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(泰州口岸船舶有限公司，江蘇 泰州 225321)

隨著全球?qū)ξ廴疚锱欧乓蟮娜找鎳?yán)格，特別是船舶航行在ECA(emission controlled area)、加勒比海和加利福尼亞區(qū)域，強(qiáng)制要求船舶有更低的NOx和SOx排放。另外，即將施行的IMO TierⅢ排放標(biāo)準(zhǔn)，也無(wú)疑使如何降低船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物排放成為一大研究課題。

目前，降低排放的主要途徑有：使用低硫燃料(MGO)、安裝廢體處理裝置(SCR)、使用LNG燃料。使用價(jià)格昂貴的MGO或者投入安裝SCR裝置都會(huì)增加船舶運(yùn)營(yíng)成本。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)疑是一個(gè)很好的解決方案，極具市場(chǎng)前景和發(fā)展空間。同其它船用燃料相比，LNG燃料最主要的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)環(huán)境影響較小，排放量少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用LNG燃料可以減少10%～20%的CO2排放量，90%的NOx排放量，100%的硫化物和顆粒物排放。

1 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)勢(shì)明顯

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的一種，但又與純氣體發(fā)動(dòng)機(jī)不同，它既可以用LNG作為燃料又可以用柴油(輕質(zhì)燃油和重油)作為燃料，并且可在工作過(guò)程中實(shí)現(xiàn)不同燃料之間的自由轉(zhuǎn)換。由于LNG屬于清潔能源，以其為燃料的船用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放量大大降低，環(huán)保性能好，能夠滿足IMO目前最嚴(yán)格的Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

將雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)作為船舶動(dòng)力裝置有諸多優(yōu)點(diǎn)。

1)由于LNG價(jià)格比燃油價(jià)格低廉，使用LNG作為燃料可以降低船舶營(yíng)運(yùn)成本。

2)不用安裝廢氣處理系統(tǒng)，從而降低船舶購(gòu)置成本和運(yùn)行成本。

3)與純氣體發(fā)動(dòng)機(jī)船舶相比，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)船舶的安全性能高，萬(wàn)一發(fā)生氣體泄漏，仍可使用燃油作為燃料，且不影響船舶的動(dòng)力和航速。

2 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)船舶的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 LNG燃料艙布置

LNG燃料艙一般布置在甲板上方或下方。見(jiàn)圖1。

圖1 LNG燃料艙布置示意

LNG燃料艙如果布置在甲板上方，復(fù)雜性和成本都較低。由于LNG在燃料艙中以輕質(zhì)液體狀態(tài)存在，其密度和粘度特性使得LNG液體容易產(chǎn)生晃動(dòng)。液體LNG晃動(dòng)會(huì)摩擦生熱，進(jìn)而導(dǎo)致溫度升高，即使微小的溫度變化也會(huì)產(chǎn)生比正常蒸發(fā)更多的氣體[1]。所以， LNG燃料艙布置應(yīng)靠近船舶橫搖和縱搖中心的位置處，以減少晃動(dòng)。

如果燃料艙布置在甲板下方，則需要設(shè)隔離區(qū)、防爆裝置、專用通風(fēng)系統(tǒng)以及更多的控制報(bào)警裝置。一般在LNG儲(chǔ)罐位置需要安裝2個(gè)可燃?xì)怏w探測(cè)器，在機(jī)艙內(nèi)部也要安裝可燃?xì)怏w探測(cè)器。在機(jī)艙頂部布置2臺(tái)軸流式防爆風(fēng)機(jī)。一旦發(fā)現(xiàn)氣體泄漏，能自動(dòng)關(guān)閉電動(dòng)截止閥切斷燃?xì)獾墓?yīng)，并啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)。

另外，LNG燃料艙不能布置在貯藏燃油的位置(比如翼艙)。LNG燃料艙所占空間比傳統(tǒng)的柴油燃料儲(chǔ)存艙所占空間大4倍左右，重量也比后者重1.5倍。這樣LNG燃料艙無(wú)論布置在甲板上還是甲板下，都會(huì)損失貨艙的裝載量。對(duì)于船長(zhǎng)方向的位置，還應(yīng)考慮對(duì)船舶貨物裝載的影響。

2.2 儲(chǔ)存罐的選型

為了減少晃動(dòng)，最理想的LNG儲(chǔ)罐外形應(yīng)為球形。后來(lái)演變?yōu)閮啥藶榘雸A形的圓柱體，通常圓柱形儲(chǔ)罐在船上通常為縱向布置，見(jiàn)圖2。

