LNG燃料推進散貨船的開發(fā)技術(shù)

劉秀麗，孫 琦，柳國勝，高海寧，張永威，李 白

（中遠船務(wù)工程集團有限公司，大連 116600）

LNG燃料推進散貨船的開發(fā)技術(shù)

劉秀麗，孫 琦，柳國勝，高海寧，張永威，李 白

（中遠船務(wù)工程集團有限公司，大連 116600）

近些年，清潔能源已成為主流發(fā)展，尤其是液化天然氣。文章以散貨船為基礎(chǔ)，研究雙燃料散貨船的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，通過對規(guī)范規(guī)則的深入研究和試驗論證以及對相關(guān)廠商技術(shù)的汲取學(xué)習(xí)，最終完成了雙燃料散貨船的系統(tǒng)科研工作，針對該項目的8萬噸雙燃料散貨船，已形成了一套完整的設(shè)計體系，同時各項指標(biāo)均達到國際先進水平。

液化天然氣；雙燃料；儲氣罐；散貨船

0 引言

隨著全球海事界對有害物質(zhì)排放要求的日益嚴(yán)格，特別是一些排放控制區(qū)的設(shè)定，促使船東采用各種措施應(yīng)對國際上的規(guī)定。目前，主要措施包括使用低硫燃料、安裝氣體吸收裝置和使用LNG燃料。與其他船用燃料相比，LNG燃料最主要的優(yōu)點是對環(huán)境的影響較小，排放量最小。據(jù)了解，采用LNG燃料可以減少10%～25%的CO2排放量，90%的NOx排放量，100%的硫化物和顆粒物排放。

從發(fā)展趨勢來看，一方面，我國內(nèi)河航運資源豐富，未來我國內(nèi)河LNG船數(shù)量會快速增長。發(fā)展內(nèi)河LNG船舶對防治船舶污染，對保護江河水域環(huán)境，具有十分重要的現(xiàn)實意義。另一方面，國家加大資金投入推進內(nèi)河航運發(fā)展，對LNG船發(fā)展構(gòu)成有力支持。

以LNG雙燃料船作為重點，掌握LNG雙燃料船的設(shè)計及建造關(guān)鍵技術(shù)，完成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的LNG雙燃料船的基本設(shè)計，形成LNG雙燃料船設(shè)計指導(dǎo)書，具備船型自主開發(fā)能力，力爭首先在國內(nèi)LNG雙燃料實船項目中有所突破是我們的目標(biāo)。通過對該項目的研究，將填補國際雙燃料推進散貨船技術(shù)空白，并為該類船的設(shè)計建造提供指導(dǎo)，同時將有效提升我國在綠色船舶產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)能力，推動我國船舶工業(yè)的整體發(fā)展。

該項目主要從雙燃料主機和柴發(fā)選型布置與使用，LNG液罐的選型及相關(guān)布置要求，液貨系統(tǒng)配置，供氣系統(tǒng)及排風(fēng)等系統(tǒng)進行闡述。該項目形成一型LNG為燃料推進的8萬噸級散貨船方案及基本設(shè)計。具有自主知識產(chǎn)權(quán)，滿足最新國際規(guī)范要求，EEDI指標(biāo)達到國際先進水平，在節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟性方面達到國際先進水平。設(shè)計圖紙通過船級社審核，具備承接工程項目條件。

1 船體線性及試驗

船舶主尺度如表 1所示，該船結(jié)構(gòu)吃水為14.50m時的載重量約為81000t。

表1 船舶參數(shù)

根據(jù)型線設(shè)計進行了船模試驗，主要試驗包括：1）設(shè)計吃水和壓載吃水下的船舶阻力試驗；2）設(shè)計吃水和壓載吃水下的庫存槳和設(shè)計槳自航試驗；3）設(shè)計吃水、服務(wù)航速下的伴流測量；4）設(shè)計吃水、服務(wù)航速下的流線試驗；5）設(shè)計槳敞水試驗。

圖1 船模試驗圖

2 雙燃料主機和柴發(fā)

2.1 雙燃料主機

本項目配備一臺雙燃料低速推進主機為航行提供動力。詳細參數(shù)如表2所示。

主機在燃氣模式下所需天然氣壓力為25MPa，最大不超過30MPa，溫度為45℃。如圖2所示，ME-GI系統(tǒng)主要包括燃氣供給系統(tǒng)、雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)、密封油系統(tǒng)、惰氣系統(tǒng)（本項目采用氮氣）和控制系統(tǒng)。

