船舶雙燃料動力系統(tǒng)設(shè)計安裝研究

何金平，周 呈，王炳軒，張 龍，王連佳

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津300452)

0 引言

天然氣燃料作為一種清潔能源，隨著國際海事組織(IMO)在海事環(huán)保領(lǐng)域的法律法規(guī)趨于嚴厲，其在船舶海運領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到市場的青睞。雙燃料發(fā)動機作為船舶燃用天然氣的一種安全可靠和高效率的動力裝置，隨著技術(shù)的進步，已逐步被市場接受。首先在LNG 運輸船舶上得到了廣泛使用，在新造船市場已全面替代了原雙燃料鍋爐和蒸汽透平的動力系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)液體燃料，天然氣燃料的高環(huán)保性和高經(jīng)濟性，已越來越引起傳統(tǒng)海運船舶市場注意，全球主要的常規(guī)船舶運營船東，都開始關(guān)注和評估天然氣燃料的運用在新造船和已有船舶改造中的可行性。對于課題船舶小型LNG 運輸船舶來說，自身貨物的自然蒸發(fā)氣可直接用作船舶的推進動力，選擇一套適合自身船舶營運和操作特點的動力系統(tǒng)對船舶后續(xù)的運營安全性和經(jīng)濟性是至關(guān)重要的。

和傳統(tǒng)油類燃料相比，目前天然氣在船舶燃料中所占的比例較小，主要用于LNG 運輸船。隨著世界各國政府對環(huán)境問題的日益重視，對能源的環(huán)保和可再生的要求也越來越高，常規(guī)油類燃料的不足就凸現(xiàn)出來。盡管天然氣作為船用燃料具有很好的環(huán)境友好性能，但是大部分船東對采用天然氣作為船舶的主要燃料還持觀望態(tài)度。雙燃料動力系統(tǒng)與常規(guī)柴油動力系統(tǒng)的最主要區(qū)別為燃料的不同及其引起的發(fā)動機設(shè)計原理和輔助系統(tǒng)的不同[1]。氣體燃料與液體燃料的區(qū)別及其導(dǎo)致的設(shè)計安裝特點與區(qū)別，對于船舶的整體設(shè)計至關(guān)重要。因此，有必要對雙燃料動力系統(tǒng)的安全性、設(shè)計及安裝開展研究。

1 氣體燃料特點及安全保障措施設(shè)計特點

與傳統(tǒng)的液體船用燃料相比，作為LNG 運輸船主要燃料的天然氣燃料的最主要特點為低閃點。SOLAS(國際海上人命安全公約)在船用燃料安全性方面的相關(guān)規(guī)定為燃料的閃點應(yīng)不低于60 ℃，而天然氣的閃點約為-175 ℃。為了使天然氣燃料能夠在船舶上使用，對其安全性是必須放在首要位置進行考慮的。一切安全保障措施的設(shè)計、布置及安裝必須基于天然氣燃料的自然屬性，包括閃點、爆炸極限及密度等屬性。

天然氣作為燃料在船舶上使用，必須進入機艙，而機艙按照SOLAS的定義，為A 類機器處所，其為具有高度失火危險的處所。天然氣作為低閃點燃料進入機艙供發(fā)動機使用，為保證天然氣的安全使用必須保證如下幾點：①保證天然氣不會泄露而導(dǎo)致機艙內(nèi)出現(xiàn)爆炸極限內(nèi)的大氣。②保證點火源不會在爆炸性大氣中出現(xiàn)。③隨時監(jiān)控機艙內(nèi)是否出現(xiàn)天然氣泄漏。④即使在出現(xiàn)危險情況的狀態(tài)下仍能保證船舶的最小推進要求。

為了使氣體燃料在機艙內(nèi)產(chǎn)生爆炸的可能性最小化，IGF(國際氣體燃料安全規(guī)則)和CCS出版的《氣體燃料動力船檢驗指南》均給出了使用天然氣燃料機艙的安全準(zhǔn)則。有2種機艙安全設(shè)計概念可供選擇，即本質(zhì)安全型機艙和ESD保護型機艙[2]。

