液化天然气双燃料动力港作拖轮设计研究

金宝燕，郑玄亮

（上海佳豪船舶工程设计股份有限公司，上海 200233）

0 引 言

以LNG为代表的新能源在环保方面具有的独特优势和产生的效益已经越来越显著，其在船舶交通运输行业的应用和推广已呈潮涌之势[1]。

以天然气为能源有利于环境保护，能够有效减少温室气体排放。根据某船用LNG燃料发动机生产商的产品手册，与使用常规燃油的内燃机相比，以LNG为燃料的内燃机的减排效果与环保性能十分显著，其中CO2排放量降低约22%；SOx排放量降低接近100%；颗粒物排放量降低接近100%；NOx排放量降低约92%。在发生泄漏的情况下，天然气会迅速汽化扩散，不易对水体或土壤造成污染。

长期以来，全球范围内的LNG动力船舶主要集中在欧洲的挪威、荷兰等国家，船型主要为海峡渡轮、海洋工程辅助船、LNG货物运输船等。船舶LNG动力燃料应用相关的设计和建造技术（如LNG燃料发动机、LNG液货围护系统等）也集中掌握在欧美等发达国家和地区。我国作为世界造船大国，近年来也有很多业内的学者和技术人员针对LNG船舶的设计和建造[2,3]、相关设备和系统的关键技术[4,5]方面进行了大量的研究工作。

1 动力系统

为满足大型 LNG运输船舶港内作业要求，国内某船东准备投资设计建造一批全回转港作拖轮。基本要求除满足相关的国内外公约、规范及LNG行业通行要求之外，还希望使用LNG燃料作为清洁动力能源以贯彻绿色环保的理念，提高节能减排目标。

港作拖轮即主要服务于港区的拖轮，通常需要按照排定的工作计划分航次开展周期性服务作业。图1为美国洛杉矶和长滩（LA/LB）港口拖轮船队作业数据。从图中可以看出港作拖轮的作业符合特点。根据相关数据统计，港作拖轮约有90%的作业时间主机功率低于50%最大负荷，约有98%的作业时间主机功率低于75%最大负荷。

图1 美国港口拖轮船队作业统计数据

表1是船东根据LNG运输船辅助作业需求给出的LNG终端港作拖轮的作业时间与主机功率负荷数据。可见，国内外的港口拖轮作业性质是一样的——工况复杂，主机功率变化频繁，在大部分作业时间内主机功率负荷不会很高。换言之，在主机高负荷状态下的船舶作业时间比较短。

表1 LNG终端港作拖轮主机功率负荷及时间比例 %

选择 LNG燃料为船舶主要动力，选取双燃料发动机以及气体燃料发动机作为拖轮的备选机型。从多方面对两种发动机进行综合分析比较，最终选定适合港作拖轮的动力系统。

双燃料发动机可以在两种燃料模式下工作，不同工况下燃料自动切换，动力系统稳定可靠，适应能力强。气体燃料发动机燃料单一，对燃料供应与补给条件的依赖性强，现阶段有较大的空间和时间的局限性。气体燃料发动机是针对单一燃料专门开发的机型，针对 LNG燃料优化，因而燃料效率高，功率特性好。而双燃料发动机由于需要兼顾两种不同特性的燃料，因而在这方面较弱。

气体燃料发动机具有良好的动态响应特性，比一般常规柴油机的反应速度还快（厂家实验数据），在各种工况下的载荷突加突卸均可以在较短的时间内完成。双燃料发动机在燃气模式下的响应时间比较迟缓，可以满足一般作业情况下的负荷变化需求。而对某些需要作出快速高负荷响应的情况，双燃料主机在燃气模式下可能难以满足要求。在此情况下，可以迅速从燃气模式切换至燃油模式，并在5～10s内完成切换，在燃油模式下作出迅速响应，其反应时间与常规柴油机相当[6]。

