三用工作船使用液化天然气难点分析

(中国海洋石油油田服务股份有限公司 装备管理部, 北京 101149)

多年来，船舶的节能环保措施虽然根据不同的船舶类型，通过优化船舶线型设计、采用柴电混合推进、电力推进等一系列优化手段来进行。但是，这些方式和手段都没有改变柴油或重油作为主要燃料会产生大量污染空气的排放气体的本质。虽然氢燃料、核燃料等均在研发之中，但就目前来看，液化天然气(LNG)最具发展潜力[1]。

传统的燃油发动机优化设计的空间有限，未来船舶由“燃油”改为“燃气”的趋势日益明显。瓦锡兰集团的W50DF、W34DF/32DF和W20DF发动机成功实现双燃料应用，标志着可以灵活选择LNG或燃油的双燃料发动机正在高速发展，使船舶迈向“燃气”时代在技术上成为可能。

1 三用工作船的特点及主要性能要求

三用工作船(anchor handling towing ship AHTS)是海洋工程船舶的主要类型。

1.1 主要功能

1)为海洋石油移动式钻井平台和浮式装置的锚、锚泊系缆系统包括钢缆、锚链或合成化纤缆提供起抛锚、移位、就位等作业服务。

2)具有足够大的液体货舱、散料和甲板货物的装载运输供应能力，为海上钻井平台供应钻井物资、钻井钢管、散装水泥、钻井泥浆、钻井水、盐水、基础油、轻柴油、淡水等。

3)作为钻井、采油、修井作业等各类平台或海上其它大型漂浮物远距离拖航的主拖船，执行海上远距离拖带作业任务。

4)执行钻井、采油、修井作业等各类平台或其它海上结构物的长周期安全守护值班、抢险救助和后勤保障等任务。

5)具备对外消防灭火作业能力。

6)为海洋石油工程水下作业提供多种支持、辅助作业和后勤保障。

7)配备溢油回收储存，消除油污等作业功能，具有井位防污染控制能力。

1.2 特点分析

1)由于海洋工程体现时效性以及一些作业(例如拖航作业、靠平台作业、紧急物资运输、海上救生救助等)对船舶稳定性、航速及抛锚定位或动力定位的性能要求更高。

2)三用工作船承担着海上油气勘探开发各个阶段的工程物资运输、拖航、起抛锚作业等工作任务，故该类船舶在设备配置上必然需要将更多的专业大型设备和设施设计、安装在船上，所以这类船舶在设计上处理好空间的合理利用与设备的合理布置难度很高，尤其是在三用工作船的设计和建造上。

3)三用工作船由于主要工作是海洋工程作业，作业时正车、倒车、靠泊等为主要工况，船舶主机及变速箱的动力输出与其它固定航线的客/货运船舶的长时间、单向衡功率输出运转有很大不同，这对海洋工程船舶的可操作性以及动力总成在动力输出剧烈变化工况下的工作稳定性、可靠性以及动力响应特性提出更高的要求。

2 LNG系统应用难点

2.1 采用LNG燃料发动机的难点

目前LNG发动机主要有两种方式：①双燃料发动机，例如瓦锡兰和MAN公司的双燃料发动机；②火花点火式且仅以LNG为燃料的发动机，例如劳斯莱斯和三菱重工均有此类产品。这两种发动机的主要区别在于前者需要副气缸压燃用于点火的柴油来点燃喷入气缸的LNG，且这种发动机可以进行主燃料在柴油和LNG间切换；而后者采用类似汽油机的火花塞形式，靠高压电弧引燃喷入气缸内的气化LNG。

对于新建三用工作船，使用LNG燃料发动机在设备方面困难相对较少，主要考虑所采用的双燃料发动机的功率输出是否满足船舶整体性能的要求，据此选择适合的机型即可。而对于改造船舶，一方面需考虑改造柴油机系统所更换和新增的部件，同时更需要考虑改造后的发动机输出功率等性能参数的改变，若双燃料发动机动力输出性能与原柴油机动力输出性能偏差过大，必将影响船舶的整体性能。

部分柴油机厂家对于现有机型进行双燃料改造的回复意见见表1。

表1 部分柴油机厂家对于现有机型进行双燃料改造的回复意见

通过与部分世界知名船用柴油机厂家的沟通，发现对于现有柴油机进行改造，由于一些技术和经济性方面的原因，将其转化为LNG/柴油双燃料发动机的困难较大。例如锡兰DF系列发动机，从常规燃油发动机改装为双燃料发动机需要更换双联喷油嘴、缸头、活塞/环、缸套/承磨环、连杆上端、增压器、定时机构、控制系统等主要部件。同时，燃料供给系统和辅助系统需要增加排气监控系统、进气门、引燃油系统(滤器、泵、相关管线)等部件。

