小型LNG動(dòng)力船的技術(shù)難點(diǎn)分析

杭州市港航管理局　周小佳

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小型LNG動(dòng)力船的技術(shù)難點(diǎn)分析

杭州市港航管理局周小佳

摘要：對(duì)小型LNG動(dòng)力船在實(shí)際應(yīng)用中存在的包括發(fā)動(dòng)機(jī)、氣體管路、氣罐、透氣口、報(bào)警和應(yīng)急切斷、管路保護(hù)、危險(xiǎn)區(qū)域劃分等一些技術(shù)問題進(jìn)行研究分析，從船舶建造規(guī)范、設(shè)計(jì)制造、船舶檢驗(yàn)、加氣站建設(shè)以及配套政策等方面提出部分解決方法和思路。

關(guān)鍵詞：LNG動(dòng)力；小型船舶；船舶建造規(guī)范

一、引言

隨著全國(guó)性的節(jié)能減排運(yùn)動(dòng)的展開，近幾年LNG動(dòng)力船在全國(guó)各地得到了大規(guī)模的推廣，但從目前來看效果不太理想。究其原因，一是由于油價(jià)的回落使得天然氣的性價(jià)比下降，加上LNG加注碼頭或加注躉船嚴(yán)重缺乏，船東積極性下降。二是目前相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的缺乏和配套產(chǎn)品的落后等因素導(dǎo)致LNG動(dòng)力船的各種技術(shù)指標(biāo)很難完全達(dá)到規(guī)范要求，限制了LNG動(dòng)力船的發(fā)展。要改變這一現(xiàn)象，需要各方積極配合，找出原因，研究對(duì)策。船長(zhǎng)在20～50 m間的小型船舶占我國(guó)船舶數(shù)量的絕大多數(shù)，產(chǎn)生的空氣污染量占船舶排放量的絕大部分，同時(shí)LNG動(dòng)力船在小型船舶上的應(yīng)用難度比大、中型船舶更大，推廣的成果和意義也更大。本文就小型LNG動(dòng)力船存在的主要技術(shù)難點(diǎn)問題進(jìn)行分析，并提出部分解決思路和方法。

二、LNG動(dòng)力船存在的主要技術(shù)難點(diǎn)

1.發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇和氣體管路的問題

LNG動(dòng)力船分單一天然氣和雙燃料（天然氣和燃油）兩種。因單一天然氣燃料供氣壓力高于雙燃料，為避免因氣體泄漏引發(fā)主機(jī)動(dòng)力喪失事故，需采用兩個(gè)或多個(gè)尺寸相近的氣罐或設(shè)兩個(gè)完全獨(dú)立的氣罐連接處所（采用C型氣罐），儲(chǔ)存空間和技術(shù)要求相應(yīng)提高。所以小型船舶一般采用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。目前發(fā)動(dòng)機(jī)分新造和改造兩種。

改造機(jī)天然氣采用總管進(jìn)氣單點(diǎn)噴射和支管進(jìn)氣多點(diǎn)噴射兩種方式。其中總管進(jìn)氣單點(diǎn)噴射方式僅需增加一套燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)，可完全保留柴油機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)，天然氣噴射壓力低，對(duì)燃?xì)獗玫囊筝^低，成本較低，改造方便。但有很多缺陷，如會(huì)引發(fā)爆燃、總管存在爆炸危險(xiǎn)、有燃?xì)鈷叱?、排放性能差、空燃比不夠精確、燃?xì)饽Ｊ较抡{(diào)速性能差等，安全性、經(jīng)濟(jì)性和排放都存在明顯問題。所以這種改造方式應(yīng)予以淘汰。另一種方式是目前絕大多數(shù)改造船舶使用的支管進(jìn)氣多點(diǎn)噴射方式。該方式空燃比比較精確，沒有燃?xì)鈷叱?，排放性能較好，部分解決了總管進(jìn)氣方式的缺陷，但還有單缸爆燃問題、調(diào)速性能差、改造成本較高等缺陷。

