拖网渔船LNG单燃料动力系统的设计

裘继承

摘 要：本文以LNG单燃料动力拖网渔船为例，主要介绍LNG动力系统的设计：LNG动力系统的安全设计、LNG动力管系的设计、LNG冷能利用。

关键词：LNG动力系统 ；本质安全机器处所； 双壁管； LNG冷能利用

中图分类号：U677.6 文献标识码：A

1 前言

随着LNG燃料动力船舶的快速发展和应用，LNG动力系统的安全、环保、经济等因素受到越来越广泛的重视。本文以我院LNG单燃料动力拖网渔船设计为例，对LNG动力系统、安全系统、LNG冷能利用及其LNG动力管系的设计进行分析总结，交流经验，以利LNG单燃料动力在实船上得到更广泛的应用。

2 LNG单燃料动力拖网渔船概述

本船为钢质全焊接结构、尾滑道单拖网渔船，具有倾斜首柱（带球首），尾机型、双机、双桨、双舵，用于南海海域进行拖网作业，其主要作业海域为西沙或补给条件下南沙。本船总长53.6 m、型宽8.50 m、型深4.4 m，设计航速10 kn，续航力不小于1 500 n mile，船员14人。

本船主推进采用2台船用单一气体燃料发动机，功率为420 kW；配置2台船用单一气体燃料主发电机组，输出电功率分别为120 kW和64 kW。

在LNG储气罐舱设置1个LNG储罐，储罐的总容积约100 m3；设置2套LNG气化器及2个缓冲罐，其中1套LNG气化器及1个缓冲罐供气给1台主机和1台120 kW发电机组，另1套LNG气化器及1个缓冲罐供气给1台主机和一台64 kW发电机组。

3 LNG动力系统的安全设计

3.1 机舱设计的原则

LNG燃料动力船机舱的安全性和可靠性必须得到保证，应将气体燃料发生泄漏和产生危害的概率和影响降至最低。设计的原则是：尽量将危险区域减至最少，以降低可能影响船舶、人员和设备安全的潜在风险；采取适当的防护措施，使气体燃料系统免受外部损伤；消除危险区域内的着火源，以降低爆炸的概率；设有适当的控制、报警、监测、切断和气体探测系统， 确保气体燃料系统安全、可靠运行；针对潜在的火灾风险设置探火、防火和灭火措施。

3.2 机舱形式的选择

根据CCS《天然气燃料动力船舶规范》（2013）3.1.1.2：含有天然气燃料动力系统（包括双燃料动力系统）的机器处所应按本质安全机器处所，或ESD防护式机器处所，或增强安全机器处所要求进行布置。

本质安全型机舱要求对机舱内的所有供气管路进行气密环围，如采用双壁管，这样可以降低管路气体燃料泄露带来的风险，提高了机舱的整体安全水平。但该类机舱对于供气管路和发动机的技术要求较高，双壁管不仅制造成本高，而且施工、安装、检验、维护也复杂。供气管路与发动机气体喷射阀的连接应设置双壁管，其布置应能使得方便地对气体喷射阀和气缸盖进行更换和/或检查。发动机本体上的供气管路同样应采用双壁管，直至气体进入气缸。

ESD防护式机舱其内部的供气管路可不设气密环围，但需满足产生推进功率和电力的发动机布置在两间机舱内，且任何一间机舱内的燃料供应被切断时，其余机舱应能维持至少40%的推进功率和正常的电力供应以用于航行。本船作为一型拖网渔船，推进系统分成两个机舱布置，必然要牺牲一部分鱼舱的空间，这对于船东来说是很难接受的。另外，应安装气体探测装置，并能自动切断气体供应和断开所有非防爆设备或装置。

增强安全型机舱供气管路可不设气密环围，可不采用分舱的形式。机舱的安全水平主要通过以下措施得以保证：供气管路的连接应采用对接焊全焊透型式，并100%进行射线检测，可能产生泄漏的部件或接头应布置在气体阀件单元处所内，该处所内设有通风系统和气体探测器；当探测到机舱和气体阀件单元处所内可燃气体浓度达到20% LEL、控制阀自动关闭而停止气体燃料供应、机舱风机因故关停、探测到供气管路破裂等情况时，发动机应自动转换为燃油模式。而本船采用的是单一气体燃料发动机，所以不能采用此类型机舱的设计。

考虑到本船将安全因素放在第一位及机舱的布置情况，因此将机舱设计成本质安全机器处所。

3.3 LNG储气罐舱的安全设计

由于LNG储气罐舱属于围蔽处所，一旦发生LNG泄漏事故，虽然LNG储气罐舱设有机械通风系统，也很难保证可以将舱内的天然气完全排出。考虑安全因素，所以将LNG燃料围护系统设计成泄漏的可能性基本不存在。

