LNG 燃料動力船燃料系統關鍵技術分析

魯世軍

（重慶市船舶檢驗中心有限公司，重慶 400000）

0 引言

地球是人類共同生活的家園，但是，隨著當前人類社會的發展，不同地區的環境狀況在持續惡化。調查顯示，自1860 年以來，全球年平均溫度正以每年0.6 ℃的速度持續上升。20 世紀80 年代，全球每年受到氣候災害影響的人數已經達到了1.47 億左右，到20 世紀90 年代，受災人數攀升至2.11 億左右。此外，全球約有40%的人口面臨著嚴重缺水的問題。如果不采取有針對性的措施，30 年之后全球將有超過55%的人口面臨水荒等問題[1]。

我國是世界第二大石油消費和進口國，交通運輸行業是石油消費大戶，占石油品消費的33%。船舶運輸以柴油燃料為主，在交通運輸行業燃料消費中占有很大比例。柴油燃燒排放的二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物、懸浮顆粒，已成為大氣污染的重要來源。截至2014 年，交通運輸業已成為全球溫室氣體的第二大排放源。為了促進生態環境保護和經濟發展的良性互動，習近平總書記提出了“兩山”理論，成為指導全國綠色發展的理論，指導處于轉型期的中國加快開展產業結構轉型調整和工業全面升級改造。以技術創新為先導，大力提升船舶運輸物流行業的節能減排能力，走綠色物流發展之路，已經成為貫徹落實科學發展觀、建設節約型社會的必然選擇。LNG 雙燃料動力船屬于清潔能源船，此船型每年可以為船舶運營企業減少80%左右的燃油排放污染，社會效益良好，對于國家和社會都具有非常重要的意義。LNG 燃料屬于清潔綠色能源，大力發展LNG燃料動力船，有助于為國家“碳達峰，碳中和”的環保目標貢獻力量[2]。

1 LNG 燃料動力系統類型

目前LNG 燃料動力船可分為單燃料船和雙燃料船。單燃料船是指發動機只使用一種燃料，即只用LNG 燃料。雙燃料船是指發動機使用兩種燃料，即使用LNG 燃料和0#柴油的混合燃料。無論是單燃料船還是雙燃料船，它們的燃料動力系統一般包括燃料充裝、燃料儲存以及燃料的供應與利用。

LNG 燃料動力船動力系統中最關鍵的部件為“三點一線”及“四大部件”。所謂的“三點”是指氣罐處所、機器處所及充裝處所，“一線”指的是管系，包含附件、閥件等；“四大部件”包括發動機、氣罐、熱交換設備和中央控制單元。

其中，氣罐處所的主要功能是儲存燃料，包含的設備有氣罐、熱交換設備等。氣罐的危險之處在于：首先，氣罐與熱交換設備可能存在結構坍塌的危險；其次，如果氣罐、熱交換設備發生了泄露，在與火源發生接觸之后可能引發火災。

充裝處所的主要功能是進行燃料充裝，包含的設備主要是管系等，若充裝處所發生泄露，其泄漏的介質將導致金屬“冷脆”現象，當可燃氣體遇到火源會發生火災。

機器處所可以將燃料轉換為動能，它的著火源相對集中。其發動機、管系泄露可燃氣體發生火災的概率較大，因此，應當重點做好防泄漏、防火等工作。除此之外，作為燃料供給的單元，機器處所的主要風險點體現在可靠性、協調性等方面。

管系用于燃料的供應，主要包含管路、閥件、接頭等，若閥件、接頭發生泄漏會引起對船體結構的低溫傷害和可燃氣體的集聚。管系基本分布在氣罐處所、充裝處所、機器處所內，管系泄漏對這個3 處所可能會產生影響。為了減低燃料泄漏風險，目前LNG燃料管路基本采用雙壁管。

2 LNG 單燃料發動機技術

LNG 單燃料發動機是指只使用LNG 燃料而不使用其他燃料的發動機。此類型發動機采用火花塞打火點燃LNG 燃料，燃氣噴射、空燃比等參數，主要使用中央控制單元（electronic control unit, ECU）進行控制。ECU 采用油門信號進行控制，并通過控制電子節氣門開度，對燃氣噴量進行精確控制。LNG 單燃料發動機主要具有以下7 個方面的特點：①在發動機穩定運行期間，主要使用閉環控制方式，確保實際空燃比與理論空燃比保持一致性。②燃氣進氣方式主要采用的是電控單點噴射的方式，具有供氣及時、停氣干脆等優勢。③LNG 單燃料發動機還具有加速、加濃等功能。④通過應用防喘震技術，在發動機大負荷突然卸載的情況下，ECU 會結合減載信號等信息，開啟燃料切斷激活功能。如此一來，便能夠有效避免增壓器喘震等問題。⑤LNG 單燃料發動機具有超速保護的功能。⑥電鑰匙打開之后，若沒有轉速信號，電磁閥將會自動進行關閉。⑦LNG 單燃料類型的發動機還具有故障自我診斷的功能[3]。

LNG 單燃料發動機和常規柴油機在結構方面的主要區別如表1 所示。

表1 LNG 單燃料發動機和常規柴油機在結構方面的主要區別

3 LNG 雙燃料發動機技術

雙燃料船是指發動機使用兩種燃料，既可以以LNG 為燃料，又可以燃燒燃油，或者同時燃燒燃油和LNG 燃料的混合燃料。在現有的柴油機的基礎上加裝LNG 燃料供給系統，便能夠實現對單一柴油發動機的轉化，使之成為雙燃料發動機。在開啟全柴油模式的情況下，LNG 氣源切斷，這樣發動機就與原來的柴油機工作模式保持一致。

