拖網(wǎng)漁船LNG單燃料動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

裘繼承

摘 要：本文以LNG單燃料動(dòng)力拖網(wǎng)漁船為例，主要介紹LNG動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：LNG動(dòng)力系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)、LNG動(dòng)力管系的設(shè)計(jì)、LNG冷能利用。

關(guān)鍵詞：LNG動(dòng)力系統(tǒng) ；本質(zhì)安全機(jī)器處所； 雙壁管； LNG冷能利用

中圖分類號(hào)：U677.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

隨著LNG燃料動(dòng)力船舶的快速發(fā)展和應(yīng)用，LNG動(dòng)力系統(tǒng)的安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等因素受到越來(lái)越廣泛的重視。本文以我院LNG單燃料動(dòng)力拖網(wǎng)漁船設(shè)計(jì)為例，對(duì)LNG動(dòng)力系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、LNG冷能利用及其LNG動(dòng)力管系的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析總結(jié)，交流經(jīng)驗(yàn)，以利LNG單燃料動(dòng)力在實(shí)船上得到更廣泛的應(yīng)用。

2 LNG單燃料動(dòng)力拖網(wǎng)漁船概述

本船為鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)、尾滑道單拖網(wǎng)漁船，具有傾斜首柱（帶球首），尾機(jī)型、雙機(jī)、雙槳、雙舵，用于南海海域進(jìn)行拖網(wǎng)作業(yè)，其主要作業(yè)海域?yàn)槲魃郴蜓a(bǔ)給條件下南沙。本船總長(zhǎng)53.6 m、型寬8.50 m、型深4.4 m，設(shè)計(jì)航速10 kn，續(xù)航力不小于1 500 n mile，船員14人。

本船主推進(jìn)采用2臺(tái)船用單一氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，功率為420 kW；配置2臺(tái)船用單一氣體燃料主發(fā)電機(jī)組，輸出電功率分別為120 kW和64 kW。

在LNG儲(chǔ)氣罐艙設(shè)置1個(gè)LNG儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐的總?cè)莘e約100 m3；設(shè)置2套LNG氣化器及2個(gè)緩沖罐，其中1套LNG氣化器及1個(gè)緩沖罐供氣給1臺(tái)主機(jī)和1臺(tái)120 kW發(fā)電機(jī)組，另1套LNG氣化器及1個(gè)緩沖罐供氣給1臺(tái)主機(jī)和一臺(tái)64 kW發(fā)電機(jī)組。

3 LNG動(dòng)力系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)艙設(shè)計(jì)的原則

LNG燃料動(dòng)力船機(jī)艙的安全性和可靠性必須得到保證，應(yīng)將氣體燃料發(fā)生泄漏和產(chǎn)生危害的概率和影響降至最低。設(shè)計(jì)的原則是：盡量將危險(xiǎn)區(qū)域減至最少，以降低可能影響船舶、人員和設(shè)備安全的潛在風(fēng)險(xiǎn)；采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，使氣體燃料系統(tǒng)免受外部損傷；消除危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的著火源，以降低爆炸的概率；設(shè)有適當(dāng)?shù)目刂?、?bào)警、監(jiān)測(cè)、切斷和氣體探測(cè)系統(tǒng)， 確保氣體燃料系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行；針對(duì)潛在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)設(shè)置探火、防火和滅火措施。

3.2 機(jī)艙形式的選擇

根據(jù)CCS《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》（2013）3.1.1.2：含有天然氣燃料動(dòng)力系統(tǒng)（包括雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)）的機(jī)器處所應(yīng)按本質(zhì)安全機(jī)器處所，或ESD防護(hù)式機(jī)器處所，或增強(qiáng)安全機(jī)器處所要求進(jìn)行布置。

本質(zhì)安全型機(jī)艙要求對(duì)機(jī)艙內(nèi)的所有供氣管路進(jìn)行氣密環(huán)圍，如采用雙壁管，這樣可以降低管路氣體燃料泄露帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，提高了機(jī)艙的整體安全水平。但該類機(jī)艙對(duì)于供氣管路和發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求較高，雙壁管不僅制造成本高，而且施工、安裝、檢驗(yàn)、維護(hù)也復(fù)雜。供氣管路與發(fā)動(dòng)機(jī)氣體噴射閥的連接應(yīng)設(shè)置雙壁管，其布置應(yīng)能使得方便地對(duì)氣體噴射閥和氣缸蓋進(jìn)行更換和/或檢查。發(fā)動(dòng)機(jī)本體上的供氣管路同樣應(yīng)采用雙壁管，直至氣體進(jìn)入氣缸。

