LNG燃料動力船改造技術分析

裘繼承 梁耀明 李珍

摘? ? 要：本文根據LNG燃料動力船舶改造的特點，對LNG儲罐布置、機器處所（機艙）設計、氣體燃料發動機選型、危險區域劃分等關鍵技術進行分析研究。

關鍵詞：LNG燃料動力船舶;改造技術

中圖分類號：U664.124 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Reconstruction of LNG-powered Vessel

QIU Jicheng， LIANG Yaoming， LI Zhen

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： According to the characteristics of reconstruction of LNG-powered vessel， this paper analyses the key technologies such as LNG storage tank layout， machinery space （engine room） design， LNG fuel engine selection， hazardous area division.

Key words： LNG-powered vessel; Reconstruction technology

1? ? 前言

隨著IMO對船舶排放污染物的嚴格控制和國內排放控制區的實施，LNG與傳統船用燃油相比，在環保、經濟性以及社會效益等方面均具有明顯優勢。目前我國在長江流域、京杭大運河積極推廣LNG燃料在船上的應用，已完成了一批商用船舶的LNG動力改造。本文基于LNG燃料動力船改造的特點，分析了在改造過程中的關鍵技術。

2? ?適改性條件評估

船舶在進行LNG燃料動力改造前，應參考《中華人民共和國海事局關于推進船舶應用液化天然氣燃料工作有關事項的通知》（海船檢〔 2014〕671 號）相關要求，對船舶適改條件進行評估，如：船舶船齡、推載系數、結構情況、舵面積系數等;船舶有無適當位置和空間安裝LNG儲罐、熱交換器、氣體燃料系統及其附件、通風系統、LNG安保系統、LNG專用消防系統等。

3? ?LNG儲罐布置方案

3.1? LNG儲罐布置特點

LNG儲罐呈長圓柱體形狀，端部設有燃料艙接頭裝置。LNG儲罐的布置需考慮對船舶總體布置、穩性等的影響，以及規范和法規的適應性。LNG儲罐外形尺寸大，在船上需占據專門空間進行安裝布置，對原船緊湊的空間帶來很大影響，原船布置必須做出較大調整;LNG儲罐重量較大，若布置不當將對船舶穩性和安全等造成影響。

3.2? LNG儲罐布置形式

LNG儲罐的布置需滿足《天然氣燃料動力船舶規范》對于燃料艙布置的要求，并應盡可能布置在機艙附近。根據船舶實際情況，LNG儲罐橫向布置對船舶影響更小，所以LNG儲罐布置在很大程度上取決于船舶的寬度。

LNG儲罐布置主要有三種形式（見表1）：上層建筑尾部區域;主甲板以上艙室;主甲板以下艙室。

對于船舶穩性影響較大的因素主要為船舶的主尺度、線型和重心位置。由于無法對船舶主尺度和線型進行改變，如果改造后船舶重心過多時，則應采取措施降低船舶重心位置以提高穩性，主要措施有：（1）在船舶底部增加固定壓載;（2）降低船舶裝載量。

4? ?機器處所（機艙）設計

為了減少機艙發生氣體爆炸的可能性，LNG燃料動力船機艙設計必須保證其安全性和可靠性，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。根據規范要求，機艙可采用氣體安全機器處所或ESD防護型機器處所：

（1）當氣體燃料管路采用雙壁管進行環圍通風時，機艙為氣體安全機器處所，可不作為危險區域且與常規機艙一致。按此要求，可避免機艙設計復雜化，同時提高船舶安全性;

（2）對于ESD防護型機器處所，在出現涉及氣體危險的異常情況時，應自動關閉（ESD）非安全設備（著火源）和機器，而在這些情況下處于使用或活動狀態的設備或機器應為合格防爆型。因此，如采用ESD防護型機器處所，則需把原船部分機艙設備改為防爆型。

綜合考慮安全因素及改造工程量，建議將機艙設計成氣體安全機器處所。

5? ?氣體燃料發動機選型

5.1? 氣體燃料發動機類型

氣體燃料發動機包括單一氣體燃料發動機和雙燃料發動機：單一氣體燃料發動機，系指只能依靠天然氣燃料運轉且不能轉換到燃油運轉模式的內燃機;雙燃料發動機，系指既可以以天然氣為燃料，又可以燃燒燃油，或者同時燃燒燃油和天然氣燃料的內燃機。氣體燃料發動機不同燃料使用方式對比見表2。

