纯LNG动力船设计与建造要点浅析

中国船级社武汉规范研究所  甘少炜 范洪军

摘要：结合IGF规则和中国首艘纯LNG动力拖轮实践，分析了纯LNG动力船的设计与建造要点，并给出了相应的解决方案，对纯LNG动力拖轮的建造与优化具有一定的借鉴意义。

关键词：纯气体发动机；双壁管；冗余

 

纯LNG动力船，顾名思义，是指船舶主推进仅使用液化天然气（LNG），而不使用其他燃料的船舶。由于LNG基本不含硫、不含杂质，其主要成分甲烷的碳原子含量少等特性，纯LNG动力船在硫氧化物（SOx）、颗粒物（PM）和二氧化碳（CO₂）减排方面具有天然优势；由于仅需针对气体特性设计发动机，而不必如双燃料发动机那样需在燃油和燃气两种模式间作出“平衡”和“折衷”，纯气体燃料发动机一般具有更高的热效率和更好的动态响应特性。但是，受燃料单一性与气体燃烧特性限制，纯LNG动力船在燃料供应、发动机设计等方面，又具有特殊之处。本文将结合亚洲首艘纯LNG动力船——中海油“海洋石油525号”6500HP港作拖轮，浅析纯LNG动力船的设计与建造要点。

1.气体燃料供应系统

相对于双燃料动力船，纯LNG动力船缺少“燃料冗余”，即在发生气体燃料泄漏的情况下，不能切换到燃油模式，所以在《使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则》（IGF规则）^[1]中，明确要求“对于单一气体燃料装置，从气罐至用气装置，燃料供应系统应布置成完全冗余和分隔，以确保一套燃料供应系统发生气体泄漏时，不会导致不可接受的功率损失。气体燃料储存应分成两个或多个气罐，储罐应位于独立的舱室。对于C型气罐，如果一个气罐设有两个完全独立的气罐连接处所，则可接受仅设一个气罐”。可以看出，IGF规则的基本原则是，气体燃料供应系统上的单一故障，不应导致“不可接受的功率损失”，因此，纯LNG动力船一般通过“供气系统冗余”或“动力系统冗余”的方式来满足IGF规则要求。

要设置冗余，必须弄清楚“气体燃料供应系统”包括什么，在IGF规则中，并无“气体燃料供应系统”的定义，一般理解为从LNG燃料储罐的主阀至发动机燃气进气总管之间的管路、阀件和设备（如气化器、加热器、压缩机等）等组成的系统。因此，气体燃料供应系统冗余，也就意味着相关管路、阀件和设备的冗余，例如，在只设一个C型气罐和两路供气的情况下，气罐主阀、气化器、互锁阀（DBB阀）、气阀单元（GVU或GRU）等，都需设置双套。

在“一套燃料供应系统发生气体泄漏时，不会导致不可接受的功率损失”这一原则指导下，纯LNG动力船的供气系统可由如下几种方式（以C型气罐为例）：

（1）  一台纯气体燃料发动机，两个气罐，两套气体供应系统；

（2）  一台纯气体燃料发动机，一个气罐，两套气体供应系统；

（3）  两台纯气体燃料发动机，两个气罐，两套气体供应系统；

（4）  两台纯气体燃料发动机，一个气罐，两套气体供应系统；

上述四种布置分别见图1中的（1）、（2）、（3）、（4）所示。

 

（1）                                （2）

  

（3）                                （4）

图1 纯气体燃料发动机动力系统布置方案

 

“海洋石油525号”6500HP港作拖轮采取了上述（3）的布置型式，如图2所示。

图2  “海洋石油525号”港作拖轮动力系统布置示意图

 

2.纯气体燃料发动机

常规船舶柴油机采用迪塞尔循环，没有爆燃的风险，当负荷突增时，可以通过调速器增加燃油喷射量来保持发动机转速稳定。即使是满负荷突增，最多也只会发生冒黑烟的现象（局部区域油气混合不均，造成不完全燃烧）。对于高压气体燃料发动机，其采用迪塞尔循环，当负荷突增时，增加燃气喷射量，由于燃气是在点火后高压喷入气缸，不参与压缩过程，所以无爆燃风险，发动机的瞬态响应能力与柴油机基本无异。

