祝志勇，葉文彪，高 健

(1.中車資陽機車有限公司，四川 資陽 641300；2.中國人民解放軍陸軍裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表局駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧 大連 116001)

0 引言

節(jié)能減排已經(jīng)成為全球航運業(yè)發(fā)展的大勢所趨，LNG動力船舶正是在此形勢下發(fā)展起來的一項先進技術，其綠色動力系統(tǒng)的集成是目前發(fā)展的重心[1]。隨著環(huán)保趨勢的深入和LNG的興起，特別是內河航運節(jié)能減排補貼政策的出臺催化了LNG燃料動力船舶行業(yè)的快速發(fā)展。但是，由于設計、應用經(jīng)驗不足，加上各種設備廠家獨立供貨，導致在LNG燃料動力船動力系統(tǒng)在集成過程中出現(xiàn)各種問題，嚴重制約了內河船LNG動力技術的推廣[2]。

“粵珠328” LNG雙燃料動力示范船(簡稱“粵珠328”船)為3 000噸級多用途船舶，現(xiàn)常年運行在京杭運河上。其主要參數(shù)為：船長65.98 m，船寬15.8 m，最大載貨3 530 t，最多可以搭載160個重柜集裝箱。該船最大特點就是采用LNG和柴油雙燃料動力系統(tǒng)，并將動力系統(tǒng)的各模塊集成為一個有機的動力包。

本文以“粵珠328”船的LNG動力系統(tǒng)為例，分析LNG船舶動力集成系統(tǒng)的總體設計思路，并對LNG儲氣罐的加裝、LNG發(fā)動機系統(tǒng)的改造、LNG報警監(jiān)控系統(tǒng)的設計等關鍵技術進行研究，總結船舶動力集成的經(jīng)驗教訓，為內河LNG船舶動力系統(tǒng)的整體設計模式提供有效的技術方案。

1 LNG船舶動力系統(tǒng)的總體設計

LNG船舶動力系統(tǒng)是LNG動力船舶的核心部分，是以LNG作為主要動力燃料、通過發(fā)動機為船舶提供動力的集成系統(tǒng)。與傳統(tǒng)燃油動力系統(tǒng)相比，它以柴油-燃氣雙燃料替代單一的柴油燃料，以雙燃料發(fā)動機替代柴油發(fā)動機，即在原有柴油機主體結構和燃燒方式不變的前提下，增加1套LNG供氣系統(tǒng)和柴油-燃氣雙燃料電控噴射系統(tǒng)，通過電子轉換開關，實現(xiàn)單純柴油燃料狀態(tài)下和油氣雙燃料狀態(tài)下2種運行模式的轉換。同時為防止LNG泄露帶來的危險，增加1套LNG報警控制系統(tǒng)。所以，LNG船舶動力系統(tǒng)主要由3大系統(tǒng)組成，即LNG儲供氣系統(tǒng)、柴油-燃氣雙燃料發(fā)動機系統(tǒng)、LNG報警控制系統(tǒng)。

根據(jù)“粵珠328”船的船體設計布局，LNG罐及氣化設備布置在船尾部甲板上，燃氣機及發(fā)動機氣體閥組單元(GVU)安裝在船艙內，控制柜布置在駕駛操作室內。燃氣機與LNG罐通過燃氣管路進行連接，燃氣機尾氣通過排煙管路排出船外。動力集成設備的布局和安裝示意見圖1。

液態(tài)天然氣LNG從儲氣罐出來后經(jīng)過氣化器汽化，液態(tài)天然氣LNG轉化為氣態(tài)天然氣CNG。汽化后的天然氣在進發(fā)動機前，通過GVU進行過濾和壓力調整，噴入發(fā)動機燃燒室燃燒做功，發(fā)動機輸出軸通過變速箱后帶動螺旋槳旋轉，為船舶提供動力[3]。同時LNG報警控制系統(tǒng)對LNG儲罐、氣化器、閥門、機艙等進行監(jiān)控，以確保LNG環(huán)境下的使用安全。LNG報警監(jiān)控信息和發(fā)動機運行參數(shù)匯總到控制室，由控制柜對LNG控制系統(tǒng)和發(fā)動機進行遠程控制。

圖1 動力集成設備的布局和安裝示意圖

2 LNG儲供氣系統(tǒng)的優(yōu)化設計

LNG儲供氣系統(tǒng)由LNG儲氣罐及氣化裝置、緩沖罐、接頭、閥件等組成。LNG儲氣罐的有效容積為15 m3，最大工作壓力為1.0 MPa，安放在船舶甲板上，用于貯存液化天然氣。

液態(tài)天然氣LNG從儲氣罐出來，經(jīng)過氣化器汽化，LNG在汽化過程中由于體積膨脹，需要吸收大量的熱量，為防止氣化器結冰，需設法將發(fā)動機的缸套水引出到氣化器。為保證燃氣供給量及壓力的穩(wěn)定性，避免發(fā)動機在急加速過程中出現(xiàn)燃氣壓力波動而影響發(fā)動機性能的現(xiàn)象，還需增加1個緩沖罐。同時為防止LNG罐的接頭、閥件等發(fā)生泄漏，需要將其圍蔽在由耐低溫材料制成的處所內，即氣罐連接處所(俗稱“冷箱”)。LNG儲氣流程見圖2。

