船舶双燃料动力系统设计安装研究

何金平，周 呈，王炳轩，张 龙，王连佳

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津300452)

0 引言

天然气燃料作为一种清洁能源，随着国际海事组织(IMO)在海事环保领域的法律法规趋于严厉，其在船舶海运领域的应用越来越受到市场的青睐。双燃料发动机作为船舶燃用天然气的一种安全可靠和高效率的动力装置，随着技术的进步，已逐步被市场接受。首先在LNG 运输船舶上得到了广泛使用，在新造船市场已全面替代了原双燃料锅炉和蒸汽透平的动力系统。相对于传统液体燃料，天然气燃料的高环保性和高经济性，已越来越引起传统海运船舶市场注意，全球主要的常规船舶运营船东，都开始关注和评估天然气燃料的运用在新造船和已有船舶改造中的可行性。对于课题船舶小型LNG 运输船舶来说，自身货物的自然蒸发气可直接用作船舶的推进动力，选择一套适合自身船舶营运和操作特点的动力系统对船舶后续的运营安全性和经济性是至关重要的。

和传统油类燃料相比，目前天然气在船舶燃料中所占的比例较小，主要用于LNG 运输船。随着世界各国政府对环境问题的日益重视，对能源的环保和可再生的要求也越来越高，常规油类燃料的不足就凸现出来。尽管天然气作为船用燃料具有很好的环境友好性能，但是大部分船东对采用天然气作为船舶的主要燃料还持观望态度。双燃料动力系统与常规柴油动力系统的最主要区别为燃料的不同及其引起的发动机设计原理和辅助系统的不同[1]。气体燃料与液体燃料的区别及其导致的设计安装特点与区别，对于船舶的整体设计至关重要。因此，有必要对双燃料动力系统的安全性、设计及安装开展研究。

1 气体燃料特点及安全保障措施设计特点

与传统的液体船用燃料相比，作为LNG 运输船主要燃料的天然气燃料的最主要特点为低闪点。SOLAS(国际海上人命安全公约)在船用燃料安全性方面的相关规定为燃料的闪点应不低于60 ℃，而天然气的闪点约为-175 ℃。为了使天然气燃料能够在船舶上使用，对其安全性是必须放在首要位置进行考虑的。一切安全保障措施的设计、布置及安装必须基于天然气燃料的自然属性，包括闪点、爆炸极限及密度等属性。

天然气作为燃料在船舶上使用，必须进入机舱，而机舱按照SOLAS的定义，为A 类机器处所，其为具有高度失火危险的处所。天然气作为低闪点燃料进入机舱供发动机使用，为保证天然气的安全使用必须保证如下几点：①保证天然气不会泄露而导致机舱内出现爆炸极限内的大气。②保证点火源不会在爆炸性大气中出现。③随时监控机舱内是否出现天然气泄漏。④即使在出现危险情况的状态下仍能保证船舶的最小推进要求。

为了使气体燃料在机舱内产生爆炸的可能性最小化，IGF(国际气体燃料安全规则)和CCS出版的《气体燃料动力船检验指南》均给出了使用天然气燃料机舱的安全准则。有2种机舱安全设计概念可供选择，即本质安全型机舱和ESD保护型机舱[2]。

本质安全型机舱：机舱的布置应使得机舱在认可情况下(正常和不正常)均处于气体安全状态。

ESD保护型机舱：机舱的布置使得机舱在正常情况下被认为处于气体安装状态，但在某种异常情况下可能变为气体危险区域。当出现燃料气体泄露等异常情况时，非安全设备(点燃源)和机械应自动关闭，只允许防爆型设备或机械运行。

对于上述2种不同的机舱设计类型、规则和规范给出了不同安全等级的设计、布置和安装的要求。对比如表1所示。

2种类型机舱的最大区别为机舱内的供气管路是否为双壁管设计。2种机舱的具体特点以及技术要点如表2所示。

表1不同机舱设计规则要求对比Tab.1 Comparison of different engine room design rules

表2不同机舱设计特点对比Tab.2 Design features of different engine rooms

2 气体燃料动力系统及其辅助系统设计特点

气体燃料具有诸多优点：一是可以满足IMO关于废气排放的要求，可使船舶在排放控制区内自由航行而不必缴纳排放税；二是不用为船用发动机安装废气处理系统，能够降低购置成本和运行成本；三是如果采用双燃料的发动机，在排放控制区外，船用发动机燃料可在气体燃料和燃油之间自由切换，选择使用成本最低的燃料，可避免燃料价格波动对船舶运营成本产生较大影响。