安裝在供氣系統(tǒng)的氣體燃料總閥（V1），可從機艙集控室以及駕駛室控制站關(guān)閉。當(dāng)發(fā)生規(guī)范規(guī)定的有關(guān)故障時，氣體燃料總閥能自動關(guān)閉以切斷氣體燃料供應(yīng)。每個雙燃料發(fā)動機的氣體燃料供應(yīng)管路上還應(yīng)安裝1只人工操作關(guān)閉閥（V7），以保證進行發(fā)動機維護時的安全切斷氣體燃料。在切換至燃氣模式前和切換為燃油模式后，需關(guān)閉 V7、V4、V3，打開V6、V5用惰氣沖洗管路。

表2 主機參數(shù)

圖2 雙燃料主機燃氣系統(tǒng)

2.2 雙燃料發(fā)電機

本項目配備兩臺雙燃料發(fā)電機和一臺燃油發(fā)電機，發(fā)電機配置表如表3所示。

表3 發(fā)電機配置表

雙燃料發(fā)電機在燃氣模式下所需燃氣壓力為0.5MPa～0.6MPa，溫度為20℃。使用燃氣模式下，用MDO點火。

在供氣室和發(fā)動機之間應(yīng)設(shè)置氣體閥門單元（GVU）。氣體閥門單元可以是一個獨立的房間或一個氣密的密封筒。本項目采用一個布置在機艙內(nèi)的密封筒的型式。該密封筒必須保證每小時通風(fēng)30次，并應(yīng)布置氮氣吹洗管路。氣體閥門單元應(yīng)盡可能靠近燃氣管路穿透的艙壁布置，并且距雙燃料發(fā)電機最大距離不超過10m。

圖3 雙燃料發(fā)電機氣體閥組單元供氣原理圖

圖3中，燃氣管路閥門V03、V05和惰氣管路閥門V07是失效關(guān)閉型，通風(fēng)閥V02、V04是失效打開型。當(dāng)雙燃料發(fā)動機在燃氣模式下停機時，氣體閥門單元需關(guān)閉燃氣管路并且為管路通風(fēng)。燃氣閥V03、V05關(guān)閉，通風(fēng)閥V04打開。當(dāng)應(yīng)急停車時，通風(fēng)閥V02會打開，并且氮氣閥V07會在一定報警情況下打開以惰化氣體閥門單元與發(fā)動機之間的管路。

3 LNG液罐的選型與布置

3.1 LNG液罐的選型

傳統(tǒng)的 LNG貨艙通常采用薄膜型和球艙型（MOSS型），廣泛應(yīng)用于大型LNG船，建造工藝復(fù)雜，造價昂貴。不適應(yīng)小型LNG船和儲氣罐短程運輸經(jīng)濟便利的要求。對于小型LNG船的貨艙和LNG儲氣罐的技術(shù)更接近于LPG船和乙烯船，一般采用獨立式液艙。該液艙可分為A、B、C三型（圖4），它們均非船體的構(gòu)成部分，呈自持式。A、B、C液艙的對比特點如表4所示。

C型LNG儲氣罐建造容易，設(shè)計成本最低，裝置簡單，操作管理方便，適用于沿海短航程運輸。該船型稱之為蓄壓式LNG運輸船（pressure build-up type）。C型獨立艙基于成熟的半冷半壓乙烯船的貨物圍護系統(tǒng)的設(shè)計、制造、安裝技術(shù)，技術(shù)難度較小。

根據(jù)查閱規(guī)范，用于制造液貨艙的耐低溫材料一般為三種，低溫鋁鎮(zhèn)靜鋼，9%的鎳鋼及鉻鎳奧氏體鋼（AISI 304L）。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果綜合考慮材料的許用應(yīng)力、最小設(shè)計壓力、材料重量、力學(xué)性能、焊接性能、焊接接頭的耐蝕性、力學(xué)性能和價格等因素，AISI 304L材料是LNG貨艙材料的最佳選擇。