本LNG气罐设有左右两个气罐连接处所，气罐连接处所各自包含有根部阀、气控紧急截止阀、压力释放阀、汽化器、缓冲罐、气体互锁阀组、温度压力液位各传感器等。将所有可能发生气体泄漏的阀件、附件及设备统一布置在一个气密处所。另外，从气罐连接处所的燃气出口一直到机舱的发动机气体阀件单元的这段管路上都没有任何的阀件附件，所以基本不存在气体泄漏的可能性。

4 LNG動力管系的设计

CCS《天然气燃料动力船舶规范》（2013）4.3.1中，关于本质安全机器处所的供气系统双壁管可设计成如下两种形式：

（1）由内管和外管组成的同心管，内管含有气体燃料，内、外管之间的空腔充满压力高于内管气体压力的惰性气体。当此空腔内惰性气体压力降低时，应有适当的报警予以警示；

（2）供气管路安装在通风导管内，供气管路和通风导管之间的空间安装独立的机械式抽风机，双壁管内的通风系统应为抽吸式机械通风系统，应具有每小时换气至少30次的通风能力。

相对于环围通风双壁管来说，采用惰性气体双壁管的优点主要是不需设置通风机此类用电设备和一套独立的进出风口装置，进出风口装置在船上的布置无疑也增加了本船的危险区域范围。另外，环围通风双壁管的外管由于需保证内、外管之间的空腔足够大以减少通风阻力，所以惰性气体双壁管的外管直径比环围通风双壁管的要小，更利于在渔船有限的空间内布置。

其缺点则是空腔需充满压力高于内管气体压力的惰性气体，惰性气体可选择采用氮气。由于从天然气稳压罐至发动机燃气进口的供气管路上最大供气压力为0.85 MPa，所以空腔的惰性气体的压力应为1 MPa，无论是采用氮气瓶还是氮气发生装置提供氮气，都需要增加设备。空腔内氮气一旦发生泄漏而导致压力降低时，有两种可能性存在：一是外管有破损，氮气往双壁管外部泄漏，此种情况的判断是过一段时间后空腔内的氮气压力与大气压一致；二是内管有破损，过一段时间后空腔内的氮气压力与内管的天然气压力一致。所以双壁管空腔内需设置有若干压力传感器以判断发生氮气发生泄漏是属于哪种情况，另外还可用于当空腔内氮气压力降低时，有适当的报警予以警示。

无论哪种双壁管形式的外管或内管发生破损，除非是用肉眼很容易观察出来，否则双壁管的检修是极其困难的，只能进入船厂进行检修。环围通风双壁管的供气管路和通风导管之间的空间采用抽吸式机械通风系统，外管并不如惰性气体双壁管那样需承受1 MPa的压力，另外在渔船恶劣的工作环境下和渔民在维护保养方面的意识和能力上欠缺，都会大大增加惰性气体双壁管外管的破损概率。环围通风双壁管的外管假如发生局部破损，由于空腔采用的是抽吸式机械通风系统，存在一定的真空度，空腔的空气并不会泄漏出来，所以并不会严重影响到供气系统的正常工作甚至需切断供气系统。

综上考虑，本船采用环围通风双壁管。

5 LNG冷能利用

LNG燃料与柴油燃料相比，不仅具有巨大热能，而且还蕴藏着巨大的冷能。在LNG汽化成常温气体并供给发动机燃烧的过程中将伴随着冷能大量释放。常规船舶直接吸收发动机冷却系统的内部循环热水，对LNG进行加热使其气化，LNG冷能被热水带走后重新进入到发动机冷却水系统，使得LNG冷能未能得到应用。

另一方面，船舶长期在海上作业，常配置冷库、冰箱、冷冻冷藏鱼舱、空调装置等设施，需要消耗船舶电站发出电能用于转换为冷能。对天然气燃料动力船舶LNG冷能加以利用将一定程度上解决这部分需求，降低电能的消耗，减少运营成本，起到节能环保的作用。

6 结束语

LNG在船舶上的应用可带来可观的经济效益，按天然气发动机厂家数据，燃用1 m3天然气与燃用1L柴油发出的功率相近。目前天然气市场价格约4.5元/m3，柴油市场价格接近8元/L，LNG价格优势是明显的。以本船100 m3 LNG储气罐为例，在同样功率的发动机使用相同时间的条件下，本船一次性加气比加柴油可以节约成本约17.5万元。

同时，LNG作为船用燃料的环境效益非常显著，与传统的燃烧柴油的船舶相比，几乎没有硫氧化物、没有悬浮颗粒，并且可以减少约85%的氮氧化物和20%的CO2，是国际公认的清洁能源。同时，LNG无色、无味、无毒、无腐蚀性，密度比空气轻，发生泄漏事故时会很快自然气化，不会对水体产生污染，因此LNG船舶的发展将推进船舶节能减排，实现船舶行业的低碳发展。

综上所述，只要在设计时严格按照相关法规、规范的要求，采取合理的安全和防护措施，并采取有效回收LNG冷能手段，绿色环保节能的新型LNG燃料动力船舶必然具有很好的发展前景。

参考文献

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