廣西內(nèi)河LNG動力船舶建造技術(shù)要點研究

曾志偉，趙代娣

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023)

0 引言

近年來，廣西在內(nèi)河LNG動力船舶方面，主要是進行雙燃料動力船舶改造和單一LNG燃料動力船舶新建[1]。雙燃料動力船舶改造是在船舶現(xiàn)有柴油機作為燃料的基礎(chǔ)上，增加一套LNG供氣系統(tǒng)和柴油LNG雙燃料噴射系統(tǒng)，將船舶單一的柴油動力改造為柴油和LNG雙燃料動力，可實現(xiàn)以單一柴油為燃料和以柴油、LNG為雙燃料的兩種內(nèi)燃機運行模式；單一LNG動力船舶新建是在《船舶應(yīng)用天然氣燃料規(guī)范》(2021版)[2]要求下，建造僅以LNG為單一燃料的動力船舶。本文以廣西區(qū)內(nèi)LNG燃料動力船舶建造檢驗為切入點，結(jié)合廣西LNG燃料動力船舶發(fā)展現(xiàn)狀及建造工藝的實際情況，探討LNG動力船舶建造技術(shù)的主要研究內(nèi)容，提出LNG動力船舶船體、輪機及電氣的主要研究要點和方向，為廣西內(nèi)河船舶檢驗和建造設(shè)計人員提供技術(shù)指引，并對典型LNG動力船舶的改造設(shè)計及新建有較好指導(dǎo)作用。

1 廣西LNG燃料動力船舶發(fā)展現(xiàn)狀

目前，廣西內(nèi)河船舶生產(chǎn)廠家按照規(guī)范對船舶應(yīng)用LNG燃料進行改造和新建，因此改造船舶及新造LNG燃料船舶將越來越多。截至2021年年底，廣西共有28艘LNG動力船舶，其中23艘雙燃料船(其中3艘由純柴油機動力船改造而成)，5艘純LNG燃料船(其中2艘由雙燃料船改造而成)。但建造水平與發(fā)達省份相比，整體建造技術(shù)較低，LNG燃料動力船舶又因其特殊的危險性，建造中面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，也暴露出一些普遍和突出的問題。隨著廣西內(nèi)河航道等級的不斷提升，船舶將朝大型化、低碳環(huán)保方向發(fā)展，新建船舶噸位越來越大，數(shù)量越來越多，如何建造清潔、安全、高品質(zhì)的LNG燃料動力船舶對于廣西推進LNG燃料動力船舶的健康發(fā)展至關(guān)重要。同時，推動LNG燃料動力船舶建造是國家綠色交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃的明確要求，也是廣西交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃的重要任務(wù)。

2 LNG燃料動力船舶建造技術(shù)要點研究

我國LNG燃料動力船舶改造的研究和應(yīng)用始于2010年，不管是對現(xiàn)有船舶進行LNG燃料動力改造還是新造LNG燃料動力船舶，與以柴油機為動力的船舶相比較，通常需要加裝的主要系統(tǒng)包括LNG儲罐和氣體處理系統(tǒng)，以及通風(fēng)系統(tǒng)、ECU、安全系統(tǒng)和自控系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)，改裝的難點主要在于如何布置儲罐以及LNG燃料系統(tǒng)的子系統(tǒng)[3]。

本文以廣西西江重工有限責(zé)任公司一艘擬建的西江典型5000噸級LNG燃料動力船舶為例，基于該船型特點及廣西區(qū)內(nèi)船舶建造的實際工藝水平，研究各種技術(shù)問題解決方案，提出建造過程中的船體、輪機、電氣與電子設(shè)備及儀器的安裝、試驗等多項技術(shù)難點與焦點問題，按照專業(yè)內(nèi)容劃分，分別進行以下研究與探討。

2.1 船舶船體項目研究要點

關(guān)于內(nèi)河LNG燃料動力船舶船體項目研究主要涉及燃料罐的布置、防火結(jié)構(gòu)的布置和防火區(qū)域劃分等內(nèi)容。區(qū)別于傳統(tǒng)柴油動力貨船的燃料艙布置在船舶機艙內(nèi)，LNG燃料儲罐因其氣體的危險性，可供選擇的位置非常有限，基于內(nèi)河船舶的結(jié)構(gòu)特點，目前普遍的做法是將燃料艙(罐)布置在船舶二層尾船員甲板的開敞處。該布置方式需要根據(jù)LNG燃料特殊的安全要求、罐體大小以及船舶的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)性、防火等要求進行綜合的科學(xué)分析計算和論證。

