唐 浩

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

隨著石油資源的日益枯竭，世界各國(guó)對(duì)廢氣排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，液化天然氣（Liquefied Natural Gas,LNG）作為一種高熱值無(wú)污染的清潔能源越來(lái)越受到青睞，以LNG為代表的新能源在環(huán)保方面具有的獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)以及產(chǎn)生的環(huán)保效益已越來(lái)越顯著，其在船舶交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣越來(lái)越廣泛[1]。

使用 LNG作為船舶燃料所產(chǎn)生的減排效果和環(huán)境效益非常顯著，能有效地減少溫室氣體排放，降低船舶的能效設(shè)計(jì)指數(shù)（Energy Efficiency Design Index, EEDI）。與使用常規(guī)燃油的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的 CO2排放可減少≈20%～25%，硫氧化物和顆粒物的排放可降低≈100%，氮氧化物的排放可減少85%～90%[2]；此外，由于單位質(zhì)量的LNG相比燃油具有更高的熱值，且當(dāng)前LNG的價(jià)格比柴油低，使用LNG作為船舶燃料也可為船東帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，技術(shù)條件成熟的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)主要有二沖程低速機(jī)和四沖程中速機(jī)兩類機(jī)型。二沖程低速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)主要為德國(guó)MAN公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的ME-GI發(fā)動(dòng)機(jī)，其他公司的相關(guān)產(chǎn)品仍在研發(fā)試驗(yàn)中，尚未正式發(fā)布；對(duì)于四沖程中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，MAN和W?rtsil?都有相應(yīng)的成熟產(chǎn)品，即DF發(fā)動(dòng)機(jī)。由于MAN公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的ME-GI機(jī)所需配備的燃?xì)夤┙o系統(tǒng)為高壓系統(tǒng)，其所需燃?xì)夤┙o壓力高達(dá)30MPa，且燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)的初始投入與日常維護(hù)成本均較高，該機(jī)型的發(fā)布時(shí)間不長(zhǎng)，其配套的相關(guān)燃?xì)馓幚碓O(shè)備也處在研究開(kāi)發(fā)中，雖然有很多公司聲明已具備提供高壓燃?xì)馓幚碓O(shè)備的能力，但其可靠性尚未得到市場(chǎng)的驗(yàn)證，目前該機(jī)型尚未得到廣泛應(yīng)用；而對(duì)于四沖程中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)（下文簡(jiǎn)稱DF發(fā)動(dòng)機(jī)），在20世紀(jì)90年代就已得到廣泛應(yīng)用，其所需的燃?xì)夤┙o系統(tǒng)為低壓系統(tǒng)，燃?xì)夤┙o壓力≈0.5MPa。

對(duì)于DF發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其燃料供給系統(tǒng)除需設(shè)置常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的燃油供給系統(tǒng)外，還需增加一套LNG燃?xì)夤┙o系統(tǒng)以及一套用于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火的點(diǎn)火油供給系統(tǒng)[3～5]，即DF發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供給系統(tǒng)由主燃油供給系統(tǒng)、點(diǎn)火油供給系統(tǒng)以及LNG燃?xì)夤┙o系統(tǒng)這3套系統(tǒng)構(gòu)成。對(duì)于DF發(fā)動(dòng)機(jī)的主燃油供給系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油供給系統(tǒng)相同，無(wú)特殊要求；對(duì)于點(diǎn)火油供給系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)和相關(guān)設(shè)備的設(shè)置與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)柴油供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類似，且點(diǎn)火油必須采用柴油或輕柴油，該系統(tǒng)中的主要設(shè)備一般均由發(fā)動(dòng)機(jī)制造商提供。

1 燃?xì)夤┙o系統(tǒng)

燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的主要目的是向DF發(fā)動(dòng)機(jī)提供滿足其使用需求的燃?xì)?，在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，需按照DF發(fā)動(dòng)機(jī)的具體用氣要求來(lái)選擇合適的設(shè)備，使系統(tǒng)能夠產(chǎn)生具有合適溫度和壓力的燃?xì)夤〥F發(fā)動(dòng)機(jī)使用。