但对于低压气体燃料发动机，气体从进气道喷入，与空气一起参与压缩，采用的是奥拓循环。负荷突增时，气体燃料喷射量增大，而增压器由于转速来不及迅速提高而导致新鲜空气的供应不能相应的迅速增加，这样就会造成过量空气系数下降，气缸内存在浓燃气-空气混合气，所以在压缩过程中存在爆燃风险^[2]；另一方面，过量空气系数过高，则气缸存在熄火风险。因此，对于纯气体燃料发动机，对于过量空气系数（或空燃比）的控制十分重要，尤其是对于高平均有效压力（P_me）的发动机，其空燃比的“可用窗口”非常窄（如图3所示），对其控制要求非常精确，所以对于高P_me的低压气体燃料发动机，一般不允许过快加载，以免发生爆燃，常配合可调桨（CPP）或电力推进系统使用。但本船的纯气体燃料发动机，采用了废气旁通、可变截面增压器（或称可变喷嘴环，VGT，如图4所示）、进气节流阀等系列技术，能够在保证高P_me的情况下，迅速控制空气进气量和精确的空燃比，以应对负荷的变化，因此，具有良好的瞬态响应特性，据称可配合定距桨（FPP）使用（但目前尚无配合FPP使用的实船案例）。国产低压纯气体燃料发动机，其P_me相对较低，因此空燃比的“可用窗口”较宽，对其控制要求相对较低，所以允许较快的加载速率，据称也可配合定距桨使用。

       

图3  OTTO循环λ-P_me              图4  可变截面增压器

 

3.双壁管（double wall piping）

本船机舱型式为气体安全机舱，或称本质安全型机舱，其本质是，在机舱内，通过设置环围（双壁管外管）的方式，从机舱内“隔离”出一个空间，在其内部布置气体供应管路、阀件、接头等，这样，即使发生接头泄漏、供气管路破裂等故障，可燃气体也不会漏入机舱。IGF规则和《天然气燃料动力船舶规范》（以下简称“规范”） ^[3]对于机舱内的双壁管均有详细要求，实船的常见布置如图5所示。

图5 典型气体安全机舱的布置

双壁管应视作一种围护理念，而不应视为具体产品，对于其形状、大小并无限制，只要满足相应的气密、强度要求即可。比如，内设“气体阀件单元（GVU或GRU）”的处所或房间，可视作双壁管的“外管”，对于小型船舶，由于空间和布置的限制，该处所或房间可“缩减”为一个密闭的“阀箱”，安放在机舱内部，该阀箱仍可视作双壁管的外管。本船的GRU如图6所示。

图6  气体调节单元（GRU）

双壁管在建造过程中有两个难点，一是双壁管应终止于何处，二是双壁管内管（inner pipe）的联接与支承。根据IGF规则要求，“发动机本体上的所有气体管路应设置双壁管，直至气体喷入气缸；但对于从各气缸空气支管直接进气的低压气体燃料发动机，如果单一故障不会导致可燃气体漏入机舱，则空气支管上可免设双壁管。”可以看出，这里免设双壁管的对象仅限于低压、支管进气的气体燃料发动机，对于如何判断“单一故障不会导致可燃气体漏入机舱”，规则没有给出明确说法，在“规范”中给出的方案是，在发动机上方设置一个可燃气体探测器，并连接至安保系统。

对于双壁管内管的联接与支承，目前有多种做法，如：内外管采用双联法兰接头，既能联接又能支承；内管采用法兰接头，通过弹性滑动式支承或悬吊式支承置于外管内部^[4]，等等。各厂家可根据实际情况，设计更实用、方便的内外管联接和支承方案。

   

图6 滑动式或悬吊式支承

 

4.结语

 “海洋石油525号”6500HP港作拖轮的顺利建造，标志着我国在纯LNG动力船设计、建造、检验等方面达到了国际先进水平，为后续同类船型的建造积累了宝贵经验。但应看到，在纯气体燃料发动机、C型以外的其他型式LNG燃料舱等关键设备、系统的研发和制造方面，我国尚存在较大差距，只有真正掌握这些关键技术，才能使我国纯LNG动力船舶的应用和发展达到新的高度。

 

 

参考文献

[1] IMO Resolution MSC.391（95）, International Code of safety for ships using gases or other low-flashpoint fuels  

[2] CIMAC WORKING GROUP “GAS ENGINES”, POSITION PAPER-TRANSIENT RESPONSE BEHAVIOUR OF GAS ENGINES

[3] 中国船级社，天然气燃料动力船舶规范，人民交通出版社

[4] MAN, Latest results and ME-GI design updates, Two-stroke propulsion