船舶LNG雙燃料技術(shù)應(yīng)用

天然氣最初作為燃料在船上使用源于LNG運輸船上LNG貨物會不斷受熱產(chǎn)生貨物蒸發(fā)氣(BOG)，為了對BOG加以利用，在LNG運輸船上設(shè)置雙燃料主鍋爐，再驅(qū)動蒸汽輪機主推進裝置。隨著技術(shù)的進步，后來出現(xiàn)了雙燃料電力推進系統(tǒng)。但這種系統(tǒng)也存在不足，需要對原有發(fā)動機進行重新設(shè)計并徹底改造，成本高且不能利用原有發(fā)動機，為了克服上述缺點，目前采用的雙燃料系統(tǒng)在保留原有燃油系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝一套燃氣系統(tǒng)，將天然氣與空氣在進氣管總管混合后引入發(fā)動機氣缸，再噴入引燃柴油點燃混合氣，仍按原發(fā)動機的著火方式進行工作。

在雙燃料模式下運行時，該系統(tǒng)以柴油作為引燃燃料，以天然氣作為主燃燃料，由電子控制單元ECU綜合分析處理轉(zhuǎn)速、溫度、油門位置等監(jiān)控參數(shù)之后，精確控制柴油的供油量和天然氣的噴射量，使發(fā)動機始終工作在最佳狀態(tài)。同時也可以通過手動控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，關(guān)閉燃氣系統(tǒng)，在純柴油模式下運行，實現(xiàn)柴油-天然氣雙燃料和純柴油燃料的相互轉(zhuǎn)換，操作簡單方便。

此系統(tǒng)不改變發(fā)動機原有結(jié)構(gòu)，主要部件采用外掛式安裝，雙燃料發(fā)動機易于恢復(fù)原機工作方式，改裝簡單、成本低。目前這種方式是內(nèi)河天然氣發(fā)動機的首選方式，因為改造完全不影響純柴油模式運行的性能，所以操作上具有極強的靈活性，便于在船舶上推廣使用。

作為現(xiàn)有長江干線運輸船舶LNG雙燃料動力改造“試驗船”，“長迅3號”散貨船在總體布置上具有典型的代表性，其主要依據(jù)是《氣體燃料動力船檢驗指南》，本文就其雙燃料動力改造工程的實施情況及相關(guān)建議簡介如下：

改造方案

“長迅3號”的改造工程主要是將原船的柴油發(fā)動機改為柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機，為此增設(shè)了中央電控單元（ECU）、天然氣噴射器、引燃柴油電控裝置（油門執(zhí)行器）、混合器、發(fā)動機監(jiān)測報警等雙燃料控制系統(tǒng)。同時增設(shè)了天然氣供氣系統(tǒng)，并對通風(fēng)、消防、冷卻、電氣系統(tǒng)進行了必要的改造。

系統(tǒng)布置

LNG儲罐：對于現(xiàn)有船舶的改造，難點和首要任務(wù)是確定LNG儲氣罐的安裝位置，應(yīng)該綜合考慮對船舶穩(wěn)性的影響、防火分隔、危險區(qū)域劃分及天然氣管路敷設(shè)的便利性。儲氣罐布置在開敞甲板上，省去了氣罐區(qū)域氣體探測、通風(fēng)等布置，是比較經(jīng)濟的做法。本船設(shè)置了兩只容量為2.98m3的LNG不銹鋼罐體，布置在二樓甲板尾部開敞甲板上，并在儲氣罐面向船首位置設(shè)置一道L形A60防火艙壁，并開設(shè)一道A60級防火門。

氣化撬（氣源總成）：水浴式氣化器、濾清器、減壓器連同必要的防爆電磁、安全閥等組裝成氣化撬布置在儲罐附近。

控制箱總成：ECU、減壓器、天然氣噴射器、阻火器連同必要的閥件組合在一只密封箱體內(nèi)，布置在主機附近。

發(fā)動機改造：改造主要部件均采用外掛式加裝，油門執(zhí)行器直接安裝在燃油泵的尾部；混合器和進氣溫度及壓力傳感器安裝在增壓器后的進氣總管上；轉(zhuǎn)速指令傳感器加裝在柴油機調(diào)速拉桿上；氣缸蓋上加裝燃燒室溫度傳感器；進氣總管端部安裝防爆膜片；曲軸箱增設(shè)一只安全閥。

系統(tǒng)集成：氣化撬、控制箱總成可實現(xiàn)整體供貨，在船上的安裝僅需要用不銹鋼管子把罐區(qū)內(nèi)的氣化撬和機艙內(nèi)的控制箱總成連接起來并完成控制、監(jiān)測系統(tǒng)的電氣連接。從氣化撬到控制箱總成整個長度上的接頭采用全熔透的對焊接頭，管路不能穿過起居處所、服務(wù)處所和控制站，并且布置在距船舷不少于760mm的位置。機艙內(nèi)的管路接頭100%進行射線探傷。

