(中國(guó)海洋石油油田服務(wù)股份有限公司 裝備管理部, 北京 101149)

多年來(lái)，船舶的節(jié)能環(huán)保措施雖然根據(jù)不同的船舶類型，通過優(yōu)化船舶線型設(shè)計(jì)、采用柴電混合推進(jìn)、電力推進(jìn)等一系列優(yōu)化手段來(lái)進(jìn)行。但是，這些方式和手段都沒有改變柴油或重油作為主要燃料會(huì)產(chǎn)生大量污染空氣的排放氣體的本質(zhì)。雖然氫燃料、核燃料等均在研發(fā)之中，但就目前來(lái)看，液化天然氣(LNG)最具發(fā)展?jié)摿1]。

傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的空間有限，未來(lái)船舶由“燃油”改為“燃?xì)狻钡内厔?shì)日益明顯。瓦錫蘭集團(tuán)的W50DF、W34DF/32DF和W20DF發(fā)動(dòng)機(jī)成功實(shí)現(xiàn)雙燃料應(yīng)用，標(biāo)志著可以靈活選擇LNG或燃油的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)正在高速發(fā)展，使船舶邁向“燃?xì)狻睍r(shí)代在技術(shù)上成為可能。

1 三用工作船的特點(diǎn)及主要性能要求

三用工作船(anchor handling towing ship AHTS)是海洋工程船舶的主要類型。

1.1 主要功能

1)為海洋石油移動(dòng)式鉆井平臺(tái)和浮式裝置的錨、錨泊系纜系統(tǒng)包括鋼纜、錨鏈或合成化纖纜提供起拋錨、移位、就位等作業(yè)服務(wù)。

2)具有足夠大的液體貨艙、散料和甲板貨物的裝載運(yùn)輸供應(yīng)能力，為海上鉆井平臺(tái)供應(yīng)鉆井物資、鉆井鋼管、散裝水泥、鉆井泥漿、鉆井水、鹽水、基礎(chǔ)油、輕柴油、淡水等。

3)作為鉆井、采油、修井作業(yè)等各類平臺(tái)或海上其它大型漂浮物遠(yuǎn)距離拖航的主拖船，執(zhí)行海上遠(yuǎn)距離拖帶作業(yè)任務(wù)。

4)執(zhí)行鉆井、采油、修井作業(yè)等各類平臺(tái)或其它海上結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)周期安全守護(hù)值班、搶險(xiǎn)救助和后勤保障等任務(wù)。

5)具備對(duì)外消防滅火作業(yè)能力。

6)為海洋石油工程水下作業(yè)提供多種支持、輔助作業(yè)和后勤保障。

7)配備溢油回收儲(chǔ)存，消除油污等作業(yè)功能，具有井位防污染控制能力。

1.2 特點(diǎn)分析

1)由于海洋工程體現(xiàn)時(shí)效性以及一些作業(yè)(例如拖航作業(yè)、靠平臺(tái)作業(yè)、緊急物資運(yùn)輸、海上救生救助等)對(duì)船舶穩(wěn)定性、航速及拋錨定位或動(dòng)力定位的性能要求更高。

2)三用工作船承擔(dān)著海上油氣勘探開發(fā)各個(gè)階段的工程物資運(yùn)輸、拖航、起拋錨作業(yè)等工作任務(wù)，故該類船舶在設(shè)備配置上必然需要將更多的專業(yè)大型設(shè)備和設(shè)施設(shè)計(jì)、安裝在船上，所以這類船舶在設(shè)計(jì)上處理好空間的合理利用與設(shè)備的合理布置難度很高，尤其是在三用工作船的設(shè)計(jì)和建造上。

3)三用工作船由于主要工作是海洋工程作業(yè)，作業(yè)時(shí)正車、倒車、靠泊等為主要工況，船舶主機(jī)及變速箱的動(dòng)力輸出與其它固定航線的客/貨運(yùn)船舶的長(zhǎng)時(shí)間、單向衡功率輸出運(yùn)轉(zhuǎn)有很大不同，這對(duì)海洋工程船舶的可操作性以及動(dòng)力總成在動(dòng)力輸出劇烈變化工況下的工作穩(wěn)定性、可靠性以及動(dòng)力響應(yīng)特性提出更高的要求。

2 LNG系統(tǒng)應(yīng)用難點(diǎn)

2.1 采用LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的難點(diǎn)

目前LNG發(fā)動(dòng)機(jī)主要有兩種方式：①雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，例如瓦錫蘭和MAN公司的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；②火花點(diǎn)火式且僅以LNG為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，例如勞斯萊斯和三菱重工均有此類產(chǎn)品。這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別在于前者需要副氣缸壓燃用于點(diǎn)火的柴油來(lái)點(diǎn)燃噴入氣缸的LNG，且這種發(fā)動(dòng)機(jī)可以進(jìn)行主燃料在柴油和LNG間切換；而后者采用類似汽油機(jī)的火花塞形式，靠高壓電弧引燃噴入氣缸內(nèi)的氣化LNG。