LNG 雙燃料系統應用期間，需要對原有燃油泵齒條進行控制，進而實現對柴油噴射量的限制。需要根據ECU 發出的指令，利用油門執行器對油泵齒桿位置進行精確的控制。通過應用PID 雙閉環控制技術，能夠實現對油量的精確把控，同時，還提高了各缸發火的準確性、可靠性。

LNG 通過LNG/空氣混合器噴射到發動機進氣道。ECU 結合傳感器感受到發動機工作情況，進而明確LNG 的噴射量。LNG 的噴射量主要通過噴射閥進行控制，因為LNG 噴射期間具有一定的壓力，進而可以噴入指定的混合器內。當空氣流進入時，LNG 就會對空氣產生擾動作用，使二者之間保持良好的混合狀況與效果。

在接收到傳感器信號之后，ECU 將會對柴油的供應量進行嚴格的控制。系統可應用在不同型號的發動機上，LNG 替代率可達60%～90%。

ECU 是柴油－LNG 電控系統的電子控制單元，是根據柴油機壓燃原理設計的，通過在柴油發動機上安裝轉速傳感器、壓力傳感器、排氣溫度傳感器、油門位置傳感器、油門執行器和HSV-SP 系列噴射閥，由ECU 采集轉速、油門位置等信號，通過改變油門位置來直接或間接改變油泵齒條位置，最終實現對油泵供油量的有效控制。除此之外，精確控制進入汽缸的量，使柴油發動機改裝為柴油－LNG 發動機，實現對發動機燃料量的精確控制[4]。

4 LNG 燃料儲罐技術

目前LNG 燃料儲罐類型有薄膜型氣罐、半薄膜型氣罐、獨立性氣罐A 型、獨立性氣罐B 型、獨立性氣罐C 型。各種LNG 燃料氣罐的優缺點對比如表2所示。

表2 各種LNG 燃料氣罐的優缺點對比

薄膜、半薄膜型燃料氣罐是屬于非自身支持的系統，獨立性氣罐屬于自身支持的系統，薄膜型氣罐、半薄膜型氣罐、獨立性氣罐A 型、獨立性氣罐B型均需要次屏壁，而獨立性氣罐C 型不需要次屏壁，從這點來看，采用獨立性氣罐C 型成本較低，而且獨立性氣罐C 型具有設計牢靠，壓力適應性好，易安裝，無泄漏，無須維護，與其配套的系統成本低等優點，故LNG 燃料儲存主流采用C 型獨立性氣罐。

5 LNG 燃料氣化器技術

LNG 是低溫液體，不能直接進入柴油機進行燃燒，需將其氣化后再進入柴油機燃燒，這就需要增設氣化器，因而，汽化器的選擇至關重要。通過市場調研發現，氣化器主要分為兩種類型：水浴式和空溫式。LNG 空溫式氣化器在工作期間主要利用空氣自然對流加熱換熱管中的低溫液體；LNG 水浴式氣化器主要是利用水的熱量對換熱管中的低溫液體進行加熱[5]。

若采用LNG 水浴式氣化器需配套設置一臺水泵，此泵的流量應與LNG 氣化量相匹配。其工作原理為：由水泵通過江水橫通管將江水泵至江水過濾器，之后再經過水浴式氣化器，進而可以把LNG 加熱氣化，隨后將其排出到舷外。因為江水中所含的泥沙較多，因而容易出現堵塞過濾器的問題，鑒于此，需要對過濾器進行定期清理。如果使用的是LNG 空溫式氣化器，需要的散熱面積較大，進而造成整個LNG 空溫式氣化器體積過大，所占用的空間也隨之增加，由于船上空間狹小，LNG 空溫或氣化器布置相對困難，而這一方式的優點是操作、維護相對方便。由于LNG 燃料動力船空間有限，沒有足夠的空間放置空氣式氣化器，而水浴式氣化器具有體積小、氣化能力大等優點，故船上一般采用水浴式氣化器。

6 LNG 燃料動力船安保系統

LNG 燃料動力船安保系統為LNG 動力船提供控制、監測和安全保護。由“監測、控制系統”和“安全系統”兩大系統組成，兩系統相互獨立，且安全系統優先于監測、控制系統。主要對LNG/柴油燃料船整船綜合報警系統、LNG 充裝系統、儲罐液位等參數、氣體燃料管路系統、氣體閥件控制單元、機艙、抽風系統等進行監控。根據儲罐溫度、液位、壓力及各現場氣體探測器、火災探測器、ESD 報警按鈕等進行聯鎖保護及緊急切斷，并將相關監控及安保狀態發送至駕駛室或值班室。

每臺LNG 主機和發電機上安裝可燃氣體、感溫、感煙探測器各1 臺，LNG 主、輔機雙壁管設風壓傳感器和可燃氣體探測器各1 個，閥件連接處所設自動工作的擋火閘、可燃氣體探測器各1 個。

7 結語

綜上所述，在國家提倡低碳、節能、環保、綠色的背景下，LNG 燃料動力船無疑是屬于清潔能源的船，它可以大大地降低船舶運營企業的燃油排放污染，有著顯著的社會效益。通過對LNG 燃料動力系統類型、LNG 燃料發動機的技術、LNG 燃料儲罐的技術、LNG 燃料氣化器的技術、LNG 燃料動力船安保系統等方面進行分析，并不斷進行總結、實踐，逐步完善，從而助力我國船舶在綠色、環保方面的發展。