圖4 各類艙型式

表4 不同液貨艙對比

3.2 LNG液罐的布置

根據(jù)IGF 2.7.3，布置如下：

1）開敞甲板上的儲存。儲氣罐或儲氣罐組的布置在距離船舷至少B/5處。對于客船以外的船舶，其距離可以低于B/5，但應(yīng)不少于760mm。

2）甲板下的儲存。距離船舷不小于 B/5或11.5m，取其中小者距離底板不小于B/15或2m，取其中小者，距離船殼板任何地方不小于760mm。對于客艙以外的船舶，其距離船舷可以低于B/5。

4 LNG液貨系統(tǒng)的研究

儲氣罐設(shè)在開敞甲板A-DECK，高壓泵、高壓蒸發(fā)器、低壓泵、低壓蒸發(fā)器、壓力再建單元和閥門設(shè)置在供氣室內(nèi)。供氣室內(nèi)設(shè)有通風(fēng)系統(tǒng)。高壓泵將LNG泵入高壓蒸發(fā)器，壓力為25MPa～30MPa。高壓蒸發(fā)器將LNG轉(zhuǎn)換成壓力為25MPa～30MPa左右的天然氣，供給 MEGI主機使用。低壓泵將LNG供給低壓蒸發(fā)器，壓力為0.5MPa～0.6MPa，低壓蒸發(fā)器將LNG轉(zhuǎn)換成0.5MPa～0.6MPa左右的天然氣，并送到天然氣加熱器，將天然氣加熱到發(fā)動機所需要的溫度。乙二醇或者蒸汽可用于氣化LNG，蒸發(fā)器的容積由發(fā)動機決定。

4.1 儲氣罐

LNG儲氣罐是壓力式，滿足IMO國際法規(guī)。LNG儲氣罐為真空絕緣雙層保護。中間部分充注珍珠巖，最大程度的隔絕環(huán)境溫度傳熱，內(nèi)部空間貯存LNG，設(shè)計為可以承受超低溫和壓力的奧氏體不銹鋼材質(zhì)。防止航行時液體飛濺，內(nèi)部空間設(shè)置了止蕩板。外部殼體為次屏壁與大氣接觸。內(nèi)部殼體間的真空度是非常重要的，會影響熱傳遞系數(shù)。如果真空度不在充許的范圍，熱量會傳到LNG儲氣罐引進LNG溫度升高導(dǎo)致BOG產(chǎn)生。所以，要定期的檢查真空度，使其在充許的范圍內(nèi)。

4.2 供氣室

供氣室是一個氣密空間圍繞在LNG儲氣罐上，內(nèi)部有蒸發(fā)器（包括PBU），所有的罐上接口和閥門。供氣室布置成箱體狀，焊接在LNG儲氣罐的外部殼體上，覆蓋上所有的接頭和閥門。這個空間可以直接監(jiān)測到氣體泄漏。氣體探測布置在供氣室內(nèi)。

4.3 蒸發(fā)器和PBU

LNG供氣系統(tǒng)包括一個加熱器稱之“蒸發(fā)器”。其作用是將LNG氣化為天然氣供給發(fā)動機。熱量從發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)來。容納乙二醇的殼體部分是奧氏體不銹鋼材質(zhì)。PBU的材質(zhì)是奧氏體不銹鋼316。

PBU（壓力再建單元）的作用是維持LNG儲氣罐的壓力穩(wěn)定的供給蒸發(fā)器。如果發(fā)動機持續(xù)燃燒天然氣，內(nèi)殼體的LNG液位會下降，壓力會相應(yīng)降低。然后，PBU將恢復(fù)正常的工作液位，調(diào)整壓力。當(dāng)內(nèi)部的壓力接近設(shè)定壓力值時，信號會輸送到控制閥調(diào)整LNG的流速。

5 機器處所內(nèi)的供氣系統(tǒng)

穿過圍蔽處所的供氣管路應(yīng)采用雙壁管路或?qū)Ч芡耆h(huán)圍。

氣體燃料管路應(yīng)安裝在通風(fēng)的導(dǎo)管內(nèi)。氣體燃料管路和導(dǎo)管內(nèi)壁之間的氣室應(yīng)安裝機械式抽風(fēng)通風(fēng)機，其每小時至少換氣30次。若導(dǎo)管內(nèi)裝有氣體探測設(shè)備，當(dāng)探測到發(fā)生泄漏時，導(dǎo)管內(nèi)自動充灌氮氣，該低壓通風(fēng)能力可減至每小時換氣10次。風(fēng)扇電機應(yīng)符合安裝區(qū)域的防爆保護要求。通風(fēng)口應(yīng)設(shè)置保護屏，保護屏應(yīng)布置在無可燃燃氣的位置。

