双燃料发动机在LNG运输船上应用难点与对策

段 斌，王志敏

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

双燃料发动机在LNG运输船上应用难点与对策

段 斌，王志敏

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

介绍电力推进液化天然气（LNG）船应用双燃料发动机之后，由于在机舱区通入燃气管路而采取相应的特殊设计和安全措施。机舱区的安全区域和危险区域需重新划分；双燃料发动机的排气系统、滑油系统和冷却水系统等主要管系均需作有针对性的特殊设计，同时需设计不同控制等级的应急切断模式；此外，还需全面考虑燃气探测系统和强制通风系统等安全装置的设置。在完成初步设计之后，需通过开展全面的风险评估和故障诊断分析确保双燃料动力系统的安全性和可靠性。

LNG船；双燃料发动机；双燃料电力推进系统；燃气系统

0 引 言

自1959年世界上第一艘改装的液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）船“甲烷先锋”号投入运营以来，该类型船舶的航线已由美国路易斯安那州到英国的单一航线发展为现在的遍布全球的LNG海上贸易网络[1]。据国际天然气联盟（International Gas Union，以下简称：“IGU”）[2]和伍德麦肯锡等机构统计，2014年全球通过海运完成的LNG贸易量达到2.41亿t，较2013年增长2.1%。据《BP 2035世界能源展望》[3]预测，到2020年，全球LNG贸易量仍将持续稳定增长。由此可知，在未来的几年中，还将有多艘LNG船陆续交付使用，运能将继续增加。图1为2014年全球天然气贸易量及分布。

图1 2014年全球天然气贸易量及分布

1 电力推进LNG船

法国燃气公司“Gaz de France”于2002年在前法国大西洋船厂下单订购了世界上第一艘采用双燃料电力推进方式的7.4万m3LNG运输船“Gaz de France energy”号，随后又在2003年和2007年向该船厂订购了2艘15万m3双燃料电力推进LNG船的姐妹船，由此拉开了电力推进LNG船快速发展的序幕。

电力推进LNG船自出现以来，因具有高效、节能和污染小等诸多优点而深受船东青睐。韩国、日本和我国的各大型船厂相继推出15万～18万m3级别电力推进LNG船的设计，短短数年间已建成的LNG船和投放的LNG船订单多达百艘以上。目前运营的LNG船中，采用蒸汽透平方式的船舶仍占到 70%左右，而采用常规低速柴油机及电力推进方式的船舶分别占16%和14%。在手持订单方面，截至2015年3月，全球160艘LNG船订单中，有111艘采用DFDE方式，13艘采用蒸汽透平方式，3艘采用低速柴油机+再液化装置方式，其余33艘采用双燃料低速发动机（DF-SSD）推进方式，各推进系统所占比例见图2。

图2 手持订单LNG船中各推进系统所占比例

2 双燃料发动机简介

LNG船电力推进系统主要包含双燃料发动机、发电机、配电板、变压器、变频器和推进电机等设备。当前大功率船用双燃料发动机的设计和制造厂商主要有2家：曼恩（MAN）及瓦锡兰（Wärtsilä）。这里就曼恩公司生产的51/60DF双燃料发动机（MAN 51/60DF）在电力推进LNG船上的应用及相关系统的设计进行介绍。

MAN 51/60DF双燃料发动机是一款能使用重油、柴油和天然气的三燃料发动机，具有燃油模式、燃气模式和备用模式等3种操作模式，能为电力推进系统和配有可调桨的机械推进系统提供动力，主要应用在LNG运输船、豪华客船及一些特种船上[4]。电力推进LNG船上通常会安装数台（通常为4台以上）双燃料发动机，一方面满足船舶推进及电力系统的需要，另一方面满足船舶冗余度要求，为全船提供电力。

MAN 51/60DF发动机在燃油模式下采用常规的高压喷射系统；而在燃气模式下配置一个专门的引燃油喷射器，通过共轨系统精确控制引燃油的喷射量，进而控制燃烧和排放。值得一提的是，该机型还具有“共燃模式”，即在要求的工况下单台机器能同时使用气体燃料和燃油燃料。这对于LNG船来说，极大地提高了燃料系统的灵活性[5]。

3 燃气系统带来的设计难点与应对措施

3.1 安全空间与防爆空间的合理划分

由于双燃料发动机是布置在机舱内的，而燃气管路及燃气阀组周围属于危险区域，因此合理地进行空间布置划分以满足《IGC Code》的要求是船舶燃气系统设计和布置的关键。该型船的燃气供给管路从货舱区通至机舱区，为保护机舱的安全区域，需专门布置燃气管管弄，形成“双壁管”保护，使燃气管路与机舱安全区域隔离。燃气供给管路在进入机舱与双燃料发动机连接之前，还需经过燃气阀组的调节。

