液化天然氣雙燃料動力港作拖輪設計研究

金寶燕，鄭玄亮

（上海佳豪船舶工程設計股份有限公司，上海 200233）

0 引 言

以LNG為代表的新能源在環(huán)保方面具有的獨特優(yōu)勢和產(chǎn)生的效益已經(jīng)越來越顯著，其在船舶交通運輸行業(yè)的應用和推廣已呈潮涌之勢[1]。

以天然氣為能源有利于環(huán)境保護，能夠有效減少溫室氣體排放。根據(jù)某船用LNG燃料發(fā)動機生產(chǎn)商的產(chǎn)品手冊，與使用常規(guī)燃油的內燃機相比，以LNG為燃料的內燃機的減排效果與環(huán)保性能十分顯著，其中CO2排放量降低約22%；SOx排放量降低接近100%；顆粒物排放量降低接近100%；NOx排放量降低約92%。在發(fā)生泄漏的情況下，天然氣會迅速汽化擴散，不易對水體或土壤造成污染。

長期以來，全球范圍內的LNG動力船舶主要集中在歐洲的挪威、荷蘭等國家，船型主要為海峽渡輪、海洋工程輔助船、LNG貨物運輸船等。船舶LNG動力燃料應用相關的設計和建造技術（如LNG燃料發(fā)動機、LNG液貨圍護系統(tǒng)等）也集中掌握在歐美等發(fā)達國家和地區(qū)。我國作為世界造船大國，近年來也有很多業(yè)內的學者和技術人員針對LNG船舶的設計和建造[2,3]、相關設備和系統(tǒng)的關鍵技術[4,5]方面進行了大量的研究工作。

1 動力系統(tǒng)

為滿足大型 LNG運輸船舶港內作業(yè)要求，國內某船東準備投資設計建造一批全回轉港作拖輪?；疽蟪凉M足相關的國內外公約、規(guī)范及LNG行業(yè)通行要求之外，還希望使用LNG燃料作為清潔動力能源以貫徹綠色環(huán)保的理念，提高節(jié)能減排目標。

港作拖輪即主要服務于港區(qū)的拖輪，通常需要按照排定的工作計劃分航次開展周期性服務作業(yè)。圖1為美國洛杉磯和長灘（LA/LB）港口拖輪船隊作業(yè)數(shù)據(jù)。從圖中可以看出港作拖輪的作業(yè)符合特點。根據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，港作拖輪約有90%的作業(yè)時間主機功率低于50%最大負荷，約有98%的作業(yè)時間主機功率低于75%最大負荷。

圖1 美國港口拖輪船隊作業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)

表1是船東根據(jù)LNG運輸船輔助作業(yè)需求給出的LNG終端港作拖輪的作業(yè)時間與主機功率負荷數(shù)據(jù)?？梢?，國內外的港口拖輪作業(yè)性質是一樣的——工況復雜，主機功率變化頻繁，在大部分作業(yè)時間內主機功率負荷不會很高。換言之，在主機高負荷狀態(tài)下的船舶作業(yè)時間比較短。

表1 LNG終端港作拖輪主機功率負荷及時間比例 %

選擇 LNG燃料為船舶主要動力，選取雙燃料發(fā)動機以及氣體燃料發(fā)動機作為拖輪的備選機型。從多方面對兩種發(fā)動機進行綜合分析比較，最終選定適合港作拖輪的動力系統(tǒng)。

雙燃料發(fā)動機可以在兩種燃料模式下工作，不同工況下燃料自動切換，動力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，適應能力強。氣體燃料發(fā)動機燃料單一，對燃料供應與補給條件的依賴性強，現(xiàn)階段有較大的空間和時間的局限性。氣體燃料發(fā)動機是針對單一燃料專門開發(fā)的機型，針對 LNG燃料優(yōu)化，因而燃料效率高，功率特性好。而雙燃料發(fā)動機由于需要兼顧兩種不同特性的燃料，因而在這方面較弱。

氣體燃料發(fā)動機具有良好的動態(tài)響應特性，比一般常規(guī)柴油機的反應速度還快（廠家實驗數(shù)據(jù)），在各種工況下的載荷突加突卸均可以在較短的時間內完成。雙燃料發(fā)動機在燃氣模式下的響應時間比較遲緩，可以滿足一般作業(yè)情況下的負荷變化需求。而對某些需要作出快速高負荷響應的情況，雙燃料主機在燃氣模式下可能難以滿足要求。在此情況下，可以迅速從燃氣模式切換至燃油模式，并在5～10s內完成切換，在燃油模式下作出迅速響應，其反應時間與常規(guī)柴油機相當[6]。

LNG燃料發(fā)動機屬于高新技術，目前處于市場壟斷與技術保護階段。由此導致在船舶整體造價的構成中，燃氣發(fā)動機和燃料供應系統(tǒng)所占比例超過總造價的50%。此外，燃料補給的可靠性和便捷性是設計和選擇動力系統(tǒng)的關鍵因素。根據(jù)當前我國 LNG燃料供應設施的現(xiàn)狀，現(xiàn)階段采用槽罐車加注方式最為切實可行。對于應用 LNG燃料的船型，難免要頻繁（幾天）靠岸加注燃料，尤其是在一個作業(yè)周期內，剩余燃料有限的情況下，燃料的加注將受限于作業(yè)的時間和空間。雙燃料推進系統(tǒng)則能比較靈活地安排LNG燃料和燃油的加注時間，也能夠較好地保障在作業(yè)周期內的服務質量。

