LNG燃料推进散货船的开发技术

刘秀丽，孙 琦，柳国胜，高海宁，张永威，李 白

（中远船务工程集团有限公司，大连 116600）

LNG燃料推进散货船的开发技术

刘秀丽，孙 琦，柳国胜，高海宁，张永威，李 白

（中远船务工程集团有限公司，大连 116600）

近些年，清洁能源已成为主流发展，尤其是液化天然气。文章以散货船为基础，研究双燃料散货船的相关关键技术，通过对规范规则的深入研究和试验论证以及对相关厂商技术的汲取学习，最终完成了双燃料散货船的系统科研工作，针对该项目的8万吨双燃料散货船，已形成了一套完整的设计体系，同时各项指标均达到国际先进水平。

液化天然气；双燃料；储气罐；散货船

0 引言

随着全球海事界对有害物质排放要求的日益严格，特别是一些排放控制区的设定，促使船东采用各种措施应对国际上的规定。目前，主要措施包括使用低硫燃料、安装气体吸收装置和使用LNG燃料。与其他船用燃料相比，LNG燃料最主要的优点是对环境的影响较小，排放量最小。据了解，采用LNG燃料可以减少10%～25%的CO2排放量，90%的NOx排放量，100%的硫化物和颗粒物排放。

从发展趋势来看，一方面，我国内河航运资源丰富，未来我国内河LNG船数量会快速增长。发展内河LNG船舶对防治船舶污染，对保护江河水域环境，具有十分重要的现实意义。另一方面，国家加大资金投入推进内河航运发展，对LNG船发展构成有力支持。

以LNG双燃料船作为重点，掌握LNG双燃料船的设计及建造关键技术，完成具有自主知识产权的LNG双燃料船的基本设计，形成LNG双燃料船设计指导书，具备船型自主开发能力，力争首先在国内LNG双燃料实船项目中有所突破是我们的目标。通过对该项目的研究，将填补国际双燃料推进散货船技术空白，并为该类船的设计建造提供指导，同时将有效提升我国在绿色船舶产品的技术研发能力，推动我国船舶工业的整体发展。

该项目主要从双燃料主机和柴发选型布置与使用，LNG液罐的选型及相关布置要求，液货系统配置，供气系统及排风等系统进行阐述。该项目形成一型LNG为燃料推进的8万吨级散货船方案及基本设计。具有自主知识产权，满足最新国际规范要求，EEDI指标达到国际先进水平，在节能环保和经济性方面达到国际先进水平。设计图纸通过船级社审核，具备承接工程项目条件。

1 船体线性及试验

船舶主尺度如表 1所示，该船结构吃水为14.50m时的载重量约为81000t。

表1 船舶参数

根据型线设计进行了船模试验，主要试验包括：1）设计吃水和压载吃水下的船舶阻力试验；2）设计吃水和压载吃水下的库存桨和设计桨自航试验；3）设计吃水、服务航速下的伴流测量；4）设计吃水、服务航速下的流线试验；5）设计桨敞水试验。

图1 船模试验图

2 双燃料主机和柴发

2.1 双燃料主机

本项目配备一台双燃料低速推进主机为航行提供动力。详细参数如表2所示。

主机在燃气模式下所需天然气压力为25MPa，最大不超过30MPa，温度为45℃。如图2所示，ME-GI系统主要包括燃气供给系统、双壁管通风系统、密封油系统、惰气系统（本项目采用氮气）和控制系统。

安装在供气系统的气体燃料总阀（V1），可从机舱集控室以及驾驶室控制站关闭。当发生规范规定的有关故障时，气体燃料总阀能自动关闭以切断气体燃料供应。每个双燃料发动机的气体燃料供应管路上还应安装1只人工操作关闭阀（V7），以保证进行发动机维护时的安全切断气体燃料。在切换至燃气模式前和切换为燃油模式后，需关闭 V7、V4、V3，打开V6、V5用惰气冲洗管路。