圖2 布置在甲板上的圓柱形儲(chǔ)罐

最近又出現(xiàn)了棱柱形的，也有非常規(guī)的LNG儲(chǔ)罐形狀，總之所有的設(shè)計(jì)都會(huì)受到其他因素的制約，從而對(duì)外形產(chǎn)生影響。從LNG儲(chǔ)存罐的選型來(lái)看，一般都采用如圖3所示的C型罐。這是因?yàn)镃型罐設(shè)計(jì)獨(dú)立、壓力靈活、便于安裝、無(wú)氣體泄漏、無(wú)需維護(hù)費(fèi)用等，但缺點(diǎn)是需要大量空間。

圖3 C型儲(chǔ)氣罐

設(shè)置在甲板下方的每個(gè)LNG儲(chǔ)罐裝置都應(yīng)配有通風(fēng)裝置，通風(fēng)裝置的出口與任何可能著火源至少要保持10 m的距離。通常在儲(chǔ)罐上方或附近設(shè)置有桅桿式通風(fēng)裝置，加注管路設(shè)有過(guò)壓安全閥與該通風(fēng)桅桿連接。

2.3 燃料加注

加氣站位置是隨儲(chǔ)存罐的位置而定，如果位于底部，那么加燃料過(guò)程中的能量損失較少且具有較好的冷卻性(可設(shè)冷卻器)，從而減少氣化。燃料加注位置設(shè)在上部的優(yōu)越性在于燃料補(bǔ)給管不易受到外部的影響而發(fā)生故障。根據(jù)現(xiàn)有的規(guī)范，燃料站不能設(shè)置在1/5船寬內(nèi)。有規(guī)范要求，加氣站與其相鄰的處所之間采用“A-60”級(jí)防火分隔，其周圍規(guī)定的范圍內(nèi)不得有通風(fēng)及艙室開(kāi)口[2]。

LNG貯存在低溫環(huán)境中，且一旦泄漏會(huì)損壞船體結(jié)構(gòu)。為了確保管道是干燥的，在加注前應(yīng)向LNG輸送管道中吹入惰性氣體(如氮?dú)?，以排除管道中空氣和水汽。直到管內(nèi)空氣完全排凈，管內(nèi)全部為L(zhǎng)NG液體時(shí)才可以進(jìn)行加注。

同樣在燃料補(bǔ)給結(jié)束后，必須確保補(bǔ)給管中的LNG已經(jīng)完全進(jìn)入LNG燃料艙或者流回燃料站。因?yàn)? L的液態(tài)LNG可以產(chǎn)生600 L的蒸氣，也就是說(shuō)液態(tài)LNG氣化會(huì)吸收大量熱量。如果有液態(tài)LNG殘留在管道中，會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生冷脆性破壞。

此外，燃料站必須在集管箱下方安裝一個(gè)由耐低溫材料制成的承滴盤(pán)。根據(jù)《氣體燃料動(dòng)力船檢驗(yàn)指南》要求承滴盤(pán)由不銹鋼制成，該盤(pán)裝滿后應(yīng)通過(guò)耐低溫泄放管將溢出的液體排到舷外的水面上。這樣即使發(fā)生燃料泄漏，也可以保證周圍的船體或者甲板結(jié)構(gòu)免遭低溫破壞。

2.4 雙層壁燃?xì)夤苈?/h3>

雙層壁管路可以降低燃?xì)鈾z測(cè)、通風(fēng)等方面對(duì)船舶機(jī)艙設(shè)計(jì)的要求，從而簡(jiǎn)化了機(jī)艙布置。見(jiàn)圖4。

圖4 雙層壁管路模型

穿過(guò)圍蔽處所的供氣管路需要采用雙壁管路，雙層壁管路的內(nèi)管含有氣體燃料。同心管之間的空腔用惰性氣體加壓，其壓力要大于氣體燃料的壓力。當(dāng)此空腔內(nèi)惰性氣體壓力降低時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)會(huì)報(bào)警予以警示。如果內(nèi)管含有高壓氣體，當(dāng)主氣體閥關(guān)閉時(shí)，位于主氣體閥和發(fā)動(dòng)機(jī)之間的管路可以自動(dòng)進(jìn)行惰性氣體吹掃。

