3 000 DWT 内河多用途船LNG 动力改造方案及应用

朱少兵，邹 勇

（广州港股份有限公司，广州 510199）

1 前言

国家颁发了《关于全面深入推进绿色交通发展的意见》（2017 年11 月）、《船舶大气污染物排放控制区实施方案》（2018 年11 月）、《粤港澳大湾区发展规划纲要》（2019 年2 月）等相关政策文件，提出绿色交通发展和节能减排要求。广东省政府也先后出台了《广东省提升内河航运能力和推动内河航运绿色发展总体分工方案》、《广东省内河航运绿色发展示范工程实施方案》（2021 年8 月）及《广东省内河航运绿色发展示范工程船舶LNG 动力改造补贴实施方案》（2019 年9 月）等文件，推进绿色珠江船舶LNG 动力改造工作。

随着船舶LNG 动力技术水平不断进步，国内LNG动力系统主要设备（如：LNG 燃料发动机、LNG 储存设备、LNG 燃料供应系统及安保系统等）核心技术已日趋成熟，国家船舶监管部门相继出台了一系列关于LNG 动力船舶技术规范、检验规则和标准，为船舶LNG 动力改造提供了政策和技术指导。

本次3 000 DWT 内河多用途船改造项目，主要改造任务为：（1）拆除部分甲板舱室和设施，增设LNG储罐，重新布置甲板舱室；（2）安装LNG 储罐，铺设LNG 供给管线；（3）将原主机、发电机组更新为纯LNG 主机和发电机组，更新齿轮箱，对排烟管重新布置，原柴油相关系统（设施）拆除；（4）增设LNG储罐水雾喷淋系统、干粉灭火系统、可燃气体探测系统、LNG 应急切断系统及安保系统等。

珠江水域具有航道复杂和船型紧凑特征，突破紧凑型船舶LNG 动力改造总布置优化、船型标准化改造论证、天然气动力发动机与传统燃料动力推进设备的匹配、设备选型论证、船舶LNG 动力改造危险区域最小化控制、大功率天然气发动机试验验证等关键技术，显得尤为重要。

2 天然气发动机技术模式

2.1 技术模式

天然气发动机是船舶LNG 动力改造系统的主要设备，分为LNG 单燃料发动机和LNG 混合燃料发动机。

根据燃料燃烧效率及综合排放性能分析，LNG 单燃料动力技术模式相对较好，因为LNG 掺烧式混合燃料发动机要兼顾两种不同特性的燃料使用，导致燃料燃烧效率低，综合排放性能相对较差。经分析论证，本船改造采用LNG 单燃料动力技术模式，更加符合政府倡导的绿色珠江航运发展的要求。

2.2 设备选型

目前，国内天然气发动机技术先进性、安全可靠性有保障，经济性及节能减排效果相对较好。

2.2.1 LNG 混合燃料发动机

按燃油比例及燃气进气方式，LNG 混合燃料发动机可分为：掺烧式混合燃料发动机；微引燃式混合燃料发动机；缸内直喷式混合燃料发动机。

1）掺烧式混合燃料发动机

适用工况窄，减排效果差，技术应用失败案例较多；早期长江流域船舶动力改造，使用双燃料发动机，其二氧化碳、硫化物和氮氧化物排放方面不如人意。

2）微引燃式双燃料发动机

普遍适用于大功率发动机，在远洋大型船舶、沿海中大型船舶上广泛应用，其技术成熟，减排效果显著。目前国内相关厂家正在研发采用微引燃技术的中小功率、中高速双燃料机，但尚未取得实质性进展，离成熟产品投入市场还有较长时间。