2.2 系统布置的难点

随着双燃料发动机和天然气发动机的推广应用,LNG可作为船舶燃料来使用。但船舶LNG燃料供应系统和储存装置同样是LNG用作船舶燃料的关键环节。LNG储存罐体积小,技术难度大, 天然气燃料供应系统复杂,这给船舶的设计和建造带来了很大的难度[2]。LNG的能量密度仅为重油的一半左右，LNG在船舶上的存储液舱与传统的柴油液舱相比需要更大的容积，且由于LNG储罐的布置还需要一系列的辅助设备设施，没有燃油舱的布置方式灵活。

LNG系统应用在海洋工作船上，不仅需要主机适应LNG燃烧的工况，从船舶总体来看，LNG的过驳、存储、输送、安全监控以及所有这些设备的布置安装以及由此带来的船体结构、设备布置、危险区域划分、安全操作及预案等一系列因素都必须加以考虑。LNG燃料供给系统示意见图1。

图1 LNG燃料供给系统示意

由图1可见，采用LNG作为燃料，需要在船舶上布置LNG储罐、低温舱、气化装置、冷却装置、加注装置等一系列设备设施，用来驳运、存储、气化和传输LNG至主机；而传统的柴油机仅需要将燃油从油柜输送到主机即可。对于船舶由柴油动力改造为LNG动力，需要考虑以下问题。

1)增加LNG储罐。对于新建船舶可在甲板下设计储罐；而对于改造船舶，一般是安装在船舶的艏部或者艉部甲板。在储罐和主甲板上的舱室之间应设有隔离空间，从而使储罐与舱室和机舱隔开，以确保船舶运营安全和船员生命安全。这一要求对于甲板面积足够大的货船而言是易于实现，但对于三用工作船，甲板面积的占用和甲板装载量的降低意味着船舶的整体性能大幅降低。

2)增加可燃气体探测装置。

3)增加一套LNG供气系统和柴油-LNG双燃料电控喷射系统，并通过电子转换开关，实现单纯柴油燃料状态下和油气双燃料状态下两种模式运行。

4)储罐的所有控制点都有传感器，能自动或手动切断气源。

5)增加专用的气泵舱和压缩机室。

6)增加高要求的气体燃料管系。

7)电气系统及监控系统更为复杂。

8)防火分隔和危险区域划分以及气体监控和消防系统的增强。

9)改造后的船舶由于新增了一系列的设备设施以及改造工程、其重量、重心、装载量等一系列参数会随之改变，故船舶的参数和性能需重新试验和修正并得到船级社的批准。

2.3 其它难点

1)续航能力弱。以LNG为燃料的船舶最高续航能力较低，达不到远洋运输要求。究其原因，船舶燃油舱体积虽大，但可以在船上见缝插针随机安放；而LNG储存罐系统复杂，布局难。这给船舶设计和建造带来了很大的难度。

2)瓦锡兰公司设计的LNG/柴油双燃料发动机按照设计规定每2 000 h就要停机一次进行维护保养，这一周期远远低于燃气轮机和柴油机的保养周期，这给船舶设计上动力机组配置的冗余性提出了更高的要求，即设计上必须考虑双燃料发动机停机维护时的正常工况保证措施。

3)港口LNG补给设施不配套。尽管LNG补给并不困难，但是港口方面目前尚未建立起完备且实用的配套体系。

4)初始成本较高。LNG船舶所载货物为常压下摄氏零下163 ℃的液化天然气，货物围护系统均为耐超低温的材料和设备，昂贵的货舱材料、高性能的机电设备、高程度的自动化系统和世界顶级船舶的建造标准和要求，致使LNG船建造成本比普通商业船舶大得多。

3 应用前景与挑战

1)由于三用工作船对于续航能力、抗风暴能力、甲板面积及装载特性要求很高且船上安装有大型拖缆机等海洋工程大型设备，所以双燃料发动机极其系统的设计、布置安装、以及性能距离实船使用还有较多的困难。

2)应用LNG/柴油双燃料系统将能在一定程度上满足续航能力等方面的要求，在LNG不能及时补给时可切换至柴油燃料模式，采用双燃料发动机是设计建造该类船舶的较好选择。

3)对于现有的三用工作船，由于改造该类船舶需要面临发动机极其辅助系统、LNG存储、船舶装载量降低、新增危险区域等一系列问题，部分柴油机厂家认为对于相对较老的机型没有进一步必要。

4)虽然DNV船级社和德国劳氏船级社等颁布了相应的指南，但相应的国际和国内规范依旧不健全，应尽快颁布适合我国自身条件的LNG设计规范及制定施工标准，以指导LNG应用领域的设计、施工安装和运行管理。

5)虽然三大石油公司均已开展沿海地区LNG项目的前期研究工作，积极推进LNG大型接收站和补给站的建设，但目前这些设施尚不健全，在国内使用LNG作为燃料依然补给困难。

6)虽然采用LNG或LNG/柴油双动力机组的船舶在设备维护费用上将比传统的燃气轮机和柴油机组更高，但考虑到国内LNG价格上的优势，综合运营成本可能更低。

[1] 张振新，叶初华，何长中.液化气船船型结构、设备与安全运输[M].北京：人民交通出版社，1994.

[2] 李永鹏.LNG燃料船舶的机遇和挑战[J].青岛远洋船员学院学报，2010(4)：30-32.