小型LNG運輸加氣船雙燃料動力系統研究

呂志慶，高占峰，楊培智

（1. 中遠船務工程集團有限公司技術中心，遼寧大連 116600；2. 國鴻液化氣機械工程（大連）有限公司，遼寧大連 116600）

小型LNG運輸加氣船雙燃料動力系統研究

呂志慶1，高占峰1，楊培智2

（1. 中遠船務工程集團有限公司技術中心，遼寧大連 116600；2. 國鴻液化氣機械工程（大連）有限公司，遼寧大連 116600）

近年來隨著經濟的發展對于清潔能源的需求不斷增強，國內對于天然氣的需求量越來越大。目前，我國的天然氣運輸方式主要有：常規陸路運輸、管道運輸、船舶運輸等。文章主要為突破和解決小型LNG加氣船LNG燃料供應系統關鍵設備設計和研發問題，提升核心系統和裝置國產化率。

LNG加氣船；雙燃料；動力系統

0 引言

近幾年，全球變暖、氣候異常等話題已逐漸成為人們關注的焦點，綠色環保、節能減排已成為全世界大多數國家的共識。在這樣的大環境下，隨著全球航運業的發展，船舶所造成的污染也越來越引起國際社會的關注。

隨著我國“氣化長江”計劃的持續開展，在長江等幾大內河流域及一些沿海港口航行的船舶開始采用LNG作為船舶燃料［1］。但是一部分船東還處于觀望狀態，因為畢竟LNG的加氣沒有柴油方便，國內也只有幾個在建的LNG加氣港口。LNG加氣船的出現極大程度上解決了這個問題。LNG加氣船的建造比LNG加氣港簡單，而且使用起來可以靈活運用。綜上所述，建造小型LNG加氣運輸船是發展液化天然氣（LNG）為船舶燃料的首要保障［2］。而LNG作為LNG加氣船燃料更是節省了船舶本身的運營成本。本文主要討論如何突破和解決小型LNG加氣運輸船LNG燃料供應系統關鍵設備的設計和研發問題［3］，并提升核心系統和裝置國產化率。

1 加氣船研究內容與技術方案

1.1 技術指標

目前相關的規則和規范如下：《國內航行海船建造規范》、《材料與焊接規范》（2012年）、國內航行海船法定檢驗技術規則（2011年）、中國船級社《國際散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》、MSC.285（86）決議、有關安全安裝船舶天然氣燃料發動機的臨時導則、中國船級社《天然氣燃料動力船舶規范2013》。

1.2 主要研究內容

通過以上規則規范來設計以LNG為燃料的燃料供應系統，并對以下兩個方向進行分析：

1）對采用C型單層外包絕緣形式與采用C型雙真空絕熱形式進行比較及分析；

2）對采用LNG泵增壓形式給主機供給燃料與采用壓力儲罐蓄壓形式給主機供給壓力進行比較及分析。

1.3 可行性分析

1）兩種不同形式的LNG儲罐運用在此套LNG燃料供應系統上的比較及可行性分析。

（1）單層外包絕緣形式儲罐，如圖1所示；

（2）雙真空絕熱形式儲罐，如圖2所示。

圖1 C型單層外包絕緣形式儲罐

圖2 C型雙層真空絕熱形式儲罐

2）兩種不同形式的燃料供給方式運用在此套LNG燃料供應系統上的比較及可行性分析。

（1）LNG燃料系統采用LNG泵方式供給燃料；

（2）LNG燃料系統采用儲罐蓄壓方式供給燃料。

結論：經過以上兩種方案的比較，本項目方案最終采用雙真空絕熱罐蓄壓的形式供給燃料。

2 設計方案

2.1 系統組成

LNG燃氣供應系統主要由以下系統構成：

1）LNG壓力儲罐；

2）LNG加氣站；

3）燃氣氣化&加熱系統；

4）水乙二醇加熱系統；

5）安全系統；

6）管系和閥件；

7）儀器儀表；

8）控制系統。

2.2.1 LNG壓力儲罐

LNG儲罐的設計滿足IGC規則，安裝罐艙內，采用真空絕緣罐。儲氣罐設置了雙層壁且儲氣罐的外殼由耐低溫材料制成， 雙層罐之間設有防爆片，用于夾層安全保護。LNG儲罐安裝在由船體基座上，基座由船廠提供。見圖3。