圖2 LNG儲氣流程圖

3 雙燃料發(fā)動機系統(tǒng)的新增改造

發(fā)動機采用YC6C600型雙燃料發(fā)動機，通過電子轉換開關，隨時在純柴油和柴油-天然氣混燃2種模式下切換。在混燃模式下，LNG可部分替代柴油燃料，在75%額定功率下LNG綜合替代率可達到70%以上，從而達到節(jié)省燃油和降低排放的目的。相對于純柴油機，雙燃料發(fā)動機主要增加了1套燃氣供給系統(tǒng)，具體分為機外的氣體閥組單元GVU、機內燃氣供給單元和混燃噴射ECU系統(tǒng)[4]。

3.1 機外氣體閥組單元GVU

汽化后的天然氣在進入發(fā)動機前，還需要進一步過濾和調壓，這就需要GVU。GVU包含的零部件有調壓器、燃氣過濾器、氣動閥、壓力表等，集成在屏蔽箱內，對天然氣進行調壓調整、燃氣過濾和啟?？刂?。GVU整體對內部所有零部件形成圍蔽，其燃氣進出口都設有通風法蘭，通風法蘭通過管道與抽風機相連，采用雙層抽風結構。當箱體內某一連接處發(fā)生燃氣泄漏時，可以將燃氣通過雙層管抽走，防止燃氣泄漏到機艙內部，引發(fā)潛在的危險。GVU結構原理見圖3。

圖3 閥組單元GVU原理圖

3.2 機內燃氣供給單元

相對于純柴油機，雙燃料發(fā)動機增加1套燃氣供給單元，安裝在屏蔽箱內，置于發(fā)動機頂部。其燃氣系統(tǒng)供給采用多點噴射方案，燃氣管路通過燃氣共軌管分為6支，由6個燃氣電噴控制閥控制燃氣的噴射。燃氣共軌管采用單層管，與燃氣閥一同安裝在屏蔽箱(GVU-2)內部，等同于雙壁管作用，每一缸的燃氣支管直接通向發(fā)動機進氣總管，直接噴入缸蓋，燃氣支管采用雙壁管。燃氣供給單元安裝位置見圖4。

圖4 燃氣供給單元位置

3.3 發(fā)動機的混燃噴射ECU系統(tǒng)

燃氣供給系統(tǒng)的作用是根據(jù)發(fā)動機工況的變化，使燃氣與空氣以一定的比例混合后送入燃燒室中。發(fā)動機對供氣系統(tǒng)的控制，可集成在一個電子控制單元(ECU)上，由ECU控制供氣系統(tǒng)的混燃噴射。YC6C雙燃料發(fā)動機的ECU系統(tǒng)采用HEINZMANN控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)啟動、停機、雙燃料模式切換、燃氣系統(tǒng)控制功能、發(fā)動機運行狀態(tài)監(jiān)控等5大功能。ECU系統(tǒng)原理見圖5。

圖5 ECU系統(tǒng)原理圖

4 LNG船舶報警監(jiān)控系統(tǒng)的功能設計

因LNG燃氣的特點，LNG船舶的危險主要集中在氣罐的充裝及儲存處、燃氣管路閥口處、發(fā)動機進排氣等處，故LNG船舶的監(jiān)控系統(tǒng)可細分為LNG天然氣報警監(jiān)控系統(tǒng)和雙燃料發(fā)動機電噴ECU控制系統(tǒng)，并通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)對LNG報警監(jiān)控信息和發(fā)動機運行參數(shù)進行匯總并控制[5]。

LNG天然氣報警監(jiān)控系統(tǒng)主要承擔的任務是對LNG儲罐、氣化器、遙控閥門等監(jiān)控和管理，完成充裝、儲存、供氣、待機等各種工藝過程的采集、控制、顯示、報警等監(jiān)控功能，同時對本船的LNG使用環(huán)境安全進行監(jiān)測。通過可燃氣體泄漏控制器、火災監(jiān)測報警控制器等監(jiān)測設備，可以及時發(fā)現(xiàn)隱患啟動報警并關閉緊急切斷閥，切斷氣體燃料，確保使用安全。LNG船舶監(jiān)控系統(tǒng)示意圖見圖6。

5 結論

根據(jù)“粵珠328”LNG雙燃料動力船的研發(fā)經(jīng)驗教訓，LNG船舶動力系統(tǒng)在設計時需特別注意以下幾個關鍵技術：

(1)為保證燃氣供給量及壓力的穩(wěn)定性，防止LNG罐的接頭、閥件等發(fā)生泄漏，建議LNG儲供氣系統(tǒng)增加一“冷箱”。

(2)原純柴油機需改造為雙燃料發(fā)動機，即增加1套燃氣供給系統(tǒng)和混燃噴射ECU系統(tǒng)。

(3)為確保LNG使用安全，船舶須安裝可燃氣體泄漏探測器、火災監(jiān)測報警控制器等監(jiān)測設備，及時發(fā)現(xiàn)隱患予以報警并自動切斷LNG閥門。

圖6 LNG船舶監(jiān)控系統(tǒng)圖