在出現(xiàn)破罐等重大溢出事故導(dǎo)致LNG流入水中時，水中的對流非常強烈，足以使所涉及范圍內(nèi)的LNG急速蒸發(fā)，同時溢出范圍將不斷擴展，形成可燃的蒸汽云，向周圍漂散，遇有火星會將其點燃，除限制單一罐體的容積外，設(shè)置足夠容積的圍堰是避免造成嚴重后果的一個可行方式。

在實船改造過程中，對于“增強安全型”機艙的主供氣管路應(yīng)采用全熔透的對焊接頭，但是系統(tǒng)必備的噴射單元、電磁截止閥、減壓閥、壓力變送器、阻火器等部件之間的連接不可避免，也就存在漏氣的可能。實際操作中將上述裝置集中在一只密閉箱體，即上述控制箱總成內(nèi)，并在其通向開敞處所的透氣管上安裝可燃氣體探測裝置，保證了系統(tǒng)具有相當?shù)陌踩阅?。建議指南中增加相應(yīng)的等效解決措施。

對于指南中要求低溫LNG管路應(yīng)采用頸焊法蘭連接，但目前汽車行業(yè)采用的主管路雙卡套式連接方式已廣泛應(yīng)用，特別是對于小型船舶，LNG管路直徑較小，和車輛用LNG管路有相似的工作條件，建議指南對此種連接方式予以借鑒。

安全及監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)階段船舶多采用以天然氣和燃油為燃料的“增強安全型”機器處所。機器處所通過增強通風(fēng)能力、加強可燃氣體探測與報警，在其氣體燃料管路上采用全熔透對焊接頭等方式，有效防止燃料氣體泄漏帶來的危險。

實船增設(shè)了兩組防爆風(fēng)機，滿足每小時對機艙換氣30次的能力。機艙通風(fēng)機與主機實現(xiàn)雙燃料模式運行連鎖，即當通風(fēng)機開啟至少10分鐘以后，發(fā)動機才能采用雙燃料模式運行，當風(fēng)機因故關(guān)停時，發(fā)動機能自動轉(zhuǎn)換為燃油供應(yīng)。增設(shè)了兩套相互獨立的可燃氣體探測裝置，能對機艙所有位置有效覆蓋并能連續(xù)工作，當可燃氣體濃度達到10%LEL（可能引起爆炸的最低氣體濃度極限點）時，發(fā)出聽覺和視覺報警，達到20%LEL時，切斷通往機艙的氣體燃料的供應(yīng)，發(fā)動機自動轉(zhuǎn)換為全部燃油供應(yīng)。增設(shè)了防爆型的火災(zāi)探測及報警系統(tǒng)，探測系統(tǒng)動作時，可自動切斷通往機艙的氣體燃料的供應(yīng)，機艙照明設(shè)備更換為合格防爆型。

水霧系統(tǒng)

實船按要求設(shè)置了水霧系統(tǒng)對儲氣罐區(qū)域進行冷卻和滅火，但實際上水霧對LNG滅火效果不明顯，反而會使LNG從水中吸取熱量加速LNG氣化成天然氣，甚至可能引發(fā)快速相變（RPT），俗稱“冷爆”現(xiàn)象，進而使損害進一步擴大。建議考慮將水霧系統(tǒng)的作用限于降低環(huán)境溫度。

人員防護

指南未對人員防護用品的配備有明確要求。LNG的危害主要體現(xiàn)在其低溫特性，對人的傷害主要為低溫凍傷和低溫麻醉。在LNG低溫操作或者LNG發(fā)生泄漏，人體直接接觸時，皮膚表面會粘在低溫物體表面上。皮膚及皮膚以下組織凍結(jié)，很容易撕裂，并留下傷口。因此建議對船上應(yīng)配備的個人低溫防護裝備應(yīng)有相應(yīng)的要求。

改造后的實船試驗

“長迅3號”改造完成后進行了各工況下的試驗性運行，各系統(tǒng)工作正常，達到了預(yù)先的設(shè)計要求。發(fā)動機最大功率和調(diào)速性能與改造前相同，純柴油模式和雙燃料模式之間的切換過程平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速波動率小于5%。實船測算表明，改造后具有巨大的經(jīng)濟和環(huán)保效益：燃油綜合替代率達到70%，燃料成本降低約30%；二氧化碳、硫氧化合物、氮氧化合物排放分別降低26%、72%、21.5%。

內(nèi)河雙燃料動力船還屬于新興事物，各種法規(guī)、規(guī)范、標準還有一個不斷形成和完善的過程。目前，該項目已得到國家海事部門的高度重視，組織了相關(guān)行業(yè)的專家進行調(diào)研并進行安全評估，相信“長迅3號”輪很快就會在長江上正式運營。