鉴于以上诸多优势，加上自2010年以来LNG一直被认为是未来最理想的船用发动机燃料，船东和运营商对该类发动机的兴趣越来越大。目前来看，在航运市场和造船市场低迷的背景下，船东的安装意愿不强，但等到市场好转，从节约运营成本的角度考虑，船东和运营商一定会优先选用这种清洁燃料。此外，由于在存储、加气等方面的基础设施尚不完善，目前很难对在航船舶提供及时、完善的LNG 供给，这在一定程度上也制约了此种燃料的推广和使用，但是，随着相关基础设施逐步建成后，LNG 作为船用发动机燃料的主要障碍将被消除，届时，LNG 燃料市场需求将快速增长。

瓦锡兰DF发动机的排放物较少，NOx排放物只有相同功率柴油机的十分之一，产生CO2排放物也少。这主要归功于天然气燃料本身所具有的优势。《国际防污染公约》附则VI《防止船舶造成大气污染规则》已于2005年5月19日生效，它对NOx的排放提出了严格的具体要求：对于2000年1月1日以后建造或经过重大改装的船舶，输出功率大于130 kW 的柴油机，当柴油机转速n＜130 r/min 时，NOx≤17 g/(kW·h)；当柴油机转速130 r/min≤n＜2000 r/min 时，NOx≤45 g×n-0.02 g/(kW·h)。当柴油机转速n≥2000 r/min 时，NOx≤9.8 g/(kW·h)。显然，双燃料发动机比柴油机、燃气轮机更容易满足《防止船舶造成大气污染规则》的要求[3]。

截至目前，LNG 船舶加气方面的技术问题一直是限制行业发展的最主要因素。由于船舶受潮涨、潮退影响，无法确定停泊位置，而LNG 输送管道均为低温管道，不易延展与伸缩，给船舶加气成了目前需要克服的最大难题。目前，国内也有尝试利用趸船，即一种移动式的小型储气船只，与陆上管道实现对接，装满LNG 之后在水中下锚，为经过的柴油-LNG双燃料船只加注液化天然气，但这也仅仅停留在试验阶段，并未真正实施采用。

双燃料系统主要包括：双燃料发动机；燃料罐；燃料输出系统；加注站；燃气阀门单元；相关管路、阀门等。如图1所示。

图1双燃料系统组成图Fig.1 Composition of dual fuel system

瓦锡兰公司是双燃料发动机技术发展的先驱者，被公认为该领域市场的领头羊。双燃料发动机研发的核心理念是，在使用天然气燃料的同时，保留使用液体燃料的能力，供其在需要时转换。通过使用现代电子燃烧控制技术，瓦锡兰公司为完善其燃气发动机性能及稳定性做好充足准备。

双燃料应用研发工作实现了燃料选择和操作运行方面绝无仅有的灵活性。因为天然气有害排放物较少，价格相对较低，这一灵活性已逐渐被看作是遵守环保法规、控制运行成本的关键因素。液气转换的灵活性使得可以根据需求决定使用高效燃料还是稳定燃料。瓦锡兰双燃料发动机，以燃气模式运行时，能够满足最严格的环保法规要求。同液体燃料容许情况相比，其氮氧化合物排放量减少约80%。在燃气模式下，瓦锡兰双燃料发动机采用稀微燃烧原则，也即汽缸中空气与燃气的混合物中混有超过完全燃烧所需要的空气。瓦锡兰双燃料发动机技术所包含的环境可持续性中另一个要点为其高效性，这直接影响了燃料消耗量，以此降低废物排放量。

燃气阀门单元(GVU)主要由燃气滤器；控制空气滤器、惰性气体滤器、手动关闭阀、透气阀、模块阀、燃气控制阀、压力传感器、电磁阀等组成。装置主要处理由燃料罐输送过来的燃气，并向双燃料发动机提供稳定燃气。

