魯世軍

（重慶市船舶檢驗(yàn)中心有限公司，重慶 400000）

0 引言

地球是人類(lèi)共同生活的家園，但是，隨著當(dāng)前人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展，不同地區(qū)的環(huán)境狀況在持續(xù)惡化。調(diào)查顯示，自1860 年以來(lái)，全球年平均溫度正以每年0.6 ℃的速度持續(xù)上升。20 世紀(jì)80 年代，全球每年受到氣候?yàn)?zāi)害影響的人數(shù)已經(jīng)達(dá)到了1.47 億左右，到20 世紀(jì)90 年代，受災(zāi)人數(shù)攀升至2.11 億左右。此外，全球約有40%的人口面臨著嚴(yán)重缺水的問(wèn)題。如果不采取有針對(duì)性的措施，30 年之后全球?qū)⒂谐^(guò)55%的人口面臨水荒等問(wèn)題[1]。

我國(guó)是世界第二大石油消費(fèi)和進(jìn)口國(guó)，交通運(yùn)輸行業(yè)是石油消費(fèi)大戶(hù)，占石油品消費(fèi)的33%。船舶運(yùn)輸以柴油燃料為主，在交通運(yùn)輸行業(yè)燃料消費(fèi)中占有很大比例。柴油燃燒排放的二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物、懸浮顆粒，已成為大氣污染的重要來(lái)源。截至2014 年，交通運(yùn)輸業(yè)已成為全球溫室氣體的第二大排放源。為了促進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的良性互動(dòng)，習(xí)近平總書(shū)記提出了“兩山”理論，成為指導(dǎo)全國(guó)綠色發(fā)展的理論，指導(dǎo)處于轉(zhuǎn)型期的中國(guó)加快開(kāi)展產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型調(diào)整和工業(yè)全面升級(jí)改造。以技術(shù)創(chuàng)新為先導(dǎo)，大力提升船舶運(yùn)輸物流行業(yè)的節(jié)能減排能力，走綠色物流發(fā)展之路，已經(jīng)成為貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的必然選擇。LNG 雙燃料動(dòng)力船屬于清潔能源船，此船型每年可以為船舶運(yùn)營(yíng)企業(yè)減少80%左右的燃油排放污染，社會(huì)效益良好，對(duì)于國(guó)家和社會(huì)都具有非常重要的意義。LNG 燃料屬于清潔綠色能源，大力發(fā)展LNG燃料動(dòng)力船，有助于為國(guó)家“碳達(dá)峰，碳中和”的環(huán)保目標(biāo)貢獻(xiàn)力量[2]。

1 LNG 燃料動(dòng)力系統(tǒng)類(lèi)型

目前LNG 燃料動(dòng)力船可分為單燃料船和雙燃料船。單燃料船是指發(fā)動(dòng)機(jī)只使用一種燃料，即只用LNG 燃料。雙燃料船是指發(fā)動(dòng)機(jī)使用兩種燃料，即使用LNG 燃料和0#柴油的混合燃料。無(wú)論是單燃料船還是雙燃料船，它們的燃料動(dòng)力系統(tǒng)一般包括燃料充裝、燃料儲(chǔ)存以及燃料的供應(yīng)與利用。

LNG 燃料動(dòng)力船動(dòng)力系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件為“三點(diǎn)一線(xiàn)”及“四大部件”。所謂的“三點(diǎn)”是指氣罐處所、機(jī)器處所及充裝處所，“一線(xiàn)”指的是管系，包含附件、閥件等；“四大部件”包括發(fā)動(dòng)機(jī)、氣罐、熱交換設(shè)備和中央控制單元。

其中，氣罐處所的主要功能是儲(chǔ)存燃料，包含的設(shè)備有氣罐、熱交換設(shè)備等。氣罐的危險(xiǎn)之處在于：首先，氣罐與熱交換設(shè)備可能存在結(jié)構(gòu)坍塌的危險(xiǎn)；其次，如果氣罐、熱交換設(shè)備發(fā)生了泄露，在與火源發(fā)生接觸之后可能引發(fā)火災(zāi)。

充裝處所的主要功能是進(jìn)行燃料充裝，包含的設(shè)備主要是管系等，若充裝處所發(fā)生泄露，其泄漏的介質(zhì)將導(dǎo)致金屬“冷脆”現(xiàn)象，當(dāng)可燃?xì)怏w遇到火源會(huì)發(fā)生火災(zāi)。

機(jī)器處所可以將燃料轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，它的著火源相對(duì)集中。其發(fā)動(dòng)機(jī)、管系泄露可燃?xì)怏w發(fā)生火災(zāi)的概率較大，因此，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)做好防泄漏、防火等工作。除此之外，作為燃料供給的單元，機(jī)器處所的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)體現(xiàn)在可靠性、協(xié)調(diào)性等方面。

