小型LNG運(yùn)輸加氣船雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)研究

呂志慶，高占峰，楊培智

（1. 中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，遼寧大連 116600；2. 國鴻液化氣機(jī)械工程（大連）有限公司，遼寧大連 116600）

小型LNG運(yùn)輸加氣船雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)研究

呂志慶1，高占峰1，楊培智2

（1. 中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，遼寧大連 116600；2. 國鴻液化氣機(jī)械工程（大連）有限公司，遼寧大連 116600）

近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)于清潔能源的需求不斷增強(qiáng)，國內(nèi)對(duì)于天然氣的需求量越來越大。目前，我國的天然氣運(yùn)輸方式主要有：常規(guī)陸路運(yùn)輸、管道運(yùn)輸、船舶運(yùn)輸?shù)取Ｎ恼轮饕獮橥黄坪徒鉀Q小型LNG加氣船LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)和研發(fā)問題，提升核心系統(tǒng)和裝置國產(chǎn)化率。

LNG加氣船；雙燃料；動(dòng)力系統(tǒng)

0 引言

近幾年，全球變暖、氣候異常等話題已逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，綠色環(huán)保、節(jié)能減排已成為全世界大多數(shù)國家的共識(shí)。在這樣的大環(huán)境下，隨著全球航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，船舶所造成的污染也越來越引起國際社會(huì)的關(guān)注。

隨著我國“氣化長(zhǎng)江”計(jì)劃的持續(xù)開展，在長(zhǎng)江等幾大內(nèi)河流域及一些沿海港口航行的船舶開始采用LNG作為船舶燃料［1］。但是一部分船東還處于觀望狀態(tài)，因?yàn)楫吘筁NG的加氣沒有柴油方便，國內(nèi)也只有幾個(gè)在建的LNG加氣港口。LNG加氣船的出現(xiàn)極大程度上解決了這個(gè)問題。LNG加氣船的建造比LNG加氣港簡(jiǎn)單，而且使用起來可以靈活運(yùn)用。綜上所述，建造小型LNG加氣運(yùn)輸船是發(fā)展液化天然氣（LNG）為船舶燃料的首要保障［2］。而LNG作為L(zhǎng)NG加氣船燃料更是節(jié)省了船舶本身的運(yùn)營成本。本文主要討論如何突破和解決小型LNG加氣運(yùn)輸船LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)和研發(fā)問題［3］，并提升核心系統(tǒng)和裝置國產(chǎn)化率。

1 加氣船研究?jī)?nèi)容與技術(shù)方案

1.1 技術(shù)指標(biāo)

目前相關(guān)的規(guī)則和規(guī)范如下：《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》、《材料與焊接規(guī)范》（2012年）、國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則（2011年）、中國船級(jí)社《國際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》、MSC.285（86）決議、有關(guān)安全安裝船舶天然氣燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的臨時(shí)導(dǎo)則、中國船級(jí)社《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范2013》。

1.2 主要研究?jī)?nèi)容

通過以上規(guī)則規(guī)范來設(shè)計(jì)以LNG為燃料的燃料供應(yīng)系統(tǒng)，并對(duì)以下兩個(gè)方向進(jìn)行分析：

1）對(duì)采用C型單層外包絕緣形式與采用C型雙真空絕熱形式進(jìn)行比較及分析；

2）對(duì)采用LNG泵增壓形式給主機(jī)供給燃料與采用壓力儲(chǔ)罐蓄壓形式給主機(jī)供給壓力進(jìn)行比較及分析。

1.3 可行性分析

1）兩種不同形式的LNG儲(chǔ)罐運(yùn)用在此套LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)上的比較及可行性分析。

（1）單層外包絕緣形式儲(chǔ)罐，如圖1所示；

（2）雙真空絕熱形式儲(chǔ)罐，如圖2所示。

圖1 C型單層外包絕緣形式儲(chǔ)罐

圖2 C型雙層真空絕熱形式儲(chǔ)罐

2）兩種不同形式的燃料供給方式運(yùn)用在此套LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)上的比較及可行性分析。

（1）LNG燃料系統(tǒng)采用LNG泵方式供給燃料；

（2）LNG燃料系統(tǒng)采用儲(chǔ)罐蓄壓方式供給燃料。

結(jié)論：經(jīng)過以上兩種方案的比較，本項(xiàng)目方案最終采用雙真空絕熱罐蓄壓的形式供給燃料。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)組成

LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)主要由以下系統(tǒng)構(gòu)成：

1）LNG壓力儲(chǔ)罐；

2）LNG加氣站；

3）燃?xì)鈿饣?加熱系統(tǒng)；

4）水乙二醇加熱系統(tǒng)；

5）安全系統(tǒng)；

6）管系和閥件；

7）儀器儀表；

8）控制系統(tǒng)。

2.2.1 LNG壓力儲(chǔ)罐

LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)滿足IGC規(guī)則，安裝罐艙內(nèi)，采用真空絕緣罐。儲(chǔ)氣罐設(shè)置了雙層壁且儲(chǔ)氣罐的外殼由耐低溫材料制成， 雙層罐之間設(shè)有防爆片，用于夾層安全保護(hù)。LNG儲(chǔ)罐安裝在由船體基座上，基座由船廠提供。見圖3。

圖3 LNG儲(chǔ)罐罐艙布置圖

2.2.2 LNG加氣站

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于向LNG儲(chǔ)罐內(nèi)充裝燃料，帶回氣功能。設(shè)有充裝接口以滿足需要。為便于控制貨艙內(nèi)的蒸氣壓，充裝過程中貨物蒸氣可采用回氣或上噴淋維持壓力。充裝系統(tǒng)的布置應(yīng)能使充裝時(shí)不會(huì)有氣體排放到大氣中。

充裝結(jié)束時(shí)，采用氮?dú)鈱⒊溲b管線內(nèi)的液體排出。在駁運(yùn)易燃?xì)怏w/液體時(shí)，燃料供應(yīng)方和船廠的充裝站之間提供一套等電位連接裝置。燃料充裝站的設(shè)備組成：每一充裝管路靠近通岸接頭處串聯(lián)安裝一個(gè)手動(dòng)載止閥和一個(gè)遙控切斷閥；在液化氣燃料充裝接頭的下方應(yīng)安裝承滴盤，承滴盤應(yīng)由不銹鋼制成，并應(yīng)通過管路排出舷外；帶絕熱層的液體及蒸氣充裝管線；LNG充裝接頭（和槽車接口相匹配）；必要的壓力及溫度顯示儀表；氮?dú)獯祾呓涌?；LNG充裝接頭防飛濺裝置。

2.2.3 LNG氣化和加熱系統(tǒng)

燃?xì)夤?yīng)至機(jī)艙采用以下兩種模式：

1）利用儲(chǔ)罐蒸氣壓，使液化天然氣流經(jīng)氣化器、加熱器；

2）LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的BOG利用儲(chǔ)罐的壓力流經(jīng)加熱器。

上述兩種操作方式可結(jié)合使用，以滿足船上燃?xì)庠O(shè)備的用氣要求以及燃?xì)夤迌?nèi)的壓力控制。

2.2.4 LNG管系和閥件

當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于-110℃或更低時(shí)，對(duì)管系的每一個(gè)分支應(yīng)提交一份完整的應(yīng)力分析資料供認(rèn)可。

1）LNG管系

LNG管系采用不銹鋼，由管線、法蘭、管件、螺栓螺母、墊片等組成。按照船級(jí)社的要求設(shè)計(jì)。LNG充裝管線采用高真空多層絕熱低溫管，內(nèi)外管之間抽真空，采用珍珠巖填充，內(nèi)外管之間設(shè)支撐塊、液化天然氣充裝接頭、燃?xì)夤?yīng)管。

