黃浦海事局 張竹心

2019 年9月25日，全球首艘以LNG為動(dòng)力的23000TEU超大型集裝箱船“達(dá)飛雅克·薩德”號(hào)，正式在滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司長興島造船基地下水。這是世界上第一艘如此大規(guī)模的LNG動(dòng)力船，船身長400米，寬61米，高78米，最大載貨容量為23112TEU，船身的燃料倉將容納最多18600立方米LNG。

該輪核心亮點(diǎn)在于LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)在23000TEU超大型集裝箱船上的成功應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)行公約和法規(guī)對(duì)船舶燃料使用閃點(diǎn)的規(guī)定：除應(yīng)急發(fā)電機(jī)的燃料閃點(diǎn)不能低于43℃外，為確保船舶防火安全，其他船舶燃料使用限制在閃點(diǎn)60℃以上。很顯然，這一核心亮點(diǎn)突破了這一規(guī)定。為解開LNG燃料在船使用安全的疑惑，本文將對(duì)超大型雙燃料集裝箱船概況、燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)及其安全防護(hù)進(jìn)行介紹。

該船LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)主要包括加注系統(tǒng)、燃料儲(chǔ)存艙、供氣系統(tǒng)等。此外，為提高燃?xì)獍踩?，氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)也是雙燃料船區(qū)別于普通燃料船的重點(diǎn)內(nèi)容。

1、燃料加注系統(tǒng)方面，燃料加注是指將燃料站的LNG燃料導(dǎo)入到船上燃料儲(chǔ)存艙的過程。燃料加注系統(tǒng)主要由LNG加注站、LNG液體注入總管以及LNG蒸汽回收總管三部分組成。相關(guān)管路的法蘭、閥等連接裝置均布置在接管處所內(nèi)（Tank Connection Space，簡稱TCS）。該處所位于LNG燃料艙上方，其艙壁采用耐低溫材料，可起到保護(hù)主船體結(jié)構(gòu)、承受主屏蔽最大泄漏量及最大積聚壓力的作用?？紤]到超大型集裝箱船LNG充裝靈活性，該輪在二層甲板左右兩舷均設(shè)置完整的加注站。每側(cè)加注站共設(shè)2根LNG液體管路，1根蒸汽管路（用于回收加注過程中產(chǎn)生的LNG氣體）。加注站布置、接管處所位置及加注管系如圖2所示。

圖2 燃料艙及其他區(qū)域位置示意圖

2、LNG燃料儲(chǔ)存艙方面，考慮到重油密度為940～1060kg/m3，LNG液體密度不及重油密度的一半，為450kg/m3。雖LNG的熱值略高于重油，但換算后，為滿足相同航程，LNG艙的容積依然約為重油艙容積的1.85倍。因此，合理布置LNG燃料儲(chǔ)存艙，盡量減少裝箱空間的損失，成為雙燃料集裝箱設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的問題。

如圖2所示，該船將LNG燃料儲(chǔ)存艙布置在船員居住區(qū)的下方，大大減少了對(duì)貨艙區(qū)域的空間占用，而且所載LNG燃料足以滿足所有亞歐航線的一個(gè)往返航次所需，所以每航次只要在歐洲港口加注一次LNG燃料即可。不僅如此，為縮短燃料加注的靠港時(shí)間，該輪可同步進(jìn)行集裝箱裝卸與LNG燃料加注操作。

為有效降低LNG汽化損耗率，提高裝箱量，該船LNG燃料艙首次采用法國GTT公司的MARK III薄膜艙技術(shù)。MARK III薄膜艙屬于薄膜型，由船體結(jié)構(gòu)直接支撐，相較于原先的GTT NO96型薄膜艙，該輪采用的MARK III薄膜艙還在承受自由液面的沖擊負(fù)荷方面進(jìn)行了升級(jí)。

如圖3所示，從船體內(nèi)板向內(nèi)依次是樹脂繩、次層絕緣板、組合次層膜、主層絕緣板、金屬條、主層不銹鋼薄膜。主層不銹鋼薄膜為1.2mm厚帶有縱橫方向（長度為340mm方格）波紋方格的304不銹鋼板，而組合次層膜為2層玻璃纖維布中間夾1層鋁箔結(jié)構(gòu)。在隔熱方面，主要由介于組合次層膜與主層不銹鋼薄膜間的為厚度為100mm的主層絕緣板，加上組合次層膜向船體內(nèi)板方向設(shè)置了厚度為170mm的次層絕緣板共同組成了兩層隔熱結(jié)構(gòu)。樹脂繩位于次層絕緣板與船體內(nèi)板之間，起到錨固絕緣層和均勻分配所裝載的液態(tài)LNG載荷的雙重作用。

