三用工作船使用液化天然氣難點分析

(中國海洋石油油田服務股份有限公司 裝備管理部, 北京 101149)

多年來，船舶的節能環保措施雖然根據不同的船舶類型，通過優化船舶線型設計、采用柴電混合推進、電力推進等一系列優化手段來進行。但是，這些方式和手段都沒有改變柴油或重油作為主要燃料會產生大量污染空氣的排放氣體的本質。雖然氫燃料、核燃料等均在研發之中，但就目前來看，液化天然氣(LNG)最具發展潛力[1]。

傳統的燃油發動機優化設計的空間有限，未來船舶由“燃油”改為“燃氣”的趨勢日益明顯。瓦錫蘭集團的W50DF、W34DF/32DF和W20DF發動機成功實現雙燃料應用，標志著可以靈活選擇LNG或燃油的雙燃料發動機正在高速發展，使船舶邁向“燃氣”時代在技術上成為可能。

1 三用工作船的特點及主要性能要求

三用工作船(anchor handling towing ship AHTS)是海洋工程船舶的主要類型。

1.1 主要功能

1)為海洋石油移動式鉆井平臺和浮式裝置的錨、錨泊系纜系統包括鋼纜、錨鏈或合成化纖纜提供起拋錨、移位、就位等作業服務。

2)具有足夠大的液體貨艙、散料和甲板貨物的裝載運輸供應能力，為海上鉆井平臺供應鉆井物資、鉆井鋼管、散裝水泥、鉆井泥漿、鉆井水、鹽水、基礎油、輕柴油、淡水等。

3)作為鉆井、采油、修井作業等各類平臺或海上其它大型漂浮物遠距離拖航的主拖船，執行海上遠距離拖帶作業任務。

4)執行鉆井、采油、修井作業等各類平臺或其它海上結構物的長周期安全守護值班、搶險救助和后勤保障等任務。

5)具備對外消防滅火作業能力。

6)為海洋石油工程水下作業提供多種支持、輔助作業和后勤保障。

7)配備溢油回收儲存，消除油污等作業功能，具有井位防污染控制能力。

1.2 特點分析

1)由于海洋工程體現時效性以及一些作業(例如拖航作業、靠平臺作業、緊急物資運輸、海上救生救助等)對船舶穩定性、航速及拋錨定位或動力定位的性能要求更高。

2)三用工作船承擔著海上油氣勘探開發各個階段的工程物資運輸、拖航、起拋錨作業等工作任務，故該類船舶在設備配置上必然需要將更多的專業大型設備和設施設計、安裝在船上，所以這類船舶在設計上處理好空間的合理利用與設備的合理布置難度很高，尤其是在三用工作船的設計和建造上。

3)三用工作船由于主要工作是海洋工程作業，作業時正車、倒車、靠泊等為主要工況，船舶主機及變速箱的動力輸出與其它固定航線的客/貨運船舶的長時間、單向衡功率輸出運轉有很大不同，這對海洋工程船舶的可操作性以及動力總成在動力輸出劇烈變化工況下的工作穩定性、可靠性以及動力響應特性提出更高的要求。

2 LNG系統應用難點

2.1 采用LNG燃料發動機的難點

目前LNG發動機主要有兩種方式：①雙燃料發動機，例如瓦錫蘭和MAN公司的雙燃料發動機；②火花點火式且僅以LNG為燃料的發動機，例如勞斯萊斯和三菱重工均有此類產品。這兩種發動機的主要區別在于前者需要副氣缸壓燃用于點火的柴油來點燃噴入氣缸的LNG，且這種發動機可以進行主燃料在柴油和LNG間切換；而后者采用類似汽油機的火花塞形式，靠高壓電弧引燃噴入氣缸內的氣化LNG。

對于新建三用工作船，使用LNG燃料發動機在設備方面困難相對較少，主要考慮所采用的雙燃料發動機的功率輸出是否滿足船舶整體性能的要求，據此選擇適合的機型即可。而對于改造船舶，一方面需考慮改造柴油機系統所更換和新增的部件，同時更需要考慮改造后的發動機輸出功率等性能參數的改變，若雙燃料發動機動力輸出性能與原柴油機動力輸出性能偏差過大，必將影響船舶的整體性能。

部分柴油機廠家對于現有機型進行雙燃料改造的回復意見見表1。

表1 部分柴油機廠家對于現有機型進行雙燃料改造的回復意見

通過與部分世界知名船用柴油機廠家的溝通，發現對于現有柴油機進行改造，由于一些技術和經濟性方面的原因，將其轉化為LNG/柴油雙燃料發動機的困難較大。例如錫蘭DF系列發動機，從常規燃油發動機改裝為雙燃料發動機需要更換雙聯噴油嘴、缸頭、活塞/環、缸套/承磨環、連桿上端、增壓器、定時機構、控制系統等主要部件。同時，燃料供給系統和輔助系統需要增加排氣監控系統、進氣門、引燃油系統(濾器、泵、相關管線)等部件。

2.2 系統布置的難點

隨著雙燃料發動機和天然氣發動機的推廣應用,LNG可作為船舶燃料來使用。但船舶LNG燃料供應系統和儲存裝置同樣是LNG用作船舶燃料的關鍵環節。LNG儲存罐體積小,技術難度大, 天然氣燃料供應系統復雜,這給船舶的設計和建造帶來了很大的難度[2]。LNG的能量密度僅為重油的一半左右，LNG在船舶上的存儲液艙與傳統的柴油液艙相比需要更大的容積，且由于LNG儲罐的布置還需要一系列的輔助設備設施，沒有燃油艙的布置方式靈活。