根據(jù)MAN與W?rtsil?提供的有關(guān)資料，MAN的 DF發(fā)動(dòng)機(jī)要求其燃?xì)忾y組單元（GVU）進(jìn)口處的燃?xì)鈮毫Σ坏陀?.5MPa，溫度在5～50℃范圍內(nèi)[3]；而 W?rtsil?的 DF發(fā)動(dòng)機(jī)則要求LNG燃?xì)鈮毫υ谶M(jìn)機(jī)時(shí)不低于0.55MPa，溫度在0～60℃范圍內(nèi)[5]。上述數(shù)據(jù)均是以燃?xì)獾牡蜔嶂担↙HV）28MJ/Nm3為基礎(chǔ)而確定的，且 LNG的甲烷含量≥80%。若實(shí)際使用的 LNG低熱值高于28MJ/Nm3，則 DF發(fā)動(dòng)機(jī)所需的燃?xì)夤┙o壓力可有一定程度的減小。如圖1所示，該圖反映的是MAN的DF發(fā)動(dòng)機(jī)在不同LNG低熱值下以及在不同負(fù)荷狀態(tài)下對(duì)其燃?xì)忾y組單元（GVU）進(jìn)口處的LNG壓力要求[3]。

圖1 不同燃?xì)獾蜔嶂岛筒煌?fù)荷狀態(tài)下DF發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)忾y組單元進(jìn)口所需的燃?xì)夤┙o壓力

對(duì)于常規(guī)船舶而言，其燃?xì)獾墓┙o無(wú)法像LNG運(yùn)輸船那樣可以使用來(lái)自液貨艙的蒸發(fā)氣（Boil-off Gas,BOG），其必須設(shè)置專用的LNG儲(chǔ)存艙以及相關(guān)燃?xì)馓幚碓O(shè)備，且由于LNG的使用，DF發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)夤┙o系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮相關(guān)規(guī)范中對(duì)船舶安全使用LNG的相關(guān)要求，以確保DF發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行。一套完整的LNG供給系統(tǒng)通常需要由燃?xì)鈨?chǔ)存艙、燃?xì)饧幼⑾到y(tǒng)、燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)、LNG調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及安全防護(hù)系統(tǒng)等主要部分構(gòu)成。

2 燃?xì)鈨?chǔ)存艙

目前采用最普遍且被認(rèn)為是對(duì)于常規(guī)船舶最為合適的儲(chǔ)存艙形式為C型壓力罐，且LNG通常以液態(tài)的形式儲(chǔ)存在罐內(nèi)。由于在常壓下LNG呈液態(tài)時(shí)的溫度≈-163℃，為滿足在低溫狀態(tài)下儲(chǔ)存LNG，C型壓力罐的材料通常需采用9%鎳鋼或不銹鋼；考慮到DF發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)所需的燃?xì)夤┙o壓力以及壓力罐的制造成本，C型壓力罐的設(shè)計(jì)壓力一般略高于發(fā)動(dòng)機(jī)所需的最大燃?xì)夤┙o壓力，通常取0.8MPa。

為阻礙外界熱量的過(guò)量傳入而造成罐內(nèi) LNG液體的不斷蒸發(fā)、防止空氣中的水分在罐體表面凍結(jié)以及避免罐體表面內(nèi)外溫差過(guò)大而造成的罐體表面熱應(yīng)力過(guò)高等一系列問(wèn)題，C型壓力罐表面通常需要包一層300～400mm的絕緣材料。在此絕緣厚度下，LNG的蒸發(fā)率可控制在≈（0.35%～0.45%）/d；當(dāng)所需的LNG罐體積較小時(shí)，也可采用雙層罐體的設(shè)計(jì)來(lái)取代罐體表面的絕緣層，該種儲(chǔ)存罐的設(shè)計(jì)由內(nèi)外兩層罐體構(gòu)成，內(nèi)層罐體為采用耐低溫材料制成的承壓容器，類似于上述C型壓力罐，外層罐體為采用普通碳鋼制成的殼體，內(nèi)外罐體之間被抽成真空，形成真空絕緣層，從而阻止外部熱量傳入罐內(nèi)。由于真空層的傳熱系數(shù)相比一般絕緣材料要小的多，采用雙層罐的設(shè)計(jì)從絕緣效果上要好于上述在罐體表面包絕緣的單層C型壓力罐，但在相同容量下該種型式的燃料儲(chǔ)存艙在重量上以及制造成本上均要高于單層C型壓力罐。因此，選取何種形式的LNG儲(chǔ)存艙，要從船舶整體的重量控制、成本控制等諸多方面權(quán)衡考慮。

