广西内河LNG动力船舶建造技术要点研究

曾志伟，赵代娣

(广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

0 引言

近年来，广西在内河LNG动力船舶方面，主要是进行双燃料动力船舶改造和单一LNG燃料动力船舶新建[1]。双燃料动力船舶改造是在船舶现有柴油机作为燃料的基础上，增加一套LNG供气系统和柴油LNG双燃料喷射系统，将船舶单一的柴油动力改造为柴油和LNG双燃料动力，可实现以单一柴油为燃料和以柴油、LNG为双燃料的两种内燃机运行模式；单一LNG动力船舶新建是在《船舶应用天然气燃料规范》(2021版)[2]要求下，建造仅以LNG为单一燃料的动力船舶。本文以广西区内LNG燃料动力船舶建造检验为切入点，结合广西LNG燃料动力船舶发展现状及建造工艺的实际情况，探讨LNG动力船舶建造技术的主要研究内容，提出LNG动力船舶船体、轮机及电气的主要研究要点和方向，为广西内河船舶检验和建造设计人员提供技术指引，并对典型LNG动力船舶的改造设计及新建有较好指导作用。

1 广西LNG燃料动力船舶发展现状

目前，广西内河船舶生产厂家按照规范对船舶应用LNG燃料进行改造和新建，因此改造船舶及新造LNG燃料船舶将越来越多。截至2021年年底，广西共有28艘LNG动力船舶，其中23艘双燃料船(其中3艘由纯柴油机动力船改造而成)，5艘纯LNG燃料船(其中2艘由双燃料船改造而成)。但建造水平与发达省份相比，整体建造技术较低，LNG燃料动力船舶又因其特殊的危险性，建造中面临诸多技术挑战，也暴露出一些普遍和突出的问题。随着广西内河航道等级的不断提升，船舶将朝大型化、低碳环保方向发展，新建船舶吨位越来越大，数量越来越多，如何建造清洁、安全、高品质的LNG燃料动力船舶对于广西推进LNG燃料动力船舶的健康发展至关重要。同时，推动LNG燃料动力船舶建造是国家绿色交通“十四五”发展规划的明确要求，也是广西交通“十四五”发展规划的重要任务。

2 LNG燃料动力船舶建造技术要点研究

我国LNG燃料动力船舶改造的研究和应用始于2010年，不管是对现有船舶进行LNG燃料动力改造还是新造LNG燃料动力船舶，与以柴油机为动力的船舶相比较，通常需要加装的主要系统包括LNG储罐和气体处理系统，以及通风系统、ECU、安全系统和自控系统等辅助系统，改装的难点主要在于如何布置储罐以及LNG燃料系统的子系统[3]。

本文以广西西江重工有限责任公司一艘拟建的西江典型5000吨级LNG燃料动力船舶为例，基于该船型特点及广西区内船舶建造的实际工艺水平，研究各种技术问题解决方案，提出建造过程中的船体、轮机、电气与电子设备及仪器的安装、试验等多项技术难点与焦点问题，按照专业内容划分，分别进行以下研究与探讨。

2.1 船舶船体项目研究要点

关于内河LNG燃料动力船舶船体项目研究主要涉及燃料罐的布置、防火结构的布置和防火区域划分等内容。区别于传统柴油动力货船的燃料舱布置在船舶机舱内，LNG燃料储罐因其气体的危险性，可供选择的位置非常有限，基于内河船舶的结构特点，目前普遍的做法是将燃料舱(罐)布置在船舶二层尾船员甲板的开敞处。该布置方式需要根据LNG燃料特殊的安全要求、罐体大小以及船舶的结构、稳性、防火等要求进行综合的科学分析计算和论证。

2.1.1 开展LNG燃料动力船舶总体设计研究

LNG燃料动力船舶因燃料的易燃易爆以及低温危险性，对于西江普通货船有限的布置空间构成挑战。如何科学合理地在船舶船体设计中布置LNG储罐和气体处理系统，一直是业界持续关注的问题，许多技术问题需要处理。例如，从气体安全处所直接通向气体危险处所的气闸设置、因危险区域划分的透气桅设置，无论从规范要求还是实际操作层面，依然处在尝试和替代解决方案阶段，缺乏理想的解决措施。因此，在满足船舶建造规范的基础上，对照《船舶应用天然气燃料规范》(2021版)的要求，开展基于西江船型特点的总体设计研究，是船体项目研究的重要内容。另外，因LNG燃料动力船舶比普通货船增加了气罐，且安装位置较高，会导致船舶重心较高，船舶稳性发生变化，为此要增加船舶压载，但是又会减少装货量，这也是目前LNG燃料动力船舶在总体船体设计中需要研究的一个问题。

2.1.2 开展安全、高品质LNG燃料动力船舶建造工艺的研究与实践

推动LNG燃料动力船舶的建造，不仅是广西交通重点工作任务，更是事关国家战略、绿色航运健康发展的重要事项。然而，广西船舶建造工艺水平整体较低，造船企业众多，竞争大、低质量造船是行业特点，若以现有低质量造船技术建造的LNG燃料动力船舶，无论是安全性还是品质都有待提升。因此，在广西开展安全、高品质内河LNG动力船舶建造工艺研究与实践具有重要意义和必要性。