管系用于燃料的供應(yīng)，主要包含管路、閥件、接頭等，若閥件、接頭發(fā)生泄漏會(huì)引起對(duì)船體結(jié)構(gòu)的低溫傷害和可燃?xì)怏w的集聚。管系基本分布在氣罐處所、充裝處所、機(jī)器處所內(nèi)，管系泄漏對(duì)這個(gè)3 處所可能會(huì)產(chǎn)生影響。為了減低燃料泄漏風(fēng)險(xiǎn)，目前LNG燃料管路基本采用雙壁管。

2 LNG 單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

LNG 單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是指只使用LNG 燃料而不使用其他燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)。此類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)采用火花塞打火點(diǎn)燃LNG 燃料，燃?xì)鈬娚?、空燃比等參?shù)，主要使用中央控制單元（electronic control unit, ECU）進(jìn)行控制。ECU 采用油門(mén)信號(hào)進(jìn)行控制，并通過(guò)控制電子節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，對(duì)燃?xì)鈬娏窟M(jìn)行精確控制。LNG 單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)主要具有以下7 個(gè)方面的特點(diǎn)：①在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行期間，主要使用閉環(huán)控制方式，確保實(shí)際空燃比與理論空燃比保持一致性。②燃?xì)膺M(jìn)氣方式主要采用的是電控單點(diǎn)噴射的方式，具有供氣及時(shí)、停氣干脆等優(yōu)勢(shì)。③LNG 單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)還具有加速、加濃等功能。④通過(guò)應(yīng)用防喘震技術(shù)，在發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷突然卸載的情況下，ECU 會(huì)結(jié)合減載信號(hào)等信息，開(kāi)啟燃料切斷激活功能。如此一來(lái)，便能夠有效避免增壓器喘震等問(wèn)題。⑤LNG 單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有超速保護(hù)的功能。⑥電鑰匙打開(kāi)之后，若沒(méi)有轉(zhuǎn)速信號(hào)，電磁閥將會(huì)自動(dòng)進(jìn)行關(guān)閉。⑦LNG 單燃料類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)還具有故障自我診斷的功能[3]。

LNG 單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和常規(guī)柴油機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的主要區(qū)別如表1 所示。

表1 LNG 單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和常規(guī)柴油機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的主要區(qū)別

3 LNG 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

雙燃料船是指發(fā)動(dòng)機(jī)使用兩種燃料，既可以以LNG 為燃料，又可以燃燒燃油，或者同時(shí)燃燒燃油和LNG 燃料的混合燃料。在現(xiàn)有的柴油機(jī)的基礎(chǔ)上加裝LNG 燃料供給系統(tǒng)，便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單一柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)化，使之成為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。在開(kāi)啟全柴油模式的情況下，LNG 氣源切斷，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)就與原來(lái)的柴油機(jī)工作模式保持一致。

LNG 雙燃料系統(tǒng)應(yīng)用期間，需要對(duì)原有燃油泵齒條進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油噴射量的限制。需要根據(jù)ECU 發(fā)出的指令，利用油門(mén)執(zhí)行器對(duì)油泵齒桿位置進(jìn)行精確的控制。通過(guò)應(yīng)用PID 雙閉環(huán)控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)油量的精確把控，同時(shí)，還提高了各缸發(fā)火的準(zhǔn)確性、可靠性。

LNG 通過(guò)LNG/空氣混合器噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道。ECU 結(jié)合傳感器感受到發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況，進(jìn)而明確LNG 的噴射量。LNG 的噴射量主要通過(guò)噴射閥進(jìn)行控制，因?yàn)長(zhǎng)NG 噴射期間具有一定的壓力，進(jìn)而可以噴入指定的混合器內(nèi)。當(dāng)空氣流進(jìn)入時(shí)，LNG 就會(huì)對(duì)空氣產(chǎn)生擾動(dòng)作用，使二者之間保持良好的混合狀況與效果。

在接收到傳感器信號(hào)之后，ECU 將會(huì)對(duì)柴油的供應(yīng)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制。系統(tǒng)可應(yīng)用在不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)上，LNG 替代率可達(dá)60%～90%。

ECU 是柴油－LNG 電控系統(tǒng)的電子控制單元，是根據(jù)柴油機(jī)壓燃原理設(shè)計(jì)的，通過(guò)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器、排氣溫度傳感器、油門(mén)位置傳感器、油門(mén)執(zhí)行器和HSV-SP 系列噴射閥，由ECU 采集轉(zhuǎn)速、油門(mén)位置等信號(hào)，通過(guò)改變油門(mén)位置來(lái)直接或間接改變油泵齒條位置，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)油泵供油量的有效控制。除此之外，精確控制進(jìn)入汽缸的量，使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)改裝為柴油－LNG 發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料量的精確控制[4]。

4 LNG 燃料儲(chǔ)罐技術(shù)

目前LNG 燃料儲(chǔ)罐類(lèi)型有薄膜型氣罐、半薄膜型氣罐、獨(dú)立性氣罐A 型、獨(dú)立性氣罐B 型、獨(dú)立性氣罐C 型。各種LNG 燃料氣罐的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2所示。

