CCS武漢規(guī)范研究所 甘少煒

純LNG動(dòng)力船，是指船舶主推進(jìn)裝置僅使用液化天然氣（LNG），而不使用其他燃料的船舶。由于LNG基本不含硫、不含雜質(zhì)，其主要成分甲烷的碳原子含量少等特性，純LNG動(dòng)力船在硫氧化物（SOx）、顆粒物（PM）和二氧化碳（CO2）減排方面具有天然優(yōu)勢(shì)；由于僅需針對(duì)氣體特性設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)，而不必如雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)那樣需在燃油和燃?xì)鈨煞N模式間作出“平衡”和“折衷”，純氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)一般具有更高的熱效率和更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。但是，受燃料單一性與氣體燃燒特性限制，純LNG動(dòng)力船在燃料供應(yīng)、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)等方面，又具有特殊之處?，F(xiàn)就亞洲首艘純LNG動(dòng)力船“海洋石油525”號(hào)6500HP港作拖輪，淺析純LNG動(dòng)力船的設(shè)計(jì)與建造要點(diǎn)。

氣體燃料供應(yīng)系統(tǒng)

相對(duì)于雙燃料動(dòng)力船，純LNG動(dòng)力船缺少“燃料冗余”，即在發(fā)生氣體燃料泄漏的情況下，不能切換到燃油模式，所以在《使用氣體或其他低閃點(diǎn)燃料船舶國際安全規(guī)則》（IGF規(guī)則）中，明確要求“對(duì)于單一氣體燃料裝置，從氣罐至用氣裝置，燃料供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)布置成完全冗余和分隔，以確保一套燃料供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)生氣體泄漏時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致不可接受的功率損失。氣體燃料儲(chǔ)存應(yīng)分成兩個(gè)或多個(gè)氣罐，儲(chǔ)罐應(yīng)位于獨(dú)立的艙室。對(duì)于C型氣罐，如果一個(gè)氣罐設(shè)有兩個(gè)完全獨(dú)立的氣罐連接處所，則可接受僅設(shè)一個(gè)氣罐”。可以看出，IGF規(guī)則的基本原則是，氣體燃料供應(yīng)系統(tǒng)上的單一故障，不應(yīng)導(dǎo)致“不可接受的功率損失”，因此，純LNG動(dòng)力船一般通過“供氣系統(tǒng)冗余”或“動(dòng)力系統(tǒng)冗余”的方式來滿足IGF規(guī)則要求。

圖1

要設(shè)置冗余，必須弄清楚“氣體燃料供應(yīng)系統(tǒng)”包括什么，在IGF規(guī)則中，并無“氣體燃料供應(yīng)系統(tǒng)”的定義，一般理解為從LNG燃料儲(chǔ)罐的主閥至發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)膺M(jìn)氣總管之間的管路、閥件和設(shè)備（如氣化器、加熱器、壓縮機(jī)等）等組成的系統(tǒng)。因此，氣體燃料供應(yīng)系統(tǒng)冗余，也就意味著相關(guān)管路、閥件和設(shè)備的冗余，例如，在只設(shè)一個(gè)C型氣罐和兩路供氣的情況下，氣罐主閥、氣化器、互鎖閥（DBB閥）、氣閥單元（GVU或GRU）等，都需設(shè)置雙套。

在“一套燃料供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)生氣體泄漏時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致不可接受的功率損失”這一原則指導(dǎo)下，純LNG動(dòng)力船的供氣系統(tǒng)有如下幾種方式（以C型氣罐為例）：

1、一臺(tái)純氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，兩個(gè)氣罐，兩套氣體供應(yīng)系統(tǒng)；

2、一臺(tái)純氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，一個(gè)氣罐，兩套氣體供應(yīng)系統(tǒng)；

3、兩臺(tái)純氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，兩個(gè)氣罐，兩套氣體供應(yīng)系統(tǒng)；

4、兩臺(tái)純氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，一個(gè)氣罐，兩套氣體供應(yīng)系統(tǒng)；

上述四種布置分別見圖1中的（1）、（2）、（3）、（4）所示。

“海洋石油525”號(hào)6500HP港作拖輪采取了上述（3）的布置型式，如圖2所示。

圖2 “海洋石油525”號(hào)港作拖輪動(dòng)力系統(tǒng)布置示意圖

純氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

常規(guī)船舶柴油機(jī)采用狄塞爾循環(huán)，沒有爆燃的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)負(fù)荷突增時(shí)，可以通過調(diào)速器增加燃油噴射量來保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。即使是滿負(fù)荷突增，最多也只會(huì)發(fā)生冒黑煙的現(xiàn)象（局部區(qū)域油氣混合不均，造成不完全燃燒）。對(duì)于高壓氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，其采用狄塞爾循環(huán)，當(dāng)負(fù)荷突增時(shí)，增加燃?xì)鈬娚淞?，由于燃?xì)馐窃邳c(diǎn)火后高壓噴入氣缸，不參與壓縮過程，所以無爆燃風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)能力與柴油機(jī)基本無異。

