雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在LNG運(yùn)輸船上應(yīng)用難點(diǎn)與對(duì)策

段 斌，王志敏

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在LNG運(yùn)輸船上應(yīng)用難點(diǎn)與對(duì)策

段 斌，王志敏

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

介紹電力推進(jìn)液化天然氣（LNG）船應(yīng)用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)之后，由于在機(jī)艙區(qū)通入燃?xì)夤苈范扇∠鄳?yīng)的特殊設(shè)計(jì)和安全措施。機(jī)艙區(qū)的安全區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域需重新劃分；雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)等主要管系均需作有針對(duì)性的特殊設(shè)計(jì)，同時(shí)需設(shè)計(jì)不同控制等級(jí)的應(yīng)急切斷模式；此外，還需全面考慮燃?xì)馓綔y(cè)系統(tǒng)和強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)等安全裝置的設(shè)置。在完成初步設(shè)計(jì)之后，需通過開展全面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和故障診斷分析確保雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)的安全性和可靠性。

LNG船；雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；雙燃料電力推進(jìn)系統(tǒng)；燃?xì)庀到y(tǒng)

0 引 言

自1959年世界上第一艘改裝的液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）船“甲烷先鋒”號(hào)投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，該類型船舶的航線已由美國(guó)路易斯安那州到英國(guó)的單一航線發(fā)展為現(xiàn)在的遍布全球的LNG海上貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)[1]。據(jù)國(guó)際天然氣聯(lián)盟（International Gas Union，以下簡(jiǎn)稱：“IGU”）[2]和伍德麥肯錫等機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，2014年全球通過海運(yùn)完成的LNG貿(mào)易量達(dá)到2.41億t，較2013年增長(zhǎng)2.1%。據(jù)《BP 2035世界能源展望》[3]預(yù)測(cè)，到2020年，全球LNG貿(mào)易量仍將持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)。由此可知，在未來(lái)的幾年中，還將有多艘LNG船陸續(xù)交付使用，運(yùn)能將繼續(xù)增加。圖1為2014年全球天然氣貿(mào)易量及分布。

圖1 2014年全球天然氣貿(mào)易量及分布

1 電力推進(jìn)LNG船

法國(guó)燃?xì)夤尽癎az de France”于2002年在前法國(guó)大西洋船廠下單訂購(gòu)了世界上第一艘采用雙燃料電力推進(jìn)方式的7.4萬(wàn)m3LNG運(yùn)輸船“Gaz de France energy”號(hào)，隨后又在2003年和2007年向該船廠訂購(gòu)了2艘15萬(wàn)m3雙燃料電力推進(jìn)LNG船的姐妹船，由此拉開了電力推進(jìn)LNG船快速發(fā)展的序幕。

電力推進(jìn)LNG船自出現(xiàn)以來(lái)，因具有高效、節(jié)能和污染小等諸多優(yōu)點(diǎn)而深受船東青睞。韓國(guó)、日本和我國(guó)的各大型船廠相繼推出15萬(wàn)～18萬(wàn)m3級(jí)別電力推進(jìn)LNG船的設(shè)計(jì)，短短數(shù)年間已建成的LNG船和投放的LNG船訂單多達(dá)百艘以上。目前運(yùn)營(yíng)的LNG船中，采用蒸汽透平方式的船舶仍占到 70%左右，而采用常規(guī)低速柴油機(jī)及電力推進(jìn)方式的船舶分別占16%和14%。在手持訂單方面，截至2015年3月，全球160艘LNG船訂單中，有111艘采用DFDE方式，13艘采用蒸汽透平方式，3艘采用低速柴油機(jī)+再液化裝置方式，其余33艘采用雙燃料低速發(fā)動(dòng)機(jī)（DF-SSD）推進(jìn)方式，各推進(jìn)系統(tǒng)所占比例見圖2。

圖2 手持訂單LNG船中各推進(jìn)系統(tǒng)所占比例

2 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

LNG船電力推進(jìn)系統(tǒng)主要包含雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電板、變壓器、變頻器和推進(jìn)電機(jī)等設(shè)備。當(dāng)前大功率船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造廠商主要有2家：曼恩（MAN）及瓦錫蘭（W?rtsil?）。這里就曼恩公司生產(chǎn)的51/60DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)（MAN 51/60DF）在電力推進(jìn)LNG船上的應(yīng)用及相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

MAN 51/60DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是一款能使用重油、柴油和天然氣的三燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，具有燃油模式、燃?xì)饽Ｊ胶蛡溆媚Ｊ降?種操作模式，能為電力推進(jìn)系統(tǒng)和配有可調(diào)槳的機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)提供動(dòng)力，主要應(yīng)用在LNG運(yùn)輸船、豪華客船及一些特種船上[4]。電力推進(jìn)LNG船上通常會(huì)安裝數(shù)臺(tái)（通常為4臺(tái)以上）雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，一方面滿足船舶推進(jìn)及電力系統(tǒng)的需要，另一方面滿足船舶冗余度要求，為全船提供電力。