新造機(jī)一般采用支管進(jìn)氣多點(diǎn)噴射方式，由于天然氣燃點(diǎn)為650 ℃，而柴油燃點(diǎn)僅為220 ℃，所以利用微量柴油引燃天然氣的微引燃模式可以兼顧兩種燃料的燃燒優(yōu)化，是目前比較理想的發(fā)展機(jī)型。但以上無論哪種類型的國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃?xì)夤苈芳傲悴考毡椴捎寐菁y連接和法蘭連接，如燃?xì)饣旌掀鳌⑷細(xì)鉃V清器、燃?xì)鈬娚溟y等本身都是螺紋連接，有嚴(yán)重的泄漏隱患，規(guī)范規(guī)定螺紋接頭僅適用于外徑不超過25 mm的輔助管路和儀表管路上，所有閥件和法蘭接頭又必須布置在閥箱內(nèi)，供氣管路原則上應(yīng)采用對(duì)接焊全焊透型式，且需100%進(jìn)行射線檢測(cè)。所以供氣管路特別是發(fā)動(dòng)機(jī)附近的管路連接要完全滿足規(guī)范要求有一定難度。

2.機(jī)器處所類型的確認(rèn)

對(duì)小型船舶來說，采用本質(zhì)安全型機(jī)器處所，能夠避免很多由于空間間距小而帶來的問題。但本質(zhì)安全型機(jī)器處所要求供氣管路采用雙壁管。由于機(jī)器處所的供氣管路的雙壁管由船廠施工，發(fā)動(dòng)機(jī)廠家一般不會(huì)考慮雙壁管的要求，所以就目前我們國(guó)家絕大多數(shù)船廠的施工條件和工藝來說，無論采用機(jī)械通風(fēng)導(dǎo)管的雙壁管還是采用填充惰性氣體的雙壁管，對(duì)小型船舶來說都不太現(xiàn)實(shí)。ESD防護(hù)式機(jī)器處所（正常情況下處于氣體安全狀態(tài)，異常情況下可能變?yōu)闅怏w危險(xiǎn)區(qū)域，當(dāng)出現(xiàn)氣體燃料泄漏等異常情況時(shí)，非合格防爆設(shè)備和機(jī)械自動(dòng)關(guān)閉）僅適用于多機(jī)艙船舶，且除免除雙壁管要求外，其他對(duì)機(jī)艙的要求也很高，小型船舶并不適用。所以目前情況下，小型船舶的機(jī)器處所僅可能采用增強(qiáng)安全型機(jī)器處所。

目前許多改建或新建LNG動(dòng)力船供氣管路部分采用雙壁管，氣體閥件單元也做成氣密（氣密效果因工藝不同不盡相同），管路有獨(dú)立的機(jī)械通風(fēng)，另外機(jī)艙其他要求基本參照增強(qiáng)安全型機(jī)艙要求。這種方法滿足規(guī)范要求，機(jī)艙安全性有保障，但成本很高。

3.小船氣罐的布置問題

小型船舶特別是一部分改建船舶，由于船長(zhǎng)的限制，機(jī)艙距船尾較近，氣罐的布置比較困難。為了留出船尾必要的防撞間距，氣罐部分空間要放置在機(jī)艙上方，此種情況按規(guī)范要求必須設(shè)置寬度至少達(dá)到900 mm的隔離艙。為解決這一問題，設(shè)計(jì)時(shí)在其下方機(jī)艙部位增加一塊900 mm高度的隔離區(qū)域。由于小船機(jī)艙高度有限，這一區(qū)域沒有了利用空間，給機(jī)艙區(qū)域的布置帶來了極大的困難。

4.氣體管路及氣罐透氣口與其他區(qū)域的間距問題

一般情況下，小型LNG動(dòng)力船舶的舵機(jī)艙位于氣罐后下方，其開口距氣罐透氣口、燃料閥、氣體管路法蘭等距離較近，但其內(nèi)部設(shè)備不能完全達(dá)到防爆等級(jí)要求，采取過壓措施也不太現(xiàn)實(shí)?？紤]到LNG氣體密度約為空氣的55%，一般情況下很少會(huì)有LNG氣體在舵機(jī)艙積聚，故對(duì)舵機(jī)艙的要求應(yīng)予適當(dāng)放寬，不把其劃入危險(xiǎn)區(qū)域之內(nèi)。氣罐的透氣口位置和高度要求對(duì)小型LNG動(dòng)力船來說是很大的考驗(yàn)。盡管規(guī)范對(duì)內(nèi)河船舶考慮了其布置的困難，對(duì)內(nèi)河船舶氣罐的透氣口的高度從6 m降為3 m，但對(duì)受航道橋梁限制的內(nèi)河船舶，還是偏高。透氣口距機(jī)器廢氣出口及機(jī)艙空氣出口的距離規(guī)范要求為海船10 m，內(nèi)河船舶5 m，對(duì)小型船舶來說，出口的布置是非常困難的。