2.1.1 開展LNG燃料動力船舶總體設(shè)計研究

LNG燃料動力船舶因燃料的易燃易爆以及低溫危險性，對于西江普通貨船有限的布置空間構(gòu)成挑戰(zhàn)。如何科學(xué)合理地在船舶船體設(shè)計中布置LNG儲罐和氣體處理系統(tǒng)，一直是業(yè)界持續(xù)關(guān)注的問題，許多技術(shù)問題需要處理。例如，從氣體安全處所直接通向氣體危險處所的氣閘設(shè)置、因危險區(qū)域劃分的透氣桅設(shè)置，無論從規(guī)范要求還是實際操作層面，依然處在嘗試和替代解決方案階段，缺乏理想的解決措施。因此，在滿足船舶建造規(guī)范的基礎(chǔ)上，對照《船舶應(yīng)用天然氣燃料規(guī)范》(2021版)的要求，開展基于西江船型特點的總體設(shè)計研究，是船體項目研究的重要內(nèi)容。另外，因LNG燃料動力船舶比普通貨船增加了氣罐，且安裝位置較高，會導(dǎo)致船舶重心較高，船舶穩(wěn)性發(fā)生變化，為此要增加船舶壓載，但是又會減少裝貨量，這也是目前LNG燃料動力船舶在總體船體設(shè)計中需要研究的一個問題。

2.1.2 開展安全、高品質(zhì)LNG燃料動力船舶建造工藝的研究與實踐

推動LNG燃料動力船舶的建造，不僅是廣西交通重點工作任務(wù)，更是事關(guān)國家戰(zhàn)略、綠色航運健康發(fā)展的重要事項。然而，廣西船舶建造工藝水平整體較低，造船企業(yè)眾多，競爭大、低質(zhì)量造船是行業(yè)特點，若以現(xiàn)有低質(zhì)量造船技術(shù)建造的LNG燃料動力船舶，無論是安全性還是品質(zhì)都有待提升。因此，在廣西開展安全、高品質(zhì)內(nèi)河LNG動力船舶建造工藝研究與實踐具有重要意義和必要性。

2.1.3 開展船舶結(jié)構(gòu)有限元直接計算研究

廣西LNG燃料動力船舶均采用將LNG燃料罐布置在船尾二層船員室甲板尾部的方式，下方依靠甲板室支撐，目前設(shè)計的5 000噸級船舶LNG燃料罐體積可以達到30 m3，重達30多t，對下方支撐甲板室結(jié)構(gòu)強度要求較高。CCS規(guī)范要求對于該支撐結(jié)構(gòu)采取有限元直接計算方式予以校核其強度，但當(dāng)前廣西的船舶設(shè)計單位，均不具有船舶結(jié)構(gòu)有限元直接計算能力，船舶結(jié)構(gòu)基本采取經(jīng)驗加強的方式，甚至缺少相關(guān)計算。因此，開展結(jié)構(gòu)有限元直接計算研究對于提高船舶結(jié)構(gòu)安全性以及提高整體船舶設(shè)計水平迫在眉睫。

2.2 船舶輪機項目研究要點

LNG燃料動力船舶區(qū)別于傳統(tǒng)柴油動力船舶，其燃料具有較大的危險性，因此，輪機系統(tǒng)的設(shè)計建造也與傳統(tǒng)的柴油動力船舶具有較大的區(qū)別，結(jié)合當(dāng)前廣西船舶建造工藝水平，輪機系統(tǒng)的研究要點應(yīng)主要包括以下幾個方面。

2.2.1 開展LNG燃料發(fā)動機系統(tǒng)的總體設(shè)計和施工技術(shù)研究

根據(jù)西江LNG動力船舶的結(jié)構(gòu)特點，需要對LNG儲氣罐和LNG發(fā)動機系統(tǒng)的布置、LNG報警監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)進行研究。同時，要對西江航道及水文等因素帶來LNG發(fā)動機負荷變化時系統(tǒng)的響應(yīng)特征進行研究，并對動力集成系統(tǒng)的總體設(shè)計思路和施工技術(shù)進行研究，為內(nèi)河LNG船舶動力系統(tǒng)的整體設(shè)計模式提供有效的技術(shù)方案。如為了減少機艙發(fā)生氣體爆炸的可能性，LNG燃料動力船機艙設(shè)計必須保證其安全性和可靠性，應(yīng)將氣體燃料發(fā)生泄漏和產(chǎn)生危害的概率和影響降至最低。根據(jù)規(guī)范要求，機艙采用氣體安全機器處所或ESD防護型機器處所，如何提升和規(guī)范廣西現(xiàn)有船舶設(shè)計及建造工藝水平，選擇品質(zhì)安全的可操作的機艙布置形式，是研究的要點之一。