MAN 51/60DF發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油模式下采用常規(guī)的高壓噴射系統(tǒng)；而在燃?xì)饽Ｊ较屡渲靡粋€(gè)專門的引燃油噴射器，通過共軌系統(tǒng)精確控制引燃油的噴射量，進(jìn)而控制燃燒和排放。值得一提的是，該機(jī)型還具有“共燃模式”，即在要求的工況下單臺(tái)機(jī)器能同時(shí)使用氣體燃料和燃油燃料。這對(duì)于LNG船來(lái)說，極大地提高了燃料系統(tǒng)的靈活性[5]。

3 燃?xì)庀到y(tǒng)帶來(lái)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)與應(yīng)對(duì)措施

3.1 安全空間與防爆空間的合理劃分

由于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是布置在機(jī)艙內(nèi)的，而燃?xì)夤苈芳叭細(xì)忾y組周圍屬于危險(xiǎn)區(qū)域，因此合理地進(jìn)行空間布置劃分以滿足《IGC Code》的要求是船舶燃?xì)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)和布置的關(guān)鍵。該型船的燃?xì)夤┙o管路從貨艙區(qū)通至機(jī)艙區(qū)，為保護(hù)機(jī)艙的安全區(qū)域，需專門布置燃?xì)夤芄芘?，形成“雙壁管”保護(hù)，使燃?xì)夤苈放c機(jī)艙安全區(qū)域隔離。燃?xì)夤┙o管路在進(jìn)入機(jī)艙與雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)連接之前，還需經(jīng)過燃?xì)忾y組的調(diào)節(jié)。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)夤┙o系統(tǒng)與燃油供給系統(tǒng)類似，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀到y(tǒng)中都有專用的“燃油模塊”（即燃?xì)忾y組）。由于發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃?xì)庥袎毫?、溫度及壓力波?dòng)等方面的諸多要求[6]，因此從LNG貨艙來(lái)的蒸發(fā)氣經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮處理之后，首先進(jìn)入燃?xì)忾y組進(jìn)行減壓和穩(wěn)壓處理，并實(shí)時(shí)監(jiān)控燃?xì)鈮毫皽囟?。同時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在常規(guī)燃料模式下轉(zhuǎn)換或在應(yīng)急情況下由燃?xì)饽Ｊ睫D(zhuǎn)換為燃油模式時(shí)，燃?xì)忾y組還要配合發(fā)動(dòng)機(jī)完成機(jī)器和管路中的燃?xì)獯迪垂ぷ鳌?/p>

將雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)組的燃?xì)忾y組布置在單獨(dú)的房間內(nèi)，劃分為獨(dú)立的防爆區(qū)間，并布置專門的抽氣風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)。值得注意的是，抽風(fēng)風(fēng)管的出口附近也是危險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)電氣設(shè)備有防爆要求。另外，在燃?xì)忾y組室與雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)之間的供氣管路需通過機(jī)艙空間，因此也需采用特殊設(shè)計(jì)的雙壁管連接。發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的《安全指導(dǎo)書》[7]中，對(duì)燃?xì)忾y組與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口之間燃?xì)怆p壁管的長(zhǎng)度、雙壁管和燃?xì)忾y組室的燃?xì)馓綔y(cè)傳感器布置及燃?xì)忾y組與供給管路的吹洗等均有詳細(xì)要求，需重點(diǎn)研究。燃?xì)夤┙o系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 燃?xì)夤┙o系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2 特殊的管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于使用的燃料易燃易爆，因此為保障安全，需在設(shè)計(jì)船舶上各系統(tǒng)時(shí)增加必要的燃?xì)獗O(jiān)測(cè)和防護(hù)措施。

3.2.1 排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于發(fā)動(dòng)機(jī)所排氣體中可能含有未燃燒的燃?xì)?，因此為防止天然氣積聚而引發(fā)爆炸，需在排氣管路上配置吹掃風(fēng)機(jī)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常停車或應(yīng)急停止時(shí)，吹掃風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，將可能含有燃?xì)獾膹U氣排出。另外，考慮到燃?xì)庥龅綇U氣中的火花會(huì)引發(fā)爆炸，為避免排氣管損壞，還要在排氣管路的適當(dāng)位置處布置爆破片（見圖4a），從而釋放排氣管中的壓力。爆破片的具體布置位置需通過排氣系統(tǒng)有限元模擬分析來(lái)確定，同時(shí)要注意朝向問題。由于爆破片需要更換，因此通常需儲(chǔ)存多個(gè)爆破片作為備用。此外，還可安裝能反復(fù)使用，替換便捷的安全閥（見圖4b）。

