摘" " 要：船用LNG燃料現(xiàn)已作為國(guó)際公認(rèn)的“環(huán)境友好”型能源，被航運(yùn)市場(chǎng)逐漸運(yùn)營(yíng)使用，但目前還處于初期應(yīng)用階段。本文通過闡述LNG燃料系統(tǒng)的工作原理和設(shè)備構(gòu)成，結(jié)合公司實(shí)際研究項(xiàng)目15000m3耙吸式挖泥船低壓LNG雙燃料系統(tǒng)的實(shí)船建造經(jīng)驗(yàn)，闡述低壓LNG雙燃料系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)及安裝要點(diǎn)，可為承接相關(guān)的LNG燃料船提供技術(shù)儲(chǔ)備。

關(guān)鍵詞：LNG燃料系統(tǒng)；設(shè)計(jì)要點(diǎn)；安裝技術(shù)

中圖分類號(hào)：U661.3" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design and Installation Process Research of Dredger LNG Fuel System

LI Juan

（ COSCO Shipping Heavy Industry （Guangdong） Co.， Ltd.，" Dongguan 523146 ）

Abstract： Marine LNG fuel is now internationally recognized as environmentally friendly energy， and being used gradually for operation in the shipping market， but still at the initial usage stage at present. This article expounds in detail the working principle and equipment composition of LNG fuel system， and elaborates the design amp; installation key points of low pressure LNG dual fuel system equipment in combination with construction experience accumulated in the low-pressure LNG dual fuel system of" 15000 m3 trailing suction dredger e.g. our company actual research project， which would provide technology reserve support for the future relative LNG fuel ships to be undertaken by our company.

Key words： LNG fuel system;" design key points;" installation technology

1" " "引言

在國(guó)際貨物運(yùn)輸中，海洋船舶運(yùn)輸占全球貨物運(yùn)輸總量的2/3以上，隨著世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，海運(yùn)船舶排放廢氣對(duì)大氣污染的環(huán)境問題也日益嚴(yán)重。近年來，國(guó)際海事組織（IMO）和中國(guó)海事機(jī)構(gòu)不斷制定更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)來限制船舶廢氣排放中硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx）的含量。

國(guó)際海事組織（IMO）致力于減少船舶廢氣對(duì)大氣的污染，2015年1月1號(hào)開始船舶廢氣排放在ECAs（排放控制區(qū)域Emission Control Areas） 區(qū)域?qū)嵭?.1％m/m SOx含量上限。海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)MEPC 184（59）決議限定2020年1月1日后在全球范圍內(nèi)（除ECAs外）實(shí)行船舶廢氣排放0.5％m/m硫含量上限。

中國(guó)海事及政府機(jī)構(gòu)頒布限硫、氮氧化物實(shí)施方案，中華人民共和國(guó)海事局發(fā)布《2020年全球船用燃油限硫令實(shí)施方案》，自2020年1月1日起，國(guó)際航行船舶進(jìn)入中華人民共和國(guó)管轄水域應(yīng)當(dāng)使用硫含量不超過0.50% m/m的燃油；交通運(yùn)輸部印發(fā)《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》，2022年1月1日及以后建造或進(jìn)行船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)重大改裝的船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)（單缸排量大于或等于30 L）應(yīng)滿足《國(guó)際防止船舶造成污染公約》第三階段氮氧化物排放限值要求。

在環(huán)保理念和制度日趨發(fā)展完善和科學(xué)技術(shù)的支撐下，尋求新型環(huán)保燃料和技術(shù)的需求迫在眉睫。

2" " 船用LNG系統(tǒng)及設(shè)計(jì)要求

2.1" 船用LNG系統(tǒng)的工作原理

液化天然氣（Liquefied Natural Gas）簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)NG，是以甲烷為主要成分的烴類混合物、無毒、無腐蝕性，在常壓下‐162 ℃左右液化。LNG現(xiàn)已作為國(guó)際公認(rèn)的“環(huán)境友好”型能源，其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/600，重量?jī)H為同體積水的45%左右，熱值約為汽油的1.2倍。憑借燃燒后SOx、NOx近乎零的排放亮點(diǎn)，可同時(shí)滿足IMO限定的氮氧化物、硫氧化物的排放要求，再加上與低硫船用燃油MGO相比天然氣具有的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，使得LNG逐步成為新興的船舶燃料。

