拖網漁船LNG單燃料動力系統的設計

裘繼承

摘 要：本文以LNG單燃料動力拖網漁船為例，主要介紹LNG動力系統的設計：LNG動力系統的安全設計、LNG動力管系的設計、LNG冷能利用。

關鍵詞：LNG動力系統 ；本質安全機器處所； 雙壁管； LNG冷能利用

中圖分類號：U677.6 文獻標識碼：A

1 前言

隨著LNG燃料動力船舶的快速發展和應用，LNG動力系統的安全、環保、經濟等因素受到越來越廣泛的重視。本文以我院LNG單燃料動力拖網漁船設計為例，對LNG動力系統、安全系統、LNG冷能利用及其LNG動力管系的設計進行分析總結，交流經驗，以利LNG單燃料動力在實船上得到更廣泛的應用。

2 LNG單燃料動力拖網漁船概述

本船為鋼質全焊接結構、尾滑道單拖網漁船，具有傾斜首柱（帶球首），尾機型、雙機、雙槳、雙舵，用于南海海域進行拖網作業，其主要作業海域為西沙或補給條件下南沙。本船總長53.6 m、型寬8.50 m、型深4.4 m，設計航速10 kn，續航力不小于1 500 n mile，船員14人。

本船主推進采用2臺船用單一氣體燃料發動機，功率為420 kW；配置2臺船用單一氣體燃料主發電機組，輸出電功率分別為120 kW和64 kW。

在LNG儲氣罐艙設置1個LNG儲罐，儲罐的總容積約100 m3；設置2套LNG氣化器及2個緩沖罐，其中1套LNG氣化器及1個緩沖罐供氣給1臺主機和1臺120 kW發電機組，另1套LNG氣化器及1個緩沖罐供氣給1臺主機和一臺64 kW發電機組。

3 LNG動力系統的安全設計

3.1 機艙設計的原則

LNG燃料動力船機艙的安全性和可靠性必須得到保證，應將氣體燃料發生泄漏和產生危害的概率和影響降至最低。設計的原則是：盡量將危險區域減至最少，以降低可能影響船舶、人員和設備安全的潛在風險；采取適當的防護措施，使氣體燃料系統免受外部損傷；消除危險區域內的著火源，以降低爆炸的概率；設有適當的控制、報警、監測、切斷和氣體探測系統， 確保氣體燃料系統安全、可靠運行；針對潛在的火災風險設置探火、防火和滅火措施。

3.2 機艙形式的選擇

根據CCS《天然氣燃料動力船舶規范》（2013）3.1.1.2：含有天然氣燃料動力系統（包括雙燃料動力系統）的機器處所應按本質安全機器處所，或ESD防護式機器處所，或增強安全機器處所要求進行布置。

本質安全型機艙要求對機艙內的所有供氣管路進行氣密環圍，如采用雙壁管，這樣可以降低管路氣體燃料泄露帶來的風險，提高了機艙的整體安全水平。但該類機艙對于供氣管路和發動機的技術要求較高，雙壁管不僅制造成本高，而且施工、安裝、檢驗、維護也復雜。供氣管路與發動機氣體噴射閥的連接應設置雙壁管，其布置應能使得方便地對氣體噴射閥和氣缸蓋進行更換和/或檢查。發動機本體上的供氣管路同樣應采用雙壁管，直至氣體進入氣缸。

ESD防護式機艙其內部的供氣管路可不設氣密環圍，但需滿足產生推進功率和電力的發動機布置在兩間機艙內，且任何一間機艙內的燃料供應被切斷時，其余機艙應能維持至少40%的推進功率和正常的電力供應以用于航行。本船作為一型拖網漁船，推進系統分成兩個機艙布置，必然要犧牲一部分魚艙的空間，這對于船東來說是很難接受的。另外，應安裝氣體探測裝置，并能自動切斷氣體供應和斷開所有非防爆設備或裝置。

增強安全型機艙供氣管路可不設氣密環圍，可不采用分艙的形式。機艙的安全水平主要通過以下措施得以保證：供氣管路的連接應采用對接焊全焊透型式，并100%進行射線檢測，可能產生泄漏的部件或接頭應布置在氣體閥件單元處所內，該處所內設有通風系統和氣體探測器；當探測到機艙和氣體閥件單元處所內可燃氣體濃度達到20% LEL、控制閥自動關閉而停止氣體燃料供應、機艙風機因故關停、探測到供氣管路破裂等情況時，發動機應自動轉換為燃油模式。而本船采用的是單一氣體燃料發動機，所以不能采用此類型機艙的設計。

考慮到本船將安全因素放在第一位及機艙的布置情況，因此將機艙設計成本質安全機器處所。

3.3 LNG儲氣罐艙的安全設計

由于LNG儲氣罐艙屬于圍蔽處所，一旦發生LNG泄漏事故，雖然LNG儲氣罐艙設有機械通風系統，也很難保證可以將艙內的天然氣完全排出。考慮安全因素，所以將LNG燃料圍護系統設計成泄漏的可能性基本不存在。

