內河LNG燃料動力船舶機艙形式對比與選擇

陳文柱++李志勇

摘 要：三種類型的LNG動力機艙，因規范要求和船舶用途不同，所適用的船型也不同，就新建內河貨船來講，本質安全型機艙更加適合。而ESD防護式機艙更適合對電力需求較大的船舶，增強安全型機艙則更適合于進行LNG動力改造的船舶。

關鍵詞：LNG燃料 動力系統 船舶安全

前言

LNG（Liquefied Natural Gas 液化天然氣）作為一種清潔、高效的能源，越來越受到青睞，供應量以每年12%的速度增長。在船舶行業，許多船東也正在使用或計劃使用LNG燃料作為船舶動力。

LNG動力在船舶行業，可運用的范圍非常廣泛，根據《天然氣燃料動力船舶規范》（以下簡稱《規范》），除了客船和危險品運輸船外，均可使用。但LNG經過氣化后，是一種可燃氣體，當達到一定濃度范圍，就存在爆炸的危險，因此LNG燃料動力船舶的機艙安全性尤為重要。為使LNG危害發生的風險和影響降至最低，《規范》提供了三種機艙布置的形式，分別是“本質安全型”、“ESD防護式”、“增強安全型”。

鑒于內河貨船的特點，在設計時，LNG氣罐一般會被布置在開敞甲板處，LNG在經過氣化后，經由氣體管路輸送至機艙，然后進入氣體燃料發動機內部。本文針對這種供氣方式的內河貨船，就上述三種機艙布置形式的對比與選擇展開討論。

規范允許的機艙形式

本質安全型機艙：其布置使機艙在任何情況下（正常和異常情況）均處于氣體安全狀態。

ESD防護式機艙：其布置使機艙在正常情況下處于氣體安全狀態，當出現氣體燃料泄露等異常情況時，非防爆設備和機械自動關閉，防爆設備和機械運行。

增強安全型機艙：通過加強機艙通風、增加可燃氣體探測覆蓋、提高機艙內供氣管路焊接要求等措施增強安全水平。

規范對三種機艙布置形式的要求

雙壁管：系指有內管和外管組成的，主要用于向氣體燃料發動機供氣的管路。內管之間充滿壓力高于氣體燃料壓力的惰性氣體或按規范有關要求進行通風。

三種機艙布置形式的特點和選擇

1、本質安全型機艙

本質安全型機艙可采用氣體燃料發動機或雙燃料發動機，機艙內的氣體管路（包括閥件控制單元）采用雙壁管或通風導管進行氣密環圍，當雙壁管（或通風導管）內發生氣體泄露時，內外管之間自動沖灌氮氣，以此保證機艙始終處于氣體安全狀態。

相對于其他形式的機艙，其優缺點是：通風排量小，無需設置大排量防爆風機；可以接受較大供氣管路壓力，發動機選擇有優勢；機艙為本質安全，內部電氣設備可不必為防爆型；雙壁管（或通風導管）的安裝工藝復雜。對于新建貨船，在設計時有一定的靈活性，采用本質安全型機艙則是一個合適的選擇。

2、 ESD防護式機艙

ESD防護式機艙可采用氣體燃料發動機或雙燃料發動機，機艙內的氣體管路可不設氣密環圍，發動機/發電機布置在2間或多間機艙內，當任何一間機艙內的燃料供應被切斷時，其余機艙維持至少40%的推進功率和電力供應。機艙內盡可能少的容納僅為維持發動機正常工作的設備，焚燒爐、惰性氣體發生器和燃油鍋爐等不應布置在機艙內。

相對于其他形式的機艙，其優缺點是：“雙/多機艙、容納設備少”的布置適合電力推進的內河貨船；“雙/多機艙”的設置增加了船舶布置的設計難度和建造成本。鑒于對機艙布置的要求，ESD防護式更加適合于采用電能為動力的船舶，但在由機械能轉化為電能再轉化為機械能的過程中，增大了能源的消耗，因此，相對貨船來講，ESD防護式機艙更加適用于對電能需求較大的船舶，如絞吸式挖泥船等類似的工程船。