一般低壓LNG 燃料系統(tǒng)工作原理為：儲(chǔ)罐采用雙真空絕熱罐，儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力大約3-5 Bar， 供氣壓力6Bar。當(dāng)沒有燃?xì)庀臅r(shí)，可通過上噴淋操作對(duì)儲(chǔ)罐降溫以維持儲(chǔ)罐的蓄壓時(shí)間，通常儲(chǔ)罐的壓力可以至少維持15天不超壓，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力過高時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)上部氣化的LNG可通過旁通管路（旁通蒸發(fā)器）直接給機(jī)艙設(shè)備供氣。經(jīng)過LNG泵增壓后的LNG液體流經(jīng)蒸發(fā)器，加熱氣化的氣體經(jīng)氣閥單元（GVU）單元調(diào)壓后供機(jī)艙內(nèi)的燃?xì)庠O(shè)備使用。LNG 增加泵排量、蒸發(fā)器氣化能力根據(jù)用戶的負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)，以滿足燃?xì)庠O(shè)備耗氣量的需求。

2.2" "LNG雙燃料系統(tǒng)船級(jí)社規(guī)范和國(guó)際法規(guī)要求

LNG雙燃料系統(tǒng)船舶需要符合一系列的船級(jí)社規(guī)范和國(guó)際法規(guī)要求，以確保船舶的安全、環(huán)保和可靠性。

1）國(guó)際法規(guī)：國(guó)際海事組織（IMO）制定了《使用氣體或低閃點(diǎn)燃料船舶國(guó)際安全規(guī)則》（簡(jiǎn)稱“IGF規(guī)則”）。這些規(guī)則為使用LNG作為燃料的船舶提供了國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)。

2）船級(jí)社規(guī)范：各船級(jí)社均有發(fā)布對(duì)應(yīng)的LNG燃料系統(tǒng)相關(guān)規(guī)范或指導(dǎo)文件，比如中國(guó)船級(jí)社（CCS）2017年發(fā)布了《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》，這些規(guī)范提供了關(guān)于LNG燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造和操作的具體要求。它們包括船舶設(shè)計(jì)和布置、材料與管路設(shè)計(jì)、燃料圍護(hù)系統(tǒng)、燃料供應(yīng)、用氣設(shè)備、電氣裝置、制造、工藝與試驗(yàn)等方面的詳細(xì)規(guī)定。

3）或半圍蔽LNG加注站、集液盤容量、空氣閘設(shè)計(jì)等。

4）安全措施： 規(guī)范強(qiáng)調(diào)多層安全防護(hù)理念，包括可靠的圍護(hù)系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)、防碰撞和防火布置，以及人為因素的考慮。

5）技術(shù)更新：隨著技術(shù)的發(fā)展和行業(yè)反饋，船級(jí)社不斷更新其規(guī)范以反映最新的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究成果。例如，CCS在2021年發(fā)布了更新版本《船舶應(yīng)用天然氣燃料規(guī)范》。

6）操作指南： 除了設(shè)計(jì)和建造規(guī)范，還有操作指南，如《液化天然氣燃料加注作業(yè)指南》，為L(zhǎng)NG燃料加注作業(yè)提供技術(shù)指導(dǎo)和安全措施。

這些規(guī)范和法規(guī)確保了LNG雙燃料動(dòng)力船舶在全球范圍內(nèi)的安全運(yùn)營(yíng)，并支持了航運(yùn)業(yè)向更環(huán)保的燃料解決方案過渡。

其中CCS《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》為了確保LNG燃料動(dòng)力船舶達(dá)到與傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船舶同等的安全水平，規(guī)范采用了多層安全防護(hù)理念來保證LNG燃料在船上應(yīng)用的安全性。第一層是采用可靠的圍護(hù)系統(tǒng)，降低LNG泄漏的概率;第二層是配套相應(yīng)的安全控制系統(tǒng)，即使圍護(hù)系統(tǒng)發(fā)生少量泄漏，安全控制系統(tǒng)通過探測(cè)及時(shí)采取相應(yīng)的安全措施，將泄漏產(chǎn)生的后果降到最低;第三層是考慮圍護(hù)系統(tǒng)的防碰撞和防火布置等外部因素，提高其意外情況下的防護(hù)能力;第四層是考慮人為因素，通過加強(qiáng)相關(guān)人員的管理、培訓(xùn)和操作，降低人為失誤產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3" " 15 000 m3耙吸式挖泥船低壓LNG雙燃料

系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)和安裝要點(diǎn)

