LNG燃气动力在旅游船上的应用

广西壮族自治区桂林船舶检验局 覃振福

目前，近200多艘旅游船常年航行于桂林漓江水域，船舶柴油机尾气排放已成为漓江空气污染的重要来源之一，漓江旅游船舶主要动力源依然是柴油机，柴油机在工作中会排出大量的有害物。我国“十二五”规划已经明确提出，要大力推进船舶节能和使用绿色能源，重点发展LNG作为主要的船用清洁能源。研究和应用节能技术降低船舶能耗，加强船舶管理和设备维护保养及节能减排的基础性管理，不仅可以为航运企业节省燃料费用，还可以减少船舶造成的环境污染，获得经济和环保双重效益。LNG燃气发动机在桂林漓江“山水34”号旅游船上的应用，既实现经济又保护环境的同时，还符合相关规范对“绿色船舶”的要求。

船舶系统布置设计

旅游船“山水34”号总长31.1米，水线长29.4米，型宽5.6米，型深1.05米，满载吃水0.54米，航速16节，于1996年5月24日建造完工，船检登记号为1996J5300060，配有两台X6110C4型号柴油机，单机功率为73.5KW，转速2000r/min，可容纳游客118人和19名船员。

该船主要对船舶主推进动力装置进行改造，为了保证改造后的旅游船能安全运营，根据原有船舶的条件，并结合漓江航道及旅游船特点参照中国船级社《气体燃料动力船检验指南》和《双燃料发动机系统设计与安装指南》检验标准以及现有船舶规范和技术标准要求对船舶实施改造，船舶改造基本原则是要求满足船舶原来稳性和性能要求。因此，改造仅涉及主机和增加储气罐安装的要求，其它未动，改造后的左右LNG燃气发动机的布置、尺寸、重量、参数基本不变，需要加装的LNG储气瓶和气体管系和原船上其他物体进行置换，以平衡船舶原有浮态，以便改造后的船舶能够正常航行。

该船在机舱上甲板尾部敞开处安装两个由张家港富特瑞特种装备股份有限公司生产的汽车用液化天然气储气罐，储气罐具有双层结构，外壳与内胆之间保持一定距，形成绝热空间，防止散热，卧式安装在甲板上，单罐容积为450L。这样布置的好处是，一是机动灵活便于吊装充液及拆装安全。二是天然气属低温液体，其密度比空气轻，在发生泄漏后会自动向上溢开，不会对水体产生污染；同时，在加入特殊嗅剂后，天然气如有泄漏会及时被发现；另外，天然气的燃点比柴油要高，瞬间着火比油慢，也易扩散，不易达到爆炸极限，所以安全性能很高。三是燃气储气罐与燃气发动机距离适中，便于安装和检查。气罐内的液化天然气经过水浴式气化器，利用发动机的外循环热水进行气化，气化后的天然气经过稳压调压器、电子切断阀、过滤器及二级减压阀进入发动机。稳压调压器将主体管道气体压力稳定在0.8～1.0MPa，二级减压阀将进入发动机的气体压力降为0.25Mpa。燃气管路主体管路采用不锈钢无缝管，机舱内通往发动机的气体管路全程采用全熔透对接焊接头。为方便连接和减少震动对管接头的影响，主体管路与发动机之间采用金属软管连接。

主机改造情况，左机为全新生产的纯LNG燃气单燃料发动机，右机为旧机改造的LNG-柴油双燃料发动机，可比较单一气体燃料发动机和双燃料发动机在运行中的改造效果。该船左主机采用一拖柴油机公司生产的东方红LRN6A3W-C64Z型船用全新的天然气单一气体燃料发动机，型式为直列、水冷、四冲程、增压中冷、电控喷射进气、电控点火，额定功率为73.5kW，额定转速为2000rpm，燃气发动机参数与原柴油机基本一致，可以检验燃气发动机是否达到原动力的性能。主发动机燃料仅为LNG，管路安装简洁，维护方便，同时无需担心燃料之间切换的问题。该船右主机采用船用天然气（LNG）-柴油电控喷射双燃料系统，该系统在现有的船用柴油机上加装一套LNG燃料供给系统，将单一的柴油发动机转化为天然气（LNG）-柴油双燃料发动机，柴油变成用于点燃压缩状态下天然气的引燃燃料和部件的润滑剂，全柴油模式时，天然气气源切断，发动机工作模式与原柴油机相同。该系统通过控制柴油机原有的燃油泵的齿条来限制柴油。所采用的方法是：由中央电控单元（ECU）控制油门执行器直接控制油泵齿杆位置来实现。对油泵齿条的位置采用了PID双闭环控制技术，使油量控制灵活、准确，保证了各缸发火的准确可靠，使得引燃柴油的喷射量根据工况的不同而有所改变以满足系统的控制要求。这种系统动力性、操作性等技术指标与原机相同，可在纯柴油和柴油-天然气双燃料两种状态随时切换，方便了船机用户对燃料的选择，一旦LNG使用完毕因故不能及时填充或者燃气系统出现故障不能使用，船舶仍可在纯柴油模式下正常运行，保证船舶运行安全，原机的一切安全保护措施不会因为改装后受到影响，同时系统自设定的安全措施与原机安全保护措施可实现联动。