關(guān)于 LNG儲(chǔ)存艙在船上的安裝位置，需結(jié)合具體船型的布置特點(diǎn)、對(duì)船舶穩(wěn)性的影響、防火分隔、危險(xiǎn)區(qū)域劃分及LNG管路敷設(shè)的便利性等因素進(jìn)行綜合考慮，同時(shí)還需滿足IGC Code（國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)范）以及IGF Code（天然氣動(dòng)力船舶安全導(dǎo)則）中對(duì)燃料罐與舷側(cè)以及船底外板之間的距離要求。通常，將LNG儲(chǔ)存罐布置在開(kāi)敞甲板以上，可省去相對(duì)其布置在封閉處所內(nèi)所需設(shè)置的氣體探測(cè)、通風(fēng)等系統(tǒng)等布置，是相對(duì)經(jīng)濟(jì)的做法。

3 LNG加注系統(tǒng)

與常規(guī)液化氣運(yùn)輸船的貨物加注系統(tǒng)類似，LNG加注系統(tǒng)主要由LNG加注站、LNG液體注入總管以及LNG蒸氣回收總管組成，且液體注入總管通常又分成底部注入管和頂部噴淋管分別進(jìn)入燃料儲(chǔ)存艙（見(jiàn)圖2）。

圖2 LNG加注系統(tǒng)原理

在進(jìn)行LNG加注時(shí)，LNG液體主要通過(guò)加注站由底部注入管進(jìn)入燃料儲(chǔ)存艙內(nèi)。在加注過(guò)程中，由于受到罐體的加熱作用，進(jìn)入艙內(nèi)的部分LNG液體會(huì)發(fā)生氣化，在艙內(nèi)產(chǎn)生LNG蒸氣，為保證一定的燃料加注速度以及避免燃料儲(chǔ)存艙的超壓，艙內(nèi)產(chǎn)生的LNG蒸氣將通過(guò)蒸氣回收總管排回至岸上燃料加注終端。

為防止在燃料加注過(guò)程中因LNG液體與燃料儲(chǔ)存艙本體的溫差過(guò)大而造成儲(chǔ)存艙本體內(nèi)形成過(guò)大的熱應(yīng)力，在設(shè)計(jì)LNG加注系統(tǒng)時(shí)，通常需在儲(chǔ)存艙內(nèi)設(shè)置頂部噴淋管。在燃料加注前，要預(yù)先通過(guò)該頂部噴淋管將 LNG液體噴入艙內(nèi)，對(duì)儲(chǔ)存艙本體進(jìn)行預(yù)冷卻，且預(yù)冷的速度不宜過(guò)快，通?！?0℃/h；當(dāng)儲(chǔ)存艙本體溫度降低到高于待注入LNG液體≈10～15℃時(shí)，才可打開(kāi)底部注入管的閥門進(jìn)行LNG燃料的注入。

對(duì)于常規(guī)船舶而言，其船體結(jié)構(gòu)通常采用的是非耐低溫材料，如這些材料與 LNG液體發(fā)生直接接觸會(huì)發(fā)生低溫脆化從而造成船體結(jié)構(gòu)的損壞。為避免LNG液體泄漏到船體結(jié)構(gòu)，在LNG加注站法蘭連接處的底部需設(shè)置由耐低溫不銹鋼材料制成的集液盤，該集液盤上需設(shè)有可將 LNG泄漏液體直接排至舷外的管路；在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步保護(hù)船體結(jié)構(gòu)，在 LNG燃料加注站的底部還需設(shè)置一根海水噴淋管，該噴淋管可與消防總管或?qū)ｉT設(shè)置的噴淋海水總管相連，在其管壁上沿長(zhǎng)度方向開(kāi)有均勻分布的噴淋孔，噴淋管的長(zhǎng)度以能夠最大限度保護(hù)可能會(huì)被泄漏的LNG液體直接接觸的船體區(qū)域?yàn)橐?。?dāng)進(jìn)行LNG液體加注時(shí)，該噴淋管可由消防總管或噴淋海水總管提供海水，沿長(zhǎng)度方向從噴淋孔中噴出海水，在加注站底部形成一道水幕，從而阻礙因LNG液體意外泄漏并與船體結(jié)構(gòu)直接接觸。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范以及操作需求，在燃料注入總管和蒸氣回收總管上需設(shè)置以下設(shè)施（見(jiàn)圖2）：

1) 在靠近加注站連接法蘭處以及進(jìn)入燃料儲(chǔ)存艙之前的管段上均需設(shè)置應(yīng)急切斷閥，該閥在應(yīng)急情況下可在LNG加注控制處所或其它安全區(qū)域進(jìn)行遙控關(guān)閉[6]；

