高天鴻 成杰

為了限制船用柴油機廢氣排放對環(huán)境的污染，國際海事組織通過相關排放附則對船舶發(fā)動機的氮氧化物和硫氧化物排放限制作出明確規(guī)定。為了實現(xiàn)節(jié)能減排，滿足日益嚴格的排放法規(guī)要求，選擇性催化還原、廢氣清洗、廢氣再循環(huán)、雙燃料發(fā)動機、雙燃料供氣系統(tǒng)等新技術應運而生。作為雙燃料供氣系統(tǒng)技術分支的液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）燃料供氣系統(tǒng)以船載LNG為原料，通過增壓、汽化等工藝流程，將LNG先轉變?yōu)闈M足發(fā)動機進氣要求的氣態(tài)天然氣，再供發(fā)動機燃燒做功。本文介紹船用LNG燃料供氣系統(tǒng)組成及各模組工作原理，以期為系統(tǒng)應用提供參考。

1 船用LNG燃料供氣系統(tǒng)組成

典型的船用LNG主要組成成分為甲烷（體積分數(shù)94.0%），還有少量的乙烷（體積分數(shù)4.7%）、丙烷（體積分數(shù)0.8%）、丁烷（體積分數(shù)0.2%）和氮氣（體積分數(shù)0.3%）。船用LNG燃料供氣系統(tǒng)類似于船用燃油系統(tǒng)，能夠為主機提供LNG燃料。根據(jù)發(fā)動機進氣壓力的不同，船用LNG燃料供氣系統(tǒng)可分為低壓供氣系統(tǒng)和高壓供氣系統(tǒng)。[1]船用LNG燃料供氣系統(tǒng)的工作原理是：將船載LNG通過汽化、加熱、加壓等方式轉變?yōu)闅鈶B(tài)天然氣，定時、定量地提供給船舶主機或其他用氣設備。船用LNG燃料供氣系統(tǒng)由多個模組構成，主要包括LNG存儲和監(jiān)控系統(tǒng)、LNG加注站、LNG汽化加熱系統(tǒng)、LNG加熱循環(huán)系統(tǒng)、LNG加注和供氣管路、安全系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等。[2]

2 船用LNG燃料供氣系統(tǒng)模組及其原理

2.1 LNG存儲和監(jiān)控系統(tǒng)

適配LNG存儲和監(jiān)控系統(tǒng)的LNG液貨艙型式有A型獨立燃料罐、B型獨立燃料罐、C型獨立燃料罐和薄膜型燃料艙等，具體特點如下。

（1）A型獨立燃料罐 A型獨立燃料罐大多采用方形設計，配有完整的次屏壁，最大設計壓力一般不超過0.07 MPa，工作溫度在 55 ℃以下。

（2）B型獨立燃料罐 相較于A型獨立燃料罐，B型獨立燃料罐的圍護系統(tǒng)經(jīng)過更為精準的應力分析校核，因此僅配備部分次屏壁，設計壓力通常不超過0.07 MPa。B型獨立燃料罐主要包括MOSS球形罐和SPB棱形罐兩種結構。

（3）C型獨立燃料罐 C型獨立燃料罐按照壓力容器的要求設計和生產，分為單C型、雙C型和三C型，需要配備馬鞍式底座支撐，不需要配備次屏壁，設計壓力通常不大于2.16 MPa。C型獨立燃料罐按結構可分為雙層真空絕熱罐和外包絕熱層單壁壓力罐。雙層真空絕熱罐的特點是：絕熱性能好，蓄壓時間長，容積不宜過大，制造成本較高。外包絕熱層單壁壓力罐的特點是：絕熱性能取決于絕熱層的厚度，蓄壓時間取決于儲罐的設計壓力和工作壓力。

（4）薄膜型燃料艙 薄膜型燃料艙的主屏壁由薄層組成，有完整的次屏壁。作為船體結構的一部分，薄膜型燃料艙須承受與船體結構相同的載荷應力，并且由于船體結構不含低溫鋼，存在因燃料消耗而導致的晃蕩問題。類似的儲罐型式液貨艙還有半薄膜型燃料艙，其主屏壁也由薄層組成，但比薄膜型燃料艙的主屏壁厚，一般采用殷瓦鋼材料。半薄膜型燃料艙空載時為自持型，而裝載后則變?yōu)榉亲猿中汀?/p>

在燃料艙設置儀表設備，以便遠程或就地讀取和監(jiān)測其重要參數(shù)，實現(xiàn)對氣體燃料系統(tǒng)的安全管理。一般通過船舶主控制站和駕駛室監(jiān)控報警板監(jiān)測燃料艙壓力、溫度和液位，監(jiān)測項目在《國際散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規(guī)則》和《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規(guī)則》中有明確要求。船上安裝的非固定式燃料艙也應按固定式燃料艙的要求配備監(jiān)測系統(tǒng)，以保證船舶營運安全。[3]