表2 各種LNG 燃料氣罐的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

薄膜、半薄膜型燃料氣罐是屬于非自身支持的系統(tǒng)，獨(dú)立性氣罐屬于自身支持的系統(tǒng)，薄膜型氣罐、半薄膜型氣罐、獨(dú)立性氣罐A 型、獨(dú)立性氣罐B型均需要次屏壁，而獨(dú)立性氣罐C 型不需要次屏壁，從這點(diǎn)來(lái)看，采用獨(dú)立性氣罐C 型成本較低，而且獨(dú)立性氣罐C 型具有設(shè)計(jì)牢靠，壓力適應(yīng)性好，易安裝，無(wú)泄漏，無(wú)須維護(hù)，與其配套的系統(tǒng)成本低等優(yōu)點(diǎn)，故LNG 燃料儲(chǔ)存主流采用C 型獨(dú)立性氣罐。

5 LNG 燃料氣化器技術(shù)

LNG 是低溫液體，不能直接進(jìn)入柴油機(jī)進(jìn)行燃燒，需將其氣化后再進(jìn)入柴油機(jī)燃燒，這就需要增設(shè)氣化器，因而，汽化器的選擇至關(guān)重要。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，氣化器主要分為兩種類(lèi)型：水浴式和空溫式。LNG 空溫式氣化器在工作期間主要利用空氣自然對(duì)流加熱換熱管中的低溫液體；LNG 水浴式氣化器主要是利用水的熱量對(duì)換熱管中的低溫液體進(jìn)行加熱[5]。

若采用LNG 水浴式氣化器需配套設(shè)置一臺(tái)水泵，此泵的流量應(yīng)與LNG 氣化量相匹配。其工作原理為：由水泵通過(guò)江水橫通管將江水泵至江水過(guò)濾器，之后再經(jīng)過(guò)水浴式氣化器，進(jìn)而可以把LNG 加熱氣化，隨后將其排出到舷外。因?yàn)榻兴哪嗌齿^多，因而容易出現(xiàn)堵塞過(guò)濾器的問(wèn)題，鑒于此，需要對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行定期清理。如果使用的是LNG 空溫式氣化器，需要的散熱面積較大，進(jìn)而造成整個(gè)LNG 空溫式氣化器體積過(guò)大，所占用的空間也隨之增加，由于船上空間狹小，LNG 空溫或氣化器布置相對(duì)困難，而這一方式的優(yōu)點(diǎn)是操作、維護(hù)相對(duì)方便。由于LNG 燃料動(dòng)力船空間有限，沒(méi)有足夠的空間放置空氣式氣化器，而水浴式氣化器具有體積小、氣化能力大等優(yōu)點(diǎn)，故船上一般采用水浴式氣化器。

6 LNG 燃料動(dòng)力船安保系統(tǒng)

LNG 燃料動(dòng)力船安保系統(tǒng)為L(zhǎng)NG 動(dòng)力船提供控制、監(jiān)測(cè)和安全保護(hù)。由“監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)”和“安全系統(tǒng)”兩大系統(tǒng)組成，兩系統(tǒng)相互獨(dú)立，且安全系統(tǒng)優(yōu)先于監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)。主要對(duì)LNG/柴油燃料船整船綜合報(bào)警系統(tǒng)、LNG 充裝系統(tǒng)、儲(chǔ)罐液位等參數(shù)、氣體燃料管路系統(tǒng)、氣體閥件控制單元、機(jī)艙、抽風(fēng)系統(tǒng)等進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)儲(chǔ)罐溫度、液位、壓力及各現(xiàn)場(chǎng)氣體探測(cè)器、火災(zāi)探測(cè)器、ESD 報(bào)警按鈕等進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)及緊急切斷，并將相關(guān)監(jiān)控及安保狀態(tài)發(fā)送至駕駛室或值班室。

每臺(tái)LNG 主機(jī)和發(fā)電機(jī)上安裝可燃?xì)怏w、感溫、感煙探測(cè)器各1 臺(tái)，LNG 主、輔機(jī)雙壁管設(shè)風(fēng)壓傳感器和可燃?xì)怏w探測(cè)器各1 個(gè)，閥件連接處所設(shè)自動(dòng)工作的擋火閘、可燃?xì)怏w探測(cè)器各1 個(gè)。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在國(guó)家提倡低碳、節(jié)能、環(huán)保、綠色的背景下，LNG 燃料動(dòng)力船無(wú)疑是屬于清潔能源的船，它可以大大地降低船舶運(yùn)營(yíng)企業(yè)的燃油排放污染，有著顯著的社會(huì)效益。通過(guò)對(duì)LNG 燃料動(dòng)力系統(tǒng)類(lèi)型、LNG 燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)、LNG 燃料儲(chǔ)罐的技術(shù)、LNG 燃料氣化器的技術(shù)、LNG 燃料動(dòng)力船安保系統(tǒng)等方面進(jìn)行分析，并不斷進(jìn)行總結(jié)、實(shí)踐，逐步完善，從而助力我國(guó)船舶在綠色、環(huán)保方面的發(fā)展。