2）燃?xì)夤?yīng)管

燃?xì)夤?yīng)管線安裝在通風(fēng)管內(nèi)，采用不銹鋼材料。

2.2.5 LNG閥件

閥門需滿足規(guī)范要求，所有LNG閥門采用不銹鋼材質(zhì)。

1）液相。公稱直徑100mm以下，采用對(duì)焊式球閥或截止閥；

2）氣相。公稱直徑100mm以下，采用對(duì)焊式球閥或截止閥；

3）安全閥；

4）彈簧式安全閥。在燃?xì)鈨?chǔ)罐，充裝站液相管和氣相管線的合適位置安裝氣動(dòng)式速閉閥以滿足規(guī)范的要求。

2.2.6 儀器儀表

所有安裝在危險(xiǎn)區(qū)域的儀器儀表應(yīng)為防爆型，并滿足該區(qū)域最低防爆等級(jí)要求。

1）LNG儲(chǔ)罐液位指示及報(bào)警

每個(gè)LNG儲(chǔ)罐至少安裝一套液位測(cè)量裝置，液位顯示的數(shù)值應(yīng)能讀到mm級(jí)。LNG儲(chǔ)罐液位測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)輸出四個(gè)可調(diào)節(jié)的液位報(bào)警信號(hào)，兩個(gè)高位報(bào)警信號(hào)，以及兩個(gè)低位報(bào)警信號(hào)至控制站。數(shù)字式液位指示以及報(bào)警（低位、高位及高高位）可在控制站內(nèi)模塊上獨(dú)立顯示，報(bào)警狀態(tài)以及越控功能將始終處于可視狀態(tài)。

2）溫度指示與報(bào)警

（1）儲(chǔ)罐溫度測(cè)量

每個(gè)儲(chǔ)罐配置2套溫度傳感器，溫度傳感器應(yīng)采用鉑電阻式，測(cè)量范圍在-200℃～+50℃之間。溫度顯示的數(shù)值應(yīng)能顯示到0.1℃。

（2）貨艙處所的溫度測(cè)量

在每個(gè)LNG儲(chǔ)罐處所安裝溫度傳感器，并在控制站提供溫度顯示和報(bào)警。安裝位置為，儲(chǔ)罐處所：一套（位于每個(gè)LNG儲(chǔ)罐的底部）。

（3）充裝管系溫度測(cè)量

應(yīng)在液相充裝管線和蒸氣回流管線的位置安裝溫度指示裝置。

2.2.7 壓力指示及報(bào)警

1）儲(chǔ)罐壓力測(cè)量與報(bào)警

每個(gè)LNG儲(chǔ)罐安裝一套獨(dú)立的壓力報(bào)警及指示裝置，在控制站內(nèi)進(jìn)行顯示及報(bào)警。采用本安型電子式壓力傳感器，壓力表上清晰標(biāo)明LNG罐允許的最高壓力和最低壓力。尤其是LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力應(yīng)在整個(gè)操作過程中進(jìn)行如下的控制。

2）充裝管系壓力測(cè)量

應(yīng)在液相充裝管線和蒸氣回流管線的位置安裝壓力指示裝置。

2.2.8 控制系統(tǒng)

1）啟動(dòng)器

水泵電機(jī)啟動(dòng)器與控制柜集成在一起。

2）主控制板

在集控室設(shè)有一套主控制柜，集中對(duì)燃?xì)庀到y(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行控制。主控制系統(tǒng)采用可編程控制器進(jìn)行控制和管理。同時(shí)設(shè)有一套人機(jī)顯示界面，用于顯示和管理整個(gè)燃料供應(yīng)系統(tǒng)，根據(jù)船舶規(guī)范，駕駛臺(tái)需提供必要的報(bào)警功能。所有的系統(tǒng)及設(shè)備根據(jù)廠家的標(biāo)注以及規(guī)范和公約要求，提供必要的報(bào)警及速閉功能。

在主控制站，可對(duì)儲(chǔ)罐的壓力、液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)，還可執(zhí)行高液位報(bào)警及自動(dòng)切斷功能。

3）駕駛室報(bào)警板

在駕駛室安裝一個(gè)壁掛式的報(bào)警板帶有必要報(bào)警和指示功能。

3 結(jié)論

本套LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)經(jīng)本次研究得到以下結(jié)論：

1）此次研究成功實(shí)現(xiàn)了LNG動(dòng)力船燃料系統(tǒng)的國產(chǎn)自主設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，降低船東對(duì)國外系統(tǒng)供應(yīng)商的依賴性；

2）本系統(tǒng)對(duì)LNG儲(chǔ)存方式及供氣方式等方面進(jìn)行方案優(yōu)化極大程度上的減少了制造成本；

3）本系統(tǒng)燃?xì)夤?yīng)采用儲(chǔ)罐蓄壓方式，而非使用LNG泵供氣，因此本系統(tǒng)在操作上相較于用泵供氣簡(jiǎn)單，并且基本上無需維護(hù)；

4）本系統(tǒng)上成功運(yùn)用了國鴻液化氣機(jī)械工程大連有限公司已有的“一種船舶動(dòng)力裝置的氣體燃料供給系統(tǒng)”及“一種液化天然氣儲(chǔ)存艙氣室罩”兩種專利，這說明本設(shè)計(jì)在這方面的技術(shù)已經(jīng)屬于國內(nèi)的領(lǐng)先，同時(shí)擠身國際高端技術(shù)的行列。

［1］ 高占峰. 內(nèi)河LNG加氣船市場(chǎng)定位研究［J］. 船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師， 2014（1）： 54-56.

