LNG船舶動力系統的總體設計及關鍵技術研究

祝志勇，葉文彪，高 健

(1.中車資陽機車有限公司，四川 資陽 641300；2.中國人民解放軍陸軍裝備部駐沈陽地區軍事代表局駐大連地區軍事代表室，遼寧 大連 116001)

0 引言

節能減排已經成為全球航運業發展的大勢所趨，LNG動力船舶正是在此形勢下發展起來的一項先進技術，其綠色動力系統的集成是目前發展的重心[1]。隨著環保趨勢的深入和LNG的興起，特別是內河航運節能減排補貼政策的出臺催化了LNG燃料動力船舶行業的快速發展。但是，由于設計、應用經驗不足，加上各種設備廠家獨立供貨，導致在LNG燃料動力船動力系統在集成過程中出現各種問題，嚴重制約了內河船LNG動力技術的推廣[2]。

“粵珠328” LNG雙燃料動力示范船(簡稱“粵珠328”船)為3 000噸級多用途船舶，現常年運行在京杭運河上。其主要參數為：船長65.98 m，船寬15.8 m，最大載貨3 530 t，最多可以搭載160個重柜集裝箱。該船最大特點就是采用LNG和柴油雙燃料動力系統，并將動力系統的各模塊集成為一個有機的動力包。

本文以“粵珠328”船的LNG動力系統為例，分析LNG船舶動力集成系統的總體設計思路，并對LNG儲氣罐的加裝、LNG發動機系統的改造、LNG報警監控系統的設計等關鍵技術進行研究，總結船舶動力集成的經驗教訓，為內河LNG船舶動力系統的整體設計模式提供有效的技術方案。

1 LNG船舶動力系統的總體設計

LNG船舶動力系統是LNG動力船舶的核心部分，是以LNG作為主要動力燃料、通過發動機為船舶提供動力的集成系統。與傳統燃油動力系統相比，它以柴油-燃氣雙燃料替代單一的柴油燃料，以雙燃料發動機替代柴油發動機，即在原有柴油機主體結構和燃燒方式不變的前提下，增加1套LNG供氣系統和柴油-燃氣雙燃料電控噴射系統，通過電子轉換開關，實現單純柴油燃料狀態下和油氣雙燃料狀態下2種運行模式的轉換。同時為防止LNG泄露帶來的危險，增加1套LNG報警控制系統。所以，LNG船舶動力系統主要由3大系統組成，即LNG儲供氣系統、柴油-燃氣雙燃料發動機系統、LNG報警控制系統。

根據“粵珠328”船的船體設計布局，LNG罐及氣化設備布置在船尾部甲板上，燃氣機及發動機氣體閥組單元(GVU)安裝在船艙內，控制柜布置在駕駛操作室內。燃氣機與LNG罐通過燃氣管路進行連接，燃氣機尾氣通過排煙管路排出船外。動力集成設備的布局和安裝示意見圖1。

液態天然氣LNG從儲氣罐出來后經過氣化器汽化，液態天然氣LNG轉化為氣態天然氣CNG。汽化后的天然氣在進發動機前，通過GVU進行過濾和壓力調整，噴入發動機燃燒室燃燒做功，發動機輸出軸通過變速箱后帶動螺旋槳旋轉，為船舶提供動力[3]。同時LNG報警控制系統對LNG儲罐、氣化器、閥門、機艙等進行監控，以確保LNG環境下的使用安全。LNG報警監控信息和發動機運行參數匯總到控制室，由控制柜對LNG控制系統和發動機進行遠程控制。

圖1 動力集成設備的布局和安裝示意圖

2 LNG儲供氣系統的優化設計

LNG儲供氣系統由LNG儲氣罐及氣化裝置、緩沖罐、接頭、閥件等組成。LNG儲氣罐的有效容積為15 m3，最大工作壓力為1.0 MPa，安放在船舶甲板上，用于貯存液化天然氣。

液態天然氣LNG從儲氣罐出來，經過氣化器汽化，LNG在汽化過程中由于體積膨脹，需要吸收大量的熱量，為防止氣化器結冰，需設法將發動機的缸套水引出到氣化器。為保證燃氣供給量及壓力的穩定性，避免發動機在急加速過程中出現燃氣壓力波動而影響發動機性能的現象，還需增加1個緩沖罐。同時為防止LNG罐的接頭、閥件等發生泄漏，需要將其圍蔽在由耐低溫材料制成的處所內，即氣罐連接處所(俗稱“冷箱”)。LNG儲氣流程見圖2。

