LNG燃料动力船改造技术分析

裘继承 梁耀明 李珍

摘    要：本文根据LNG燃料动力船舶改造的特点，对LNG储罐布置、机器处所（机舱）设计、气体燃料发动机选型、危险区域划分等关键技术进行分析研究。

关键词：LNG燃料动力船舶;改造技术

中图分类号：U664.124                             文献标识码：A

Reconstruction of LNG-powered Vessel

QIU Jicheng， LIANG Yaoming， LI Zhen

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： According to the characteristics of reconstruction of LNG-powered vessel， this paper analyses the key technologies such as LNG storage tank layout， machinery space （engine room） design， LNG fuel engine selection， hazardous area division.

Key words： LNG-powered vessel; Reconstruction technology

1    前言

随着IMO对船舶排放污染物的严格控制和国内排放控制区的实施，LNG与传统船用燃油相比，在环保、经济性以及社会效益等方面均具有明显优势。目前我国在长江流域、京杭大运河积极推广LNG燃料在船上的应用，已完成了一批商用船舶的LNG动力改造。本文基于LNG燃料动力船改造的特点，分析了在改造过程中的关键技术。

2   适改性条件评估

船舶在进行LNG燃料动力改造前，应参考《中华人民共和国海事局关于推进船舶应用液化天然气燃料工作有关事项的通知》（海船检〔 2014〕671 号）相关要求，对船舶适改条件进行评估，如：船舶船龄、推载系数、结构情况、舵面积系数等;船舶有无适当位置和空间安装LNG储罐、热交换器、气体燃料系统及其附件、通风系统、LNG安保系统、LNG专用消防系统等。

3   LNG储罐布置方案

3.1  LNG储罐布置特点

LNG储罐呈长圆柱体形状，端部设有燃料舱接头装置。LNG储罐的布置需考虑对船舶总体布置、稳性等的影响，以及规范和法规的适应性。LNG储罐外形尺寸大，在船上需占据专门空间进行安装布置，对原船紧凑的空间带来很大影响，原船布置必须做出较大调整;LNG储罐重量较大，若布置不当将对船舶稳性和安全等造成影响。

3.2  LNG储罐布置形式

LNG储罐的布置需满足《天然气燃料动力船舶规范》对于燃料舱布置的要求，并应尽可能布置在机舱附近。根据船舶实际情况，LNG储罐横向布置对船舶影响更小，所以LNG储罐布置在很大程度上取决于船舶的宽度。

LNG储罐布置主要有三种形式（见表1）：上层建筑尾部区域;主甲板以上舱室;主甲板以下舱室。

对于船舶稳性影响较大的因素主要为船舶的主尺度、线型和重心位置。由于无法对船舶主尺度和线型进行改变，如果改造后船舶重心过多时，则应采取措施降低船舶重心位置以提高稳性，主要措施有：（1）在船舶底部增加固定压载;（2）降低船舶装载量。

4   机器处所（机舱）设计

为了减少机舱发生气体爆炸的可能性，LNG燃料动力船机舱设计必须保证其安全性和可靠性，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。根据规范要求，机舱可采用气体安全机器处所或ESD防护型机器处所：

（1）当气体燃料管路采用双壁管进行环围通风时，机舱为气体安全机器处所，可不作为危险区域且与常规机舱一致。按此要求，可避免机舱设计复杂化，同时提高船舶安全性;

（2）对于ESD防护型机器处所，在出现涉及气体危险的异常情况时，应自动关闭（ESD）非安全设备（着火源）和机器，而在这些情况下处于使用或活动状态的设备或机器应为合格防爆型。因此，如采用ESD防护型机器处所，则需把原船部分机舱設备改为防爆型。

综合考虑安全因素及改造工程量，建议将机舱设计成气体安全机器处所。

5   气体燃料发动机选型

5.1  气体燃料发动机类型

气体燃料发动机包括单一气体燃料发动机和双燃料发动机：单一气体燃料发动机，系指只能依靠天然气燃料运转且不能转换到燃油运转模式的内燃机;双燃料发动机，系指既可以以天然气为燃料，又可以燃烧燃油，或者同时燃烧燃油和天然气燃料的内燃机。气体燃料发动机不同燃料使用方式对比见表2。