表2 主机参数

图2 双燃料主机燃气系统

2.2 双燃料发电机

本项目配备两台双燃料发电机和一台燃油发电机，发电机配置表如表3所示。

表3 发电机配置表

双燃料发电机在燃气模式下所需燃气压力为0.5MPa～0.6MPa，温度为20℃。使用燃气模式下，用MDO点火。

在供气室和发动机之间应设置气体阀门单元（GVU）。气体阀门单元可以是一个独立的房间或一个气密的密封筒。本项目采用一个布置在机舱内的密封筒的型式。该密封筒必须保证每小时通风30次，并应布置氮气吹洗管路。气体阀门单元应尽可能靠近燃气管路穿透的舱壁布置，并且距双燃料发电机最大距离不超过10m。

图3 双燃料发电机气体阀组单元供气原理图

图3中，燃气管路阀门V03、V05和惰气管路阀门V07是失效关闭型，通风阀V02、V04是失效打开型。当双燃料发动机在燃气模式下停机时，气体阀门单元需关闭燃气管路并且为管路通风。燃气阀V03、V05关闭，通风阀V04打开。当应急停车时，通风阀V02会打开，并且氮气阀V07会在一定报警情况下打开以惰化气体阀门单元与发动机之间的管路。

3 LNG液罐的选型与布置

3.1 LNG液罐的选型

传统的 LNG货舱通常采用薄膜型和球舱型（MOSS型），广泛应用于大型LNG船，建造工艺复杂，造价昂贵。不适应小型LNG船和储气罐短程运输经济便利的要求。对于小型LNG船的货舱和LNG储气罐的技术更接近于LPG船和乙烯船，一般采用独立式液舱。该液舱可分为A、B、C三型（图4），它们均非船体的构成部分，呈自持式。A、B、C液舱的对比特点如表4所示。

C型LNG储气罐建造容易，设计成本最低，装置简单，操作管理方便，适用于沿海短航程运输。该船型称之为蓄压式LNG运输船（pressure build-up type）。C型独立舱基于成熟的半冷半压乙烯船的货物围护系统的设计、制造、安装技术，技术难度较小。

根据查阅规范，用于制造液货舱的耐低温材料一般为三种，低温铝镇静钢，9%的镍钢及铬镍奥氏体钢（AISI 304L）。根据现有的研究成果综合考虑材料的许用应力、最小设计压力、材料重量、力学性能、焊接性能、焊接接头的耐蚀性、力学性能和价格等因素，AISI 304L材料是LNG货舱材料的最佳选择。

图4 各类舱型式

表4 不同液货舱对比

3.2 LNG液罐的布置

根据IGF 2.7.3，布置如下：

1）开敞甲板上的储存。储气罐或储气罐组的布置在距离船舷至少B/5处。对于客船以外的船舶，其距离可以低于B/5，但应不少于760mm。

2）甲板下的储存。距离船舷不小于 B/5或11.5m，取其中小者距离底板不小于B/15或2m，取其中小者，距离船壳板任何地方不小于760mm。对于客舱以外的船舶，其距离船舷可以低于B/5。

4 LNG液货系统的研究

储气罐设在开敞甲板A-DECK，高压泵、高压蒸发器、低压泵、低压蒸发器、压力再建单元和阀门设置在供气室内。供气室内设有通风系统。高压泵将LNG泵入高压蒸发器，压力为25MPa～30MPa。高压蒸发器将LNG转换成压力为25MPa～30MPa左右的天然气，供给 MEGI主机使用。低压泵将LNG供给低压蒸发器，压力为0.5MPa～0.6MPa，低压蒸发器将LNG转换成0.5MPa～0.6MPa左右的天然气，并送到天然气加热器，将天然气加热到发动机所需要的温度。乙二醇或者蒸汽可用于气化LNG，蒸发器的容积由发动机决定。

4.1 储气罐

LNG储气罐是压力式，满足IMO国际法规。LNG储气罐为真空绝缘双层保护。中间部分充注珍珠岩，最大程度的隔绝环境温度传热，内部空间贮存LNG，设计为可以承受超低温和压力的奥氏体不锈钢材质。防止航行时液体飞溅，内部空间设置了止荡板。外部壳体为次屏壁与大气接触。内部壳体间的真空度是非常重要的，会影响热传递系数。如果真空度不在充许的范围，热量会传到LNG储气罐引进LNG温度升高导致BOG产生。所以，要定期的检查真空度，使其在充许的范围内。