3）缸内直喷LNG 混合燃料发动机

存在NOx 不能满足TierIII 要求、高压供气系统复杂且成本高等缺点，目前可选机型少。

2.2.2 LNG 单燃料发动机

按燃气进气方式，可分为预混式单燃料发动机和支管多点喷射单燃料发动机：

1）预混式LNG 单燃料发动机

按照天然气燃烧特性设计制造，技术可靠，故障率低，减排效果明显优于掺烧式双燃料发动机；适应工况范围广，不存在掺烧式LNG 发动机在低负荷和高负荷不能燃用LNG 的问题，适合内河船舶通常负荷率较低使用场景。

2）支管多点喷射单燃料发动机

采用电控多点喷射和稀薄燃烧技术，具有预混式LNG 单燃料发动机的优势，排放低、热效率高、动态响应性能好，适用于内河航行环境复杂、船舶机动性要求高的船舶。但价格较高，对改造成本控制不利。

根据设备性能，应用场景及改造成本等因素综合分析，本次船舶改造项目，部分选择预混式LNG 单燃料发动机，部分选择支管多点喷射式单燃料发动机。

2.2.3 LNG 储罐

LNG 储罐作为船舶储能设备，是船舶LNG 动力改造关键设备。LNG 储罐设有泄压阀，当罐内气体压力超过设定值，泄压阀自动打开；储罐内设有进液喷淋管线，用于预冷操作；储罐出口设有气动阀（ESD），紧急情况下可切断供气。

LNG 储罐容积的大小，与船舶续航能力有直接关系。根据市场调研及结合珠江水系航运特点，本次船舶改造项目，选择容积为30 m3的LNG 储罐。

3 危险区域最小化控制

根据《天然气燃料动力船舶法定检验暂行规定》（2018）及《船舶应用天然气燃料规范》（2021）有关要求[1]，对LNG 燃料动力船上可能出现爆炸性气体及存在时间不同的区域，划分为不同等级危险区域。危险区域最小化控制，是本次船舶改造项目重点考虑和关注的问题。

针对危险区域对船舶的影响，合理布置危险处所进出风口及加注口是控制关键，将LNG 储罐压力释放口、环围通风出风口和加注口紧凑布置：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电气设备时，将相应电气设备移出危险区域，如果布置上不允许，则改用防爆型电气设备；安装在危险区域内的紧急切断阀，采用气控型式，避免电控元器件电起火的风险。

本船舶改造项目的具体改造措施为：对船舶燃料环围通风进出口、LNG 储罐压力释放口、燃料加注口等潜在可燃气体释放源和各危险区域范围，进行风险评估；将环围通风进口布置在船舶货舱两侧，将燃料环围通风出口、LNG 储罐压力释放口与燃料加注口等危险区域重叠设置；将LNG储罐、上层建筑门窗、通道、排烟口、机舱进出风口和船员住舱等，重新优化布置调整，尽可能缩小危险区域范围，以降低危险区域对船舶布置的影响，提升改造合理性和安全性。

本船危险区域分布图，如图1 所示。

图1 改造船舶危险区域分布图

4 LNG 储罐布置与安装结构强度

LNG 储罐布置也是本次船舶改造项目关注重点之一。LNG 储罐外形尺寸大、占据空间大、重量大，布置受到船舶主尺度、线型和重心高度等因素限制，布置不当会对船舶稳性和安全等造成影响。

本次船舶改造项目，采取在艉二层甲板面LNG 储罐横向布置方案，其对船舶装载量、稳性的影响相对较小，靠近机舱区域，可以有效减少LNG 管路长度，避免穿过船员居住舱室和降低天然气泄漏的风险；按照规范相关要求，在储罐下方设隔离空舱，靠储罐侧舱壁做好相应防火措施，如图2 所示。