圖4 排氣管上的爆破片和安全閥

此外，排氣管布置也需重點(diǎn)考慮。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸較大，通常需跨層設(shè)計(jì)，因此需注意頂層甲板的高度。由于發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器出口處還要布置膨脹節(jié)和爆破片等附件，因此若層高不夠，將會(huì)導(dǎo)致排氣管缺少?gòu)澢瓦B接空間。針對(duì)這種情況，發(fā)動(dòng)機(jī)廠家采用在增壓器出口處直接連接訂制的 45°轉(zhuǎn)向頭的優(yōu)化方案，能略微緩解高度限制的狀況。另外，由于2016年1月1日及以后建造并在北美排放控制區(qū)、美國(guó)加勒比海排放控制區(qū)及其他NOx排放控制區(qū)內(nèi)航行的船舶安裝的柴油機(jī)需滿足Tier Ⅲ NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，因此目前船東對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最新的技術(shù)要求是所有發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ胶腿加湍Ｊ较露紳M足 NOxTierⅢ要求。這意味著還要在本就已經(jīng)極為緊湊的排氣系統(tǒng)中增加催化還原反應(yīng)裝置（SCR），這對(duì)今后機(jī)艙各層甲板的劃分有較大影響。圖5為復(fù)雜的排氣系統(tǒng)。

3.2.2 滑油和冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在滑油系統(tǒng)中，燃?xì)庠谄字羞M(jìn)行高壓壓縮可能會(huì)被壓縮至滑油中，一旦滑油壓力降低，燃?xì)饩蜁?huì)從中釋放出來(lái)。燃?xì)忉尫胖饕性谇S箱和設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)下方的滑油循環(huán)艙內(nèi)。這些區(qū)域?qū)儆诿荛]空間，因此會(huì)相應(yīng)地布置透氣管和燃?xì)馓綔y(cè)傳感器進(jìn)行透氣及監(jiān)測(cè)。然而，自然透氣的效果不佳，燃?xì)饨?jīng)過一段時(shí)間的積聚之后濃度逐漸增加，最終會(huì)導(dǎo)致爆炸。為進(jìn)一步加強(qiáng)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的防爆措施，在曲軸箱內(nèi)布置專門的抽風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，同時(shí)布置安全閥作為爆炸時(shí)釋放壓力的應(yīng)急保護(hù)措施。此外，滑油循環(huán)艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也需注意。由于發(fā)動(dòng)機(jī)自重＞100t，因此其支撐底腳、基座及滑油循環(huán)艙的結(jié)構(gòu)必須相互對(duì)應(yīng)并具連續(xù)性，使整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到提升，降低局部應(yīng)力和變形。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水系統(tǒng)包括淡水冷卻系統(tǒng)和海水冷卻系統(tǒng)2部分。

圖5 復(fù)雜的排氣系統(tǒng)

1) 淡水冷卻系統(tǒng)是由機(jī)帶的高溫淡水泵和低溫淡水泵將用海水冷卻好的淡水送到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部進(jìn)行冷卻的，因此每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的淡水冷卻系統(tǒng)都是獨(dú)立的。MAN 51/60DF設(shè)置有專門的噴嘴冷卻單元，用來(lái)在重油模式下冷卻高壓油泵的噴嘴。

2) 海水冷卻系統(tǒng)通常被分為左舷和右舷2部分，利用海水通過換熱器對(duì)淡水進(jìn)行冷卻。考慮到冗余度還可在海水總管中間設(shè)置隔離閥，徹底將左發(fā)電機(jī)組和右發(fā)電機(jī)組的冷卻水系統(tǒng)分開，提高船舶動(dòng)力系統(tǒng)的安全性。

在高溫冷卻水系統(tǒng)中，天然氣受壓也會(huì)混入到水中，因此在冷卻水系統(tǒng)中也要布置燃?xì)馓綔y(cè)傳感器。該傳感器通常布置在系統(tǒng)最高點(diǎn)的膨脹水柜上，同時(shí)考慮惰性氣體接口和手動(dòng)燃?xì)鈾z測(cè)接口，保障冷卻水系統(tǒng)的安全性。