圖3 MARK III型燃料艙

LNG燃料儲(chǔ)存艙內(nèi)配有4臺(tái)低溫潛液泵，交替使用這4臺(tái)泵，可確保一個(gè)塢修期內(nèi)免維護(hù)，從而保障了安全使用。其中，2個(gè)泵的流量較小，其吸口位于LNG艙底部結(jié)構(gòu)凹槽內(nèi)，可起到掃艙作用，減少艙內(nèi)液體殘余；另外2個(gè)泵流量較大，用于LNG輸送供應(yīng)，且在緊急情況下，其中一個(gè)輸送泵可被替換為200m3/h流量的應(yīng)急泵，用于快速卸載LNG。

除上述以外，在安全防護(hù)方面，該船還對(duì)LNG燃料儲(chǔ)存艙采取了如下保護(hù)措施：一是防泄漏保護(hù)，當(dāng)主層不銹鋼薄膜出現(xiàn)泄漏情況時(shí)，組合次層膜內(nèi)的金屬鋁箔結(jié)構(gòu)依然具有密封作用。同時(shí)，緊鄰主層不銹鋼薄膜這一層主層絕緣體間的探測裝置檢測到泄漏其中的LNG觸發(fā)相關(guān)報(bào)警提醒船員留意。在依托組合次層膜密封的情況下，該燃料儲(chǔ)存艙依然有170mm次層絕緣板起到隔熱作用。二是防撞保護(hù)，在船舶左右兩舷LNG燃料儲(chǔ)存艙的位置各設(shè)立兩個(gè)獨(dú)立的干隔艙以防止船舶碰撞情形下對(duì)LNG燃料儲(chǔ)存艙的損壞。

圖4 燃?xì)馓幚黹g位置示意圖

圖5 乙二醇加熱單元示意圖

圖6 燃料供氣系統(tǒng)示意圖

圖7 停泊時(shí)LNG供氣狀態(tài)

圖8 航行時(shí)LNG供氣狀態(tài)

此外，該船還單獨(dú)設(shè)置了整套船舶燃油管系，即在整個(gè)LNG燃料艙破損失效的情況下，該船仍然可以通過這套燃油管系供給燃油，從而確保船舶動(dòng)力裝置的有效穩(wěn)定運(yùn)行。

3、燃?xì)馓幚黹g方面，燃?xì)馓幚黹g（FGHR，具體如圖1和圖4所示）位于LNG燃料艙上方，與接管處所相鄰，設(shè)有LNG蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、加熱器（蒸汽加熱中間加熱介質(zhì)和中間加熱介質(zhì)再加熱LNG的加熱器各一套）、燃?xì)饩彌_柜等設(shè)備，是全船處理LNG的關(guān)鍵處所。

眾所周知，液態(tài)LNG為-162℃。為確保在對(duì)液態(tài)LNG加熱氣化時(shí)不被凍結(jié)，需要采用一種水、乙二醇混合溶液（類似防凍劑）的中間加熱介質(zhì)，具體如圖6所示。運(yùn)行時(shí)，中間加熱介質(zhì)（圖4紅色部分）通過乙二醇泵在系統(tǒng)內(nèi)封閉循環(huán)。通過左側(cè)蒸汽加熱器時(shí)，中間加熱介質(zhì)經(jīng)蒸汽（圖4黃色部分）加熱后先開始對(duì)LNG加熱，后續(xù)中間加熱介質(zhì)的余溫進(jìn)一步通過蒸發(fā)器再循環(huán)到蒸汽加熱器。從圖5不難發(fā)現(xiàn)，中間加熱介質(zhì)均保持與兩邊介質(zhì)（蒸汽和LNG）相反的路徑走向。左邊蒸汽加熱這一路不難理解，但對(duì)右邊LNG這一路來說，LNG則體現(xiàn)出是先用較低溫度的中間加熱介質(zhì)蒸發(fā)后用較高溫度的中間加熱介質(zhì)進(jìn)一步加熱的過程，表現(xiàn)在中間加熱介質(zhì)，則走的是先加熱LNG再到蒸發(fā)器的過程。

4、供氣系統(tǒng)方面，燃?xì)夤庀到y(tǒng)主要作用：一是供給各個(gè)設(shè)備燃用符合其流量、壓力和溫度要求的LNG氣體，二是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟停、閥的通斷、LNG的泄放、惰性氣體的吹掃等功能?？紤]到LNG的天然特性，對(duì)供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、焊接質(zhì)量以及施工環(huán)境的嚴(yán)格要求，為安全起見，該輪供氣系統(tǒng)依據(jù)天然氣動(dòng)力船舶安全導(dǎo)則（IGF Code）、國際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)范（IGC Code）和天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范要求設(shè)計(jì)和建造。

不僅如此，LNG供氣管道均采用不銹鋼材質(zhì)，除了必要的法蘭連接外，中間連接皆為一次焊接成型，以保障管路的密封性。LNG供氣管路均為雙壁管，內(nèi)管用于供氣，外管為最后一層保護(hù)。在內(nèi)外管之間的環(huán)形管道中通惰性氣體，并設(shè)置LNG探測和泄漏警報(bào)裝置以提高安全性。