2.1.3 开展船舶结构有限元直接计算研究

广西LNG燃料动力船舶均采用将LNG燃料罐布置在船尾二层船员室甲板尾部的方式，下方依靠甲板室支撑，目前设计的5 000吨级船舶LNG燃料罐体积可以达到30 m3，重达30多t，对下方支撑甲板室结构强度要求较高。CCS规范要求对于该支撑结构采取有限元直接计算方式予以校核其强度，但当前广西的船舶设计单位，均不具有船舶结构有限元直接计算能力，船舶结构基本采取经验加强的方式，甚至缺少相关计算。因此，开展结构有限元直接计算研究对于提高船舶结构安全性以及提高整体船舶设计水平迫在眉睫。

2.2 船舶轮机项目研究要点

LNG燃料动力船舶区别于传统柴油动力船舶，其燃料具有较大的危险性，因此，轮机系统的设计建造也与传统的柴油动力船舶具有较大的区别，结合当前广西船舶建造工艺水平，轮机系统的研究要点应主要包括以下几个方面。

2.2.1 开展LNG燃料发动机系统的总体设计和施工技术研究

根据西江LNG动力船舶的结构特点，需要对LNG储气罐和LNG发动机系统的布置、LNG报警监控系统的设计等关键技术进行研究。同时，要对西江航道及水文等因素带来LNG发动机负荷变化时系统的响应特征进行研究，并对动力集成系统的总体设计思路和施工技术进行研究，为内河LNG船舶动力系统的整体设计模式提供有效的技术方案。如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，机舱采用气体安全机器处所或ESD防护型机器处所，如何提升和规范广西现有船舶设计及建造工艺水平，选择品质安全的可操作的机舱布置形式，是研究的要点之一。

2.2.2 发动机LNG供气系统的主要安全技术研究

如前所述，LNG具有易燃易爆的危险性，LNG供气系统的安全技术研究至关重要，其主要安全技术包括船舶安全区域与危险区域的划分，加注站、储罐及燃料准备间承接盘的设计，储罐气穹保护间、燃料准备间、机舱双壁管的通风设计与风机选型等。

2.2.3 开展LNG新能源燃料动力船舶建造的技术研究

通过对LNG燃料储存罐的设计、LNG燃料储存罐安装位置和燃料管系的布置、LNG发动机的建造、报警监视系统的安装等方面内容进行探究，从根本上解决LNG燃料动力船舶改造的技术难题。

2.3 船舶电气主要研究要点

为防止LNG泄露带来的风险，要求对LNG燃料船舶的设备结构、安装和使用采取特殊预防措施。危险区域划分及布置、燃料舱透气系统设置、燃料舱接头处所布置、LNG系统报警项目设置是当前LNG燃料动力船舶建造中需要重点解决的问题。

2.3.1 危险区域划分研究

危险区域是指可能出现可燃气体的区域。合理的LNG燃料动力船舶危险区域划分目的有以下几点：(1)为了采取相应的措施来确保船舶在LNG泄露、燃爆风险方面的安全性；(2)减少防爆电气设备的使用，进而减低船舶设备成本；(3)减少生活区域的气密舱壁，改善生活舱室的通风，保证船员生活的舒适度。为了减少危险区域对船舶的影响，应尽可能减少危险区域的范围，合理布置危险处所的进出风口、透气口及加注站。

2.3.2 加注站布置研究

从船舶防火和灭火要求考虑，加注站的位置应尽量远离A类机器处所/重要机器处所、起居处所、控制站和较大失火危险处所。此外，LNG加注站的布置位置和高度还应考虑后期船舶营运中拟采用的加注型式，如槽车加注、码头岸站加注或是趸船加注；还应特别考虑采用不同加注型式所需的系泊、软管吊、加装接头的标准设计等设备的配置要求。

2.3.3 可燃气体探测系统研究

应根据危险区域划分以及风险评估对所有可能存在气体泄漏的舱室或处所设置固定式气体探测系统。气体探测传感器的布置位置应考虑气体泄漏以后受通风系统影响的扩散路径，以便在最短时间内检测出泄露处并报警。

2.3.4 船用LNG供气系统控制、监测和安全系统研究

供气系统的控制、监测功能和安全系统的可靠性、稳定性、安全性，是实现LNG供气系统安全可靠运行的关键。开展基于LNG供气系统组成和原理的控制系统研究，既要电气系统高度集成，又要充分考虑系统的独立性、控制逻辑的合理性，最终实现智能化控制，避免人为失误。

3 结语

广西内河造船市场与全国造船业发达地区相比，造船模式和工艺水平相对落后，基础薄弱，技术水平比较低，在LNG燃料动力船舶建造上更是起步较晚，LNG动力船舶建造及改装成本高、前期的基础设施投资巨大是必须克服和解决的难题。因此，在广西内河推广LNG燃料动力船舶，机遇与挑战并存，需要政府主管部门、航运企业、造船企业和有关船舶设计机构的共同努力。造船企业要想在其中有所收获，不仅应提高LNG动力船舶改装新建能力，更重要的是通过技术创新降低改装成本。只有这样，才能吸引船东选择LNG船舶的动力改装和新建，共同做大这一市场，让该业务成为广西造船业新的经济增长点，并推动广西内河船舶及附属产业实现转型升级。