2.2 LNG加注站

LNG加注站配備帶絕熱層的液體充裝管線和蒸氣回氣管線，用于向LNG燃料罐內充裝燃料，一般安裝于舷側的露天甲板上，以確保有良好的自然通風條件。若要將LNG加注站設置在圍蔽或半圍蔽處所，應通過風險評估并經(jīng)船級社同意。LNG加注站安裝須注意以下幾點：（1）在布置加注接頭和管路時，確保燃料管路不影響船舶燃料圍護系統(tǒng)，以免氣體不受控排放;（2）在加注接頭和其他可能泄漏的位置下方安裝帶有泄放閥的承滴盤，以便通過管路將泄漏物排出舷外;（3）充裝接頭設置防飛濺裝置、干式拉斷閥或自封式快速釋放裝置和應急切斷閥。LNG加注方式有槽車加注、岸基加注、LNG躉船加注和船靠船加注等。

2.3 LNG汽化加熱系統(tǒng)

LNG汽化加熱系統(tǒng)的作用是通過熱交換方式將LNG汽化，并將其加熱到發(fā)動機允許使用的溫度。汽化加熱器一般采用容器式熱交換器，外殼采用耐低溫不銹鋼材料，內管采用不銹鋼螺旋盤管結構，可避免產生氣阻。汽化加熱器可與燃氣緩沖罐、PBU蒸發(fā)器或增壓泵、安全閥、低溫截止閥、壓力表、溫度表等集成到氣密冷箱內，形成汽化加熱器撬塊，同時須滿足船級社關于通風系統(tǒng)換氣能力的相關要求。

2.4 LNG加熱循環(huán)系統(tǒng)

LNG加熱循環(huán)系統(tǒng)的作用是向汽化加熱系統(tǒng)或壓縮機單元提供熱源，通常采用水和乙二醇混合溶液作為加熱循環(huán)介質。該介質冰點為 30 ℃，可有效防止LNG汽化加熱器換熱管表面結冰，從而提高換熱效率。乙二醇管路采用氮氣增壓方式，以防燃氣進入加熱系統(tǒng)。LNG加熱循環(huán)系統(tǒng)主要由乙二醇泵、熱交換器、閥門和儀器儀表等組成，可配備電加熱器，用于特定情況下加熱介質。水乙二醇溶液加熱汽化加熱器后，可通過發(fā)動機冷卻水或船上的蒸氣對水乙二醇溶液再加熱，從而形成完整的加熱循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可集成到撬塊上，便于運輸和船上安裝布置，有利于節(jié)省空間。

2.5 LNG加注和供氣管路

LNG加注管路為加注站到儲罐之間的低溫管路，可采用雙層真空絕熱管或外包絕熱層單壁管路。管路設計除須滿足常規(guī)強度、溫度等要求外，還應經(jīng)過低溫應力分析，高壓供氣管路還須考慮振動和疲勞等應力影響。

LNG供氣管路為冷箱后到發(fā)動機前的氣體管路，采用不銹鋼雙壁管結構，內管為燃氣供氣管，外管為通風導管。當發(fā)動機在氣體燃料模式下運行時，外管須進行有效的負壓式機械通風。

2.6 安全系統(tǒng)

（1）惰性氣體系統(tǒng) 惰性氣體系統(tǒng)用于向裝有危險品的艙室、容器或管路輸送惰性氣體，以降低環(huán)境中的含氧量，從而營造不可燃的環(huán)境條件。LNG動力船主要采用氮氣系統(tǒng)，其作用是降低LNG儲罐及相關管系中的含氧量，并在LNG燃料充裝結束后對管線進行吹掃。對于存放氮氣發(fā)生器和氮氣儲罐的艙室，通風系統(tǒng)應設置低氧報警裝置，并且每小時至少換氣6次。

（2）可燃氣體探測裝置 含有液態(tài)或氣態(tài)天然氣管路的處所設置可燃氣體探測裝置，包括固定式氣體探測器和便攜式氣體探測器，裝置數(shù)量根據(jù)處所的面積、布置和通風等情況來確定。當可燃氣體含量達到爆炸下限的20%時，觸發(fā)聲光報警;當2個探測器探測到可燃氣體含量達到爆炸下限的40%時，觸發(fā)安全系統(tǒng)。對于機艙內氣體管路環(huán)圍的通風導管：當可燃氣體含量達到爆炸下限的30%時，觸發(fā)聲光報警;當2個探測器探測到可燃氣體含量達到爆炸下限的60%時，觸發(fā)安全系統(tǒng)，燃氣主閥自動關閉（還可在駕駛室、監(jiān)控室、主甲板上加注站控制臺等區(qū)域遙控關閉燃氣主閥）。

（3）透氣系統(tǒng) 氣體燃料罐艙室和穿過船上圍蔽處所的氣體管路雙壁管外管設有負壓式機械通風系統(tǒng)，通風能力滿足每小時至少換氣30次，且通風范圍360叭哺恰Mǚ縵低撤緇亢凸β逝渲糜δ莧繁5倍懶⑾唄飯┑綬緇蜆燦孟唄飯┑綬緇V乖俗保ǚ縵低懲ǚ縋芰Φ慕檔頭炔懷芡ǚ縋芰Φ？0%。[4]

2.7 電控系統(tǒng)