3、增強安全型機艙

增強安全性機艙僅適用于采用雙燃料發動機的內河貨船，機艙內的供氣管路可不必設氣密環圍，但接頭處必須采用對接、全焊透的形式。除風機、探測器、報警器、照明裝置應為防爆型外，其他設備可與普通貨船機艙的安全要求一致。當探測到氣體泄露時，發動機自動切換至燃油模式。相對于其他形式的機艙，其優缺點是：機艙構造與普通貨船相類似，制造工藝相對簡單、方便，易于被船東接受；大部分機艙設備不必采用防爆型，降低了設備安裝難度；通風配量大，需配置大排量防爆風機；僅適用于采用雙燃料發動機的內河貨船，有一定的局限性。

隨著LNG在船舶行業的推廣，其清潔、經濟的特點將更加突出，將會有更多的船東加入到使用LNG的行列，而增強安全型機艙的設備布置與普通貨船更接近，采用這種設計進行雙燃料改造，會更方便、快捷。

新建內河貨船的本質安全型機艙布置方案

1、方案船舶主要信息

方案船為航行于A、B航區的內河鋼質自航散貨船，艏艉為單底、單甲板結構，設有升高甲板，貨艙區域為雙底、雙舷側結構。設計裝載運輸積載因數介于0.45-0.833m3/t（不包含0.45）的貨物，如黃砂、干濕礫石等散裝貨物及其他袋裝、包裝貨物。

2、 氣罐布置

氣罐可布置于開敞甲板，也可布置于圍壁/半圍壁處所內，對于內河貨船來說，布置于開敞甲板有以下幾方面的原因：內河貨船定員少，甲板室艙室簡單，可以提供足夠的空間布置氣罐；內河貨船大多采用尾排氣，不會對氣罐的充裝、放泄產生影響；不必設置專用的氣罐儲存艙室和配套設備，節省了建造成本；節省干舷甲板下的空間，可有效增大貨艙艙容；相對于布置于圍壁/半圍壁處所，建造工藝簡單。對于方案船，氣罐布置于尾部頂棚甲板（二層甲板），節省主甲板面積，同時也不妨礙駕駛室向后的視線。

3、機艙布置

內河船舶機艙的布置應根據其船舶特點進行設計，方案船采用以下形式：推進方式：內河船航道相對較窄，船舶密度大，靠港也比較頻繁，因此操縱性要求較高，大多數內河船采用雙機形式；燃油艙設置：目前長江沿岸的加氣站數量和分布還不完善，部分加氣站仍采用槽車加氣，純氣體機的使用還存在一定限制，因多數LNG動力船舶采用油氣混燃模式，機艙仍設置常規燃油艙；結構布置：大型內河船舶機艙多數采用雙舷側結構形式以提供防碰安全型和結構強度。

本方案船機艙亦采用上述比較普遍的形式。

4、機艙內供氣管系及雙壁管通風管系

供氣管路的通風進氣口和出氣口均位于居住甲板后部的開敞處所，盡可能的減小對甲板室起居服務處所的影響，同時也便于通風設備的安裝。

為了便于對雙壁管內的可燃氣體進行探測，出氣口位于進氣管路一側，對于進氣管路，雙壁管外管延伸至主甲板上一層甲板（居住甲板后部開敞處所），并連接至風機。雙壁管外管還可做適當的簡化：進氣管路在主機之前的部分可為一根管路，在進入主機前一份為二，出氣管路在機艙外可合二為一，并可與內管分離。

總結

1、LNG動力船舶機艙形式選擇

因規范要求和船舶用途不同，根據上述分析，三種類型的LNG動力機艙所適用的船型也不同，其中：本質安全型機艙：適用于各類常規推進方式貨船，如：散貨船、集裝箱船等。上述方案也說明了其可行性。ESD防護式機艙：適用于對電力需求較大的船舶，LNG燃料發動機可作為船舶電站的原動機，如：電力推進船舶、部分電力驅動的工程船等。增強安全型機艙：適用于現有的，需進行LNG動力改造的船舶。

2、LNG動力船舶推廣建議

LNG作為一種清潔能源在環境保護上的作用有目共睹，雖然目前LNG動力船舶的規范、法規、政策都已比較完善，但新建的LNG動力船舶數量卻很少，根據皖江地區的情況，建議：繼續加大對LNG動力主機的研發，提高低負荷工況（50%額定功率）下的運行穩定性和燃料消耗并擴展功率段覆蓋范圍；繼續對于新建LNG船舶進行資金補貼，補貼方式由新建船一次性補貼變更為LNG的價格補貼。

（第一作者單位：蕪湖四維船舶技術有限公司

第二作者單位：安徽省皖江船舶檢驗局）endprint