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        廣西內(nèi)河LNG動(dòng)力船舶建造技術(shù)要點(diǎn)研究

        2023-01-02 16:10:03曾志偉趙代娣
        西部交通科技 2022年9期
        關(guān)鍵詞:內(nèi)河燃料動(dòng)力

        曾志偉,趙代娣

        (廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530023)

        0 引言

        近年來,廣西在內(nèi)河LNG動(dòng)力船舶方面,主要是進(jìn)行雙燃料動(dòng)力船舶改造和單一LNG燃料動(dòng)力船舶新建[1]。雙燃料動(dòng)力船舶改造是在船舶現(xiàn)有柴油機(jī)作為燃料的基礎(chǔ)上,增加一套LNG供氣系統(tǒng)和柴油LNG雙燃料噴射系統(tǒng),將船舶單一的柴油動(dòng)力改造為柴油和LNG雙燃料動(dòng)力,可實(shí)現(xiàn)以單一柴油為燃料和以柴油、LNG為雙燃料的兩種內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行模式;單一LNG動(dòng)力船舶新建是在《船舶應(yīng)用天然氣燃料規(guī)范》(2021版)[2]要求下,建造僅以LNG為單一燃料的動(dòng)力船舶。本文以廣西區(qū)內(nèi)LNG燃料動(dòng)力船舶建造檢驗(yàn)為切入點(diǎn),結(jié)合廣西LNG燃料動(dòng)力船舶發(fā)展現(xiàn)狀及建造工藝的實(shí)際情況,探討LNG動(dòng)力船舶建造技術(shù)的主要研究內(nèi)容,提出LNG動(dòng)力船舶船體、輪機(jī)及電氣的主要研究要點(diǎn)和方向,為廣西內(nèi)河船舶檢驗(yàn)和建造設(shè)計(jì)人員提供技術(shù)指引,并對典型LNG動(dòng)力船舶的改造設(shè)計(jì)及新建有較好指導(dǎo)作用。

        1 廣西LNG燃料動(dòng)力船舶發(fā)展現(xiàn)狀

        目前,廣西內(nèi)河船舶生產(chǎn)廠家按照規(guī)范對船舶應(yīng)用LNG燃料進(jìn)行改造和新建,因此改造船舶及新造LNG燃料船舶將越來越多。截至2021年年底,廣西共有28艘LNG動(dòng)力船舶,其中23艘雙燃料船(其中3艘由純柴油機(jī)動(dòng)力船改造而成),5艘純LNG燃料船(其中2艘由雙燃料船改造而成)。但建造水平與發(fā)達(dá)省份相比,整體建造技術(shù)較低,LNG燃料動(dòng)力船舶又因其特殊的危險(xiǎn)性,建造中面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn),也暴露出一些普遍和突出的問題。隨著廣西內(nèi)河航道等級的不斷提升,船舶將朝大型化、低碳環(huán)保方向發(fā)展,新建船舶噸位越來越大,數(shù)量越來越多,如何建造清潔、安全、高品質(zhì)的LNG燃料動(dòng)力船舶對于廣西推進(jìn)LNG燃料動(dòng)力船舶的健康發(fā)展至關(guān)重要。同時(shí),推動(dòng)LNG燃料動(dòng)力船舶建造是國家綠色交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃的明確要求,也是廣西交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃的重要任務(wù)。

        2 LNG燃料動(dòng)力船舶建造技術(shù)要點(diǎn)研究

        我國LNG燃料動(dòng)力船舶改造的研究和應(yīng)用始于2010年,不管是對現(xiàn)有船舶進(jìn)行LNG燃料動(dòng)力改造還是新造LNG燃料動(dòng)力船舶,與以柴油機(jī)為動(dòng)力的船舶相比較,通常需要加裝的主要系統(tǒng)包括LNG儲罐和氣體處理系統(tǒng),以及通風(fēng)系統(tǒng)、ECU、安全系統(tǒng)和自控系統(tǒng)等輔助系統(tǒng),改裝的難點(diǎn)主要在于如何布置儲罐以及LNG燃料系統(tǒng)的子系統(tǒng)[3]。