雙壁管路或?qū)Ч墉h(huán)圍的要求同樣適用于發(fā)動機上的氣體燃料管系，直到氣體被注入汽缸（如果氣體進入發(fā)動機氣缸前是處于低壓狀態(tài)，且在發(fā)動機附近設(shè)有氣體探測器的條件下，對進氣管可免除雙層管道的要求。

6 LNG供氣系統(tǒng)的消防措施

二氧化碳和水可用來控制LNG產(chǎn)生的大火，但不是滅火。如果將水噴到液態(tài)天然氣的表面，會使LNG的蒸發(fā)率增大，從而使LNG的火勢增強。因此，不能用水來直接噴淋到LNG或LNG蒸氣上。用水的目的主要是將尚未著火而火焰有可能經(jīng)過的地方弄濕，使其不容易著火。

最常用的控制LNG火焰的方法是利用水霧吸收熱量。安裝噴淋系統(tǒng)，需要像安裝滅火系統(tǒng)一樣，要涵蓋整個所需要的區(qū)域。然而，與滅火系統(tǒng)的目的不同的是，水噴淋系統(tǒng)主要用來減低溫度、減少空氣、控制燃燒、保護財產(chǎn)，整個系統(tǒng)簡便、可靠。

化學(xué)干粉滅火是通過干粉與火焰接觸時產(chǎn)生的物理化學(xué)作用滅火。干粉顆粒以霧狀形式噴向火焰，大量吸收火焰中的活性基團，使燃燒反應(yīng)的活性基團急劇減少，中斷燃燒的連鎖反應(yīng)，從而使火焰熄滅。干粉噴向火焰時，像濃云似的罩住火焰，減少熱輻射。干粉受高溫作用，會放出結(jié)晶水或產(chǎn)生分解，不僅可以吸收火焰的部分熱量，還可以降低燃燒區(qū)內(nèi)的氧含量。

根據(jù)IGF第三章，水霧系統(tǒng)用于冷卻和防火，水霧系統(tǒng)應(yīng)能用于保護甲板上方儲氣罐的暴露部分（圖5）。水霧系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成可覆蓋上述所有區(qū)域，其噴水率對水平防護表面為10L/min·m2，對垂直防護表面為4L/min·m2。

圖5 LNG儲氣罐的水霧噴淋

燃料充裝站區(qū)域內(nèi)應(yīng)設(shè)置固定式干粉滅火系統(tǒng)或大型推車式干粉滅火設(shè)備，其應(yīng)覆蓋所有可能的泄露點。其滅火能力應(yīng)至少確保能以容量至少3.5kg/s的速率釋放45s。系統(tǒng)的布置應(yīng)使其能從安全位置手動釋放。燃料充裝站附近還應(yīng)設(shè)置1具手提式干粉滅火器。

在該項目的消防上采取的措施是在LNG儲氣罐上設(shè)置了水霧噴淋，在加注站內(nèi)采用了化學(xué)干粉滅火，并設(shè)置1手提式干粉滅火器。

7 通風(fēng)布置及管系計算

本船與其它常規(guī)船不同之處是主機、發(fā)電機用發(fā)動機采用雙燃料機型。供氣系統(tǒng)管路采用雙壁管，內(nèi)管為供氣管，雙壁管之間為通風(fēng)，使內(nèi)管滲入到此空間的燃氣被排風(fēng)機及時排出。作為供氣系統(tǒng)安全保障的重要環(huán)節(jié)，供氣系統(tǒng)的通風(fēng)是不可缺少的。包含如下通風(fēng)系統(tǒng)：

7.1 主機供氣管路通風(fēng)系統(tǒng)

主機采用高壓供氣系統(tǒng)，供氣噴射閥設(shè)在氣缸頭，供氣管及噴射閥集全部采用雙壁形式，通風(fēng)用排風(fēng)機設(shè)在供氣管進機艙前的管路上，空氣的進口由主機掃氣雙壁管出機艙處引出。空氣的進氣口位置的布置要保證新風(fēng)能從安全區(qū)域吸入，且其高度滿足相關(guān)規(guī)范的要求。風(fēng)機的排出口的位置及高度也要滿足相關(guān)規(guī)范的要求（圖6）。根據(jù)船級社規(guī)范規(guī)定此空間（含雙壁管中間空間及閥集的空間）的通風(fēng)循環(huán)次數(shù)應(yīng)不小于30次/小時，風(fēng)機應(yīng)為防爆型風(fēng)機，電機不可置于風(fēng)道內(nèi)。