LNG燃料供氣電控系統(tǒng)具有系統(tǒng)控制、報警和安全保護等功能，具體表現(xiàn)為供氣系統(tǒng)各部分壓力、溫度、液位監(jiān)測及報警，對各功能單元的自動、手動控制，以及緊急切斷等安全保護。電控系統(tǒng)主要包括以下部件。

（1）主控制箱 主控制箱是電控系統(tǒng)的核心部件，其與各執(zhí)行元件和單元（加熱循環(huán)單元、通風單元、空氣控制單元、可燃氣體探測單元、火災探測單元、應急泵單元等）通信，并對各執(zhí)行元件和單元下達指令，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控、報警和控制。

（2）空氣控制單元 電磁閥通過空氣控制實現(xiàn)對執(zhí)行機構的控制，從而實現(xiàn)各個操作動作的執(zhí)行。

（3）駕駛室和充裝站延伸報警板 在駕駛室和充裝站顯示相關參數(shù)，在危險情況下可啟動緊急關斷系統(tǒng)。

（4）加熱循環(huán)單元 加熱循環(huán)單元包括循環(huán)泵、熱交換器和電加熱器?？刂葡到y(tǒng)可以通過主控制箱遠程控制循環(huán)泵和電加熱器啟停，并監(jiān)控其狀態(tài)。

（5）通風單元 通風單元的風機彼此獨立供電，可以通過觸摸屏控制和監(jiān)控風機啟停等狀態(tài)。

（6）應急泵單元 在全船失電的情況下，由備用220 V直流電源供電，使加熱循環(huán)系統(tǒng)能夠持續(xù)工作，避免出現(xiàn)低溫結冰現(xiàn)象。應急泵單元在主電源失電情況下開始工作，可通過主控制箱監(jiān)測其運行狀態(tài)。

3 船用LNG燃料供氣系統(tǒng)布置要求

船用LNG燃料供氣系統(tǒng)的LNG儲罐在船上的布置主要有以下兩種形式。

（1）開敞甲板上布置儲罐，適用于主甲板上有布置儲罐的合適空間的船舶，如油船、化學品船、散貨船等。要求是儲罐距離船舷不少于800 mm，布置環(huán)境自然通風，以防逸出氣體聚積，并能保證船舶發(fā)生碰撞或擱淺時不會對儲罐造成損壞，存在液體泄漏風險的與儲罐相連的管路接口處應安裝承滴盤。

（2）圍蔽處所內布置儲罐，適用于主甲板上沒有可以布置儲罐的合適空間的船舶，如集裝箱船、拖船等。此時儲罐可布置在獨立艙室內，要求是儲罐和燃料管路距離舷側不少于800 mm，儲罐和相關管路可設置在次屏壁處所內，與儲罐相連的管路、閥門和設備可安裝在密閉箱體內。儲罐處所應進行通風處理，并設置固定式滅火裝置以及可燃氣體和火災探測裝置。

此外，根據(jù)船舶布置，也可將汽化加熱系統(tǒng)集成到燃料罐的氣罐連接處所，從而省去單獨放置汽化加熱器撬塊的空間，便于船廠施工。氣罐連接處所安裝完畢后，應進行試驗壓力不低于的氣密試驗。根據(jù)《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規(guī)則》，當設計溫度為110 ℃或更低時，應對管系分支進行完整應力分析;因此，應對LNG管路和設備實施應力分析，并向船級社提交相應分析報告。

4 結束語

近年來，我國順應全球綠色低碳發(fā)展趨勢，積極參與國際社會碳減排行動，并制訂碳中和計劃，現(xiàn)已具備實現(xiàn)碳中和的條件。LNG的主要成分是碳氫化合物，比船用燃油更加清潔：與燃油模式相比，雙燃料發(fā)動機燃氣模式低壓供氣系統(tǒng)排放的二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物和顆粒物分別減少25%、85%、100%和100%，高壓供氣系統(tǒng)排放的二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物和顆粒物分別減少25%、25%、96%和37%。船用LNG燃料供氣系統(tǒng)的應用將為我國碳達峰和碳中和乃至全球節(jié)能減排目標作出重要貢獻，具有光明的發(fā)展前景?？死松慕y(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2020年4月，全球已交付LNG動力船561艘。據(jù)英國勞氏船級社預測，2025年全球LNG動力船數(shù)量將達到1 962艘，LNG動力船占全球新造船訂單的比例將超過60%?？梢?，LNG動力船將是未來主流船型之一。

參考文獻：

[1] 盧瑞軍，周志勇，武憲磊. 船用天然氣發(fā)動機關鍵技術發(fā)展及應用[J].內燃機與動力裝置， 2014， 31（3）：57-60.

[2] 王世榮.我國內河柴油-LNG 雙燃料動力船舶的現(xiàn)狀分析與建議[J]. 中國水運（下半月）， 2011， 11（7）：4-5.

[3] 王峰，濮繼林.LNG 動力船舶發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].江蘇船舶， 2011， 28（5）：16-17.

[4] 周淑慧，沈鑫，劉曉娟，等. LNG 在我國內河水運領域的應用探討[J]. 天然氣工業(yè)， 2013， 33（2）：81-89.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2022-08-19）