本LNG氣罐設有左右兩個氣罐連接處所，氣罐連接處所各自包含有根部閥、氣控緊急截止閥、壓力釋放閥、汽化器、緩沖罐、氣體互鎖閥組、溫度壓力液位各傳感器等。將所有可能發生氣體泄漏的閥件、附件及設備統一布置在一個氣密處所。另外，從氣罐連接處所的燃氣出口一直到機艙的發動機氣體閥件單元的這段管路上都沒有任何的閥件附件，所以基本不存在氣體泄漏的可能性。

4 LNG動力管系的設計

CCS《天然氣燃料動力船舶規范》（2013）4.3.1中，關于本質安全機器處所的供氣系統雙壁管可設計成如下兩種形式：

（1）由內管和外管組成的同心管，內管含有氣體燃料，內、外管之間的空腔充滿壓力高于內管氣體壓力的惰性氣體。當此空腔內惰性氣體壓力降低時，應有適當的報警予以警示；

（2）供氣管路安裝在通風導管內，供氣管路和通風導管之間的空間安裝獨立的機械式抽風機，雙壁管內的通風系統應為抽吸式機械通風系統，應具有每小時換氣至少30次的通風能力。

相對于環圍通風雙壁管來說，采用惰性氣體雙壁管的優點主要是不需設置通風機此類用電設備和一套獨立的進出風口裝置，進出風口裝置在船上的布置無疑也增加了本船的危險區域范圍。另外，環圍通風雙壁管的外管由于需保證內、外管之間的空腔足夠大以減少通風阻力，所以惰性氣體雙壁管的外管直徑比環圍通風雙壁管的要小，更利于在漁船有限的空間內布置。

其缺點則是空腔需充滿壓力高于內管氣體壓力的惰性氣體，惰性氣體可選擇采用氮氣。由于從天然氣穩壓罐至發動機燃氣進口的供氣管路上最大供氣壓力為0.85 MPa，所以空腔的惰性氣體的壓力應為1 MPa，無論是采用氮氣瓶還是氮氣發生裝置提供氮氣，都需要增加設備。空腔內氮氣一旦發生泄漏而導致壓力降低時，有兩種可能性存在：一是外管有破損，氮氣往雙壁管外部泄漏，此種情況的判斷是過一段時間后空腔內的氮氣壓力與大氣壓一致；二是內管有破損，過一段時間后空腔內的氮氣壓力與內管的天然氣壓力一致。所以雙壁管空腔內需設置有若干壓力傳感器以判斷發生氮氣發生泄漏是屬于哪種情況，另外還可用于當空腔內氮氣壓力降低時，有適當的報警予以警示。

無論哪種雙壁管形式的外管或內管發生破損，除非是用肉眼很容易觀察出來，否則雙壁管的檢修是極其困難的，只能進入船廠進行檢修。環圍通風雙壁管的供氣管路和通風導管之間的空間采用抽吸式機械通風系統，外管并不如惰性氣體雙壁管那樣需承受1 MPa的壓力，另外在漁船惡劣的工作環境下和漁民在維護保養方面的意識和能力上欠缺，都會大大增加惰性氣體雙壁管外管的破損概率。環圍通風雙壁管的外管假如發生局部破損，由于空腔采用的是抽吸式機械通風系統，存在一定的真空度，空腔的空氣并不會泄漏出來，所以并不會嚴重影響到供氣系統的正常工作甚至需切斷供氣系統。

綜上考慮，本船采用環圍通風雙壁管。

5 LNG冷能利用

LNG燃料與柴油燃料相比，不僅具有巨大熱能，而且還蘊藏著巨大的冷能。在LNG汽化成常溫氣體并供給發動機燃燒的過程中將伴隨著冷能大量釋放。常規船舶直接吸收發動機冷卻系統的內部循環熱水，對LNG進行加熱使其氣化，LNG冷能被熱水帶走后重新進入到發動機冷卻水系統，使得LNG冷能未能得到應用。

另一方面，船舶長期在海上作業，常配置冷庫、冰箱、冷凍冷藏魚艙、空調裝置等設施，需要消耗船舶電站發出電能用于轉換為冷能。對天然氣燃料動力船舶LNG冷能加以利用將一定程度上解決這部分需求，降低電能的消耗，減少運營成本，起到節能環保的作用。

6 結束語

LNG在船舶上的應用可帶來可觀的經濟效益，按天然氣發動機廠家數據，燃用1 m3天然氣與燃用1L柴油發出的功率相近。目前天然氣市場價格約4.5元/m3，柴油市場價格接近8元/L，LNG價格優勢是明顯的。以本船100 m3 LNG儲氣罐為例，在同樣功率的發動機使用相同時間的條件下，本船一次性加氣比加柴油可以節約成本約17.5萬元。

同時，LNG作為船用燃料的環境效益非常顯著，與傳統的燃燒柴油的船舶相比，幾乎沒有硫氧化物、沒有懸浮顆粒，并且可以減少約85%的氮氧化物和20%的CO2，是國際公認的清潔能源。同時，LNG無色、無味、無毒、無腐蝕性，密度比空氣輕，發生泄漏事故時會很快自然氣化，不會對水體產生污染，因此LNG船舶的發展將推進船舶節能減排，實現船舶行業的低碳發展。

綜上所述，只要在設計時嚴格按照相關法規、規范的要求，采取合理的安全和防護措施，并采取有效回收LNG冷能手段，綠色環保節能的新型LNG燃料動力船舶必然具有很好的發展前景。

參考文獻

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