2) 惰性氣體接口，用于管路的惰化和驅(qū)氣，以及LNG加注結(jié)束后對(duì)液體注入管路的掃線；

3) 壓力表和壓力傳感器，用于就地壓力指示以及遠(yuǎn)程壓力監(jiān)控；

4) 壓力釋放閥，用于管路的超壓釋放[6]；

5) LNG燃料注入管路上需設(shè)置泄放接口，用于燃料加注結(jié)束后對(duì)加液管路內(nèi)殘余液體的泄放。

此外，為便于在LNG燃料加注過(guò)程中以及系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)對(duì)燃料儲(chǔ)存艙以及艙內(nèi)LNG的相關(guān)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，對(duì)LNG儲(chǔ)存艙需設(shè)置以下設(shè)施（見(jiàn)圖2）：

1) 兩只排量大致相同的壓力釋放閥，用于儲(chǔ)存艙的超壓釋放[6,7]；

2) 可對(duì)儲(chǔ)存艙內(nèi)上、中、下三個(gè)位置處的LNG進(jìn)行取樣檢測(cè)的接口；

3) 壓力、溫度、液位、溢流報(bào)警等相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)施；

4) 感溫元件，用于監(jiān)測(cè)儲(chǔ)存艙罐體表面絕緣層的保溫性能。

4 燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)

燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)的主要任務(wù)是將LNG儲(chǔ)存罐內(nèi)的液體燃料轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂泻线m溫度和壓力的燃?xì)夤〥F發(fā)動(dòng)機(jī)使用。在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，核心問(wèn)題是采用合適的方法將 LNG液體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢▔毫蜏囟鹊臍怏w。目前，對(duì)于DF發(fā)動(dòng)機(jī)，比較成熟的燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)主要有兩種設(shè)計(jì)方案（見(jiàn)圖3、4）。

圖3所示為僅采用蒸發(fā)器的無(wú)泵型方案，LNG液體主要通過(guò)升壓蒸發(fā)器和主蒸發(fā)器轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w。該方案的主要工作原理如下：當(dāng) LNG液體加注完成后，升壓蒸發(fā)器進(jìn)出口處的自動(dòng)控制閥打開(kāi)，儲(chǔ)存艙內(nèi)的LNG液體在重力的作用下由底部管路流向升壓蒸發(fā)器，經(jīng)加熱介質(zhì)加熱后形成氣體并返回儲(chǔ)存艙內(nèi)；由于燃?xì)庠趦?chǔ)存艙頂部的不斷聚集，儲(chǔ)存艙內(nèi)部壓力將不斷升高，通常需將該壓力升高到略高于DF發(fā)動(dòng)機(jī)所需的燃?xì)鈮毫Γā?.6MPa）；當(dāng)儲(chǔ)存艙內(nèi)的壓力升高到預(yù)定值后，升壓蒸發(fā)器進(jìn)出口處的自動(dòng)控制閥將關(guān)閉；當(dāng)DF發(fā)動(dòng)機(jī)需要使用燃?xì)鈺r(shí)，主蒸發(fā)器進(jìn)口處的自動(dòng)控制閥將打開(kāi)，LNG液體在重力和艙內(nèi)壓力的作用下由儲(chǔ)存艙底部流向主蒸發(fā)器，經(jīng)加熱介質(zhì)加熱后形成具備預(yù)定壓力和溫度的燃?xì)?，?jīng)緩沖罐穩(wěn)壓后通過(guò)燃?xì)庵鏖y供向DF發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)忾y組單元（GVU）。隨著儲(chǔ)存艙內(nèi)LNG液體的不斷消耗，艙內(nèi)蒸氣壓力將隨之下降，當(dāng)艙內(nèi)壓力降低到一定值時(shí)，升壓蒸氣器將會(huì)再次投入運(yùn)行，用于補(bǔ)償艙內(nèi)壓力的降低，確保供氣壓力的穩(wěn)定；當(dāng)艙內(nèi)壓力回升到預(yù)定值后，升壓蒸發(fā)器停止工作，升壓蒸發(fā)器的自動(dòng)運(yùn)行和停止是通過(guò)設(shè)置在儲(chǔ)存艙內(nèi)的壓力傳感器以及其進(jìn)出口處的自動(dòng)控制閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖3 僅采用蒸發(fā)器的無(wú)泵型LNG燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)

圖4 有泵型LNG燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)