圖2 LNG儲氣流程圖

3 雙燃料發動機系統的新增改造

發動機采用YC6C600型雙燃料發動機，通過電子轉換開關，隨時在純柴油和柴油-天然氣混燃2種模式下切換。在混燃模式下，LNG可部分替代柴油燃料，在75%額定功率下LNG綜合替代率可達到70%以上，從而達到節省燃油和降低排放的目的。相對于純柴油機，雙燃料發動機主要增加了1套燃氣供給系統，具體分為機外的氣體閥組單元GVU、機內燃氣供給單元和混燃噴射ECU系統[4]。

3.1 機外氣體閥組單元GVU

汽化后的天然氣在進入發動機前，還需要進一步過濾和調壓，這就需要GVU。GVU包含的零部件有調壓器、燃氣過濾器、氣動閥、壓力表等，集成在屏蔽箱內，對天然氣進行調壓調整、燃氣過濾和啟停控制。GVU整體對內部所有零部件形成圍蔽，其燃氣進出口都設有通風法蘭，通風法蘭通過管道與抽風機相連，采用雙層抽風結構。當箱體內某一連接處發生燃氣泄漏時，可以將燃氣通過雙層管抽走，防止燃氣泄漏到機艙內部，引發潛在的危險。GVU結構原理見圖3。

圖3 閥組單元GVU原理圖

3.2 機內燃氣供給單元

相對于純柴油機，雙燃料發動機增加1套燃氣供給單元，安裝在屏蔽箱內，置于發動機頂部。其燃氣系統供給采用多點噴射方案，燃氣管路通過燃氣共軌管分為6支，由6個燃氣電噴控制閥控制燃氣的噴射。燃氣共軌管采用單層管，與燃氣閥一同安裝在屏蔽箱(GVU-2)內部，等同于雙壁管作用，每一缸的燃氣支管直接通向發動機進氣總管，直接噴入缸蓋，燃氣支管采用雙壁管。燃氣供給單元安裝位置見圖4。

圖4 燃氣供給單元位置

3.3 發動機的混燃噴射ECU系統

燃氣供給系統的作用是根據發動機工況的變化，使燃氣與空氣以一定的比例混合后送入燃燒室中。發動機對供氣系統的控制，可集成在一個電子控制單元(ECU)上，由ECU控制供氣系統的混燃噴射。YC6C雙燃料發動機的ECU系統采用HEINZMANN控制系統，可實現啟動、停機、雙燃料模式切換、燃氣系統控制功能、發動機運行狀態監控等5大功能。ECU系統原理見圖5。

圖5 ECU系統原理圖

4 LNG船舶報警監控系統的功能設計

因LNG燃氣的特點，LNG船舶的危險主要集中在氣罐的充裝及儲存處、燃氣管路閥口處、發動機進排氣等處，故LNG船舶的監控系統可細分為LNG天然氣報警監控系統和雙燃料發動機電噴ECU控制系統，并通過遠程監控系統對LNG報警監控信息和發動機運行參數進行匯總并控制[5]。

LNG天然氣報警監控系統主要承擔的任務是對LNG儲罐、氣化器、遙控閥門等監控和管理，完成充裝、儲存、供氣、待機等各種工藝過程的采集、控制、顯示、報警等監控功能，同時對本船的LNG使用環境安全進行監測。通過可燃氣體泄漏控制器、火災監測報警控制器等監測設備，可以及時發現隱患啟動報警并關閉緊急切斷閥，切斷氣體燃料，確保使用安全。LNG船舶監控系統示意圖見圖6。

5 結論

根據“粵珠328”LNG雙燃料動力船的研發經驗教訓，LNG船舶動力系統在設計時需特別注意以下幾個關鍵技術：

(1)為保證燃氣供給量及壓力的穩定性，防止LNG罐的接頭、閥件等發生泄漏，建議LNG儲供氣系統增加一“冷箱”。

(2)原純柴油機需改造為雙燃料發動機，即增加1套燃氣供給系統和混燃噴射ECU系統。

(3)為確保LNG使用安全，船舶須安裝可燃氣體泄漏探測器、火災監測報警控制器等監測設備，及時發現隱患予以報警并自動切斷LNG閥門。

圖6 LNG船舶監控系統圖