完整的LNG燃料系統(tǒng)一般由LNG儲(chǔ)氣罐、加注站系統(tǒng)、蒸發(fā)器及加熱系統(tǒng)、氣閥單元（GVU）單元、管路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和燃?xì)庥脩簦p燃料主機(jī)、輔機(jī)、鍋爐）七個(gè)部分組成。

15 000 m3耙吸式挖泥船掛旗國(guó)為比利時(shí)，無限航區(qū)，入籍符號(hào)包括GAS PREPARED（S，ME-DF），BV。采用低壓LNG雙燃料系統(tǒng)，LNG雙燃料系統(tǒng)由芬蘭瓦錫蘭整包提供，主機(jī)型號(hào)為W?rtsil? 16V34DF，最大持續(xù)功率MCR8 000 kW@750 r/min，燃?xì)饽Ｊ较?00%負(fù)荷時(shí)燃?xì)庀穆蕿? 285 kJ/kWh。船舶艏、艉部預(yù)留安裝LNG存儲(chǔ)罐的空間，艉部LNG存儲(chǔ)罐容積630 m3，艏部LNG存儲(chǔ)罐容積630 m3。項(xiàng)目共有一套LNG汽化系統(tǒng)，兩套氣閥單元（GVU）單元，集成在艉部LNG存儲(chǔ)罐頂部的罐體連接區(qū)。罐體連接區(qū)（TCS）內(nèi)部設(shè)置溫度、壓力、泄露檢測(cè)等傳感器。LNG加注及日用管路材質(zhì)均為316 L。加注站管路為真空絕緣管；日用管路機(jī)艙部分用雙壁管。配備獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)給艙口空間、氣鎖緩存間、罐體連接區(qū)（TCS）通風(fēng)。另外，雙壁管環(huán)形管腔內(nèi)強(qiáng)制通風(fēng)保證換氣次數(shù)，并設(shè)置檢漏裝置。LNG存儲(chǔ)罐壓力釋放閥泄放到透氣桅特定的危險(xiǎn)區(qū)域。

3.1" "LNG儲(chǔ)罐安裝技術(shù)研究

LNG實(shí)船安裝在國(guó)內(nèi)建造的項(xiàng)目不多，在我司屬于首次，如何保證罐體一次安裝到位的精度，經(jīng)過討論制定如下的安裝工藝要求：

1）船體基座面板螺栓孔需按照廠家資料現(xiàn)場(chǎng)配鉆；

2）LNG罐U型環(huán)和基座U型環(huán)澆筑環(huán)氧樹脂固定，環(huán)氧樹脂的總量應(yīng)最少高出計(jì)算量的10%；

3）罐子的固定端，滑動(dòng)端跟U型基座要均布且通過頂絲調(diào)整保證良好的精度；

4）環(huán)氧樹脂固化后，應(yīng)按照手冊(cè)要求打固定螺栓的扭力。

3.2" "加注站的布置要求

目前國(guó)內(nèi)船舶雙燃料罐加注主要依靠專業(yè)廠家完成，常規(guī)加注流程如下：1）制定LNG槽車對(duì)船舶的加氣程序（包括LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷工作）；2）明確為滿足上述加氣程序中各所需設(shè)備的規(guī)格，包括確定滿足船內(nèi)系統(tǒng)的應(yīng)急切斷ESD系統(tǒng)規(guī)格；3）提供加注風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（檢查表）；4）提供加注的安全方案和確定劃分安全區(qū)域；5）提供LNG氣體（LNG槽車）和液氮。

結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，我司制定加注站的技術(shù)方案如下：

1）加注站需設(shè)計(jì)氣體探測(cè)器，必要時(shí)需安裝攝像頭；

2）LNG輸送管路的進(jìn)口管需安裝濾器；

3）加注站區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū)域，附近電氣設(shè)備為防爆型，艙室透氣帽不能布置在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)；

4）布置在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的管子不能用法蘭、螺紋等可拆接頭連接；

5）加注站周圍需建立水幕系統(tǒng)。

3.3" "蒸發(fā)器、氣閥單元（GVU） 供氣單元布置

本項(xiàng)目的蒸發(fā)器、氣閥單元（GVU） 供氣單元布置在LNG儲(chǔ)氣罐上部的罐體連接區(qū)（TCS）附屬結(jié)構(gòu)內(nèi)，由瓦錫蘭公司打包，如圖4所示。