除使用雙層壁管路外，也可以將氣體燃料管路安裝在通風(fēng)的導(dǎo)管內(nèi)。氣體燃料管路和導(dǎo)管內(nèi)壁之間的氣室安裝有機(jī)械式抽風(fēng)機(jī)，其至少換氣30次/h。若導(dǎo)管內(nèi)裝有氣體探測(cè)設(shè)備，當(dāng)探測(cè)到發(fā)生氣體燃料泄漏時(shí)，導(dǎo)管內(nèi)自動(dòng)充灌氮?dú)猓藭r(shí)低壓通風(fēng)能力可減至10次/h[3]。風(fēng)機(jī)應(yīng)符合安裝區(qū)域的防爆保護(hù)要求。通風(fēng)口應(yīng)設(shè)置保護(hù)屏，保護(hù)屏布置在無(wú)可燃燃?xì)猓纯諝饣旌蠚饪赡鼙稽c(diǎn)燃的位置。

2.5 特殊要求的排氣系統(tǒng)

對(duì)于使用LNG氣體燃料為動(dòng)力的船舶，其排氣管要盡量一直向上傾斜，讓可能進(jìn)入排氣系統(tǒng)的燃?xì)獠粫?huì)在系統(tǒng)內(nèi)積聚，見(jiàn)圖5。

圖5 排氣管通風(fēng)裝置示意

另外，還需要布置排氣管保護(hù)泄放法蘭，這樣即使發(fā)生爆炸也不會(huì)損壞排氣管的主體，保護(hù)泄放法蘭的數(shù)量和布置位置應(yīng)根據(jù)排氣管的布置而定。另外，根據(jù)規(guī)范要求布置排氣管通風(fēng)裝置，該裝置應(yīng)在燃?xì)饽Ｊ较峦＼嚭髮?duì)排氣管進(jìn)行通風(fēng)。

2.6 獨(dú)特的供氣系統(tǒng)

2.6.1 GI型機(jī)高壓進(jìn)氣系統(tǒng)

MAN公司的低速二沖程ME-GI型機(jī)采用高壓進(jìn)氣系統(tǒng)，其供氣流程見(jiàn)圖6。

圖6 GI型機(jī)供氣系統(tǒng)流程示意

ME-GI型機(jī)由ME型機(jī)改裝而來(lái)，需要在原ME型機(jī)基礎(chǔ)上增加一套燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)和控制系統(tǒng)。但是，該機(jī)需要燃?xì)庖?0 MPa的高壓噴入，這樣液態(tài)的LNG便需要通過(guò)蒸發(fā)器和高壓泵，使其達(dá)到需要的溫度和進(jìn)氣壓力。

2.6.2 DF型機(jī)低壓進(jìn)氣系統(tǒng)

中速四沖程DF機(jī)則可以采用如圖7所示的低壓進(jìn)氣系統(tǒng)。通過(guò)儲(chǔ)存罐內(nèi)氣體本身的壓力，使LNG流向主蒸發(fā)器。一般，使用乙二醇的水溶液作為加熱媒介來(lái)加熱液態(tài)LNG燃料使其達(dá)到需要的溫度和壓力。然后，燃料氣體通過(guò)布置在主機(jī)附近的燃?xì)忾y單元(GVU)，該單元對(duì)主機(jī)的燃料進(jìn)氣進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。GVU選型與主機(jī)的功率和LNG熱值有關(guān)。

圖7 DF型機(jī)供氣系統(tǒng)流程示意

3 結(jié)束語(yǔ)

LNG燃料的低排放和價(jià)格優(yōu)勢(shì)一直被認(rèn)為

是未來(lái)最理想的船用發(fā)動(dòng)機(jī)燃料。與傳統(tǒng)柴油動(dòng)力船舶相比，LNG雙燃料船舶主要涉及LNG燃料艙的布置和主機(jī)供氣系統(tǒng)的修改，圓柱形存儲(chǔ)罐所需空間約為等量柴油所需空間的3～4倍，特殊的儲(chǔ)氣罐和艙室結(jié)構(gòu)增加了LNG儲(chǔ)存的重量，約為船用柴油的1.5倍，使建造成本增加約8%～20%，同時(shí)維護(hù)成本也會(huì)隨之增加 。

此外，由于在存儲(chǔ)、加氣等方面的基礎(chǔ)設(shè)施尚不完善，目前很難對(duì)在航船舶提供及時(shí)、完善的LNG供給，這在一定程度上也制約了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)船舶的推廣和使用。但是，隨著相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施逐步建成，LNG雙燃料動(dòng)力船舶以其綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)一定會(huì)得到船東青睞。

[1] 周羽歡.LNG燃料船的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)船檢,2012,(3):58-62.

[2] 中國(guó)船級(jí)社.氣體燃料動(dòng)力船檢驗(yàn)指南[S].北京:人民交通出版社,2008.

[3] 中國(guó)船級(jí)社.雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝指南[S].北京:人民交通出版社,2007.