本質(zhì)安全型機艙：機艙的布置應(yīng)使得機艙在認可情況下(正常和不正常)均處于氣體安全狀態(tài)。

ESD保護型機艙：機艙的布置使得機艙在正常情況下被認為處于氣體安裝狀態(tài)，但在某種異常情況下可能變?yōu)闅怏w危險區(qū)域。當(dāng)出現(xiàn)燃料氣體泄露等異常情況時，非安全設(shè)備(點燃源)和機械應(yīng)自動關(guān)閉，只允許防爆型設(shè)備或機械運行。

對于上述2種不同的機艙設(shè)計類型、規(guī)則和規(guī)范給出了不同安全等級的設(shè)計、布置和安裝的要求。對比如表1所示。

2種類型機艙的最大區(qū)別為機艙內(nèi)的供氣管路是否為雙壁管設(shè)計。2種機艙的具體特點以及技術(shù)要點如表2所示。

表1不同機艙設(shè)計規(guī)則要求對比Tab.1 Comparison of different engine room design rules

表2不同機艙設(shè)計特點對比Tab.2 Design features of different engine rooms

2 氣體燃料動力系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)設(shè)計特點

氣體燃料具有諸多優(yōu)點：一是可以滿足IMO關(guān)于廢氣排放的要求，可使船舶在排放控制區(qū)內(nèi)自由航行而不必繳納排放稅；二是不用為船用發(fā)動機安裝廢氣處理系統(tǒng)，能夠降低購置成本和運行成本；三是如果采用雙燃料的發(fā)動機，在排放控制區(qū)外，船用發(fā)動機燃料可在氣體燃料和燃油之間自由切換，選擇使用成本最低的燃料，可避免燃料價格波動對船舶運營成本產(chǎn)生較大影響。

鑒于以上諸多優(yōu)勢，加上自2010年以來LNG一直被認為是未來最理想的船用發(fā)動機燃料，船東和運營商對該類發(fā)動機的興趣越來越大。目前來看，在航運市場和造船市場低迷的背景下，船東的安裝意愿不強，但等到市場好轉(zhuǎn)，從節(jié)約運營成本的角度考慮，船東和運營商一定會優(yōu)先選用這種清潔燃料。此外，由于在存儲、加氣等方面的基礎(chǔ)設(shè)施尚不完善，目前很難對在航船舶提供及時、完善的LNG 供給，這在一定程度上也制約了此種燃料的推廣和使用，但是，隨著相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施逐步建成后，LNG 作為船用發(fā)動機燃料的主要障礙將被消除，屆時，LNG 燃料市場需求將快速增長。

瓦錫蘭DF發(fā)動機的排放物較少，NOx排放物只有相同功率柴油機的十分之一，產(chǎn)生CO2排放物也少。這主要歸功于天然氣燃料本身所具有的優(yōu)勢?！秶H防污染公約》附則VI《防止船舶造成大氣污染規(guī)則》已于2005年5月19日生效，它對NOx的排放提出了嚴格的具體要求：對于2000年1月1日以后建造或經(jīng)過重大改裝的船舶，輸出功率大于130 kW 的柴油機，當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速n＜130 r/min 時，NOx≤17 g/(kW·h)；當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速130 r/min≤n＜2000 r/min 時，NOx≤45 g×n-0.02 g/(kW·h)。當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速n≥2000 r/min 時，NOx≤9.8 g/(kW·h)。顯然，雙燃料發(fā)動機比柴油機、燃氣輪機更容易滿足《防止船舶造成大氣污染規(guī)則》的要求[3]。

截至目前，LNG 船舶加氣方面的技術(shù)問題一直是限制行業(yè)發(fā)展的最主要因素。由于船舶受潮漲、潮退影響，無法確定停泊位置，而LNG 輸送管道均為低溫管道，不易延展與伸縮，給船舶加氣成了目前需要克服的最大難題。目前，國內(nèi)也有嘗試利用躉船，即一種移動式的小型儲氣船只，與陸上管道實現(xiàn)對接，裝滿LNG 之后在水中下錨，為經(jīng)過的柴油-LNG雙燃料船只加注液化天然氣，但這也僅僅停留在試驗階段，并未真正實施采用。

