廣西內河LNG動力船舶建造技術要點研究

曾志偉，趙代娣

(廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023)

0 引言

近年來，廣西在內河LNG動力船舶方面，主要是進行雙燃料動力船舶改造和單一LNG燃料動力船舶新建[1]。雙燃料動力船舶改造是在船舶現有柴油機作為燃料的基礎上，增加一套LNG供氣系統和柴油LNG雙燃料噴射系統，將船舶單一的柴油動力改造為柴油和LNG雙燃料動力，可實現以單一柴油為燃料和以柴油、LNG為雙燃料的兩種內燃機運行模式；單一LNG動力船舶新建是在《船舶應用天然氣燃料規范》(2021版)[2]要求下，建造僅以LNG為單一燃料的動力船舶。本文以廣西區內LNG燃料動力船舶建造檢驗為切入點，結合廣西LNG燃料動力船舶發展現狀及建造工藝的實際情況，探討LNG動力船舶建造技術的主要研究內容，提出LNG動力船舶船體、輪機及電氣的主要研究要點和方向，為廣西內河船舶檢驗和建造設計人員提供技術指引，并對典型LNG動力船舶的改造設計及新建有較好指導作用。

1 廣西LNG燃料動力船舶發展現狀

目前，廣西內河船舶生產廠家按照規范對船舶應用LNG燃料進行改造和新建，因此改造船舶及新造LNG燃料船舶將越來越多。截至2021年年底，廣西共有28艘LNG動力船舶，其中23艘雙燃料船(其中3艘由純柴油機動力船改造而成)，5艘純LNG燃料船(其中2艘由雙燃料船改造而成)。但建造水平與發達省份相比，整體建造技術較低，LNG燃料動力船舶又因其特殊的危險性，建造中面臨諸多技術挑戰，也暴露出一些普遍和突出的問題。隨著廣西內河航道等級的不斷提升，船舶將朝大型化、低碳環保方向發展，新建船舶噸位越來越大，數量越來越多，如何建造清潔、安全、高品質的LNG燃料動力船舶對于廣西推進LNG燃料動力船舶的健康發展至關重要。同時，推動LNG燃料動力船舶建造是國家綠色交通“十四五”發展規劃的明確要求，也是廣西交通“十四五”發展規劃的重要任務。

2 LNG燃料動力船舶建造技術要點研究

我國LNG燃料動力船舶改造的研究和應用始于2010年，不管是對現有船舶進行LNG燃料動力改造還是新造LNG燃料動力船舶，與以柴油機為動力的船舶相比較，通常需要加裝的主要系統包括LNG儲罐和氣體處理系統，以及通風系統、ECU、安全系統和自控系統等輔助系統，改裝的難點主要在于如何布置儲罐以及LNG燃料系統的子系統[3]。

本文以廣西西江重工有限責任公司一艘擬建的西江典型5000噸級LNG燃料動力船舶為例，基于該船型特點及廣西區內船舶建造的實際工藝水平，研究各種技術問題解決方案，提出建造過程中的船體、輪機、電氣與電子設備及儀器的安裝、試驗等多項技術難點與焦點問題，按照專業內容劃分，分別進行以下研究與探討。

2.1 船舶船體項目研究要點

關于內河LNG燃料動力船舶船體項目研究主要涉及燃料罐的布置、防火結構的布置和防火區域劃分等內容。區別于傳統柴油動力貨船的燃料艙布置在船舶機艙內，LNG燃料儲罐因其氣體的危險性，可供選擇的位置非常有限，基于內河船舶的結構特點，目前普遍的做法是將燃料艙(罐)布置在船舶二層尾船員甲板的開敞處。該布置方式需要根據LNG燃料特殊的安全要求、罐體大小以及船舶的結構、穩性、防火等要求進行綜合的科學分析計算和論證。

2.1.1 開展LNG燃料動力船舶總體設計研究

LNG燃料動力船舶因燃料的易燃易爆以及低溫危險性，對于西江普通貨船有限的布置空間構成挑戰。如何科學合理地在船舶船體設計中布置LNG儲罐和氣體處理系統，一直是業界持續關注的問題，許多技術問題需要處理。例如，從氣體安全處所直接通向氣體危險處所的氣閘設置、因危險區域劃分的透氣桅設置，無論從規范要求還是實際操作層面，依然處在嘗試和替代解決方案階段，缺乏理想的解決措施。因此，在滿足船舶建造規范的基礎上，對照《船舶應用天然氣燃料規范》(2021版)的要求，開展基于西江船型特點的總體設計研究，是船體項目研究的重要內容。另外，因LNG燃料動力船舶比普通貨船增加了氣罐，且安裝位置較高，會導致船舶重心較高，船舶穩性發生變化，為此要增加船舶壓載，但是又會減少裝貨量，這也是目前LNG燃料動力船舶在總體船體設計中需要研究的一個問題。

2.1.2 開展安全、高品質LNG燃料動力船舶建造工藝的研究與實踐

推動LNG燃料動力船舶的建造，不僅是廣西交通重點工作任務，更是事關國家戰略、綠色航運健康發展的重要事項。然而，廣西船舶建造工藝水平整體較低，造船企業眾多，競爭大、低質量造船是行業特點，若以現有低質量造船技術建造的LNG燃料動力船舶，無論是安全性還是品質都有待提升。因此，在廣西開展安全、高品質內河LNG動力船舶建造工藝研究與實踐具有重要意義和必要性。