2.2.2 發(fā)動機LNG供氣系統(tǒng)的主要安全技術(shù)研究

如前所述，LNG具有易燃易爆的危險性，LNG供氣系統(tǒng)的安全技術(shù)研究至關(guān)重要，其主要安全技術(shù)包括船舶安全區(qū)域與危險區(qū)域的劃分，加注站、儲罐及燃料準備間承接盤的設(shè)計，儲罐氣穹保護間、燃料準備間、機艙雙壁管的通風(fēng)設(shè)計與風(fēng)機選型等。

2.2.3 開展LNG新能源燃料動力船舶建造的技術(shù)研究

通過對LNG燃料儲存罐的設(shè)計、LNG燃料儲存罐安裝位置和燃料管系的布置、LNG發(fā)動機的建造、報警監(jiān)視系統(tǒng)的安裝等方面內(nèi)容進行探究，從根本上解決LNG燃料動力船舶改造的技術(shù)難題。

2.3 船舶電氣主要研究要點

為防止LNG泄露帶來的風(fēng)險，要求對LNG燃料船舶的設(shè)備結(jié)構(gòu)、安裝和使用采取特殊預(yù)防措施。危險區(qū)域劃分及布置、燃料艙透氣系統(tǒng)設(shè)置、燃料艙接頭處所布置、LNG系統(tǒng)報警項目設(shè)置是當(dāng)前LNG燃料動力船舶建造中需要重點解決的問題。

2.3.1 危險區(qū)域劃分研究

危險區(qū)域是指可能出現(xiàn)可燃氣體的區(qū)域。合理的LNG燃料動力船舶危險區(qū)域劃分目的有以下幾點：(1)為了采取相應(yīng)的措施來確保船舶在LNG泄露、燃爆風(fēng)險方面的安全性；(2)減少防爆電氣設(shè)備的使用，進而減低船舶設(shè)備成本；(3)減少生活區(qū)域的氣密艙壁，改善生活艙室的通風(fēng)，保證船員生活的舒適度。為了減少危險區(qū)域?qū)Υ暗挠绊?，?yīng)盡可能減少危險區(qū)域的范圍，合理布置危險處所的進出風(fēng)口、透氣口及加注站。

2.3.2 加注站布置研究

從船舶防火和滅火要求考慮，加注站的位置應(yīng)盡量遠離A類機器處所/重要機器處所、起居處所、控制站和較大失火危險處所。此外，LNG加注站的布置位置和高度還應(yīng)考慮后期船舶營運中擬采用的加注型式，如槽車加注、碼頭岸站加注或是躉船加注；還應(yīng)特別考慮采用不同加注型式所需的系泊、軟管吊、加裝接頭的標準設(shè)計等設(shè)備的配置要求。

2.3.3 可燃氣體探測系統(tǒng)研究

應(yīng)根據(jù)危險區(qū)域劃分以及風(fēng)險評估對所有可能存在氣體泄漏的艙室或處所設(shè)置固定式氣體探測系統(tǒng)。氣體探測傳感器的布置位置應(yīng)考慮氣體泄漏以后受通風(fēng)系統(tǒng)影響的擴散路徑，以便在最短時間內(nèi)檢測出泄露處并報警。

2.3.4 船用LNG供氣系統(tǒng)控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)研究

供氣系統(tǒng)的控制、監(jiān)測功能和安全系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、安全性，是實現(xiàn)LNG供氣系統(tǒng)安全可靠運行的關(guān)鍵。開展基于LNG供氣系統(tǒng)組成和原理的控制系統(tǒng)研究，既要電氣系統(tǒng)高度集成，又要充分考慮系統(tǒng)的獨立性、控制邏輯的合理性，最終實現(xiàn)智能化控制，避免人為失誤。

3 結(jié)語

廣西內(nèi)河造船市場與全國造船業(yè)發(fā)達地區(qū)相比，造船模式和工藝水平相對落后，基礎(chǔ)薄弱，技術(shù)水平比較低，在LNG燃料動力船舶建造上更是起步較晚，LNG動力船舶建造及改裝成本高、前期的基礎(chǔ)設(shè)施投資巨大是必須克服和解決的難題。因此，在廣西內(nèi)河推廣LNG燃料動力船舶，機遇與挑戰(zhàn)并存，需要政府主管部門、航運企業(yè)、造船企業(yè)和有關(guān)船舶設(shè)計機構(gòu)的共同努力。造船企業(yè)要想在其中有所收獲，不僅應(yīng)提高LNG動力船舶改裝新建能力，更重要的是通過技術(shù)創(chuàng)新降低改裝成本。只有這樣，才能吸引船東選擇LNG船舶的動力改裝和新建，共同做大這一市場，讓該業(yè)務(wù)成為廣西造船業(yè)新的經(jīng)濟增長點，并推動廣西內(nèi)河船舶及附屬產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級。