机舱燃气发动机安全监控保障

为确保燃气发动机正常运转，加装辅助系统，通风系统和安全监控系统。由于该船为试验性船舶改造，检验船舶试运行效果如何，机舱为有人连续值班，参照中国船级社《气体燃料动力船检验指南》要求，无法实现驾驶室与机舱之间操作自动化，但机舱和尾舱设有LNG运行操作手册和安全监控系统，可以手动实现符合自动化和部分自动化的试验要求。

通风系统，在机舱两则各加装一台认可具有正反转功能的轴流风机，满足机器处所应有每小时换气至少30次的通风能力，通风机及其布置应满足指南的相关要求；通风系统确保所有空间内具有良好的空气环流，确保室内不会形成气井。当其中一组风机失效时，另一组风机仍能满足机器处所规定换风量的要求。机舱机械通风与主机运行手动连锁操作，即当通风机开启至少10分钟以后，发动机才能启动运行；当风机因故关停时，手动停止发动机运行（对单一气体燃料发动机）或转换为燃油供应（对双燃料发动机）。

安全监控系统。该船在每台燃气发动机上方以及储气罐处所设有可燃气体探测器和感温探测器，在尾舱配备气体报警控制器、联动控制柜、船用防爆轴流风机、电子切断阀等安全监控设备，可以对机舱和LNG储气罐处所进行监控。当探测到天然气浓度达到爆炸下限的20%时，控制器发出报警声；达到爆炸下限50%时，控制器自动切断天热气气源，并启动风机强制排风。

消防安全，在机器和储气罐处所增加设置适量的干粉灭火器。

船舶试验效果分析

天然气是一种清洁能源，漓江旅游船使用后可解决柴油污染水域的问题，而且旅游船更安全，每艘旅游船改造使用天然气后，一年能源开支可节约6万元。船舶改造试验运行取得较好效果：一是动力性好功率储备大、低速扭矩高、加速性能好。二是节能省气最低燃气消耗率197g/kW.h，合理的发动机增压中冷结构，拓宽了LNG发动机的运行范围；在各种工况下均有良好的经济性；与汽油、柴油及其它代用燃料相比，天然气发动机的使用费用较低一般约为汽油价格的50%、约为柴油价格的35%。

三是环保、排污低，天然气发动机与柴油机相比可明显降低有害物质的排放，特别是颗粒排放（尾气中没有黑烟）天然气发动机几乎为零，另外它可完全消除铅、苯和芳香烃等严重危害物，NOX、CO及HC的排放也显著降低减轻对环境的污染，燃烧天然气产生的二氧化碳比燃烧石油要少30%以上而获得同样的热量。

四是安全、工作可靠天然气为高燃点的轻量气体，在正常温度和压力下，危险性比柴油小。天然气发动机冷启动性能好，运行平稳，维修费用低（约为常规燃料发动机的50%），直接用甲烷作燃料，不仅可大大降低发动机机械摩擦的耗损，延长使用寿命，且运行操作简单方便，噪音也比燃油发动机降低40%，发动机使用寿命长。

LNG燃气动力用于旅游船还有局限性

LNG液化天然气的低温特性，因此低温LNG燃气储气罐、低温液体泵绝热性能要好，阀门和管件的保冷性能要好，与之相连的设备、管道、仪表、阀门及其配件在低温工况条件下操作性能要好，并且要具有良好的机械强度、密封性和抗腐蚀性，低温储气罐和过滤器的制造及日常运行管理已纳入国家有关压力容器的制造、验收和监查的规范，压力容器生产应用，都必须向压力容器的监管单位申报检验，方可在船上应用。

LNG液化天然气的泄漏特性，LNG液体温度很低，LNG与外露的皮肤短暂地接触，不会产生什么伤害，可是持续地接触，会引起严重的低温灼伤和组织损坏。因此，储气罐、管系外部要进行防护隔绝措施，保证安全。

LNG液化天然气既具有天然气易燃易爆的特点,与空气混合容易产生危险，同时天然气是一种窒息剂，大气中氧含量约为21%，当空气中的氧气含量低于18%时，会引起人的窒息。由于船舶振动容易导致LNG燃气泄漏，从而造成危险事故的发生。所以储气罐、管路安装必须安全可靠，并经过相关检验机构认可才能使用。

目前制约旅游船应用LNG燃气发动机的最大瓶颈是缺乏相应的国家政策和标准。现实的情况是，创新走在了前面，政策和标准还没有跟上。

虽然“山水34”号只是一个开始，但通过LNG管理培训和制造技术的不断进步。相信随着LNG燃气发动机技术的不断提高，LNG燃气发动机在旅游船上将得到更多的应用。