雙燃料系統(tǒng)主要包括：雙燃料發(fā)動機；燃料罐；燃料輸出系統(tǒng)；加注站；燃氣閥門單元；相關(guān)管路、閥門等。如圖1所示。

圖1雙燃料系統(tǒng)組成圖Fig.1 Composition of dual fuel system

瓦錫蘭公司是雙燃料發(fā)動機技術(shù)發(fā)展的先驅(qū)者，被公認為該領(lǐng)域市場的領(lǐng)頭羊。雙燃料發(fā)動機研發(fā)的核心理念是，在使用天然氣燃料的同時，保留使用液體燃料的能力，供其在需要時轉(zhuǎn)換。通過使用現(xiàn)代電子燃燒控制技術(shù)，瓦錫蘭公司為完善其燃氣發(fā)動機性能及穩(wěn)定性做好充足準(zhǔn)備。

雙燃料應(yīng)用研發(fā)工作實現(xiàn)了燃料選擇和操作運行方面絕無僅有的靈活性。因為天然氣有害排放物較少，價格相對較低，這一靈活性已逐漸被看作是遵守環(huán)保法規(guī)、控制運行成本的關(guān)鍵因素。液氣轉(zhuǎn)換的靈活性使得可以根據(jù)需求決定使用高效燃料還是穩(wěn)定燃料。瓦錫蘭雙燃料發(fā)動機，以燃氣模式運行時，能夠滿足最嚴格的環(huán)保法規(guī)要求。同液體燃料容許情況相比，其氮氧化合物排放量減少約80%。在燃氣模式下，瓦錫蘭雙燃料發(fā)動機采用稀微燃燒原則，也即汽缸中空氣與燃氣的混合物中混有超過完全燃燒所需要的空氣。瓦錫蘭雙燃料發(fā)動機技術(shù)所包含的環(huán)境可持續(xù)性中另一個要點為其高效性，這直接影響了燃料消耗量，以此降低廢物排放量。

燃氣閥門單元(GVU)主要由燃氣濾器；控制空氣濾器、惰性氣體濾器、手動關(guān)閉閥、透氣閥、模塊閥、燃氣控制閥、壓力傳感器、電磁閥等組成。裝置主要處理由燃料罐輸送過來的燃氣，并向雙燃料發(fā)動機提供穩(wěn)定燃氣。

燃料罐是具有一定壓力的液態(tài)燃料儲存罐，需要經(jīng)過主蒸發(fā)器(MGE)通過乙二醇與水的混合液將液態(tài)的LNG 燃料加熱至氣態(tài)，通過主供氣閥將燃氣輸送至GVU，另外為了使燃料罐內(nèi)部保持一定的壓力，需要另外配備一個蒸汽壓力換熱器(PBE)，將一部分液態(tài)燃料通過乙二醇與水的混合液加熱至氣態(tài)，重新回到儲液罐的頂部，并對管內(nèi)的液體產(chǎn)生一定壓力。為滿足規(guī)范的相關(guān)要求，在機艙內(nèi)的燃氣管需采用雙壁管，并在管壁間的空隙用壓縮空氣進行應(yīng)急吹掃[4]。

3 雙燃料發(fā)動機與常規(guī)柴油機的布置及輔助系統(tǒng)的安裝設(shè)計區(qū)別

無論是何種燃料的發(fā)動機均需要遵循以下的基本原則：①應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范、公約、規(guī)則及入級符號的特定要求；②要求動力裝置能夠可靠而持久地工作，提供足夠的航行動力，保證航行安全，同時便于船員管理維修；③采取綜合利用、多層布置設(shè)備的方法盡可能地充分利用機艙空間、縮小機艙長度，以增加船舶貨艙容積；④各種機械設(shè)備相互間位置分布合理，按其功能不同(如船舶系統(tǒng)、冷卻水、燃油、滑油、電站等)分區(qū)布置，以便于維護使用并節(jié)省管路；⑤主要通道、開口、艙柜、艙室的布置應(yīng)考慮船體結(jié)構(gòu)的完整性，設(shè)備基座簡單合理以便施工建造；⑥應(yīng)盡量保持左、右兩舷重量平衡，且盡可能降低重心。