图2 改造船舶隔离空舱设置图

本次船舶改造项目，对结构的要求：主要构件保持连续贯通，需断开时应作结构加强补偿；任何强力构件如遇管道、电缆穿过及设置人孔时，其开孔尺寸须满足规范要求，作局部加强或增设复板补偿；设备基座改造时，基座结构要求适当过渡延伸，增加基座结构强度，减少振动；储罐基座须具备一定的结构强度，经有限元软件建模分析、校核确定；考虑到储罐受到永久载荷、环境载荷、意外载荷作用时，能防止储罐本体移动，允许在温度变化及船体变形时适当收缩、膨胀，不出现应力过大的情况；基座有一定强度富裕，考虑船体结构支撑，结合下方隔离空舱结构强度分析，隔离空舱结构强构件与基座构件布置有良好的匹配性。

5 LNG 供气系统安全控制

LNG 储存安全性很重要，为了有效防止LNG 泄漏或溢出造成火灾事故，在船舶项目改造时，应重点考虑LNG 储存使用相关安全控制措施：

1）设置安全距离。LNG 储罐及相应辅助设备布置区域尽可能远离可能产生火焰或电火花的部位；

2）配置探测设备。LNG 储罐接头处所及安装有LNG 设备、管路的封闭舱室内，设置可燃气体探测器；

3）确保船舶有良好的稳性。防止剧烈摇摆加剧LNG 气化，导致储罐内高压；

4）操作安全保障。配备防泄漏、防冻伤设施；

5）机舱内LNG 供气管路采用通风导管环围(双壁管)，供气管路和通风导管之间的空间安装燃气环围导管抽风机进行抽风。每台气体发动机的燃料供给管路设置一套独立的通风管路，发生泄漏时通过通风管路将气体抽排到外部，确保安全；独立通风管路除配置主抽风机外，还设置备用抽风机；

6）船舶配置的单燃料气体发动机较多（5 台），如果每台发动机设置一套独立的环围导管通风管路，需较大空间才能满足，实际情况是原船机舱空间狭小，过多管路、风机布置困难，因此在确保安全、管路相对独立的前提下，尽可能减少风机及管路也是本次船舶改造重点关注之一，考虑全船分左、右舷两路设置，左舷2 台气体发动机共用一路环围导管通风管路，右舷3 台气体发动机共用一路环围导管通风管路，每路并联配置2 台抽风机（一用一备）。当可燃气体探测系统探测到双壁管内天然气浓度达到一定值时，在驾驶室驾控台发出声光报警，使用同一通风导管环围系统抽风的LNG 储罐供气主阀自动关闭，所在舷侧的所有发动机主气体燃料阀和双截止透气阀关闭，自动透气阀开启，切断天然气供给。布置方法如图3 所示。

图3 改造船舶LNG 供气系统图

6 主要创新改造技术

6.1 船型布置优化

珠江水系船舶布置极为紧凑，为了确保船舶有足够续航能力，储罐容积要尽量大，对装载量影响尽量小。通过对船舶总布置进行优化论证，提出将LNG 储罐布置在船尾部上建后端二甲板的方案，达到LNG 泄漏风险点布置在船舶航行下风向位置，以避免主甲板面改造工程量大、管路长等问题。

6.2 船型标准化

目前珠江水系船型复杂多样，通过标准化改造实施，落实好船舶改造各项工作任务。通过现场实船勘验、设计、关键共性技术及风险点进行梳理，对关键设备、布置提出标准化改造思路，控制改造风险，为后续批量船舶LNG 动力改造作出参考。

6.3 天然气发动机与传统推进匹配

天然气发动机与传统柴油发动机比较，在尺寸、重量、功率转速、动态响应、不同转速下负荷稳定性等存在差异。为节省成本，尽可能减少动力设备以外其他设备更换，充分考虑天然气发动机与内河船舶传统推进的匹配，制定改造方案。

将原主机及齿轮箱基座全部或局部切割，重新制作、安装。在天然气发动机与螺旋桨匹配方面，根据现有船型参数、附体阻力、主机性能等情况进行分析；对天然气发动机不同转速下负荷稳定性进行核算，确保与原螺旋桨参数合理匹配，减少对轴系、螺旋桨改造。