双燃料发动机的燃气供给系统与燃油供给系统类似，每台发动机燃气系统中都有专用的“燃油模块”（即燃气阀组）。由于发动机对燃气有压力、温度及压力波动等方面的诸多要求[6]，因此从LNG货舱来的蒸发气经过压缩机压缩处理之后，首先进入燃气阀组进行减压和稳压处理，并实时监控燃气压力及温度。同时，当发动机在常规燃料模式下转换或在应急情况下由燃气模式转换为燃油模式时，燃气阀组还要配合发动机完成机器和管路中的燃气吹洗工作。

将双燃料发动机组的燃气阀组布置在单独的房间内，划分为独立的防爆区间，并布置专门的抽气风机进行强制通风。值得注意的是，抽风风管的出口附近也是危险区域，对电气设备有防爆要求。另外，在燃气阀组室与双燃料发动机之间的供气管路需通过机舱空间，因此也需采用特殊设计的双壁管连接。发动机厂家的《安全指导书》[7]中，对燃气阀组与发动机进口之间燃气双壁管的长度、双壁管和燃气阀组室的燃气探测传感器布置及燃气阀组与供给管路的吹洗等均有详细要求，需重点研究。燃气供给系统设计见图3。

图3 燃气供给系统设计

3.2 特殊的管路系统设计

由于使用的燃料易燃易爆，因此为保障安全，需在设计船舶上各系统时增加必要的燃气监测和防护措施。

3.2.1 排气系统设计

由于发动机所排气体中可能含有未燃烧的燃气，因此为防止天然气积聚而引发爆炸，需在排气管路上配置吹扫风机。当发动机正常停车或应急停止时，吹扫风机启动，将可能含有燃气的废气排出。另外，考虑到燃气遇到废气中的火花会引发爆炸，为避免排气管损坏，还要在排气管路的适当位置处布置爆破片（见图4a），从而释放排气管中的压力。爆破片的具体布置位置需通过排气系统有限元模拟分析来确定，同时要注意朝向问题。由于爆破片需要更换，因此通常需储存多个爆破片作为备用。此外，还可安装能反复使用，替换便捷的安全阀（见图4b）。

图4 排气管上的爆破片和安全阀

此外，排气管布置也需重点考虑。由于发动机的尺寸较大，通常需跨层设计，因此需注意顶层甲板的高度。由于发动机增压器出口处还要布置膨胀节和爆破片等附件，因此若层高不够，将会导致排气管缺少弯曲和连接空间。针对这种情况，发动机厂家采用在增压器出口处直接连接订制的 45°转向头的优化方案，能略微缓解高度限制的状况。另外，由于2016年1月1日及以后建造并在北美排放控制区、美国加勒比海排放控制区及其他NOx排放控制区内航行的船舶安装的柴油机需满足Tier Ⅲ NOx排放标准，因此目前船东对发动机最新的技术要求是所有发动机在燃气模式和燃油模式下都满足 NOxTierⅢ要求。这意味着还要在本就已经极为紧凑的排气系统中增加催化还原反应装置（SCR），这对今后机舱各层甲板的划分有较大影响。图5为复杂的排气系统。

3.2.2 滑油和冷却水系统设计

在滑油系统中，燃气在汽缸中进行高压压缩可能会被压缩至滑油中，一旦滑油压力降低，燃气就会从中释放出来。燃气释放主要集中在曲轴箱和设置在发动机下方的滑油循环舱内。这些区域属于密闭空间，因此会相应地布置透气管和燃气探测传感器进行透气及监测。然而，自然透气的效果不佳，燃气经过一段时间的积聚之后浓度逐渐增加，最终会导致爆炸。为进一步加强双燃料发动机的防爆措施，在曲轴箱内布置专门的抽风机进行强制通风，同时布置安全阀作为爆炸时释放压力的应急保护措施。此外，滑油循环舱的结构设计也需注意。由于发动机自重＞100t，因此其支撑底脚、基座及滑油循环舱的结构必须相互对应并具连续性，使整体的结构强度得到提升，降低局部应力和变形。

双燃料发动机的冷却水系统包括淡水冷却系统和海水冷却系统2部分。

图5 复杂的排气系统

1) 淡水冷却系统是由机带的高温淡水泵和低温淡水泵将用海水冷却好的淡水送到发动机内部进行冷却的，因此每台发动机的淡水冷却系统都是独立的。MAN 51/60DF设置有专门的喷嘴冷却单元，用来在重油模式下冷却高压油泵的喷嘴。

2) 海水冷却系统通常被分为左舷和右舷2部分，利用海水通过换热器对淡水进行冷却。考虑到冗余度还可在海水总管中间设置隔离阀，彻底将左发电机组和右发电机组的冷却水系统分开，提高船舶动力系统的安全性。