燃料罐是具有一定压力的液态燃料储存罐，需要经过主蒸发器(MGE)通过乙二醇与水的混合液将液态的LNG 燃料加热至气态，通过主供气阀将燃气输送至GVU，另外为了使燃料罐内部保持一定的压力，需要另外配备一个蒸汽压力换热器(PBE)，将一部分液态燃料通过乙二醇与水的混合液加热至气态，重新回到储液罐的顶部，并对管内的液体产生一定压力。为满足规范的相关要求，在机舱内的燃气管需采用双壁管，并在管壁间的空隙用压缩空气进行应急吹扫[4]。

3 双燃料发动机与常规柴油机的布置及辅助系统的安装设计区别

无论是何种燃料的发动机均需要遵循以下的基本原则：①应满足相关规范、公约、规则及入级符号的特定要求；②要求动力装置能够可靠而持久地工作，提供足够的航行动力，保证航行安全，同时便于船员管理维修；③采取综合利用、多层布置设备的方法尽可能地充分利用机舱空间、缩小机舱长度，以增加船舶货舱容积；④各种机械设备相互间位置分布合理，按其功能不同(如船舶系统、冷却水、燃油、滑油、电站等)分区布置，以便于维护使用并节省管路；⑤主要通道、开口、舱柜、舱室的布置应考虑船体结构的完整性，设备基座简单合理以便施工建造；⑥应尽量保持左、右两舷重量平衡，且尽可能降低重心。

机舱内布置有大量动力设备、油水舱柜、管路和电缆，为了充分合理利用空间，在进行布置时，除了需要遵从上述基本原则之外，针对不同的设备还应根据设备自身特性关注布置要点。从布置上不仅需要将无论是双燃料发动机还是常规柴油机布置在机舱内，还需要注意发动机所需要的辅助设备的布置空间以及布置位置，达到满足设备正常运行以及合理的维修空间的要求。以本船为例，无论何种发动机均会布置在机舱的下平台，并且除了发动机以外还需要布置相应的辅助设备。如双燃料发动机所需的主燃气阀组单元，排烟管驱气风机等设备，还需要布置无论何种发动机均需要的燃滑油系统，压缩空气系统，冷却系统以及相应的设备。各系统设备相对处在比较集中的区域，并且在布置时充分考虑主机接口的分布位置，可以实现简化管线、方便维护的目的[5-6]。

从系统设置上来说无论是双燃料发动机还是柴油发动机的辅助系统有许多相同之处。如：均会设有燃油系统、滑油系统、压缩空气系统、冷却水系统、排气系统等。但由于双燃料的特殊性也会存在一些明显的区别。

任何型式发动机的燃油系统均需要考虑燃料的输送、供给、泄放等系统的设计。除常规的系统以外，双燃料发动机的燃气供给系统是一个专用的系统(图2)。

图2 燃气供给系统图Fig.2 Gas supply system diagram

对于本项目每台双燃料发电发动机配1支燃气阀组单元，并布置于机舱内，通过双壁管与发动机供气管相连接。自货物区域的燃气管路分为3条支管，分别接入机舱内的3台燃气阀组单元，发动机的燃气供给系统各自独立。双壁管的环形空间管路及放空管路接至机舱外露天甲板。燃气阀组单元采用封闭式结构，内部空间与燃气双层管环状空间相通，每台发动机燃气供给系统分别配置抽风机连续抽风。除此以外还从首部氮气发生器将氮气接入每个燃气阀组单元，用于燃气管路的惰化与吹扫。

双燃料发动机为安全起见，防止未烬燃烧的燃气进入排气系统造成船舶的不安全因素。在排气系统中额外设置有离心驱气风机以及防爆盖等安全设施。在本项目研究对象中双燃料发动机废气经增压器排至废气经济器和火星熄灭消音器后直接排入大气，在增压器后设置离心式驱气风机及相应的控制阀，用于在燃气模式停机后驱除排气管内可能存在的可燃气体。另外，经过计算后按排气管的实际布置及位置设防爆盖，满足规范要求。

4 总 结

节能环保、低碳已经成为未来全球航运业发展的方向，面对环保以及竞争的压力，LNG 作为新兴的船用动力燃料越来越受到航运产业的关注与青昧。目前，LNG 动力船舶在国内外越来越受青睐，其推广步伐也会不断加快。与传统燃料相比，LNG 燃料作为船舶燃料具有体积小、热值高、容量大、供应足、污染少、易运输、更安全等不可替代的优势。未来LNG 作为新兴船用动力燃料在我国应用和推广依然面临很多挑战，亟待更深入的研究探索。