ESD防護(hù)式機(jī)艙其內(nèi)部的供氣管路可不設(shè)氣密環(huán)圍，但需滿足產(chǎn)生推進(jìn)功率和電力的發(fā)動(dòng)機(jī)布置在兩間機(jī)艙內(nèi)，且任何一間機(jī)艙內(nèi)的燃料供應(yīng)被切斷時(shí)，其余機(jī)艙應(yīng)能維持至少40%的推進(jìn)功率和正常的電力供應(yīng)以用于航行。本船作為一型拖網(wǎng)漁船，推進(jìn)系統(tǒng)分成兩個(gè)機(jī)艙布置，必然要犧牲一部分魚艙的空間，這對(duì)于船東來(lái)說(shuō)是很難接受的。另外，應(yīng)安裝氣體探測(cè)裝置，并能自動(dòng)切斷氣體供應(yīng)和斷開所有非防爆設(shè)備或裝置。

增強(qiáng)安全型機(jī)艙供氣管路可不設(shè)氣密環(huán)圍，可不采用分艙的形式。機(jī)艙的安全水平主要通過(guò)以下措施得以保證：供氣管路的連接應(yīng)采用對(duì)接焊全焊透型式，并100%進(jìn)行射線檢測(cè)，可能產(chǎn)生泄漏的部件或接頭應(yīng)布置在氣體閥件單元處所內(nèi)，該處所內(nèi)設(shè)有通風(fēng)系統(tǒng)和氣體探測(cè)器；當(dāng)探測(cè)到機(jī)艙和氣體閥件單元處所內(nèi)可燃?xì)怏w濃度達(dá)到20% LEL、控制閥自動(dòng)關(guān)閉而停止氣體燃料供應(yīng)、機(jī)艙風(fēng)機(jī)因故關(guān)停、探測(cè)到供氣管路破裂等情況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為燃油模式。而本船采用的是單一氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，所以不能采用此類型機(jī)艙的設(shè)計(jì)。

考慮到本船將安全因素放在第一位及機(jī)艙的布置情況，因此將機(jī)艙設(shè)計(jì)成本質(zhì)安全機(jī)器處所。

3.3 LNG儲(chǔ)氣罐艙的安全設(shè)計(jì)

由于LNG儲(chǔ)氣罐艙屬于圍蔽處所，一旦發(fā)生LNG泄漏事故，雖然LNG儲(chǔ)氣罐艙設(shè)有機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，也很難保證可以將艙內(nèi)的天然氣完全排出?？紤]安全因素，所以將LNG燃料圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成泄漏的可能性基本不存在。

本LNG氣罐設(shè)有左右兩個(gè)氣罐連接處所，氣罐連接處所各自包含有根部閥、氣控緊急截止閥、壓力釋放閥、汽化器、緩沖罐、氣體互鎖閥組、溫度壓力液位各傳感器等。將所有可能發(fā)生氣體泄漏的閥件、附件及設(shè)備統(tǒng)一布置在一個(gè)氣密處所。另外，從氣罐連接處所的燃?xì)獬隹谝恢钡綑C(jī)艙的發(fā)動(dòng)機(jī)氣體閥件單元的這段管路上都沒(méi)有任何的閥件附件，所以基本不存在氣體泄漏的可能性。

4 LNG動(dòng)力管系的設(shè)計(jì)

CCS《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》（2013）4.3.1中，關(guān)于本質(zhì)安全機(jī)器處所的供氣系統(tǒng)雙壁管可設(shè)計(jì)成如下兩種形式：

（1）由內(nèi)管和外管組成的同心管，內(nèi)管含有氣體燃料，內(nèi)、外管之間的空腔充滿壓力高于內(nèi)管氣體壓力的惰性氣體。當(dāng)此空腔內(nèi)惰性氣體壓力降低時(shí)，應(yīng)有適當(dāng)?shù)膱?bào)警予以警示；

（2）供氣管路安裝在通風(fēng)導(dǎo)管內(nèi)，供氣管路和通風(fēng)導(dǎo)管之間的空間安裝獨(dú)立的機(jī)械式抽風(fēng)機(jī)，雙壁管內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)為抽吸式機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，應(yīng)具有每小時(shí)換氣至少30次的通風(fēng)能力。

相對(duì)于環(huán)圍通風(fēng)雙壁管來(lái)說(shuō)，采用惰性氣體雙壁管的優(yōu)點(diǎn)主要是不需設(shè)置通風(fēng)機(jī)此類用電設(shè)備和一套獨(dú)立的進(jìn)出風(fēng)口裝置，進(jìn)出風(fēng)口裝置在船上的布置無(wú)疑也增加了本船的危險(xiǎn)區(qū)域范圍。另外，環(huán)圍通風(fēng)雙壁管的外管由于需保證內(nèi)、外管之間的空腔足夠大以減少通風(fēng)阻力，所以惰性氣體雙壁管的外管直徑比環(huán)圍通風(fēng)雙壁管的要小，更利于在漁船有限的空間內(nèi)布置。