LNG系統應用在海洋工作船上，不僅需要主機適應LNG燃燒的工況，從船舶總體來看，LNG的過駁、存儲、輸送、安全監控以及所有這些設備的布置安裝以及由此帶來的船體結構、設備布置、危險區域劃分、安全操作及預案等一系列因素都必須加以考慮。LNG燃料供給系統示意見圖1。

圖1 LNG燃料供給系統示意

由圖1可見，采用LNG作為燃料，需要在船舶上布置LNG儲罐、低溫艙、氣化裝置、冷卻裝置、加注裝置等一系列設備設施，用來駁運、存儲、氣化和傳輸LNG至主機；而傳統的柴油機僅需要將燃油從油柜輸送到主機即可。對于船舶由柴油動力改造為LNG動力，需要考慮以下問題。

1)增加LNG儲罐。對于新建船舶可在甲板下設計儲罐；而對于改造船舶，一般是安裝在船舶的艏部或者艉部甲板。在儲罐和主甲板上的艙室之間應設有隔離空間，從而使儲罐與艙室和機艙隔開，以確保船舶運營安全和船員生命安全。這一要求對于甲板面積足夠大的貨船而言是易于實現，但對于三用工作船，甲板面積的占用和甲板裝載量的降低意味著船舶的整體性能大幅降低。

2)增加可燃氣體探測裝置。

3)增加一套LNG供氣系統和柴油-LNG雙燃料電控噴射系統，并通過電子轉換開關，實現單純柴油燃料狀態下和油氣雙燃料狀態下兩種模式運行。

4)儲罐的所有控制點都有傳感器，能自動或手動切斷氣源。

5)增加專用的氣泵艙和壓縮機室。

6)增加高要求的氣體燃料管系。

7)電氣系統及監控系統更為復雜。

8)防火分隔和危險區域劃分以及氣體監控和消防系統的增強。

9)改造后的船舶由于新增了一系列的設備設施以及改造工程、其重量、重心、裝載量等一系列參數會隨之改變，故船舶的參數和性能需重新試驗和修正并得到船級社的批準。

2.3 其它難點

1)續航能力弱。以LNG為燃料的船舶最高續航能力較低，達不到遠洋運輸要求。究其原因，船舶燃油艙體積雖大，但可以在船上見縫插針隨機安放；而LNG儲存罐系統復雜，布局難。這給船舶設計和建造帶來了很大的難度。

2)瓦錫蘭公司設計的LNG/柴油雙燃料發動機按照設計規定每2 000 h就要停機一次進行維護保養，這一周期遠遠低于燃氣輪機和柴油機的保養周期，這給船舶設計上動力機組配置的冗余性提出了更高的要求，即設計上必須考慮雙燃料發動機停機維護時的正常工況保證措施。

3)港口LNG補給設施不配套。盡管LNG補給并不困難，但是港口方面目前尚未建立起完備且實用的配套體系。

4)初始成本較高。LNG船舶所載貨物為常壓下攝氏零下163 ℃的液化天然氣，貨物圍護系統均為耐超低溫的材料和設備，昂貴的貨艙材料、高性能的機電設備、高程度的自動化系統和世界頂級船舶的建造標準和要求，致使LNG船建造成本比普通商業船舶大得多。

3 應用前景與挑戰

1)由于三用工作船對于續航能力、抗風暴能力、甲板面積及裝載特性要求很高且船上安裝有大型拖纜機等海洋工程大型設備，所以雙燃料發動機極其系統的設計、布置安裝、以及性能距離實船使用還有較多的困難。

2)應用LNG/柴油雙燃料系統將能在一定程度上滿足續航能力等方面的要求，在LNG不能及時補給時可切換至柴油燃料模式，采用雙燃料發動機是設計建造該類船舶的較好選擇。

3)對于現有的三用工作船，由于改造該類船舶需要面臨發動機極其輔助系統、LNG存儲、船舶裝載量降低、新增危險區域等一系列問題，部分柴油機廠家認為對于相對較老的機型沒有進一步必要。

4)雖然DNV船級社和德國勞氏船級社等頒布了相應的指南，但相應的國際和國內規范依舊不健全，應盡快頒布適合我國自身條件的LNG設計規范及制定施工標準，以指導LNG應用領域的設計、施工安裝和運行管理。

5)雖然三大石油公司均已開展沿海地區LNG項目的前期研究工作，積極推進LNG大型接收站和補給站的建設，但目前這些設施尚不健全，在國內使用LNG作為燃料依然補給困難。

6)雖然采用LNG或LNG/柴油雙動力機組的船舶在設備維護費用上將比傳統的燃氣輪機和柴油機組更高，但考慮到國內LNG價格上的優勢，綜合運營成本可能更低。

[1] 張振新，葉初華，何長中.液化氣船船型結構、設備與安全運輸[M].北京：人民交通出版社，1994.

[2] 李永鵬.LNG燃料船舶的機遇和挑戰[J].青島遠洋船員學院學報，2010(4)：30-32.