圖4為采用燃料供給泵、燃?xì)庹舭l(fā)器以及燃?xì)饧訜崞飨嘟M合的有泵型方案。該方案與上述無(wú)泵型方案的主要區(qū)別為：無(wú)泵型方案需要通過(guò)升壓蒸發(fā)器在燃料儲(chǔ)存艙內(nèi)建立一定的蒸氣壓力來(lái)確保燃?xì)夤┙o壓力的穩(wěn)定，而有泵型方案則是通過(guò)燃料供給泵對(duì) LNG液體直接進(jìn)行加壓來(lái)達(dá)到該目的，即有泵型方案對(duì)艙內(nèi)蒸氣壓力無(wú)要求。該方案的主要工作原理如下：當(dāng)DF發(fā)動(dòng)機(jī)需要使用燃?xì)鈺r(shí)，燃料供給泵將開(kāi)啟運(yùn)行，燃料儲(chǔ)存艙內(nèi)的LNG液體由底部管路經(jīng)燃料供給泵抽吸加壓到預(yù)定壓力，升壓后的LNG液體先進(jìn)入燃?xì)庹舭l(fā)器經(jīng)加熱介質(zhì)加熱蒸發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)檎魵?，該蒸氣在燃?xì)饧訜崞髦斜贿M(jìn)一步加熱到滿足DF發(fā)動(dòng)機(jī)使用需求的溫度，該達(dá)到預(yù)定壓力和溫度的燃?xì)饨?jīng)緩沖罐穩(wěn)壓后通過(guò)燃?xì)庵鏖y供向 DF發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)忾y組單元（GVU）。為避免因液體燃料的不斷消耗而造成燃料艙內(nèi)形成負(fù)壓，在燃?xì)庹舭l(fā)器出口設(shè)有連接至儲(chǔ)存艙頂部的蒸氣管，可在艙內(nèi)壓力過(guò)低時(shí)將燃?xì)庹舭l(fā)器產(chǎn)生的部分 LNG蒸氣回流至儲(chǔ)存艙內(nèi)，使艙內(nèi)維持一定的蒸氣壓力；此外，在燃料供給泵出口設(shè)有連接至燃料加液總管的管路，可通過(guò)該管路將 LNG液體由頂部噴淋管噴入艙內(nèi)，對(duì)儲(chǔ)存艙執(zhí)行冷艙操作。

為防止加熱介質(zhì)在加熱 LNG過(guò)程中發(fā)生凍結(jié)，對(duì)于上述兩種方案中的燃?xì)庹舭l(fā)器和加熱器，通常均采用乙二醇水的混合溶液作為其中間加熱介質(zhì)，而乙二醇水則通過(guò)換熱器由船上通常設(shè)置的蒸汽加熱系統(tǒng)或熱油加熱系統(tǒng)進(jìn)行加熱。

此外，考慮到系統(tǒng)運(yùn)行的安全性以及滿足相關(guān)操作要求，上述系統(tǒng)中的管路上需設(shè)置如下設(shè)施：

1) 惰性氣體與透氣的相關(guān)接口以及相關(guān)自動(dòng)控制閥，用于管路的透氣、驅(qū)氣以及惰化等操作；

2) 防止管路超壓的壓力釋放閥；

3) 溫度傳感器和壓力傳感器，用于監(jiān)測(cè)管路中LNG液體和氣體的壓力和溫度，為DF發(fā)動(dòng)機(jī)的安全控制系統(tǒng)提供必要的燃?xì)鈪?shù)。

5 燃?xì)庹{(diào)節(jié)系統(tǒng)

根據(jù)圖1所示，DF發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷下對(duì)燃?xì)膺M(jìn)機(jī)壓力有著不同的要求，其所要求的燃?xì)膺M(jìn)機(jī)壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷成線性關(guān)系。為能夠?qū)?lái)自 LNG處理系統(tǒng)的燃?xì)鈱?shí)時(shí)調(diào)節(jié)到發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際所需的燃?xì)鈮毫?，在燃?xì)膺M(jìn)DF發(fā)動(dòng)機(jī)之前需設(shè)置燃?xì)庹{(diào)節(jié)系統(tǒng)。由于燃?xì)庹{(diào)節(jié)系統(tǒng)與DF發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较碌倪\(yùn)行控制密切相關(guān)，該系統(tǒng)一般均由DF發(fā)動(dòng)機(jī)制造商配套提供，且通常被稱作燃?xì)忾y組單元（GVU）。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范中對(duì)燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的有關(guān)要求，為實(shí)現(xiàn)DF發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)馐褂眠^(guò)程中的安全操作，除設(shè)有燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)設(shè)施外，在燃?xì)庹{(diào)節(jié)系統(tǒng)中通常還需設(shè)有“互鎖和透氣”閥組單元（“Double block and bleed”valve）、惰性氣體接口以及相關(guān)控制儀表。