3.3 不同控制等級(jí)的應(yīng)急切斷模式

電力推進(jìn)LNG船上安裝有多個(gè)燃?xì)庠O(shè)備，如雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、天然氣焚燒塔（GCU）等。為保證燃?xì)庠O(shè)備在正常工作及應(yīng)急情況下的安全性，通常會(huì)設(shè)置不同控制等級(jí)的應(yīng)急切斷模式。例如：雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)出于安全和冗余度考慮，會(huì)分為左機(jī)艙和右機(jī)艙，每個(gè)機(jī)艙都會(huì)布置2臺(tái)以上的機(jī)器，當(dāng)發(fā)現(xiàn)其中一側(cè)的機(jī)艙有氣體泄漏時(shí)，船上的中央控制系統(tǒng)（IAS）會(huì)立刻切斷其燃?xì)夤┙o，此時(shí)另外一側(cè)機(jī)艙中的機(jī)器還可正常工作；當(dāng)所有雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法使用天然氣時(shí)，IAS會(huì)立刻切斷雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)供氣的主控制閥（MASTER VALVE），而天然氣焚燒塔因使用的是單獨(dú)的燃?xì)夤┙o管路而不受影響，仍能正常工作，以保證貨艙壓力和船舶安全。

3.4 復(fù)雜的安全風(fēng)險(xiǎn)分析

由于LNG船裝有易燃易爆的天然氣，因此設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮各種可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。例如：LNG液貨艙布置在有限的鋼板結(jié)構(gòu)的船體空間內(nèi)，存在低溫泄漏對(duì)主船體造成破壞的風(fēng)險(xiǎn)；透氣桅釋放的天然氣濃度過高及天然氣泄漏到雙燃料柴油機(jī)的排氣管或曲軸箱中，存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)等。由于 LNG船的危險(xiǎn)區(qū)域分布較廣，存在泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，且設(shè)計(jì)復(fù)雜、情況多樣，因此通過開展全面的風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估對(duì)所有的風(fēng)險(xiǎn)源加以識(shí)別，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理開展單點(diǎn)故障模式的失效分析，對(duì)系統(tǒng)在各種極端工況下的可靠性、安全性和受控性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)可能受到的影響進(jìn)行分析，提出合理的應(yīng)對(duì)措施，有效規(guī)避或降低風(fēng)險(xiǎn)，確保船型方案的可行性和可靠性。

4 結(jié) 語(yǔ)

LNG運(yùn)輸船在運(yùn)行過程中必然會(huì)產(chǎn)生自然蒸發(fā)氣，將這些蒸發(fā)氣輸送至雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)作為燃料，不僅能解決LNG貨艙壓力和蒸發(fā)氣處理問題，而且可解決廢氣中NOx和SOx的排放問題，是較為環(huán)保的綠色燃料。但是，將其應(yīng)用在電力推進(jìn)LNG船上時(shí)，不僅要考慮常規(guī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的區(qū)別，還要特別注意燃?xì)庀到y(tǒng)所帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。本文所述的電力推進(jìn)LNG船上雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。

[1] 張則松，王言英. LNG運(yùn)輸船船型淺析[J]. 船舶工程，2003, 25 (4)∶ 25-30.

[2] http∶//members.igu.org/old/gas-knowhow/publications/igu-publications/igu-world-lng-report-2014-edition.pdf.

[3] http∶//www.bp.com/content/dam/bp/pdf/energy-economics/statistical-review-2015/bp-statistical-review-of-world-energy-2015-full-report.pdf.

[4] 蔣瑋，朱新禮. 液化天然氣作為船用燃料的可行性研究[J]. 船舶與海洋工程，2013 (3)∶ 74-78.

[5] http∶//www.corporate.man.eu/man/media/content_medien/doc/global_corporate_website_1/presse_und_medien_1/Short_PR_ JW_Fuel_Sharing_Feature_4-Stk_DF_Engines.pdf.

[6] http∶//marine.man.eu/four-stroke/project-guides.

[7] http∶//zh.scribd.com/document/157452765/Safety-Concept-Dual-fuel-engines.

Difficulties and Countermeasures for the Application of Dual Fuel Engine on LNG Carriers

DUAN Bin，WANG Zhi-min
（Hudong-zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China）

This paper mainly introduces the application of dual fuel engine on the Liquefied Natural Gas (LNG) carriers with electrical propulsion. The safe zones and hazardous zones in the engine room must be rearranged according to the special design and safety precautions of the gas pipelines across the engine room. The major pipelines of exhaust gas system, lubricate oil system and cooling water system as well as the emergency cut-off system with different control levels need to be designed specifically. Moreover, configuration of safety devices for the gas detection system and the forced ventilation system needs to be considered carefully. When the preliminary design is accomplished, it is necessary to have a comprehensive analysis on the potential risk and fault diagnosis to guarantee the safety and reliability of the dual fuel power system.

LNG carrier; dual fuel engine; dual-fuel diesel electric propulsion; gas system

U664.1

B

2095-4069 (2017) 02-0030-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.02.005

2016-04-11

發(fā)改委科研項(xiàng)目（Z150ZE01）

段斌，男，工程師，1985年生。2008年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶輪機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)工作。