機艙內(nèi)布置有大量動力設(shè)備、油水艙柜、管路和電纜，為了充分合理利用空間，在進行布置時，除了需要遵從上述基本原則之外，針對不同的設(shè)備還應(yīng)根據(jù)設(shè)備自身特性關(guān)注布置要點。從布置上不僅需要將無論是雙燃料發(fā)動機還是常規(guī)柴油機布置在機艙內(nèi)，還需要注意發(fā)動機所需要的輔助設(shè)備的布置空間以及布置位置，達到滿足設(shè)備正常運行以及合理的維修空間的要求。以本船為例，無論何種發(fā)動機均會布置在機艙的下平臺，并且除了發(fā)動機以外還需要布置相應(yīng)的輔助設(shè)備。如雙燃料發(fā)動機所需的主燃氣閥組單元，排煙管驅(qū)氣風(fēng)機等設(shè)備，還需要布置無論何種發(fā)動機均需要的燃滑油系統(tǒng)，壓縮空氣系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)以及相應(yīng)的設(shè)備。各系統(tǒng)設(shè)備相對處在比較集中的區(qū)域，并且在布置時充分考慮主機接口的分布位置，可以實現(xiàn)簡化管線、方便維護的目的[5-6]。

從系統(tǒng)設(shè)置上來說無論是雙燃料發(fā)動機還是柴油發(fā)動機的輔助系統(tǒng)有許多相同之處。如：均會設(shè)有燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等。但由于雙燃料的特殊性也會存在一些明顯的區(qū)別。

任何型式發(fā)動機的燃油系統(tǒng)均需要考慮燃料的輸送、供給、泄放等系統(tǒng)的設(shè)計。除常規(guī)的系統(tǒng)以外，雙燃料發(fā)動機的燃氣供給系統(tǒng)是一個專用的系統(tǒng)(圖2)。

圖2 燃氣供給系統(tǒng)圖Fig.2 Gas supply system diagram

對于本項目每臺雙燃料發(fā)電發(fā)動機配1支燃氣閥組單元，并布置于機艙內(nèi)，通過雙壁管與發(fā)動機供氣管相連接。自貨物區(qū)域的燃氣管路分為3條支管，分別接入機艙內(nèi)的3臺燃氣閥組單元，發(fā)動機的燃氣供給系統(tǒng)各自獨立。雙壁管的環(huán)形空間管路及放空管路接至機艙外露天甲板。燃氣閥組單元采用封閉式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空間與燃氣雙層管環(huán)狀空間相通，每臺發(fā)動機燃氣供給系統(tǒng)分別配置抽風(fēng)機連續(xù)抽風(fēng)。除此以外還從首部氮氣發(fā)生器將氮氣接入每個燃氣閥組單元，用于燃氣管路的惰化與吹掃。

雙燃料發(fā)動機為安全起見，防止未燼燃燒的燃氣進入排氣系統(tǒng)造成船舶的不安全因素。在排氣系統(tǒng)中額外設(shè)置有離心驅(qū)氣風(fēng)機以及防爆蓋等安全設(shè)施。在本項目研究對象中雙燃料發(fā)動機廢氣經(jīng)增壓器排至廢氣經(jīng)濟器和火星熄滅消音器后直接排入大氣，在增壓器后設(shè)置離心式驅(qū)氣風(fēng)機及相應(yīng)的控制閥，用于在燃氣模式停機后驅(qū)除排氣管內(nèi)可能存在的可燃氣體。另外，經(jīng)過計算后按排氣管的實際布置及位置設(shè)防爆蓋，滿足規(guī)范要求。

4 總 結(jié)

節(jié)能環(huán)保、低碳已經(jīng)成為未來全球航運業(yè)發(fā)展的方向，面對環(huán)保以及競爭的壓力，LNG 作為新興的船用動力燃料越來越受到航運產(chǎn)業(yè)的關(guān)注與青昧。目前，LNG 動力船舶在國內(nèi)外越來越受青睞，其推廣步伐也會不斷加快。與傳統(tǒng)燃料相比，LNG 燃料作為船舶燃料具有體積小、熱值高、容量大、供應(yīng)足、污染少、易運輸、更安全等不可替代的優(yōu)勢。未來LNG 作為新興船用動力燃料在我國應(yīng)用和推廣依然面臨很多挑戰(zhàn)，亟待更深入的研究探索。