5.2? 氣體燃料發動機選型

原船柴油機可采取直接改裝為雙燃料發動機，或整體更換為新的氣體燃料發動機這兩種方式。

（1）采用原船柴油機直接改裝為雙燃料發動機的方案，是在原柴油機的基礎上增加天然氣供氣系統和控制系統，通過預先的標定工作，使發動機具備混燒功能，其技術特點與表2中雙燃料發動機（混燒）相似。此類改造不需更換柴油機基座，為柴油機服務的燃油、滑油、冷卻水等系統基本保持不變，因此改造工程量相對較小，但是機器改裝認證相對麻煩;在柴油機基礎上直接改造的雙燃料發動機，在使用能源結構方面可發揮一定的作用，但效率不一定比柴油機高;采用原柴油機機型改裝，燃燒CH4也難以達到最佳燃燒效果，掃氣時或會將部分CH4直接排放到大氣中，故一般不建議采用此種方式。

（2）從燃燒效率和綜合排放性能來看，單一氣體燃料發動機比雙燃料發動機要好，主要原因是雙燃料發動機要兼顧兩種燃料的使用，在燃燒效率上低于專門針對天然氣燃料設計的單一氣體燃料發動機，綜合排放性能也差一些。由于LNG單位體積熱量約為柴油的60%，柴油儲存條件要求不高，可充分利用船舶空間配置較大容積的燃油艙，具備較大的續航力。而作為儲能設備的LNG儲罐，LNG儲存條件不如柴油，因此采用單一氣體燃料發動機的LNG改造船的續航力一般會減少，最好是在固定航線營運，確保LNG的及時供應。

（3）雙燃料發動機根據進氣方式可分為缸外進氣和缸內進氣兩種：（A）缸外進氣分為總管進氣和支管進氣，總管進氣是在總管直接噴射，不能精確控制空燃比且無法逃避CH4的逃逸;而支管進氣是電控多點順序噴射，可以克服總管進氣的缺點，提高熱效率;（B）缸內進氣分為低壓缸內直噴和高壓缸內直噴。由于高壓缸內直噴雙燃料發動機還需要配備專門的高壓泵，供氣管路要求較高，一般不適用于功率小、機艙布置較為緊湊的內河LNG改造船。

（4）微引燃式支管電控多點噴射和低壓缸內直噴采用稀薄燃燒和空燃比控制技術，可實現單缸燃燒精確控制，充分發揮氣體燃料的優勢，且能獲得較好的排放性能。但是目前雙燃料發動機一般功率較大且價格昂貴，適用性和性價比不如混燒式雙燃料發動機。

國內LNG燃料動力改造船多數采用混燒式雙燃料發動機，此類發動機是在雙燃料模式下，由控制單元（ECU）直接控制電噴閥的噴氣時間來決定參與缸內混合的燃氣量，達到一定的替代率，在一定功率范圍內能做到純柴油模式和雙燃料模式的迅速切換。這種發動機的實際節能效果不如預期，臺架試驗顯示減排效果也不太理想，雖然SOx排放為零，但CH4排放則顯著增加，目前GB15067-2016《船舶發動機排放污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）》已實施，混燒式雙燃料發動機面臨著CH4排放要求的限制。

綜上所述，對于大功率的海船，建議采用微引燃雙燃料發動機，增加的LNG儲罐相當于增加了續航力;對于小功率的內河船，建議采用單一氣體燃料發動機，當船舶要確保一定的續航力時，混燒式雙燃料發動機如滿足GB15067-2016的要求，也可適當考慮。

6? ?危險區域劃分

天然氣是易燃易爆氣體，危險區域是指可燃氣體可能出現的量，要求對設備的結構、安裝和使用采取特殊預防措施的區域。LNG燃料動力船的危險區域劃分，是為了采取相應的措施來確保船舶在LNG燃爆風險方面的安全性。LNG燃料系統導致船舶危險區域存在的設施主要有：LNG加注站、環圍導管通風系統的進出風口、壓力釋放閥的透氣出口。在以上設施3 m以內的開敞甲板上的區域為1區，1區外1.5 m范圍內所包含的開敞區域為2區。

為了減少危險區域對原有船舶的影響，應盡可能減少危險區域的范圍，合理布置危險處所進出風口及加注站是其中的關鍵，應將LNG儲罐壓力釋放口、環圍通風出風口和加注口緊湊布置;對于危險區域的處理，可通過改變門窗位置、窗戶氣密性等措施，使得危險區域與居住處所（安全區域）得到有效隔離;當危險區域范圍覆蓋了原船部分電氣設備時，可將電氣設備移出危險區域，如布置不允許則改用防爆電氣設備;對于安裝在危險區域內的緊急切斷閥，可采用氣控型式，避免電控元器件電起火危險。

7? ?結束語

隨著船舶排放控制要求的日益嚴格以及LNG加注設施的不斷完善，相信未來會有更多船東選擇將柴油動力船改造為LNG燃料動力船。

參考文獻

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