圖5為MAN為其DF發(fā)動(dòng)機(jī)所配套的GVU單元的原理，該GVU單元主要由手動(dòng)截止閥V-01、燃?xì)鉃V器FIL-01、燃?xì)饬髁坑?jì)FQ-01、自動(dòng)透氣閥SOV1、壓力控制單元PCV-01、“互鎖和透氣”閥組單元（由快速切斷閥QSV-01、QSV-02和自動(dòng)透氣閥SOV2、SOV3、SOV4構(gòu)成）、惰性氣體及壓縮空氣接口以及相關(guān)溫度、壓力控制儀表組成。

圖5 GVU單元系統(tǒng)原理

手動(dòng)截止閥V-01主要用于手動(dòng)切斷GVU單元的燃?xì)夤┙o以及當(dāng)GVU單元需要檢修時(shí)與上游管路的隔離；惰性氣體接口“F”的主要作用是當(dāng)GVU單元需要進(jìn)行檢修時(shí)向系統(tǒng)燃?xì)夤苈诽峁?qū)氣和惰化用的惰性氣體；燃?xì)鉃V器FIL-01主要用于對(duì)來(lái)自上游管路的燃?xì)膺M(jìn)行過(guò)濾，防止燃?xì)庵械碾s質(zhì)影響下游管路中安全控制設(shè)備的正常工作，且燃?xì)鉃V器進(jìn)出口的燃?xì)鈮毫涤蓧翰畋磉M(jìn)行監(jiān)測(cè)；燃?xì)饬髁坑?jì)FQ-01用于對(duì)DF發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)庀牧窟M(jìn)行測(cè)量；自動(dòng)透氣閥SOV1用于GVU單元停止工作后將壓力控制單元上游燃?xì)夤苈穬?nèi)的有壓燃?xì)忉尫胖链髿庖约霸谙到y(tǒng)執(zhí)行驅(qū)氣或惰化操作時(shí)將該段管路內(nèi)的氣體釋放至大氣；壓力控制單元PCV-01的主要作用是根據(jù)DF發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)來(lái)的壓力控制信號(hào)對(duì)供給DF發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鈮毫M(jìn)行調(diào)節(jié)，確保燃?xì)鈮毫υ贒F發(fā)動(dòng)機(jī)各負(fù)荷下均高于增壓空氣壓力某一設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)燃?xì)鈮毫Φ膶?shí)時(shí)調(diào)節(jié)和準(zhǔn)確控制，并在下游管路內(nèi)的燃?xì)鈮毫ο鄬?duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)所需的壓力值過(guò)高時(shí)切斷燃?xì)夤┙o，實(shí)現(xiàn)DF發(fā)動(dòng)機(jī)的安全保護(hù)；“互鎖和透氣”閥組單元的主要作用是：當(dāng)DF發(fā)動(dòng)機(jī)由燃?xì)饽Ｊ角袚Q到燃油模式或在燃?xì)饽Ｊ较聭?yīng)急停車時(shí)，快速切斷發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)夤┙o，將封閉在快速切斷閥與DF發(fā)動(dòng)機(jī)之間燃?xì)夤苈穬?nèi)的有壓燃?xì)忉尫诺酱髿庵?，并用惰性氣體對(duì)燃?xì)夤┙o管路進(jìn)行吹掃，實(shí)現(xiàn)對(duì)DF發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)夤┙o的安全控制。

此外，為實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)鉅顟B(tài)的監(jiān)測(cè)與控制，GVU單元內(nèi)還設(shè)有燃?xì)鉁囟群蛪毫Φ木偷刂甘疽约跋嚓P(guān)傳感器，傳感器的輸出信號(hào)將輸送至DF發(fā)動(dòng)機(jī)的安全控制系統(tǒng)，為DF發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较碌陌踩\(yùn)行提供必要的輔助信息。