5.可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警和供氣閥的切斷

可燃?xì)怏w探測(cè)器探測(cè)精度缺乏檢測(cè)手段，規(guī)范要求氣體濃度在20%～40%LEL（爆炸下限）時(shí)發(fā)出報(bào)警或切斷供氣閥。但目前檢驗(yàn)時(shí)沒有有效的檢測(cè)工具和手段來確定氣體濃度和報(bào)警或切斷的可靠性。常用的方法只是簡(jiǎn)單地在探測(cè)器下方釋放可燃?xì)怏w來確認(rèn)是否報(bào)警或切斷供氣閥，而氣體濃度無法確定。

6.危險(xiǎn)區(qū)域的劃分

危險(xiǎn)區(qū)域的劃分參照了閃點(diǎn)≤60°的油船要求。對(duì)小型船舶來說，機(jī)艙部分、舵機(jī)艙部分，特別是艉燈區(qū)域很難布置到危險(xiǎn)區(qū)域以外。危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的電氣設(shè)備只能布置合格的防爆設(shè)備。這幾個(gè)區(qū)域的電氣設(shè)備除一般的防爆燈具和防爆開關(guān)外，沒有合格的防爆航行燈及其他防爆電氣設(shè)備可供。通常的做法是在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的機(jī)艙部分做成氣密，普通機(jī)艙門、窗布置在危險(xiǎn)區(qū)域以外，機(jī)艙及各類進(jìn)風(fēng)口在危險(xiǎn)區(qū)域外，面向船首方向。但舵機(jī)艙和艉燈布置很難解決。

7.氣體充裝管路的保護(hù)

部分船舶的氣罐位于主甲板下方的艙室中，充氣管路部分穿過主甲板，為防止船體發(fā)生冷脆現(xiàn)象及保證充裝人員的安全，管路的保溫是很重要的工作。但目前對(duì)管路的保溫材料的選擇、施工缺乏明確要求，配套的合格產(chǎn)品幾乎沒有。

8.船用產(chǎn)品證書的問題

規(guī)范規(guī)定，與氣體燃料系統(tǒng)相關(guān)的重要產(chǎn)品如氣罐、氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、熱交換器、ECU、燃料管路上的閥件、軟管、波紋管、泵和壓縮機(jī)等需持有CCS證書，但現(xiàn)實(shí)條件下，產(chǎn)品檢驗(yàn)沒有跟上實(shí)際需求，很多部件沒有證書。發(fā)動(dòng)機(jī)廠家僅提供發(fā)動(dòng)機(jī)及配套的電子控制系統(tǒng)（ECU）證書，但氣體燃料控制系統(tǒng)及雙壁管、閥件箱的通風(fēng)系統(tǒng)和機(jī)器處所通風(fēng)系統(tǒng)的控制箱作為L(zhǎng)NG動(dòng)力船舶的重要單元，因?yàn)榇安町惢?，沒有統(tǒng)一的控制系統(tǒng)，往往沒有CCS證書。另外氣罐及燃料管路絕大多數(shù)是由原來生產(chǎn)船用鍋爐或壓力容器的廠家生產(chǎn)，生產(chǎn)條件及技術(shù)條件良莠不齊，外購的閥件五花八門，如核心的防爆電磁閥，有進(jìn)口的、國(guó)產(chǎn)的，類型很多但質(zhì)量得不到有效保證。氣體燃料控制系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家水平也是參差不齊，給船舶安全性和檢驗(yàn)工作留下極大的隱患。

以上是小型LNG動(dòng)力船實(shí)船建造、檢驗(yàn)過程中存在的部分技術(shù)難點(diǎn)，產(chǎn)生的原因很多，有些是短時(shí)期還無法徹底解決的，如發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的提高和成本的控制，其他還有諸如設(shè)備制造廠家和船廠的技術(shù)、工藝缺陷，小型船舶對(duì)規(guī)范的適應(yīng)性還缺乏全面的研究等。為把LNG動(dòng)力真正成功應(yīng)用于小型船舶，提出以下建議。