圖3 LNG儲罐罐艙布置圖

2.2.2 LNG加氣站

該系統設計用于向LNG儲罐內充裝燃料，帶回氣功能。設有充裝接口以滿足需要。為便于控制貨艙內的蒸氣壓，充裝過程中貨物蒸氣可采用回氣或上噴淋維持壓力。充裝系統的布置應能使充裝時不會有氣體排放到大氣中。

充裝結束時，采用氮氣將充裝管線內的液體排出。在駁運易燃氣體/液體時，燃料供應方和船廠的充裝站之間提供一套等電位連接裝置。燃料充裝站的設備組成：每一充裝管路靠近通岸接頭處串聯安裝一個手動載止閥和一個遙控切斷閥；在液化氣燃料充裝接頭的下方應安裝承滴盤，承滴盤應由不銹鋼制成，并應通過管路排出舷外；帶絕熱層的液體及蒸氣充裝管線；LNG充裝接頭（和槽車接口相匹配）；必要的壓力及溫度顯示儀表；氮氣吹掃接口；LNG充裝接頭防飛濺裝置。

2.2.3 LNG氣化和加熱系統

燃氣供應至機艙采用以下兩種模式：

1）利用儲罐蒸氣壓，使液化天然氣流經氣化器、加熱器；

2）LNG儲罐內的BOG利用儲罐的壓力流經加熱器。

上述兩種操作方式可結合使用，以滿足船上燃氣設備的用氣要求以及燃氣罐內的壓力控制。

2.2.4 LNG管系和閥件

當設計溫度低于-110℃或更低時，對管系的每一個分支應提交一份完整的應力分析資料供認可。

1）LNG管系

LNG管系采用不銹鋼，由管線、法蘭、管件、螺栓螺母、墊片等組成。按照船級社的要求設計。LNG充裝管線采用高真空多層絕熱低溫管，內外管之間抽真空，采用珍珠巖填充，內外管之間設支撐塊、液化天然氣充裝接頭、燃氣供應管。

2）燃氣供應管

燃氣供應管線安裝在通風管內，采用不銹鋼材料。

2.2.5 LNG閥件

閥門需滿足規范要求，所有LNG閥門采用不銹鋼材質。

1）液相。公稱直徑100mm以下，采用對焊式球閥或截止閥；

2）氣相。公稱直徑100mm以下，采用對焊式球閥或截止閥；

3）安全閥；

4）彈簧式安全閥。在燃氣儲罐，充裝站液相管和氣相管線的合適位置安裝氣動式速閉閥以滿足規范的要求。

2.2.6 儀器儀表

所有安裝在危險區域的儀器儀表應為防爆型，并滿足該區域最低防爆等級要求。

1）LNG儲罐液位指示及報警

每個LNG儲罐至少安裝一套液位測量裝置，液位顯示的數值應能讀到mm級。LNG儲罐液位測量系統應輸出四個可調節的液位報警信號，兩個高位報警信號，以及兩個低位報警信號至控制站。數字式液位指示以及報警（低位、高位及高高位）可在控制站內模塊上獨立顯示，報警狀態以及越控功能將始終處于可視狀態。

2）溫度指示與報警

（1）儲罐溫度測量

每個儲罐配置2套溫度傳感器，溫度傳感器應采用鉑電阻式，測量范圍在-200℃～+50℃之間。溫度顯示的數值應能顯示到0.1℃。

（2）貨艙處所的溫度測量

在每個LNG儲罐處所安裝溫度傳感器，并在控制站提供溫度顯示和報警。安裝位置為，儲罐處所：一套（位于每個LNG儲罐的底部）。

（3）充裝管系溫度測量

應在液相充裝管線和蒸氣回流管線的位置安裝溫度指示裝置。

2.2.7 壓力指示及報警

1）儲罐壓力測量與報警

每個LNG儲罐安裝一套獨立的壓力報警及指示裝置，在控制站內進行顯示及報警。采用本安型電子式壓力傳感器，壓力表上清晰標明LNG罐允許的最高壓力和最低壓力。尤其是LNG儲罐內的壓力應在整個操作過程中進行如下的控制。

2）充裝管系壓力測量

應在液相充裝管線和蒸氣回流管線的位置安裝壓力指示裝置。

2.2.8 控制系統

1）啟動器

水泵電機啟動器與控制柜集成在一起。

2）主控制板

在集控室設有一套主控制柜，集中對燃氣系統及設備進行控制。主控制系統采用可編程控制器進行控制和管理。同時設有一套人機顯示界面，用于顯示和管理整個燃料供應系統，根據船舶規范，駕駛臺需提供必要的報警功能。所有的系統及設備根據廠家的標注以及規范和公約要求，提供必要的報警及速閉功能。