圖6 機艙管路通風(fēng)

7.2 發(fā)電機用發(fā)動機供氣管路通風(fēng)系統(tǒng)

發(fā)動機采用低壓供氣系統(tǒng)，在燃氣進入發(fā)動機之前設(shè)有燃氣閥單元，所以通風(fēng)機的風(fēng)量應(yīng)滿足這些空間30次/小時的換氣量。在設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)原理時，考慮到這兩臺發(fā)動機屬并聯(lián)通風(fēng)，為使每臺機供氣管的空氣循環(huán)量滿足規(guī)范要求，因此在每臺發(fā)動機新風(fēng)入口加一只風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)進入每臺發(fā)動機供氣管通風(fēng)空間的空氣量。空氣的進氣口位置的布置要保證新風(fēng)能從安全區(qū)域吸入，且其高度滿足相關(guān)規(guī)范的要求。風(fēng)機的排出口的位置及高度也要滿足相關(guān)規(guī)范的要求。風(fēng)機為防爆型風(fēng)機，電機置于風(fēng)道外（圖7）。

圖7 燃氣閥單元通風(fēng)

7.3 供氣室通風(fēng)系統(tǒng)

供氣室是一密閉空間，內(nèi)置有與儲氣罐相連的所有閥、供氣系統(tǒng)的所有處理裝置等。此空間檢查及維修時需要有人進入，因此在此空間設(shè)一個排風(fēng)系統(tǒng)，將閥及設(shè)備滲漏到此室內(nèi)的燃氣及時排出。空氣的進氣口位置的布置要保證新風(fēng)能從安全區(qū)域吸入，且其高度滿足相關(guān)規(guī)范的要求。風(fēng)機的排出口的位置及高度也要滿足相關(guān)規(guī)范的要求。換氣次數(shù)為30次/小時，風(fēng)機為防爆型風(fēng)機，電機置于風(fēng)道外（圖8）。

圖8 供氣室通風(fēng)

8 結(jié)束語

該項目是基于成熟的優(yōu)化船型的基礎(chǔ)上研發(fā)的雙燃料特色船型，在節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟性方面達到國際先進水平，設(shè)計圖紙通過船級社審核，具備承接工程項目條件，有助于我們在新的造船環(huán)境處于技術(shù)領(lǐng)先位置。81K LNG雙燃料船舶的開發(fā)，進行了技術(shù)上的驗證，LNG雙燃料船是新生的技術(shù)，也是預(yù)測未來技術(shù)的發(fā)展方向，但是現(xiàn)階段正處在技術(shù)的發(fā)展階段，該項目具備了一定技術(shù)，后續(xù)將進行技術(shù)推廣。

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[2] 時光志, 盛蘇建. 中小型 LNG運輸船設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[C]//第十三屆中國科協(xié)年會第 13分會場: 海洋工程裝備發(fā)展論壇論文集. 2011.

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[5] LR. LR Rules & Regulations for the Construction & Classification of Liquefied Gases in Bulk[S]. 2012-10.

[6] IGF code[S].

[7] DNV. DNV Rule[S].

The Development Technology of LNG Fuel Bulk Carriers

Liu Xiu-li, Sun Qi, Liu Guo-sheng, Gao Hai-ning, Zhang Yong-wei, Li Bai
(COSCO SHIPYARD GROUP CO., LTD., Dalian 116600, China)

Recently, clean energy becomes the main trend, especially the LNG. This paper introduces the relate key technologies of dual fuel bulk carriers based on bulk carriers. Through deeply analyzing the related rules and relate technologies and testing, finally it finishes the studies on dual fuel bulk carriers. Aiming at 80000T dual fuel bulk carriers, it sets up an integrated design system and all the indexes reaches the international level.

LNG; dual fuel; gas container; bulk carrier

U674.13+4

A

1005-7560(2014)01-0009-05

劉秀麗（1971-），女，輪機高級工程師，主要從事輪機設(shè)計管理工作。