對(duì)于新建三用工作船，使用LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)備方面困難相對(duì)較少，主要考慮所采用的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出是否滿足船舶整體性能的要求，據(jù)此選擇適合的機(jī)型即可。而對(duì)于改造船舶，一方面需考慮改造柴油機(jī)系統(tǒng)所更換和新增的部件，同時(shí)更需要考慮改造后的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率等性能參數(shù)的改變，若雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出性能與原柴油機(jī)動(dòng)力輸出性能偏差過大，必將影響船舶的整體性能。

部分柴油機(jī)廠家對(duì)于現(xiàn)有機(jī)型進(jìn)行雙燃料改造的回復(fù)意見見表1。

表1 部分柴油機(jī)廠家對(duì)于現(xiàn)有機(jī)型進(jìn)行雙燃料改造的回復(fù)意見

通過與部分世界知名船用柴油機(jī)廠家的溝通，發(fā)現(xiàn)對(duì)于現(xiàn)有柴油機(jī)進(jìn)行改造，由于一些技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性方面的原因，將其轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)NG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的困難較大。例如錫蘭DF系列發(fā)動(dòng)機(jī)，從常規(guī)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)改裝為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)需要更換雙聯(lián)噴油嘴、缸頭、活塞/環(huán)、缸套/承磨環(huán)、連桿上端、增壓器、定時(shí)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等主要部件。同時(shí)，燃料供給系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)需要增加排氣監(jiān)控系統(tǒng)、進(jìn)氣門、引燃油系統(tǒng)(濾器、泵、相關(guān)管線)等部件。

2.2 系統(tǒng)布置的難點(diǎn)

隨著雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的推廣應(yīng)用,LNG可作為船舶燃料來(lái)使用。但船舶LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)和儲(chǔ)存裝置同樣是LNG用作船舶燃料的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。LNG儲(chǔ)存罐體積小,技術(shù)難度大, 天然氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)復(fù)雜,這給船舶的設(shè)計(jì)和建造帶來(lái)了很大的難度[2]。LNG的能量密度僅為重油的一半左右，LNG在船舶上的存儲(chǔ)液艙與傳統(tǒng)的柴油液艙相比需要更大的容積，且由于LNG儲(chǔ)罐的布置還需要一系列的輔助設(shè)備設(shè)施，沒有燃油艙的布置方式靈活。

LNG系統(tǒng)應(yīng)用在海洋工作船上，不僅需要主機(jī)適應(yīng)LNG燃燒的工況，從船舶總體來(lái)看，LNG的過駁、存儲(chǔ)、輸送、安全監(jiān)控以及所有這些設(shè)備的布置安裝以及由此帶來(lái)的船體結(jié)構(gòu)、設(shè)備布置、危險(xiǎn)區(qū)域劃分、安全操作及預(yù)案等一系列因素都必須加以考慮。LNG燃料供給系統(tǒng)示意見圖1。

圖1 LNG燃料供給系統(tǒng)示意

由圖1可見，采用LNG作為燃料，需要在船舶上布置LNG儲(chǔ)罐、低溫艙、氣化裝置、冷卻裝置、加注裝置等一系列設(shè)備設(shè)施，用來(lái)駁運(yùn)、存儲(chǔ)、氣化和傳輸LNG至主機(jī)；而傳統(tǒng)的柴油機(jī)僅需要將燃油從油柜輸送到主機(jī)即可。對(duì)于船舶由柴油動(dòng)力改造為L(zhǎng)NG動(dòng)力，需要考慮以下問題。

1)增加LNG儲(chǔ)罐。對(duì)于新建船舶可在甲板下設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐；而對(duì)于改造船舶，一般是安裝在船舶的艏部或者艉部甲板。在儲(chǔ)罐和主甲板上的艙室之間應(yīng)設(shè)有隔離空間，從而使儲(chǔ)罐與艙室和機(jī)艙隔開，以確保船舶運(yùn)營(yíng)安全和船員生命安全。這一要求對(duì)于甲板面積足夠大的貨船而言是易于實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于三用工作船，甲板面積的占用和甲板裝載量的降低意味著船舶的整體性能大幅降低。

2)增加可燃?xì)怏w探測(cè)裝置。

3)增加一套LNG供氣系統(tǒng)和柴油-LNG雙燃料電控噴射系統(tǒng)，并通過電子轉(zhuǎn)換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)單純柴油燃料狀態(tài)下和油氣雙燃料狀態(tài)下兩種模式運(yùn)行。