3.4" 乙二醇水加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布置要求

1）加熱介質(zhì)應(yīng)安裝在甲板下無危險(xiǎn)區(qū)域的地方，透氣管需布置在安全區(qū)域；

2）膨脹柜需安裝在系統(tǒng)的最高點(diǎn)，膨脹柜應(yīng)設(shè)置高低位報(bào)警，氣體檢測(cè)報(bào)警裝置；

3）保持系統(tǒng)管路及設(shè)備內(nèi)部的清潔；

4）加熱介質(zhì)的熱交換器應(yīng)該連接到主機(jī)低溫水系統(tǒng)或者用鍋爐加熱，如果船上沒有適用的加熱系統(tǒng)，需額外配置電加熱系統(tǒng)；

5）使用蒸餾水，如果要加腐蝕劑或者其他藥劑需得到確認(rèn)之后方可加入；

6）混合之后的乙二醇需滿足如下要求：

pH 酸度 " " " " " " "6.5～8.5

硬度 " " " " " " "max. 10 °dH

氯離子含量 " " " " " " "max. 80 mg/l

硫酸鹽含量 " " " " " " "max. 150 mg/l

3.5" "氮?dú)庀到y(tǒng)要求

1）氮?dú)馄康淖钚毫?.25 bar，最大壓力為10bar，且容積要滿足5倍以下管道的總體積要求：從加注站到LNG罐的管道體積；從氣閥單元（GVU）到主機(jī)供氣進(jìn)口的管道體積；

2）氮?dú)饪偣苈沸璋惭b流量傳感器，傳感器要接到LNG控制系統(tǒng)；

3）氮?dú)饧兌茸钌?5%，露點(diǎn)為-40 ℃；

4）氮?dú)馄啃柙谂趴諣顟B(tài)下15 min之內(nèi)充滿，且氮?dú)馄恳惭b壓力傳感器；

5）雙作用聯(lián)動(dòng)切斷閥，止回閥需安裝在氮?dú)夤苈飞峡拷麹NG管路的位置；

6）氮?dú)夤苈窇?yīng)設(shè)置濾器防止污物進(jìn)入LNG系統(tǒng)。

3.6" "LNG 燃料管系布置設(shè)計(jì)要求

1）貨艙區(qū)域LNG輸送管路布置在橫艙壁及空艙里，方便現(xiàn)場(chǎng)安裝；

2）除了應(yīng)力和載荷分析外，LNG 管路布置還應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

（1）法蘭連接處需加設(shè)防靜電設(shè)施；

（2）管路布置需在船舷800 mm之內(nèi)；

（3）管路布局需考慮管段、附件等的焊接及絕緣的安裝；

（4）管碼（滑動(dòng)或固定）應(yīng)布置合理，考慮熱脹冷縮導(dǎo)致的管路滑動(dòng)、膨脹彎的布置等；

（5）內(nèi)外彎頭需要特殊定制，避免相互碰撞及無法安裝的問題，彎頭及三通件需經(jīng)船級(jí)社認(rèn)可；

（6）外管路接頭處應(yīng)預(yù)留出來，彎頭剖開船上焊接。

3）本項(xiàng)目雙層管的設(shè)計(jì)、安裝等注意事項(xiàng)：

（1）主機(jī)供氣管路內(nèi)管/外管設(shè)計(jì)壓力10 bar，設(shè)計(jì)溫度0 ℃-60 ℃；

（2）管路等級(jí)，以及測(cè)試報(bào)告需滿足規(guī)范及規(guī)格書要求；

（3）雙層管外腔空間的換氣次數(shù)30次/小時(shí)；

（4）主機(jī)LNG透氣管要與LNG罐透氣管分開布置，以免LNG在維修操作時(shí)可燃?xì)怏w進(jìn)入機(jī)械區(qū)域；

（5）LNG透氣管的最低點(diǎn)需設(shè)置泄放點(diǎn)。

3.7" "通風(fēng)系統(tǒng)控制，轉(zhuǎn)換，檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究

1）罐體連接區(qū)（TCS）及雙壁管

（1）在機(jī)械排風(fēng)管上配置2×50%的兩臺(tái)變頻排風(fēng)機(jī)（防爆，MED證書），兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的電源分別來自主配電板及應(yīng)急配電板，如一臺(tái)故障，必須保證通風(fēng)量大于50%；

（2）為每臺(tái)排風(fēng)機(jī)配備一個(gè)電動(dòng)防火風(fēng)閘（防爆，MED證書），風(fēng)閘與風(fēng)機(jī)連鎖，風(fēng)機(jī)停則風(fēng)閘關(guān)閉；