本船供氣系統(tǒng)由主供氣支路和自然蒸發(fā)氣支路兩部分組成，結(jié)合上述圖5一起，具體如下：

主供氣支路對(duì)應(yīng)強(qiáng)制揮發(fā)氣（FBO）的供給：LNG通過LNG燃料艙內(nèi)的潛液泵加壓，把液態(tài)LNG經(jīng)由低溫液態(tài)管路泵出，在燃?xì)馓幚黹g經(jīng)LNG蒸發(fā)器氣化后再由加熱器升溫輸出。

自然蒸發(fā)氣支路對(duì)應(yīng)燃料自然揮發(fā)氣（NBO）的供給：由于NBO為LNG艙頂部的自然揮發(fā)氣，呈氣體狀態(tài)，通過NBO壓縮機(jī)經(jīng)供氣管路輸出后直接由加熱器（不經(jīng)過蒸發(fā)器）升溫至合適溫度后輸出供氣。

主供氣支路及自然蒸發(fā)氣支路各自將符合壓力與溫度要求的燃?xì)廨斔椭寥細(xì)饩彌_柜穩(wěn)壓，再經(jīng)緩沖柜分別輸送至各燃?xì)忾y單元（GVU）過濾調(diào)壓，供不同用氣設(shè)備（主機(jī)、副機(jī)和鍋爐）使用。在緊急情況下（NBO壓力超過設(shè)定值時(shí)），NBO可通過旁通管路至雙燃料鍋爐，如圖6所示。

由于船舶在航行工況與停泊工況時(shí)用氣需求差異，LNG供氣狀態(tài)有所不同：當(dāng)船舶處于停泊狀態(tài)時(shí)（如圖7所示），自然蒸發(fā)氣足以供給副機(jī)燃燒發(fā)電所需。此時(shí)，僅有自然蒸發(fā)氣支路工作，多余的NBO供給雙燃料鍋爐（用作氣體燃燒裝置（Gas Combustion Unit，簡稱GCU）的替代）燃燒，所產(chǎn)生的蒸汽用于供應(yīng)船舶日常和NBO本身的加熱所需。當(dāng)船舶處于航行狀態(tài)時(shí)（如圖8所示），NBO不足以滿足主副機(jī)燃燒所需的用氣量。此時(shí)，主供氣支路工作，船舶用氣主要由FBO供給，位于燃?xì)馓幚黹g的LNG蒸發(fā)器和加熱器同時(shí)處于工作狀態(tài)。

5、氮?dú)馐曳矫妫獨(dú)馐业呐渲檬窃擃惔疤赜械陌踩Ｗo(hù)措施。上文提到，為減少LNG燃料艙對(duì)裝箱空間的損失，LNG燃料艙布置在生活區(qū)域下方，且與之配套的燃?xì)馓幚硎乙参挥诟浇?，致使燃?xì)馓幚黹g與機(jī)艙之間的距離較遠(yuǎn)（約200米），供給用氣設(shè)備的輸送管路長，泄漏風(fēng)險(xiǎn)隨之增大。同時(shí)，LNG燃料艙處于船舶生活區(qū)域下方，這也帶來的一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)。為此，在緊鄰燃料處理間的邊上設(shè)置了氮?dú)馐遥鐖D9所示。

圖9 氮?dú)馐沂疽鈭D

氮?dú)馐覂?nèi)裝有2臺(tái)氮?dú)獍l(fā)生器，可從空氣中直接制取高純度氮?dú)?。制取的氮?dú)獯鎯?chǔ)于在艙內(nèi)氮?dú)夤拗校┙o氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)，其主要用途表現(xiàn)：一是用做LNG汽化后的氣體壓縮機(jī)的軸封密封氣體，以防止LNG氣體壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，LNG從其運(yùn)動(dòng)軸端泄漏而帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)；二是用于LNG燃料艙的惰性氣封，即在需要時(shí)將氮?dú)庾⑷氲浇M合次層膜兩邊的絕緣體中，從而起到LNG燃料艙的惰性化處理效果。

6、透氣管系方面，該船設(shè)有艏艉兩個(gè)透氣桅。主透氣桅為艏部透氣桅，該桅與前桅組合成一體。LNG艙的氣體可通過雙管壁透氣管，與一并匯入其中的主屏蔽單管壁透氣管氣體，經(jīng)由服務(wù)通道到達(dá)該透氣桅。次屏蔽的透氣就近從主甲板引出。而主機(jī)、副機(jī)和鍋爐各自的燃?xì)忾y單元（GVU）透氣管采用單管壁結(jié)構(gòu)，通過氮?dú)獯祾?，從船舶機(jī)艙直接通至艉部透氣桅。