在主控制站，可對儲罐的壓力、液位進行監測，同時，還可執行高液位報警及自動切斷功能。

3）駕駛室報警板

在駕駛室安裝一個壁掛式的報警板帶有必要報警和指示功能。

3 結論

本套LNG燃料供應系統經本次研究得到以下結論：

1）此次研究成功實現了LNG動力船燃料系統的國產自主設計和生產，降低船東對國外系統供應商的依賴性；

2）本系統對LNG儲存方式及供氣方式等方面進行方案優化極大程度上的減少了制造成本；

3）本系統燃氣供應采用儲罐蓄壓方式，而非使用LNG泵供氣，因此本系統在操作上相較于用泵供氣簡單，并且基本上無需維護；

4）本系統上成功運用了國鴻液化氣機械工程大連有限公司已有的“一種船舶動力裝置的氣體燃料供給系統”及“一種液化天然氣儲存艙氣室罩”兩種專利，這說明本設計在這方面的技術已經屬于國內的領先，同時擠身國際高端技術的行列。

［1］ 高占峰. 內河LNG加氣船市場定位研究［J］. 船舶標準化工程師， 2014（1）： 54-56.

［2］ 高德輩. 小型LNG運輸加氣船供氣系統研究［J］. 中國科技縱橫， 2015（20）： 48-49.

［3］ 李學軍， 高占峰， 劉金媛， 等. LNG運輸加氣船的電力推進系統研究［J］. 科技創業家， 2014（4）： 123-124.

首艘LNG動力示范運輸船下水

據清遠市交通部門獲悉，隨著廣東省首艘LNG動力示范運輸船在廣州南沙下水，清遠市成為廣東省LNG動力船新建唯一試點，標志著廣東內河船舶正式進入“氣化”時代，也預示LNG船的首條廣東航線有望開通，首個加氣站將落戶清遠市。北江船舶“油改氣”工作正在提速，所有船舶發動機將逐漸由柴油改用安靜環保的LNG。

據悉，作為交通運輸部“十二五”時期全國水路運輸結構調整十大示范項目之首的“大宗貨物綠色運輸北江示范項目”落戶清遠市，其中推廣LNG動力船舶的示范試點應用是該項目中尤為重要的一項工作。

2014年5月，清遠市交通運輸局與中海油廣州交通新能源有限公司、廣州航海學院、廣州市柏福萊海運公司清遠分公司簽訂了北江LNG動力船新建試點示范項目四方合作協議。2015年4月，廣東LNG動力船產業聯盟成立，“大宗貨物綠色運輸北江示范項目”LNG清潔能源動力示范船在廣州開工建造。根據規劃，廣東將在2017年前后投放100艘LNG船。

LNG動力示范船下水后將在北江（清遠至珠三角航線）試運行一年，按大宗貨物綠色運輸北江示范項目的工作要求將LNG動力船向全省、全國進行推廣，并由專業機構進行跟蹤監測運行數據。

今后幾年清遠市水路運輸業將迎來清潔能源的新時代，預計在“十三五”期間清遠市將新建造60艘至100艘LNG動力船。至2020年，北江大宗貨物通過水路運輸相較公路運輸的主要污染物碳排放量預計將減少35.5萬噸。

（來源：廣州日報）

Study of Double-fuel Propulsion System of Small-scale LNG Fueling Carrier

Lv Zhi-qing1， Gao Zhan-feng1， Yang Pei-zhi2
（1. COSCO Shipyard Group Co.， Ltd. Technical Center， Dalian 116600， China； 2. Gloryholder Liquified Gas Machinery （DL） Co.，Ltd.， Dalian 116600， China）

In recent years， with the development of economy， the demand for clean energy is enhanced. The amount of domestic demand for natural gas is getting greater and greater. Recently， our country has the transporting methods for natural gas such as common land route， tube transportation and ship transportation. The paper studies mainly on getting through and solve the design and developing problems of the key equipment of LNG fuel supplying system on small-scale LNG fueling carrier， so as to improve the key system and the equipment domesticization rate.

LNG fueling carrier； double-fuel； propulsion system

U674.92

A

10.14141/j.31-1981.2016.01.016

呂志慶（1970—），男，工程師，研究方向：船舶設計開發。