        本文以廣西西江重工有限責(zé)任公司一艘擬建的西江典型5000噸級LNG燃料動(dòng)力船舶為例,基于該船型特點(diǎn)及廣西區(qū)內(nèi)船舶建造的實(shí)際工藝水平,研究各種技術(shù)問題解決方案,提出建造過程中的船體、輪機(jī)、電氣與電子設(shè)備及儀器的安裝、試驗(yàn)等多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)與焦點(diǎn)問題,按照專業(yè)內(nèi)容劃分,分別進(jìn)行以下研究與探討。

        2.1 船舶船體項(xiàng)目研究要點(diǎn)

        關(guān)于內(nèi)河LNG燃料動(dòng)力船舶船體項(xiàng)目研究主要涉及燃料罐的布置、防火結(jié)構(gòu)的布置和防火區(qū)域劃分等內(nèi)容。區(qū)別于傳統(tǒng)柴油動(dòng)力貨船的燃料艙布置在船舶機(jī)艙內(nèi),LNG燃料儲罐因其氣體的危險(xiǎn)性,可供選擇的位置非常有限,基于內(nèi)河船舶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),目前普遍的做法是將燃料艙(罐)布置在船舶二層尾船員甲板的開敞處。該布置方式需要根據(jù)LNG燃料特殊的安全要求、罐體大小以及船舶的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)性、防火等要求進(jìn)行綜合的科學(xué)分析計(jì)算和論證。

        2.1.1 開展LNG燃料動(dòng)力船舶總體設(shè)計(jì)研究

        LNG燃料動(dòng)力船舶因燃料的易燃易爆以及低溫危險(xiǎn)性,對于西江普通貨船有限的布置空間構(gòu)成挑戰(zhàn)。如何科學(xué)合理地在船舶船體設(shè)計(jì)中布置LNG儲罐和氣體處理系統(tǒng),一直是業(yè)界持續(xù)關(guān)注的問題,許多技術(shù)問題需要處理。例如,從氣體安全處所直接通向氣體危險(xiǎn)處所的氣閘設(shè)置、因危險(xiǎn)區(qū)域劃分的透氣桅設(shè)置,無論從規(guī)范要求還是實(shí)際操作層面,依然處在嘗試和替代解決方案階段,缺乏理想的解決措施。因此,在滿足船舶建造規(guī)范的基礎(chǔ)上,對照《船舶應(yīng)用天然氣燃料規(guī)范》(2021版)的要求,開展基于西江船型特點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)研究,是船體項(xiàng)目研究的重要內(nèi)容。另外,因LNG燃料動(dòng)力船舶比普通貨船增加了氣罐,且安裝位置較高,會導(dǎo)致船舶重心較高,船舶穩(wěn)性發(fā)生變化,為此要增加船舶壓載,但是又會減少裝貨量,這也是目前LNG燃料動(dòng)力船舶在總體船體設(shè)計(jì)中需要研究的一個(gè)問題。

        2.1.2 開展安全、高品質(zhì)LNG燃料動(dòng)力船舶建造工藝的研究與實(shí)踐

        推動(dòng)LNG燃料動(dòng)力船舶的建造,不僅是廣西交通重點(diǎn)工作任務(wù),更是事關(guān)國家戰(zhàn)略、綠色航運(yùn)健康發(fā)展的重要事項(xiàng)。然而,廣西船舶建造工藝水平整體較低,造船企業(yè)眾多,競爭大、低質(zhì)量造船是行業(yè)特點(diǎn),若以現(xiàn)有低質(zhì)量造船技術(shù)建造的LNG燃料動(dòng)力船舶,無論是安全性還是品質(zhì)都有待提升。因此,在廣西開展安全、高品質(zhì)內(nèi)河LNG動(dòng)力船舶建造工藝研究與實(shí)踐具有重要意義和必要性。