5.2  气体燃料发动机选型

原船柴油机可采取直接改装为双燃料发动机，或整体更换为新的气体燃料发动机这两种方式。

（1）采用原船柴油机直接改装为双燃料发动机的方案，是在原柴油机的基础上增加天然气供气系统和控制系统，通过预先的标定工作，使发动机具备混烧功能，其技术特点与表2中双燃料发动机（混烧）相似。此类改造不需更换柴油机基座，为柴油机服务的燃油、滑油、冷却水等系统基本保持不变，因此改造工程量相对较小，但是机器改装认证相对麻烦;在柴油机基础上直接改造的双燃料发动机，在使用能源结构方面可发挥一定的作用，但效率不一定比柴油机高;采用原柴油机机型改装，燃烧CH4也难以达到最佳燃烧效果，扫气时或会将部分CH4直接排放到大气中，故一般不建议采用此种方式。

（2）从燃烧效率和综合排放性能来看，单一气体燃料发动机比双燃料发动机要好，主要原因是双燃料发动机要兼顾两种燃料的使用，在燃烧效率上低于专门针对天然气燃料设计的单一气体燃料发动机，综合排放性能也差一些。由于LNG单位体积热量约为柴油的60%，柴油储存条件要求不高，可充分利用船舶空间配置较大容积的燃油舱，具备较大的续航力。而作为储能设备的LNG储罐，LNG储存条件不如柴油，因此采用单一气体燃料发动机的LNG改造船的续航力一般會减少，最好是在固定航线营运，确保LNG的及时供应。

（3）双燃料发动机根据进气方式可分为缸外进气和缸内进气两种：（A）缸外进气分为总管进气和支管进气，总管进气是在总管直接喷射，不能精确控制空燃比且无法逃避CH4的逃逸;而支管进气是电控多点顺序喷射，可以克服总管进气的缺点，提高热效率;（B）缸内进气分为低压缸内直喷和高压缸内直喷。由于高压缸内直喷双燃料发动机还需要配备专门的高压泵，供气管路要求较高，一般不适用于功率小、机舱布置较为紧凑的内河LNG改造船。

（4）微引燃式支管电控多点喷射和低压缸内直喷采用稀薄燃烧和空燃比控制技术，可实现单缸燃烧精确控制，充分发挥气体燃料的优势，且能获得较好的排放性能。但是目前双燃料发动机一般功率较大且价格昂贵，适用性和性价比不如混烧式双燃料发动机。

国内LNG燃料动力改造船多数采用混烧式双燃料发动机，此类发动机是在双燃料模式下，由控制单元（ECU）直接控制电喷阀的喷气时间来决定参与缸内混合的燃气量，达到一定的替代率，在一定功率范围内能做到纯柴油模式和双燃料模式的迅速切换。这种发动机的实际节能效果不如预期，台架试验显示减排效果也不太理想，虽然SOx排放为零，但CH4排放则显著增加，目前GB15067-2016《船舶发动机排放污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》已实施，混烧式双燃料发动机面临着CH4排放要求的限制。

综上所述，对于大功率的海船，建议采用微引燃双燃料发动机，增加的LNG储罐相当于增加了续航力;对于小功率的内河船，建议采用单一气体燃料发动机，当船舶要确保一定的续航力时，混烧式双燃料发动机如满足GB15067-2016的要求，也可适当考虑。

6   危险区域划分

天然气是易燃易爆气体，危险区域是指可燃气体可能出现的量，要求对设备的结构、安装和使用采取特殊预防措施的区域。LNG燃料动力船的危险区域划分，是为了采取相应的措施来确保船舶在LNG燃爆风险方面的安全性。LNG燃料系统导致船舶危险区域存在的设施主要有：LNG加注站、环围导管通风系统的进出风口、压力释放阀的透气出口。在以上设施3 m以内的开敞甲板上的区域为1区，1区外1.5 m范围内所包含的开敞区域为2区。

为了减少危险区域对原有船舶的影响，应尽可能减少危险区域的范围，合理布置危险处所进出风口及加注站是其中的关键，应将LNG储罐压力释放口、环围通风出风口和加注口紧凑布置;对于危险区域的处理，可通过改变门窗位置、窗户气密性等措施，使得危险区域与居住处所（安全区域）得到有效隔离;当危险区域范围覆盖了原船部分电气设备时，可将电气设备移出危险区域，如布置不允许则改用防爆电气设备;对于安装在危险区域内的紧急切断阀，可采用气控型式，避免电控元器件电起火危险。

7   结束语

随着船舶排放控制要求的日益严格以及LNG加注设施的不断完善，相信未来会有更多船东选择将柴油动力船改造为LNG燃料动力船。

参考文献

[1] 中国船级社.天然气燃料动力船舶规范[S]. 2017.

[2] 徐自旭.内河LNG燃料动力船舶改造技术研究[J].珠江水运， 2017年 02月.

[3] 陶春辉，周廷鹤.船用 LNG 产业发展现状与建议[J]..煤气与热力.2014年10月.