2.1.3 開展船舶結構有限元直接計算研究

廣西LNG燃料動力船舶均采用將LNG燃料罐布置在船尾二層船員室甲板尾部的方式，下方依靠甲板室支撐，目前設計的5 000噸級船舶LNG燃料罐體積可以達到30 m3，重達30多t，對下方支撐甲板室結構強度要求較高。CCS規范要求對于該支撐結構采取有限元直接計算方式予以校核其強度，但當前廣西的船舶設計單位，均不具有船舶結構有限元直接計算能力，船舶結構基本采取經驗加強的方式，甚至缺少相關計算。因此，開展結構有限元直接計算研究對于提高船舶結構安全性以及提高整體船舶設計水平迫在眉睫。

2.2 船舶輪機項目研究要點

LNG燃料動力船舶區別于傳統柴油動力船舶，其燃料具有較大的危險性，因此，輪機系統的設計建造也與傳統的柴油動力船舶具有較大的區別，結合當前廣西船舶建造工藝水平，輪機系統的研究要點應主要包括以下幾個方面。

2.2.1 開展LNG燃料發動機系統的總體設計和施工技術研究

根據西江LNG動力船舶的結構特點，需要對LNG儲氣罐和LNG發動機系統的布置、LNG報警監控系統的設計等關鍵技術進行研究。同時，要對西江航道及水文等因素帶來LNG發動機負荷變化時系統的響應特征進行研究，并對動力集成系統的總體設計思路和施工技術進行研究，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。如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，機艙采用氣體安全機器處所或ESD防護型機器處所，如何提升和規范廣西現有船舶設計及建造工藝水平，選擇品質安全的可操作的機艙布置形式，是研究的要點之一。

2.2.2 發動機LNG供氣系統的主要安全技術研究

如前所述，LNG具有易燃易爆的危險性，LNG供氣系統的安全技術研究至關重要，其主要安全技術包括船舶安全區域與危險區域的劃分，加注站、儲罐及燃料準備間承接盤的設計，儲罐氣穹保護間、燃料準備間、機艙雙壁管的通風設計與風機選型等。

2.2.3 開展LNG新能源燃料動力船舶建造的技術研究

通過對LNG燃料儲存罐的設計、LNG燃料儲存罐安裝位置和燃料管系的布置、LNG發動機的建造、報警監視系統的安裝等方面內容進行探究，從根本上解決LNG燃料動力船舶改造的技術難題。

2.3 船舶電氣主要研究要點

為防止LNG泄露帶來的風險，要求對LNG燃料船舶的設備結構、安裝和使用采取特殊預防措施。危險區域劃分及布置、燃料艙透氣系統設置、燃料艙接頭處所布置、LNG系統報警項目設置是當前LNG燃料動力船舶建造中需要重點解決的問題。

2.3.1 危險區域劃分研究

危險區域是指可能出現可燃氣體的區域。合理的LNG燃料動力船舶危險區域劃分目的有以下幾點：(1)為了采取相應的措施來確保船舶在LNG泄露、燃爆風險方面的安全性；(2)減少防爆電氣設備的使用，進而減低船舶設備成本；(3)減少生活區域的氣密艙壁，改善生活艙室的通風，保證船員生活的舒適度。為了減少危險區域對船舶的影響，應盡可能減少危險區域的范圍，合理布置危險處所的進出風口、透氣口及加注站。

2.3.2 加注站布置研究

從船舶防火和滅火要求考慮，加注站的位置應盡量遠離A類機器處所/重要機器處所、起居處所、控制站和較大失火危險處所。此外，LNG加注站的布置位置和高度還應考慮后期船舶營運中擬采用的加注型式，如槽車加注、碼頭岸站加注或是躉船加注；還應特別考慮采用不同加注型式所需的系泊、軟管吊、加裝接頭的標準設計等設備的配置要求。

2.3.3 可燃氣體探測系統研究

應根據危險區域劃分以及風險評估對所有可能存在氣體泄漏的艙室或處所設置固定式氣體探測系統。氣體探測傳感器的布置位置應考慮氣體泄漏以后受通風系統影響的擴散路徑，以便在最短時間內檢測出泄露處并報警。

2.3.4 船用LNG供氣系統控制、監測和安全系統研究

供氣系統的控制、監測功能和安全系統的可靠性、穩定性、安全性，是實現LNG供氣系統安全可靠運行的關鍵。開展基于LNG供氣系統組成和原理的控制系統研究，既要電氣系統高度集成，又要充分考慮系統的獨立性、控制邏輯的合理性，最終實現智能化控制，避免人為失誤。

3 結語

廣西內河造船市場與全國造船業發達地區相比，造船模式和工藝水平相對落后，基礎薄弱，技術水平比較低，在LNG燃料動力船舶建造上更是起步較晚，LNG動力船舶建造及改裝成本高、前期的基礎設施投資巨大是必須克服和解決的難題。因此，在廣西內河推廣LNG燃料動力船舶，機遇與挑戰并存，需要政府主管部門、航運企業、造船企業和有關船舶設計機構的共同努力。造船企業要想在其中有所收獲，不僅應提高LNG動力船舶改裝新建能力，更重要的是通過技術創新降低改裝成本。只有這樣，才能吸引船東選擇LNG船舶的動力改裝和新建，共同做大這一市場，讓該業務成為廣西造船業新的經濟增長點，并推動廣西內河船舶及附屬產業實現轉型升級。