        2.1.3 開展船舶結(jié)構(gòu)有限元直接計(jì)算研究

        廣西LNG燃料動(dòng)力船舶均采用將LNG燃料罐布置在船尾二層船員室甲板尾部的方式,下方依靠甲板室支撐,目前設(shè)計(jì)的5 000噸級船舶LNG燃料罐體積可以達(dá)到30 m3,重達(dá)30多t,對下方支撐甲板室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高。CCS規(guī)范要求對于該支撐結(jié)構(gòu)采取有限元直接計(jì)算方式予以校核其強(qiáng)度,但當(dāng)前廣西的船舶設(shè)計(jì)單位,均不具有船舶結(jié)構(gòu)有限元直接計(jì)算能力,船舶結(jié)構(gòu)基本采取經(jīng)驗(yàn)加強(qiáng)的方式,甚至缺少相關(guān)計(jì)算。因此,開展結(jié)構(gòu)有限元直接計(jì)算研究對于提高船舶結(jié)構(gòu)安全性以及提高整體船舶設(shè)計(jì)水平迫在眉睫。

        2.2 船舶輪機(jī)項(xiàng)目研究要點(diǎn)

        LNG燃料動(dòng)力船舶區(qū)別于傳統(tǒng)柴油動(dòng)力船舶,其燃料具有較大的危險(xiǎn)性,因此,輪機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建造也與傳統(tǒng)的柴油動(dòng)力船舶具有較大的區(qū)別,結(jié)合當(dāng)前廣西船舶建造工藝水平,輪機(jī)系統(tǒng)的研究要點(diǎn)應(yīng)主要包括以下幾個(gè)方面。

        2.2.1 開展LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和施工技術(shù)研究

        根據(jù)西江LNG動(dòng)力船舶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),需要對LNG儲氣罐和LNG發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的布置、LNG報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。同時(shí),要對西江航道及水文等因素帶來LNG發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變化時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)特征進(jìn)行研究,并對動(dòng)力集成系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路和施工技術(shù)進(jìn)行研究,為內(nèi)河LNG船舶動(dòng)力系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)模式提供有效的技術(shù)方案。如為了減少機(jī)艙發(fā)生氣體爆炸的可能性,LNG燃料動(dòng)力船機(jī)艙設(shè)計(jì)必須保證其安全性和可靠性,應(yīng)將氣體燃料發(fā)生泄漏和產(chǎn)生危害的概率和影響降至最低。根據(jù)規(guī)范要求,機(jī)艙采用氣體安全機(jī)器處所或ESD防護(hù)型機(jī)器處所,如何提升和規(guī)范廣西現(xiàn)有船舶設(shè)計(jì)及建造工藝水平,選擇品質(zhì)安全的可操作的機(jī)艙布置形式,是研究的要點(diǎn)之一。

        2.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)LNG供氣系統(tǒng)的主要安全技術(shù)研究

        如前所述,LNG具有易燃易爆的危險(xiǎn)性,LNG供氣系統(tǒng)的安全技術(shù)研究至關(guān)重要,其主要安全技術(shù)包括船舶安全區(qū)域與危險(xiǎn)區(qū)域的劃分,加注站、儲罐及燃料準(zhǔn)備間承接盤的設(shè)計(jì),儲罐氣穹保護(hù)間、燃料準(zhǔn)備間、機(jī)艙雙壁管的通風(fēng)設(shè)計(jì)與風(fēng)機(jī)選型等。

        2.2.3 開展LNG新能源燃料動(dòng)力船舶建造的技術(shù)研究

        通過對LNG燃料儲存罐的設(shè)計(jì)、LNG燃料儲存罐安裝位置和燃料管系的布置、LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的建造、報(bào)警監(jiān)視系統(tǒng)的安裝等方面內(nèi)容進(jìn)行探究,從根本上解決LNG燃料動(dòng)力船舶改造的技術(shù)難題。

        2.3 船舶電氣主要研究要點(diǎn)