但對(duì)于低壓氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，氣體從進(jìn)氣道噴入，與空氣一起參與壓縮，采用的是奧托循環(huán)。負(fù)荷突增時(shí)，氣體燃料噴射量增大，而增壓器由于轉(zhuǎn)速來不及迅速提高而導(dǎo)致新鮮空氣的供應(yīng)不能相應(yīng)的迅速增加，這樣就會(huì)造成過量空氣系數(shù)下降，氣缸內(nèi)存在濃燃?xì)?空氣混合氣，所以在壓縮過程中存在爆燃風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，過量空氣系統(tǒng)過高，則氣缸存在熄火風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于純氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)于過量空氣系數(shù)（或空燃比）的控制十分重要，尤其是對(duì)于高平均有效壓力（Pme）的發(fā)動(dòng)機(jī)，其空燃比的“可用窗口”非常窄（如圖3所示），對(duì)其控制要求非常精確，所以對(duì)于高Pme的低壓氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，一般不允許過快加載，以免發(fā)生爆燃，常配合可調(diào)槳（CPP）或電力推進(jìn)系統(tǒng)使用。但本船的純氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，采用了廢氣旁通、可變截面增壓器（或稱可變噴嘴環(huán)，VGT，如圖4所示）、進(jìn)氣節(jié)流閥等系列技術(shù)，能夠在保證高Pme的情況下，迅速控制空氣進(jìn)氣量和精確的空燃比，以應(yīng)對(duì)負(fù)荷的變化，因此，具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)特性，據(jù)稱可配合定距槳（FPP）使用（但目前尚無配合FPP使用的實(shí)船案例）。國產(chǎn)低壓純氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，其Pme相對(duì)較低，因此空燃比的“可用窗口”較寬，對(duì)其控制要求相對(duì)較低，所以允許較快的加載速率，據(jù)稱也可配合定距槳使用。

圖3 OTTO循環(huán)λ-Pme

圖4 可變截面增壓器

雙壁管（double wall piping）

本船機(jī)艙型式為氣體安全機(jī)艙，或稱本質(zhì)安全型機(jī)艙，其本質(zhì)是，在機(jī)艙內(nèi)，通過設(shè)置環(huán)圍（雙壁管外管）的方式，從機(jī)艙內(nèi)“隔離”出一個(gè)空間，在其內(nèi)部布置氣體供應(yīng)管路、閥件、接頭等，這樣，即使發(fā)生接頭泄漏、供氣管路破裂等故障，可燃?xì)怏w也不會(huì)漏入機(jī)艙。IGF規(guī)則和《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》（以下簡稱“規(guī)范”）對(duì)于機(jī)艙內(nèi)的雙壁管均有詳細(xì)要求，實(shí)船的常見布置如圖5所示。

圖5 典型氣體安全機(jī)艙的布置

雙壁管應(yīng)視作一種圍護(hù)理念，而不應(yīng)視為具體產(chǎn)品，對(duì)于其形狀、大小并無限制，只要滿足相應(yīng)的氣密、強(qiáng)度要求即可。比如，內(nèi)設(shè)“氣體閥件單元（GVU或GRU）”的處所或房間，可視作雙壁管的“外管”，對(duì)于小型船舶，由于空間和布置的限制，該處所或房間可“縮減”為一個(gè)密閉的“閥箱”，安放在機(jī)艙內(nèi)部，該閥箱仍可視作雙壁管的外管。本船的GRU如圖6所示。

圖6 氣體調(diào)節(jié)單元（GRU）

雙層管在建造過程中有兩個(gè)難點(diǎn)，一是雙壁管應(yīng)終止于何處，二是雙壁管內(nèi)管（inner pipe）的聯(lián)接與支承。根據(jù)IGF規(guī)則要求，“發(fā)動(dòng)機(jī)本體上的所有氣體管路應(yīng)設(shè)置雙壁管，直至氣體噴入氣缸；但對(duì)于從各氣缸空氣支管直接進(jìn)氣的低壓氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，如果單一故障不會(huì)導(dǎo)致可燃?xì)怏w漏入機(jī)艙，則空氣支管上可免設(shè)雙壁管。”可以看出，這里免設(shè)雙壁管的對(duì)象僅限于低壓、支管進(jìn)氣的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)于如何判斷“單一故障不會(huì)導(dǎo)致可燃?xì)怏w漏入機(jī)艙”，規(guī)則沒有給出明確說法，在“規(guī)范”中給出的方案是，在發(fā)動(dòng)機(jī)上方設(shè)置一個(gè)可燃?xì)怏w探測器，并連接至安保系統(tǒng)。

對(duì)于雙壁管內(nèi)管的聯(lián)接與支承，目前有多種做法，如：內(nèi)外管采用雙聯(lián)法蘭接頭，既能聯(lián)接又能支承；內(nèi)管采用法蘭接頭，通過彈性滑動(dòng)式支承或懸吊式支承置于外管內(nèi)部，等等。各廠家可根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)更實(shí)用、方便的內(nèi)外管聯(lián)接和支承方案。

圖7 滑動(dòng)式或懸吊式支承

“海洋石油525”號(hào)6500HP港作拖輪的順利建造，標(biāo)志著我國在純LNG動(dòng)力船設(shè)計(jì)、建造、檢驗(yàn)等方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平，為后續(xù)同類船型的建造積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。但應(yīng)看到，在純氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、C型以外的其他型式LNG燃料艙等關(guān)鍵設(shè)備、系統(tǒng)的研發(fā)和制造方面，我國尚存在較大差距，只有真正掌握這些關(guān)鍵技術(shù)，才能使我國純LNG動(dòng)力船舶的應(yīng)用和發(fā)展達(dá)到新的高度。