［2］ 高德輩. 小型LNG運(yùn)輸加氣船供氣系統(tǒng)研究［J］. 中國科技縱橫， 2015（20）： 48-49.

［3］ 李學(xué)軍， 高占峰， 劉金媛， 等. LNG運(yùn)輸加氣船的電力推進(jìn)系統(tǒng)研究［J］. 科技創(chuàng)業(yè)家， 2014（4）： 123-124.

首艘LNG動(dòng)力示范運(yùn)輸船下水

據(jù)清遠(yuǎn)市交通部門獲悉，隨著廣東省首艘LNG動(dòng)力示范運(yùn)輸船在廣州南沙下水，清遠(yuǎn)市成為廣東省LNG動(dòng)力船新建唯一試點(diǎn)，標(biāo)志著廣東內(nèi)河船舶正式進(jìn)入“氣化”時(shí)代，也預(yù)示LNG船的首條廣東航線有望開通，首個(gè)加氣站將落戶清遠(yuǎn)市。北江船舶“油改氣”工作正在提速，所有船舶發(fā)動(dòng)機(jī)將逐漸由柴油改用安靜環(huán)保的LNG。

據(jù)悉，作為交通運(yùn)輸部“十二五”時(shí)期全國水路運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整十大示范項(xiàng)目之首的“大宗貨物綠色運(yùn)輸北江示范項(xiàng)目”落戶清遠(yuǎn)市，其中推廣LNG動(dòng)力船舶的示范試點(diǎn)應(yīng)用是該項(xiàng)目中尤為重要的一項(xiàng)工作。

2014年5月，清遠(yuǎn)市交通運(yùn)輸局與中海油廣州交通新能源有限公司、廣州航海學(xué)院、廣州市柏福萊海運(yùn)公司清遠(yuǎn)分公司簽訂了北江LNG動(dòng)力船新建試點(diǎn)示范項(xiàng)目四方合作協(xié)議。2015年4月，廣東LNG動(dòng)力船產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立，“大宗貨物綠色運(yùn)輸北江示范項(xiàng)目”LNG清潔能源動(dòng)力示范船在廣州開工建造。根據(jù)規(guī)劃，廣東將在2017年前后投放100艘LNG船。

LNG動(dòng)力示范船下水后將在北江（清遠(yuǎn)至珠三角航線）試運(yùn)行一年，按大宗貨物綠色運(yùn)輸北江示范項(xiàng)目的工作要求將LNG動(dòng)力船向全省、全國進(jìn)行推廣，并由專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

今后幾年清遠(yuǎn)市水路運(yùn)輸業(yè)將迎來清潔能源的新時(shí)代，預(yù)計(jì)在“十三五”期間清遠(yuǎn)市將新建造60艘至100艘LNG動(dòng)力船。至2020年，北江大宗貨物通過水路運(yùn)輸相較公路運(yùn)輸?shù)闹饕廴疚锾寂欧帕款A(yù)計(jì)將減少35.5萬噸。

（來源：廣州日?qǐng)?bào)）

Study of Double-fuel Propulsion System of Small-scale LNG Fueling Carrier

Lv Zhi-qing1， Gao Zhan-feng1， Yang Pei-zhi2
（1. COSCO Shipyard Group Co.， Ltd. Technical Center， Dalian 116600， China； 2. Gloryholder Liquified Gas Machinery （DL） Co.，Ltd.， Dalian 116600， China）

In recent years， with the development of economy， the demand for clean energy is enhanced. The amount of domestic demand for natural gas is getting greater and greater. Recently， our country has the transporting methods for natural gas such as common land route， tube transportation and ship transportation. The paper studies mainly on getting through and solve the design and developing problems of the key equipment of LNG fuel supplying system on small-scale LNG fueling carrier， so as to improve the key system and the equipment domesticization rate.

LNG fueling carrier； double-fuel； propulsion system

U674.92

A

10.14141/j.31-1981.2016.01.016

呂志慶（1970—），男，工程師，研究方向：船舶設(shè)計(jì)開發(fā)。