三、相關(guān)建議

（1）適當(dāng)降低規(guī)范的某些條文要求。規(guī)范對(duì)LNG燃料的危險(xiǎn)性估計(jì)偏高，天然氣的燃點(diǎn)為650 ℃，大于柴油的220 ℃及汽油的427 ℃，其爆炸濃度也大于柴油、汽油，密度也僅為空氣的55%，一般情況下很難有區(qū)域能積聚達(dá)到其爆炸濃度的氣體，所以其危險(xiǎn)程度并不是很大。在采取一些必要的防護(hù)后，如保證必要的抽吸風(fēng)系統(tǒng)，規(guī)定非防爆電氣設(shè)備與閥件、氣體管路等有氣體泄漏危險(xiǎn)的單元的最小間距等，在氣體燃料控制系統(tǒng)和氣體安保系統(tǒng)能正常工作的情況下，安全性是完全可以保障的。危險(xiǎn)區(qū)域的劃分及開口間距的適當(dāng)降低可以使小型LNG動(dòng)力船的設(shè)計(jì)、施工難度大大降低，相應(yīng)的成本也會(huì)有所下降，對(duì)LNG動(dòng)力船的推廣很有好處。

（2）氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、電子控制系統(tǒng)（ECU）、氣體燃料控制系統(tǒng)、LNG氣罐及熱交換器的生產(chǎn)廠家必須密切配合，組合成相對(duì)固定的整體，在目前船廠LNG技術(shù)人員嚴(yán)重缺乏的情況下，只有各方密切配合，才能建造出合格的LNG動(dòng)力船舶。

（3）驗(yàn)船師除必須學(xué)習(xí)掌握相應(yīng)的LNG知識(shí)和檢驗(yàn)技能外，還應(yīng)配備相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備，相互交流檢驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)踐中逐步完善檢測(cè)和檢驗(yàn)方法。CCS對(duì)產(chǎn)品的檢驗(yàn)工作要跟上實(shí)際的需求。因?yàn)榇蟛糠中⌒蚅NG船舶的檢驗(yàn)是由地方船檢部門承擔(dān)的，所以地方船檢部門對(duì)規(guī)范沒有明確需要CCS認(rèn)可的重要產(chǎn)品的檢驗(yàn)工作也要及時(shí)承擔(dān)完成。此外CCS也需要承擔(dān)對(duì)地方船檢部門的技術(shù)指導(dǎo)工作，通過前幾年的實(shí)船試制，盡快發(fā)布檢驗(yàn)指南以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)船師的檢驗(yàn)工作。

（4）進(jìn)一步做好LNG水上加注躉船或岸上加注碼頭的建設(shè)，使LNG動(dòng)力船能方便地加注LNG。

（5）政策的引導(dǎo)工作要加強(qiáng)。除必要的政府補(bǔ)貼、政策扶持外，對(duì)現(xiàn)有大量的低性能、高排放柴油機(jī)要采取逐步淘汰或進(jìn)行LNG改造的方法加以解決。

四、結(jié)束語

從目前國(guó)內(nèi)船廠和船用產(chǎn)品廠的現(xiàn)狀來看，能夠建造完全滿足LNG動(dòng)力船規(guī)范的廠家非常少，一定程度上也限制了LNG動(dòng)力船的發(fā)展。要改變這一狀況，除船廠和產(chǎn)品廠家要不斷投入資金提高技術(shù)水平和生產(chǎn)工藝外，規(guī)范的編寫也要適應(yīng)當(dāng)時(shí)的實(shí)際狀況，循序漸進(jìn)。規(guī)范要求過高有時(shí)會(huì)阻礙新技術(shù)的發(fā)展，欲速則不達(dá)。當(dāng)然，LNG動(dòng)力船規(guī)范的頒布，對(duì)船舶新技術(shù)的應(yīng)用起了一個(gè)非常好的帶頭作用。以往新技術(shù)要應(yīng)用于船舶，很多情況下由于廠家和檢驗(yàn)部門沒有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的支持，規(guī)范所也沒有人力和物力投入新規(guī)范的研究，如此不斷惡性循環(huán)，使得我國(guó)船舶新技術(shù)的應(yīng)用水平非常低。此次LNG動(dòng)力船規(guī)范的頒布很好地解決了這一難題，盡管LNG動(dòng)力船的發(fā)展沒有達(dá)到預(yù)想的效果，但其給我國(guó)船舶制造的發(fā)展起到了非常大的作用。

DOI:10.16176/j.cnki.21-1284.2016.06.003

作者簡(jiǎn)介：周小佳（1966—），男，碩士，高級(jí)工程師，E-mail：zhouxu10@sohu.com