        為防止LNG泄露帶來的風(fēng)險(xiǎn),要求對LNG燃料船舶的設(shè)備結(jié)構(gòu)、安裝和使用采取特殊預(yù)防措施。危險(xiǎn)區(qū)域劃分及布置、燃料艙透氣系統(tǒng)設(shè)置、燃料艙接頭處所布置、LNG系統(tǒng)報(bào)警項(xiàng)目設(shè)置是當(dāng)前LNG燃料動(dòng)力船舶建造中需要重點(diǎn)解決的問題。

        2.3.1 危險(xiǎn)區(qū)域劃分研究

        危險(xiǎn)區(qū)域是指可能出現(xiàn)可燃?xì)怏w的區(qū)域。合理的LNG燃料動(dòng)力船舶危險(xiǎn)區(qū)域劃分目的有以下幾點(diǎn):(1)為了采取相應(yīng)的措施來確保船舶在LNG泄露、燃爆風(fēng)險(xiǎn)方面的安全性;(2)減少防爆電氣設(shè)備的使用,進(jìn)而減低船舶設(shè)備成本;(3)減少生活區(qū)域的氣密艙壁,改善生活艙室的通風(fēng),保證船員生活的舒適度。為了減少危險(xiǎn)區(qū)域?qū)Υ暗挠绊?,?yīng)盡可能減少危險(xiǎn)區(qū)域的范圍,合理布置危險(xiǎn)處所的進(jìn)出風(fēng)口、透氣口及加注站。

        2.3.2 加注站布置研究

        從船舶防火和滅火要求考慮,加注站的位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離A類機(jī)器處所/重要機(jī)器處所、起居處所、控制站和較大失火危險(xiǎn)處所。此外,LNG加注站的布置位置和高度還應(yīng)考慮后期船舶營運(yùn)中擬采用的加注型式,如槽車加注、碼頭岸站加注或是躉船加注;還應(yīng)特別考慮采用不同加注型式所需的系泊、軟管吊、加裝接頭的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)等設(shè)備的配置要求。

        2.3.3 可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)研究

        應(yīng)根據(jù)危險(xiǎn)區(qū)域劃分以及風(fēng)險(xiǎn)評估對所有可能存在氣體泄漏的艙室或處所設(shè)置固定式氣體探測系統(tǒng)。氣體探測傳感器的布置位置應(yīng)考慮氣體泄漏以后受通風(fēng)系統(tǒng)影響的擴(kuò)散路徑,以便在最短時(shí)間內(nèi)檢測出泄露處并報(bào)警。

        2.3.4 船用LNG供氣系統(tǒng)控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)研究

        供氣系統(tǒng)的控制、監(jiān)測功能和安全系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、安全性,是實(shí)現(xiàn)LNG供氣系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。開展基于LNG供氣系統(tǒng)組成和原理的控制系統(tǒng)研究,既要電氣系統(tǒng)高度集成,又要充分考慮系統(tǒng)的獨(dú)立性、控制邏輯的合理性,最終實(shí)現(xiàn)智能化控制,避免人為失誤。

        3 結(jié)語

        廣西內(nèi)河造船市場與全國造船業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)相比,造船模式和工藝水平相對落后,基礎(chǔ)薄弱,技術(shù)水平比較低,在LNG燃料動(dòng)力船舶建造上更是起步較晚,LNG動(dòng)力船舶建造及改裝成本高、前期的基礎(chǔ)設(shè)施投資巨大是必須克服和解決的難題。因此,在廣西內(nèi)河推廣LNG燃料動(dòng)力船舶,機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存,需要政府主管部門、航運(yùn)企業(yè)、造船企業(yè)和有關(guān)船舶設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的共同努力。造船企業(yè)要想在其中有所收獲,不僅應(yīng)提高LNG動(dòng)力船舶改裝新建能力,更重要的是通過技術(shù)創(chuàng)新降低改裝成本。只有這樣,才能吸引船東選擇LNG船舶的動(dòng)力改裝和新建,共同做大這一市場,讓該業(yè)務(wù)成為廣西造船業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn),并推動(dòng)廣西內(nèi)河船舶及附屬產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級。

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