最后，由于雙燃料發(fā)動機有兩種燃料供給模式，對現(xiàn)行LNG動力船舶相關規(guī)范和法規(guī)的適用性更好，使動力系統(tǒng)的設計難度和施工難度都有所降低。在國內現(xiàn)有 LNG燃料配套設施的服務水平和條件下，雙燃料發(fā)動機方案是兼顧各種因素的穩(wěn)妥選擇，更有利于LNG燃料的普及和推廣應用。

2 船型優(yōu)化與系統(tǒng)布置

2.1 適用規(guī)范

1) 中國船級社（CCS）《國內航行海船建造規(guī)范》；

2) 中華人民共和國船舶檢驗局《國內航行海船法定檢驗技術規(guī)則》；

3) 材料與焊接規(guī)范；

4) 國際噸位公約；

5) 國際海上避碰公約；

6) 中華人民共和國船舶檢驗局《海船防污染結構與設備規(guī)范》；

7) 瑞典工業(yè)標準（SIS）鋼板除銹和油漆標準；

8) 中國海事局和CCS頒布的其他規(guī)范和規(guī)則，以及上述規(guī)范、規(guī)則的修改通報。

LNG動力船舶的設計和建造除需要滿足上述同類一般船舶的規(guī)范和法規(guī)要求外，還要滿足如下幾個專門針對LNG燃料船舶的規(guī)范要求：

1) CCS《氣體燃料動力船檢驗指南》；

2) CCS《雙燃料發(fā)動機系統(tǒng)與安裝指南》；

3) CCS《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規(guī)范》（氣體儲罐及設備）。

2.2 船型與布置

在確定了主機和動力系統(tǒng)后，選擇若干成熟優(yōu)秀的港作拖輪作為參考母型船優(yōu)化形成初步設計方案。同時考慮到該船雙燃動力系統(tǒng)的特點，比常規(guī)拖輪增加一套LNG燃料存貯和供氣系統(tǒng)，由于LNG燃料的能量密度為柴油的60%，且需要在一定壓力下集中低溫存貯，故需要在主尺度上進行適當?shù)姆糯螅瑫r還必須保證拖輪作業(yè)的靈活操縱性，這就要求布置方案科學合理、充分提高空間利用率。另一方面，布置上適當?shù)膬?yōu)化與調整，并輔以初步性能計算，以保證能安全航行和工作。

該船初步方案設三層甲板室，位于船的舯前部，分設主甲板室、起居甲板室、駕駛室，型深比常規(guī)拖輪略有升高，為主甲板下的LNG罐存貯艙提供必要的布置空間。

主甲板下設有舵槳艙、機艙、LNG罐存貯艙。LNG罐存貯艙位于艏尖艙之后，與錨鏈艙用水密艙壁分隔；機艙位于LNG罐存貯艙之后，由水密橫艙壁分隔。

主甲板上設有公共生活艙室，主甲板前部設錨泊設備，艉部設拖帶系泊設備。氣體燃料補給加氣站設置在主甲板左舷，靠近船首的位置。起居甲板上設有生活艙室、氣脹式救生筏。駕駛室甲板上設有駕駛室。羅經(jīng)甲板上設信號桅一根，船用消防炮2臺。

規(guī)拖輪略顯肥大，整體高度有所增加。另一方面，LNG燃料的特殊物理化學性質使得該船的安全性設計成為一大難點，LNG罐、艙及相關的各類通風、透氣和安全閥門要集中通過組合式透氣桅對外釋放，以盡量減小船舶的危險區(qū)域。由于拖輪船型較小、各類設備布置空間緊湊，危險區(qū)劃分要兼顧不同系統(tǒng)及作業(yè)工況的要求，部分設備的防爆性能要求需要根據(jù)不同特點進行具體分析和處理，最終得到船東認可并通過船級社認證。

[1] 嚴新平. 新能源在船舶上的應用進展及展望[J]. 船海工程, 2010, 39, (6)： 111-115.

[2] 陳建國，等. LNG船建造技術的消化吸收與自主創(chuàng)新[J]. 上海造船, 2010, (1)： 22-24.

[3] 宋吉衛(wèi)，等. 大型液化天然氣船線形設計若干問題研究[J]. 上海造船, 2011, (4)： 1-3.

[4] 吳嘉蒙，等. 液化天然氣船貨艙內部壓力研究[J]. 上海造船, 2011, (1)： 37-42.

[5] 劉文華. 中小型LNG船C型獨立液貨艙載荷分析[J]. 船舶與海洋工程, 2012, (2)： 1-6.

[6] 上海佳豪船舶工程設計股份有限公司. 6500馬力雙燃料港作拖輪主機技術規(guī)格書[Z].