為確保燃?xì)夤┙o系統(tǒng)能夠?qū)F發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)膺\(yùn)行模式下的負(fù)荷變化做出快速響應(yīng)，GVU單元出口至DF發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)膺M(jìn)口之間的燃?xì)夤┙o管路應(yīng)盡可能地短，且該段管路在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡量做到壓力損失的最小化。MAN DF發(fā)動(dòng)機(jī)要求該段管路長(zhǎng)度≤20m，而W?rtsil? DF發(fā)動(dòng)機(jī)的要求則更高，須≤10m。鑒于上述要求，在設(shè)計(jì)DF發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)夤┙o系統(tǒng)時(shí)，需將GVU單元盡可能地靠近DF發(fā)動(dòng)機(jī)布置。

6 安全防護(hù)措施

為降低船舶建造的初期投入成本，對(duì)于采用DF發(fā)動(dòng)機(jī)的船舶而言，其機(jī)艙通常設(shè)計(jì)成氣體安全型機(jī)艙，即機(jī)艙內(nèi)的輔助設(shè)備與采用常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的船一樣，無(wú)防爆要求。由于 LNG在機(jī)艙內(nèi)的使用，在進(jìn)行燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)封閉處所內(nèi)的相關(guān)燃?xì)馓幚碓O(shè)備以及燃?xì)夤苈凡扇∵m當(dāng)?shù)陌踩Ｗo(hù)措施，以確保機(jī)艙具有足夠的氣體安全性。

根據(jù)氣體安全型機(jī)艙的設(shè)計(jì)要求，GVU單元通常不能直接布置于機(jī)艙內(nèi)，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧⑵渑c機(jī)艙隔離開(kāi)。對(duì)于MAN DF發(fā)動(dòng)機(jī)所配套的GVU單元，由于單元內(nèi)的燃?xì)夤苈肪鶠閱伪诠茉O(shè)計(jì)，且閥門附件也未采用相關(guān)措施進(jìn)行封閉，其要求在機(jī)艙以外設(shè)置獨(dú)立房間用于GVU單元的布置，且該房間被作為危險(xiǎn)區(qū)域處理，房間內(nèi)的相關(guān)電氣設(shè)備需按危險(xiǎn)區(qū)域1（Zone 1）的相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)置[8]；而對(duì)于W?rtsil? DF發(fā)動(dòng)機(jī)所配套的GVU單元，其采用氣密外殼將整個(gè)閥組單元封閉起來(lái)，GVU單元的所有電氣設(shè)備均設(shè)置在氣密外殼以外，且相關(guān)手動(dòng)操作閥門的閥桿也延伸至氣密外殼以外。采用該種型式的設(shè)計(jì)，在正常操作過(guò)程中可保持氣密外殼處于密閉狀態(tài)，整個(gè)GVU單元?dú)饷芡鈿ひ酝饪杀徽J(rèn)為是安全區(qū)域，該氣密外殼與上述采用獨(dú)立房間的設(shè)計(jì)類似，可被認(rèn)為是GVU單元與機(jī)艙的有效分隔，因此采用該種設(shè)計(jì)的GVU單元可直接布置在機(jī)艙內(nèi)。無(wú)論采用何種型式的GVU單元，對(duì)GVU單元房間或GVU單元內(nèi)部空間均需設(shè)置有效的通風(fēng)，并設(shè)置可燃?xì)怏w探頭，以防止燃?xì)庖馔庑孤┰谏鲜隹臻g內(nèi)的積聚以及能對(duì)上述空間內(nèi)的可燃?xì)怏w含量進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測(cè)。

同樣，根據(jù)氣體安全型機(jī)艙的設(shè)計(jì)要求，對(duì)布置在機(jī)艙內(nèi)或者封閉處所內(nèi)的燃?xì)夤┙o管路需采用雙壁管或?qū)⑵洳贾迷诔掷m(xù)通風(fēng)的管道內(nèi)。目前，應(yīng)用最為普遍的方案為采用雙壁管，且對(duì)雙壁管的內(nèi)外管間空間設(shè)置有效的通風(fēng)并設(shè)置可燃?xì)怏w探頭。

圖6為MAN 針對(duì)其DF發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)夤┙o系統(tǒng)所建議采取的安全防護(hù)措施布置指導(dǎo)圖。結(jié)合該圖以及相關(guān)規(guī)則規(guī)范中對(duì)氣體安全型機(jī)艙的設(shè)計(jì)要求，在進(jìn)行DF發(fā)動(dòng)機(jī)的LNG供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，需重點(diǎn)考慮以下安全防護(hù)措施：

1) 通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)確保被通風(fēng)空間內(nèi)無(wú)通風(fēng)死角,以避免因意外泄漏的LNG在此類區(qū)域的積聚；