（3）在進(jìn)風(fēng)管上安裝電動(dòng)防火風(fēng)閘（防爆，MED證書），并與排風(fēng)機(jī)連鎖，如果兩臺(tái)排風(fēng)機(jī)都停止工作，則該風(fēng)閘關(guān)閉；

（4）防火風(fēng)閘需要能在消防控制站手動(dòng)控制。

在罐體連接區(qū)（TCS）艙內(nèi)安裝氣體檢測(cè)裝置，在雙壁管的排風(fēng)管上安裝氣體檢測(cè)裝置，并將信號(hào)反饋給氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在進(jìn)行氣體檢測(cè)的時(shí)候，進(jìn)風(fēng)管的風(fēng)閘關(guān)閉，但排風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。

2）氣鎖緩存間及艙口空間

（1）在氣鎖緩存間及罐體連接區(qū)（TCS）內(nèi)各安裝1個(gè)壓力傳感器，用來監(jiān)測(cè)兩個(gè)艙室內(nèi)的壓差。在氣鎖緩存間的兩道門上安裝限位開關(guān)，在兩道門外都安裝報(bào)警裝置（黃、紅報(bào)警燈及聲音警報(bào)）；

（2）黃色的報(bào)警燈指示的是氣鎖緩存間的門開關(guān)狀態(tài)，任一門打開，燈亮。以下任一情況發(fā)生，紅色的報(bào)警燈亮，同時(shí)聲音警報(bào)響：壓差小于0.2 mbar；兩道門同時(shí)打開；一道門打開的時(shí)間超過20 s；氣鎖緩存間送風(fēng)機(jī)停止工作；警報(bào)啟動(dòng)的同時(shí)，限制艙室門打開，直到壓力或壓差恢復(fù)。聲音警報(bào)持續(xù)10 s，可以以官員的身份登陸取消警報(bào)；

（3）在氣鎖緩存間艙內(nèi)安裝氣體檢測(cè)裝置，并將信號(hào)反饋給氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.8" "通風(fēng)管道布置及設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

1）所有的進(jìn)、排風(fēng)管不能向下彎，只能水平或向上，最好是有向上的斜度；

2）所有的進(jìn)、排風(fēng)管在接到風(fēng)閘或風(fēng)機(jī)前，要使用無縫鋼管，不能使用可拆接頭，且需要滿焊；

3）除了氣鎖緩存間的自然排風(fēng)外，其他所有進(jìn)、排風(fēng)口都涉及危險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)應(yīng)的設(shè)備及附件都需要按處所及功能分別安裝在獨(dú)立的艙室內(nèi)（本船為克令吊筒體及獨(dú)立的甲板室）。不同危險(xiǎn)區(qū)域的風(fēng)口，要按要求保持距離。其他無關(guān)的開口，電氣設(shè)備不得布置在危險(xiǎn)區(qū)域之內(nèi)，如無法避免，則需更換為滿足要求的設(shè)備進(jìn)行布置；

4）在流量調(diào)節(jié)閥至排風(fēng)機(jī)中間的管段，盡量對(duì)稱布置；

5）加熱器后面的進(jìn)風(fēng)管，都需要包覆隔熱絕緣，避免熱量損失；

6）本船所有涉及LNG的通風(fēng)口，除氣鎖緩存間外，附近均為危險(xiǎn)區(qū)域，本船將這些通風(fēng)口均延伸至克令吊筒體頂部；

7）有一個(gè)特殊情況，艙口空間的排風(fēng)，因?yàn)榕摽诳臻g屬于ZONE 2，其他艙室通風(fēng)口附近（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）

為ZONE 1，不能安裝在一起。不同危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)的通風(fēng)口不能布置在一起，必須滿足規(guī)范要求的距離。

4" " 結(jié)語

通過對(duì)船用LNG雙燃料裝置系統(tǒng)開展綜合性研究，自船舶的基本設(shè)計(jì)入手，貫穿LNG雙燃料系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)計(jì)，對(duì)船用LNG系統(tǒng)各組成部分關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)和核心設(shè)備有了更深一步的了解，結(jié)合企業(yè)實(shí)際的項(xiàng)目建造過程，有效識(shí)別了LNG船用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造過程的重難點(diǎn)，有針對(duì)性的進(jìn)行難點(diǎn)課題的攻關(guān)。促使企業(yè)在雙燃料項(xiàng)目建造技術(shù)上進(jìn)行了新技能的提升與實(shí)踐，為未來公司承接更多的LNG雙燃料修、造項(xiàng)目奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。