4.2 供气室

供气室是一个气密空间围绕在LNG储气罐上，内部有蒸发器（包括PBU），所有的罐上接口和阀门。供气室布置成箱体状，焊接在LNG储气罐的外部壳体上，覆盖上所有的接头和阀门。这个空间可以直接监测到气体泄漏。气体探测布置在供气室内。

4.3 蒸发器和PBU

LNG供气系统包括一个加热器称之“蒸发器”。其作用是将LNG气化为天然气供给发动机。热量从发动机的冷却系统来。容纳乙二醇的壳体部分是奥氏体不锈钢材质。PBU的材质是奥氏体不锈钢316。

PBU（压力再建单元）的作用是维持LNG储气罐的压力稳定的供给蒸发器。如果发动机持续燃烧天然气，内壳体的LNG液位会下降，压力会相应降低。然后，PBU将恢复正常的工作液位，调整压力。当内部的压力接近设定压力值时，信号会输送到控制阀调整LNG的流速。

5 机器处所内的供气系统

穿过围蔽处所的供气管路应采用双壁管路或导管完全环围。

气体燃料管路应安装在通风的导管内。气体燃料管路和导管内壁之间的气室应安装机械式抽风通风机，其每小时至少换气30次。若导管内装有气体探测设备，当探测到发生泄漏时，导管内自动充灌氮气，该低压通风能力可减至每小时换气10次。风扇电机应符合安装区域的防爆保护要求。通风口应设置保护屏，保护屏应布置在无可燃燃气的位置。

双壁管路或导管环围的要求同样适用于发动机上的气体燃料管系，直到气体被注入汽缸（如果气体进入发动机气缸前是处于低压状态，且在发动机附近设有气体探测器的条件下，对进气管可免除双层管道的要求。

6 LNG供气系统的消防措施

二氧化碳和水可用来控制LNG产生的大火，但不是灭火。如果将水喷到液态天然气的表面，会使LNG的蒸发率增大，从而使LNG的火势增强。因此，不能用水来直接喷淋到LNG或LNG蒸气上。用水的目的主要是将尚未着火而火焰有可能经过的地方弄湿，使其不容易着火。

最常用的控制LNG火焰的方法是利用水雾吸收热量。安装喷淋系统，需要像安装灭火系统一样，要涵盖整个所需要的区域。然而，与灭火系统的目的不同的是，水喷淋系统主要用来减低温度、减少空气、控制燃烧、保护财产，整个系统简便、可靠。

化学干粉灭火是通过干粉与火焰接触时产生的物理化学作用灭火。干粉颗粒以雾状形式喷向火焰，大量吸收火焰中的活性基团，使燃烧反应的活性基团急剧减少，中断燃烧的连锁反应，从而使火焰熄灭。干粉喷向火焰时，像浓云似的罩住火焰，减少热辐射。干粉受高温作用，会放出结晶水或产生分解，不仅可以吸收火焰的部分热量，还可以降低燃烧区内的氧含量。

根据IGF第三章，水雾系统用于冷却和防火，水雾系统应能用于保护甲板上方储气罐的暴露部分（图5）。水雾系统应设计成可覆盖上述所有区域，其喷水率对水平防护表面为10L/min·m2，对垂直防护表面为4L/min·m2。

图5 LNG储气罐的水雾喷淋

燃料充装站区域内应设置固定式干粉灭火系统或大型推车式干粉灭火设备，其应覆盖所有可能的泄露点。其灭火能力应至少确保能以容量至少3.5kg/s的速率释放45s。系统的布置应使其能从安全位置手动释放。燃料充装站附近还应设置1具手提式干粉灭火器。

在该项目的消防上采取的措施是在LNG储气罐上设置了水雾喷淋，在加注站内采用了化学干粉灭火，并设置1手提式干粉灭火器。

7 通风布置及管系计算

本船与其它常规船不同之处是主机、发电机用发动机采用双燃料机型。供气系统管路采用双壁管，内管为供气管，双壁管之间为通风，使内管渗入到此空间的燃气被排风机及时排出。作为供气系统安全保障的重要环节，供气系统的通风是不可缺少的。包含如下通风系统：