4)儲(chǔ)罐的所有控制點(diǎn)都有傳感器，能自動(dòng)或手動(dòng)切斷氣源。

5)增加專用的氣泵艙和壓縮機(jī)室。

6)增加高要求的氣體燃料管系。

7)電氣系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)更為復(fù)雜。

8)防火分隔和危險(xiǎn)區(qū)域劃分以及氣體監(jiān)控和消防系統(tǒng)的增強(qiáng)。

9)改造后的船舶由于新增了一系列的設(shè)備設(shè)施以及改造工程、其重量、重心、裝載量等一系列參數(shù)會(huì)隨之改變，故船舶的參數(shù)和性能需重新試驗(yàn)和修正并得到船級(jí)社的批準(zhǔn)。

2.3 其它難點(diǎn)

1)續(xù)航能力弱。以LNG為燃料的船舶最高續(xù)航能力較低，達(dá)不到遠(yuǎn)洋運(yùn)輸要求。究其原因，船舶燃油艙體積雖大，但可以在船上見縫插針隨機(jī)安放；而LNG儲(chǔ)存罐系統(tǒng)復(fù)雜，布局難。這給船舶設(shè)計(jì)和建造帶來(lái)了很大的難度。

2)瓦錫蘭公司設(shè)計(jì)的LNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)按照設(shè)計(jì)規(guī)定每2 000 h就要停機(jī)一次進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，這一周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)的保養(yǎng)周期，這給船舶設(shè)計(jì)上動(dòng)力機(jī)組配置的冗余性提出了更高的要求，即設(shè)計(jì)上必須考慮雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)維護(hù)時(shí)的正常工況保證措施。

3)港口LNG補(bǔ)給設(shè)施不配套。盡管LNG補(bǔ)給并不困難，但是港口方面目前尚未建立起完備且實(shí)用的配套體系。

4)初始成本較高。LNG船舶所載貨物為常壓下攝氏零下163 ℃的液化天然氣，貨物圍護(hù)系統(tǒng)均為耐超低溫的材料和設(shè)備，昂貴的貨艙材料、高性能的機(jī)電設(shè)備、高程度的自動(dòng)化系統(tǒng)和世界頂級(jí)船舶的建造標(biāo)準(zhǔn)和要求，致使LNG船建造成本比普通商業(yè)船舶大得多。

3 應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)

1)由于三用工作船對(duì)于續(xù)航能力、抗風(fēng)暴能力、甲板面積及裝載特性要求很高且船上安裝有大型拖纜機(jī)等海洋工程大型設(shè)備，所以雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)極其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、布置安裝、以及性能距離實(shí)船使用還有較多的困難。

2)應(yīng)用LNG/柴油雙燃料系統(tǒng)將能在一定程度上滿足續(xù)航能力等方面的要求，在LNG不能及時(shí)補(bǔ)給時(shí)可切換至柴油燃料模式，采用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是設(shè)計(jì)建造該類船舶的較好選擇。

3)對(duì)于現(xiàn)有的三用工作船，由于改造該類船舶需要面臨發(fā)動(dòng)機(jī)極其輔助系統(tǒng)、LNG存儲(chǔ)、船舶裝載量降低、新增危險(xiǎn)區(qū)域等一系列問題，部分柴油機(jī)廠家認(rèn)為對(duì)于相對(duì)較老的機(jī)型沒有進(jìn)一步必要。

4)雖然DNV船級(jí)社和德國(guó)勞氏船級(jí)社等頒布了相應(yīng)的指南，但相應(yīng)的國(guó)際和國(guó)內(nèi)規(guī)范依舊不健全，應(yīng)盡快頒布適合我國(guó)自身?xiàng)l件的LNG設(shè)計(jì)規(guī)范及制定施工標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)LNG應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、施工安裝和運(yùn)行管理。

5)雖然三大石油公司均已開展沿海地區(qū)LNG項(xiàng)目的前期研究工作，積極推進(jìn)LNG大型接收站和補(bǔ)給站的建設(shè)，但目前這些設(shè)施尚不健全，在國(guó)內(nèi)使用LNG作為燃料依然補(bǔ)給困難。

6)雖然采用LNG或LNG/柴油雙動(dòng)力機(jī)組的船舶在設(shè)備維護(hù)費(fèi)用上將比傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)組更高，但考慮到國(guó)內(nèi)LNG價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，綜合運(yùn)營(yíng)成本可能更低。

[1] 張振新，葉初華，何長(zhǎng)中.液化氣船船型結(jié)構(gòu)、設(shè)備與安全運(yùn)輸[M].北京：人民交通出版社，1994.

[2] 李永鵬.LNG燃料船舶的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[J].青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(4)：30-32.