在高温冷却水系统中，天然气受压也会混入到水中，因此在冷却水系统中也要布置燃气探测传感器。该传感器通常布置在系统最高点的膨胀水柜上，同时考虑惰性气体接口和手动燃气检测接口，保障冷却水系统的安全性。

3.3 不同控制等级的应急切断模式

电力推进LNG船上安装有多个燃气设备，如双燃料发动机、天然气焚烧塔（GCU）等。为保证燃气设备在正常工作及应急情况下的安全性，通常会设置不同控制等级的应急切断模式。例如：双燃料发动机出于安全和冗余度考虑，会分为左机舱和右机舱，每个机舱都会布置2台以上的机器，当发现其中一侧的机舱有气体泄漏时，船上的中央控制系统（IAS）会立刻切断其燃气供给，此时另外一侧机舱中的机器还可正常工作；当所有双燃料发动机无法使用天然气时，IAS会立刻切断双燃料发动机供气的主控制阀（MASTER VALVE），而天然气焚烧塔因使用的是单独的燃气供给管路而不受影响，仍能正常工作，以保证货舱压力和船舶安全。

3.4 复杂的安全风险分析

由于LNG船装有易燃易爆的天然气，因此设计时还需考虑各种可能存在的风险。例如：LNG液货舱布置在有限的钢板结构的船体空间内，存在低温泄漏对主船体造成破坏的风险；透气桅释放的天然气浓度过高及天然气泄漏到双燃料柴油机的排气管或曲轴箱中，存在爆炸的风险等。由于 LNG船的危险区域分布较广，存在泄漏的风险，且设计复杂、情况多样，因此通过开展全面的风险分析和评估对所有的风险源加以识别，对系统的设计原理开展单点故障模式的失效分析，对系统在各种极端工况下的可靠性、安全性和受控性进行风险评估，并对推进系统可能受到的影响进行分析，提出合理的应对措施，有效规避或降低风险，确保船型方案的可行性和可靠性。

4 结 语

LNG运输船在运行过程中必然会产生自然蒸发气，将这些蒸发气输送至双燃料发动机内作为燃料，不仅能解决LNG货舱压力和蒸发气处理问题，而且可解决废气中NOx和SOx的排放问题，是较为环保的绿色燃料。但是，将其应用在电力推进LNG船上时，不仅要考虑常规系统设计上的区别，还要特别注意燃气系统所带来的安全风险。本文所述的电力推进LNG船上双燃料发动机的系统设计方案可供相关设计人员参考。

[1] 张则松，王言英. LNG运输船船型浅析[J]. 船舶工程，2003, 25 (4)∶ 25-30.

[2] http∶//members.igu.org/old/gas-knowhow/publications/igu-publications/igu-world-lng-report-2014-edition.pdf.

[3] http∶//www.bp.com/content/dam/bp/pdf/energy-economics/statistical-review-2015/bp-statistical-review-of-world-energy-2015-full-report.pdf.

[4] 蒋玮，朱新礼. 液化天然气作为船用燃料的可行性研究[J]. 船舶与海洋工程，2013 (3)∶ 74-78.

[5] http∶//www.corporate.man.eu/man/media/content_medien/doc/global_corporate_website_1/presse_und_medien_1/Short_PR_ JW_Fuel_Sharing_Feature_4-Stk_DF_Engines.pdf.

[6] http∶//marine.man.eu/four-stroke/project-guides.

[7] http∶//zh.scribd.com/document/157452765/Safety-Concept-Dual-fuel-engines.

Difficulties and Countermeasures for the Application of Dual Fuel Engine on LNG Carriers

DUAN Bin，WANG Zhi-min
（Hudong-zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China）

This paper mainly introduces the application of dual fuel engine on the Liquefied Natural Gas (LNG) carriers with electrical propulsion. The safe zones and hazardous zones in the engine room must be rearranged according to the special design and safety precautions of the gas pipelines across the engine room. The major pipelines of exhaust gas system, lubricate oil system and cooling water system as well as the emergency cut-off system with different control levels need to be designed specifically. Moreover, configuration of safety devices for the gas detection system and the forced ventilation system needs to be considered carefully. When the preliminary design is accomplished, it is necessary to have a comprehensive analysis on the potential risk and fault diagnosis to guarantee the safety and reliability of the dual fuel power system.

LNG carrier; dual fuel engine; dual-fuel diesel electric propulsion; gas system

U664.1

B

2095-4069 (2017) 02-0030-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.02.005

2016-04-11

发改委科研项目（Z150ZE01）

段斌，男，工程师，1985年生。2008年毕业于哈尔滨工程大学热能与动力工程专业，现从事船舶轮机开发设计工作。