6.4 危险区域最小化控制

按照规范、规则相关要求，划出天然气泄漏危险区范围，以危险区域最小化为原则，对LNG 动力系统众多可能泄漏点进行优化布置。通过论证分析，有效缩小危险区域范围，降低危险区域对船舶生活区域的影响，提升船舶安全性，为后续船舶改造提供参考。

6.5 首制大功率天然气发动机

应用河南柴油机厂研制的660 kW 多点喷射LNG单一燃料主机，作为国内首台上船试用，分析可能存在的风险，逐项完成主推进装置运行试验、测速试验、回转试验、航向稳定性试验等测试，为后续船舶的推广应用提供成功案例。

7 改造成效及发展趋势

基于珠江水系内河船型总布置优化、船型标准化改造、天然气发动机与传统推进设备匹配、危险区域最小化控制、大功率天然气发动机试验验证等，突破了多项关键技术，为解决多年来困扰我国内河新能源船舶推广应用难题起到了一定示范引领和借鉴作用。

7.1 经济效益

船舶经LNG 动力改造后，运营经济效益显著：

1）根据省政府与供应商（中海油）签订的战略合作协议，船舶LNG 燃料供气价格定为市场同期柴油价格的70%，一定程度上降低了船舶运营燃料消耗成本。

2）根据实船监测，船舶改造前平均燃油单耗约为74.8 g/kW·h,船舶改造后LNG 燃料平均单耗约为58.8 g/kW·h。2023 年上半年，8 艘改造船舶运营加注LNG燃料与改造前同等运营条件下比较，运营燃料消耗成本节省达100 多万元，经济效益显著。

7.2 社会效益

1）提升了珠江水系船舶生态环保水平。船舶LNG动力改造，降低了船舶大气和水污染程度，船舶废气二氧化碳排放减少约20%，氮氧化物排放减少约50%，颗粒物及硫氧化物减排约100%。

2）助力珠江水运LNG 应用生态。一定程度上，助力省市政府对珠江水系船舶燃料应用生态的改变，调整水运能源结构。

3）示范引领广东省航运绿色发展。大大调动了各港航企业加快推进船舶LNG 动力改造的积极性，促进了珠江水域LNG 加注站配套设施建设步伐，有利于珠江水运能源结构调整和环境保护，提升珠江水系航运绿色发展水平。

7.3 未来发展趋势

近几年来，国家先后出台《“十四五”船舶工业规划》、《“十四五”交通运输发展规划》、《内河航运发展纲要贯彻落实的实施意见》及《关于加快内河船舶绿色智能发展的实施意见》等政策文件，清洁能源替代传统能源船舶得到了政府大力支持，随着科学技术进步，清洁能源替代传统能源技术日趋多样化，清洁能源船舶建造、改造具有广阔的发展前景。

8 结束语

响应国家节能环保政策,改善柴油机动力内河船舶所面临的环境污染及能源成本问题,展开包括LNG在内的新型能源动力船舶研究工作,取得了可喜的成就[2]。随着油改气工程逐步推进,LNG 已成为业内公认的船舶新能源的重要选项，LNG 燃料动力船舶的经济性、环保性优势日益显现，内河LNG 燃料动力船舶将会得到广泛推广应用[3]。

目前，国内LNG 动力技术的研究仍处于推广应用阶段，有关法规、规范及标准有待进一步完善，LNG 动力技术水平仍有待进一步提高；目前LNG 动力船舶建造、改造成本相对较高，以及LNG 加注站配套设施建设相对滞后等因素，影响到各航运企业清洁能源技术推广应用的积极性。因此，为了加快水运清洁能源结构调整，构建水运LNG 应用生态，建议政府相关部门不断完善清洁能源技术推广应用及产业发展政策指引文件，加快LNG 配套设施建设步伐，在财政补助、优先过闸、LNG 价格优惠及船员培训等方面，构建更加具有吸引力的激励机制，推动绿色航运高质量发展。