7.1 主机供气管路通风系统

主机采用高压供气系统，供气喷射阀设在气缸头，供气管及喷射阀集全部采用双壁形式，通风用排风机设在供气管进机舱前的管路上，空气的进口由主机扫气双壁管出机舱处引出。空气的进气口位置的布置要保证新风能从安全区域吸入，且其高度满足相关规范的要求。风机的排出口的位置及高度也要满足相关规范的要求（图6）。根据船级社规范规定此空间（含双壁管中间空间及阀集的空间）的通风循环次数应不小于30次/小时，风机应为防爆型风机，电机不可置于风道内。

图6 机舱管路通风

7.2 发电机用发动机供气管路通风系统

发动机采用低压供气系统，在燃气进入发动机之前设有燃气阀单元，所以通风机的风量应满足这些空间30次/小时的换气量。在设计通风系统原理时，考虑到这两台发动机属并联通风，为使每台机供气管的空气循环量满足规范要求，因此在每台发动机新风入口加一只风量调节阀，调节进入每台发动机供气管通风空间的空气量。空气的进气口位置的布置要保证新风能从安全区域吸入，且其高度满足相关规范的要求。风机的排出口的位置及高度也要满足相关规范的要求。风机为防爆型风机，电机置于风道外（图7）。

图7 燃气阀单元通风

7.3 供气室通风系统

供气室是一密闭空间，内置有与储气罐相连的所有阀、供气系统的所有处理装置等。此空间检查及维修时需要有人进入，因此在此空间设一个排风系统，将阀及设备渗漏到此室内的燃气及时排出。空气的进气口位置的布置要保证新风能从安全区域吸入，且其高度满足相关规范的要求。风机的排出口的位置及高度也要满足相关规范的要求。换气次数为30次/小时，风机为防爆型风机，电机置于风道外（图8）。

图8 供气室通风

8 结束语

该项目是基于成熟的优化船型的基础上研发的双燃料特色船型，在节能环保和经济性方面达到国际先进水平，设计图纸通过船级社审核，具备承接工程项目条件，有助于我们在新的造船环境处于技术领先位置。81K LNG双燃料船舶的开发，进行了技术上的验证，LNG双燃料船是新生的技术，也是预测未来技术的发展方向，但是现阶段正处在技术的发展阶段，该项目具备了一定技术，后续将进行技术推广。

[1] 丁玲. 中小型LNG船C型独立液罐设计关键技术研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2009.

[2] 时光志, 盛苏建. 中小型 LNG运输船设计关键技术研究[C]//第十三届中国科协年会第 13分会场: 海洋工程装备发展论坛论文集. 2011.

[3] 李品友, 崔益嵩, 韩厚德. LNG船液货装卸系统的研究[J]. 上海海运学院学报, 2001(04). 53-56.

[4] 李富昌, 狄海平. LNG船标准体系研究[J]. 国防技术基础, 2006(06): 4-7.

[5] LR. LR Rules & Regulations for the Construction & Classification of Liquefied Gases in Bulk[S]. 2012-10.

[6] IGF code[S].

[7] DNV. DNV Rule[S].

The Development Technology of LNG Fuel Bulk Carriers

Liu Xiu-li, Sun Qi, Liu Guo-sheng, Gao Hai-ning, Zhang Yong-wei, Li Bai
(COSCO SHIPYARD GROUP CO., LTD., Dalian 116600, China)

Recently, clean energy becomes the main trend, especially the LNG. This paper introduces the relate key technologies of dual fuel bulk carriers based on bulk carriers. Through deeply analyzing the related rules and relate technologies and testing, finally it finishes the studies on dual fuel bulk carriers. Aiming at 80000T dual fuel bulk carriers, it sets up an integrated design system and all the indexes reaches the international level.

LNG; dual fuel; gas container; bulk carrier

U674.13+4

A

1005-7560(2014)01-0009-05

刘秀丽（1971-），女，轮机高级工程师，主要从事轮机设计管理工作。