安全控制報(bào)警裝置，系統(tǒng)較為復(fù)雜，初始投資高，損失載貨空間，因此如無特殊限制，布置在甲板上方應(yīng)為優(yōu)選方案，除超大型集裝箱船因燃料需求量大，燃料罐體積和重量較大，且船舶重心高，甲板空間需用于載貨，須考慮布置在主甲板以下空間，從控制載貨空間損失考慮，多數(shù)布置在上建生活區(qū)正下方，但需要提前做好生活區(qū)的防震準(zhǔn)備。散貨船和中小型集裝箱船的上建前部為裝載空間，需要考慮布置在船艉區(qū)域，應(yīng)避免影響系泊設(shè)備使用，而油輪的甲板空間較大，考慮布置在縱搖的中心以提高船舶穩(wěn)性和減少燃料艙的晃動(dòng)，優(yōu)選布置在上建前部。

3 主機(jī)選型問題

雙燃料主機(jī)主要有兩種形式，一種為Diesel循環(huán)，與傳統(tǒng)主機(jī)原理相同，一種為Otto循環(huán)，在上行過程中噴入燃?xì)猓瑢⑷細(xì)夂涂諝饣旌喜嚎s，在上止點(diǎn)噴入點(diǎn)火油點(diǎn)燃，兩種形式在控制溫室氣體和硫化物排放方面性能顯著，差異見表3。

表3 主機(jī)特點(diǎn)對比表

Diesel循環(huán)的主機(jī)在熱效率、控制缸內(nèi)爆燃和燃料品質(zhì)方面均領(lǐng)先于Otto循環(huán)，但點(diǎn)火油需求量較大，特別是其供氣系統(tǒng)壓力過高，對系統(tǒng)密封性要求較高，安全風(fēng)險(xiǎn)顯著增加，同時(shí)需要額外加裝SCR或EGR來滿足TIER Ⅲ，增加系統(tǒng)復(fù)雜性的同時(shí)，使初期投資變大，經(jīng)濟(jì)性變差，而Otto循環(huán)為預(yù)混合燃燒，燃燒溫度低，NOX的生成量少，能夠滿足TIER Ⅲ，同時(shí)供氣系統(tǒng)壓力低，系統(tǒng)簡單可靠，安全性高，雖然對LNG的甲烷值有限制，但目前全球90%以上的LNG甲烷值均高于65，基本不存在使用限制，雖然甲烷逃逸量略大，但仍在安全范圍內(nèi)，并可以通過改善氣閥重疊角、活塞倒角和燃燒室形狀等技術(shù)來減少甲烷逃逸量，建議優(yōu)選Otto循環(huán)的雙燃料主機(jī)。

4 結(jié)語

散貨船船與中小心集裝箱船應(yīng)采用C型布置在船艉區(qū)域，油輪應(yīng)采用C型布置在上建前部，超大型集裝箱船應(yīng)布置在上建生活區(qū)下部，主機(jī)均采用Otto循環(huán)進(jìn)行技術(shù)方案準(zhǔn)備，后續(xù)應(yīng)結(jié)合營運(yùn)需求確認(rèn)燃料艙的儲(chǔ)量，罐體區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和主機(jī)型號(hào)和功率選定等問題來優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，同時(shí)做好建造策劃，優(yōu)化生產(chǎn)順序，研討安裝和調(diào)試工藝，做好生產(chǎn)準(zhǔn)備，形成LNG供氣系統(tǒng)的獨(dú)立設(shè)計(jì)能力，自行組織采購以降低成本來增強(qiáng)市場競爭力。