其缺點(diǎn)則是空腔需充滿壓力高于內(nèi)管氣體壓力的惰性氣體，惰性氣體可選擇采用氮?dú)?。由于從天然氣穩(wěn)壓罐至發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)膺M(jìn)口的供氣管路上最大供氣壓力為0.85 MPa，所以空腔的惰性氣體的壓力應(yīng)為1 MPa，無(wú)論是采用氮?dú)馄窟€是氮?dú)獍l(fā)生裝置提供氮?dú)猓夹枰黾釉O(shè)備。空腔內(nèi)氮?dú)庖坏┌l(fā)生泄漏而導(dǎo)致壓力降低時(shí)，有兩種可能性存在：一是外管有破損，氮?dú)馔p壁管外部泄漏，此種情況的判斷是過(guò)一段時(shí)間后空腔內(nèi)的氮?dú)鈮毫εc大氣壓一致；二是內(nèi)管有破損，過(guò)一段時(shí)間后空腔內(nèi)的氮?dú)鈮毫εc內(nèi)管的天然氣壓力一致。所以雙壁管空腔內(nèi)需設(shè)置有若干壓力傳感器以判斷發(fā)生氮?dú)獍l(fā)生泄漏是屬于哪種情況，另外還可用于當(dāng)空腔內(nèi)氮?dú)鈮毫档蜁r(shí)，有適當(dāng)?shù)膱?bào)警予以警示。

無(wú)論哪種雙壁管形式的外管或內(nèi)管發(fā)生破損，除非是用肉眼很容易觀察出來(lái)，否則雙壁管的檢修是極其困難的，只能進(jìn)入船廠進(jìn)行檢修。環(huán)圍通風(fēng)雙壁管的供氣管路和通風(fēng)導(dǎo)管之間的空間采用抽吸式機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，外管并不如惰性氣體雙壁管那樣需承受1 MPa的壓力，另外在漁船惡劣的工作環(huán)境下和漁民在維護(hù)保養(yǎng)方面的意識(shí)和能力上欠缺，都會(huì)大大增加惰性氣體雙壁管外管的破損概率。環(huán)圍通風(fēng)雙壁管的外管假如發(fā)生局部破損，由于空腔采用的是抽吸式機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，存在一定的真空度，空腔的空氣并不會(huì)泄漏出來(lái)，所以并不會(huì)嚴(yán)重影響到供氣系統(tǒng)的正常工作甚至需切斷供氣系統(tǒng)。

綜上考慮，本船采用環(huán)圍通風(fēng)雙壁管。

5 LNG冷能利用

LNG燃料與柴油燃料相比，不僅具有巨大熱能，而且還蘊(yùn)藏著巨大的冷能。在LNG汽化成常溫氣體并供給發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的過(guò)程中將伴隨著冷能大量釋放。常規(guī)船舶直接吸收發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的內(nèi)部循環(huán)熱水，對(duì)LNG進(jìn)行加熱使其氣化，LNG冷能被熱水帶走后重新進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水系統(tǒng)，使得LNG冷能未能得到應(yīng)用。

另一方面，船舶長(zhǎng)期在海上作業(yè)，常配置冷庫(kù)、冰箱、冷凍冷藏魚艙、空調(diào)裝置等設(shè)施，需要消耗船舶電站發(fā)出電能用于轉(zhuǎn)換為冷能。對(duì)天然氣燃料動(dòng)力船舶LNG冷能加以利用將一定程度上解決這部分需求，降低電能的消耗，減少運(yùn)營(yíng)成本，起到節(jié)能環(huán)保的作用。

6 結(jié)束語(yǔ)

LNG在船舶上的應(yīng)用可帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，按天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)廠家數(shù)據(jù)，燃用1 m3天然氣與燃用1L柴油發(fā)出的功率相近。目前天然氣市場(chǎng)價(jià)格約4.5元/m3，柴油市場(chǎng)價(jià)格接近8元/L，LNG價(jià)格優(yōu)勢(shì)是明顯的。以本船100 m3 LNG儲(chǔ)氣罐為例，在同樣功率的發(fā)動(dòng)機(jī)使用相同時(shí)間的條件下，本船一次性加氣比加柴油可以節(jié)約成本約17.5萬(wàn)元。

同時(shí)，LNG作為船用燃料的環(huán)境效益非常顯著，與傳統(tǒng)的燃燒柴油的船舶相比，幾乎沒(méi)有硫氧化物、沒(méi)有懸浮顆粒，并且可以減少約85%的氮氧化物和20%的CO2，是國(guó)際公認(rèn)的清潔能源。同時(shí)，LNG無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性，密度比空氣輕，發(fā)生泄漏事故時(shí)會(huì)很快自然氣化，不會(huì)對(duì)水體產(chǎn)生污染，因此LNG船舶的發(fā)展將推進(jìn)船舶節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)船舶行業(yè)的低碳發(fā)展。

綜上所述，只要在設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格按照相關(guān)法規(guī)、規(guī)范的要求，采取合理的安全和防護(hù)措施，并采取有效回收LNG冷能手段，綠色環(huán)保節(jié)能的新型LNG燃料動(dòng)力船舶必然具有很好的發(fā)展前景。

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