2) 機(jī)艙內(nèi)應(yīng)始終保持一定的正壓，其內(nèi)部氣壓應(yīng)至少高于雙壁管的內(nèi)外管間空間以及GVU房間內(nèi)的氣壓25Pa，其通風(fēng)機(jī)的設(shè)置應(yīng)滿足任何一臺(tái)通風(fēng)機(jī)的失效不應(yīng)造成整個(gè)機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)能力降低超過(guò)50%；

3) 對(duì)雙壁管的內(nèi)外管間空間以及GVU房間應(yīng)設(shè)置獨(dú)立機(jī)械抽風(fēng)，使其始終保持一定的負(fù)壓，機(jī)械抽風(fēng)的總?cè)萘繎?yīng)≥30次/h，且系統(tǒng)中需設(shè)有備用抽風(fēng)機(jī)；

4) 上述通風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口均需設(shè)置壓差開(kāi)關(guān)，任意一臺(tái)通風(fēng)機(jī)進(jìn)出口壓差低時(shí)可在監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)中發(fā)出報(bào)警并控制DF發(fā)動(dòng)機(jī)的安全控制系統(tǒng)做出相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作；

5) 在機(jī)艙與 GVU房間之間、機(jī)艙與雙壁管的內(nèi)外管間空間之間、GVU房間與外界大氣之間需設(shè)置壓差開(kāi)關(guān)，通過(guò)監(jiān)測(cè)各通風(fēng)處所間的空氣壓差來(lái)反映通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，當(dāng)壓差開(kāi)關(guān)檢測(cè)到壓差低時(shí)，可在監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)中發(fā)出對(duì)應(yīng)處所間的壓差低報(bào)警并控制DF發(fā)動(dòng)機(jī)的安全控制系統(tǒng)做出相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作；

6) 雙壁管的內(nèi)外管間空間以及GVU房間通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)口需設(shè)置在氣體安全區(qū)域，其進(jìn)風(fēng)管和排出管上需設(shè)有能夠自動(dòng)關(guān)閉的防火風(fēng)閘，且進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口上需裝有孔徑≤13mm的金屬防火網(wǎng)；

7) 機(jī)艙、雙壁管的內(nèi)外管間空間以及GVU房間內(nèi)需設(shè)置能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)燃?xì)庑孤┑墓潭ㄊ娇扇細(xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)，并根據(jù)相應(yīng)設(shè)定值發(fā)出聲光報(bào)警以及控制DF發(fā)動(dòng)機(jī)的安全控制系統(tǒng)做出相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作。以設(shè)置單臺(tái)DF發(fā)動(dòng)機(jī)的船為例，其機(jī)艙通常至少需要設(shè)置4只氣體探頭，2只布置在DF發(fā)動(dòng)機(jī)上方，2只布置在通風(fēng)排出管道內(nèi)；每段雙壁管的內(nèi)外管間空間內(nèi)需設(shè)置2只氣體探頭；GVU房間內(nèi)頂部需設(shè)置2只氣體探頭；GVU房間排風(fēng)系統(tǒng)的排出管道內(nèi)也需設(shè)置2只氣體探頭；

8) GVU房間抽風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)不應(yīng)安裝在通風(fēng)管道內(nèi)，即該風(fēng)機(jī)需采用離心式風(fēng)機(jī)；

9) GVU房間抽風(fēng)系統(tǒng)的排出口應(yīng)使氣體向上排放至開(kāi)敞區(qū)域并遠(yuǎn)離著火點(diǎn)，且其所處位置與其它安全處所的通風(fēng)進(jìn)風(fēng)口和開(kāi)口的水平距離應(yīng)為6m（IGC Code中要求該距離為10m）。

圖6 燃?xì)夤┙o系統(tǒng)安全防護(hù)設(shè)施布置

7 結(jié) 語(yǔ)

由于傳統(tǒng)燃油價(jià)格的日益高漲以及各國(guó)環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，采用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)作為船舶動(dòng)力已成為當(dāng)今新船型開(kāi)發(fā)過(guò)程中所關(guān)注的焦點(diǎn)。當(dāng)前，采用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)作為船舶動(dòng)力還處于發(fā)展階段，對(duì)雙燃料船舶的設(shè)計(jì)仍處于不斷摸索和完善的階段，對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍有一些問(wèn)題需要做進(jìn)一步的研究和探討，希望能給從事雙燃料動(dòng)力船舶設(shè)計(jì)的相關(guān)人員提供一些借鑒。

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