LNG燃料发动机属于高新技术，目前处于市场垄断与技术保护阶段。由此导致在船舶整体造价的构成中，燃气发动机和燃料供应系统所占比例超过总造价的50%。此外，燃料补给的可靠性和便捷性是设计和选择动力系统的关键因素。根据当前我国 LNG燃料供应设施的现状，现阶段采用槽罐车加注方式最为切实可行。对于应用 LNG燃料的船型，难免要频繁（几天）靠岸加注燃料，尤其是在一个作业周期内，剩余燃料有限的情况下，燃料的加注将受限于作业的时间和空间。双燃料推进系统则能比较灵活地安排LNG燃料和燃油的加注时间，也能够较好地保障在作业周期内的服务质量。

最后，由于双燃料发动机有两种燃料供给模式，对现行LNG动力船舶相关规范和法规的适用性更好，使动力系统的设计难度和施工难度都有所降低。在国内现有 LNG燃料配套设施的服务水平和条件下，双燃料发动机方案是兼顾各种因素的稳妥选择，更有利于LNG燃料的普及和推广应用。

2 船型优化与系统布置

2.1 适用规范

1) 中国船级社（CCS）《国内航行海船建造规范》；

2) 中华人民共和国船舶检验局《国内航行海船法定检验技术规则》；

3) 材料与焊接规范；

4) 国际吨位公约；

5) 国际海上避碰公约；

6) 中华人民共和国船舶检验局《海船防污染结构与设备规范》；

7) 瑞典工业标准（SIS）钢板除锈和油漆标准；

8) 中国海事局和CCS颁布的其他规范和规则，以及上述规范、规则的修改通报。

LNG动力船舶的设计和建造除需要满足上述同类一般船舶的规范和法规要求外，还要满足如下几个专门针对LNG燃料船舶的规范要求：

1) CCS《气体燃料动力船检验指南》；

2) CCS《双燃料发动机系统与安装指南》；

3) CCS《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》（气体储罐及设备）。

2.2 船型与布置

在确定了主机和动力系统后，选择若干成熟优秀的港作拖轮作为参考母型船优化形成初步设计方案。同时考虑到该船双燃动力系统的特点，比常规拖轮增加一套LNG燃料存贮和供气系统，由于LNG燃料的能量密度为柴油的60%，且需要在一定压力下集中低温存贮，故需要在主尺度上进行适当的放大，同时还必须保证拖轮作业的灵活操纵性，这就要求布置方案科学合理、充分提高空间利用率。另一方面，布置上适当的优化与调整，并辅以初步性能计算，以保证能安全航行和工作。

该船初步方案设三层甲板室，位于船的舯前部，分设主甲板室、起居甲板室、驾驶室，型深比常规拖轮略有升高，为主甲板下的LNG罐存贮舱提供必要的布置空间。

主甲板下设有舵桨舱、机舱、LNG罐存贮舱。LNG罐存贮舱位于艏尖舱之后，与锚链舱用水密舱壁分隔；机舱位于LNG罐存贮舱之后，由水密横舱壁分隔。

主甲板上设有公共生活舱室，主甲板前部设锚泊设备，艉部设拖带系泊设备。气体燃料补给加气站设置在主甲板左舷，靠近船首的位置。起居甲板上设有生活舱室、气胀式救生筏。驾驶室甲板上设有驾驶室。罗经甲板上设信号桅一根，船用消防炮2台。

规拖轮略显肥大，整体高度有所增加。另一方面，LNG燃料的特殊物理化学性质使得该船的安全性设计成为一大难点，LNG罐、舱及相关的各类通风、透气和安全阀门要集中通过组合式透气桅对外释放，以尽量减小船舶的危险区域。由于拖轮船型较小、各类设备布置空间紧凑，危险区划分要兼顾不同系统及作业工况的要求，部分设备的防爆性能要求需要根据不同特点进行具体分析和处理，最终得到船东认可并通过船级社认证。

[1] 严新平. 新能源在船舶上的应用进展及展望[J]. 船海工程, 2010, 39, (6)： 111-115.

[2] 陈建国，等. LNG船建造技术的消化吸收与自主创新[J]. 上海造船, 2010, (1)： 22-24.

[3] 宋吉卫，等. 大型液化天然气船线形设计若干问题研究[J]. 上海造船, 2011, (4)： 1-3.

[4] 吴嘉蒙，等. 液化天然气船货舱内部压力研究[J]. 上海造船, 2011, (1)： 37-42.

[5] 刘文华. 中小型LNG船C型独立液货舱载荷分析[J]. 船舶与海洋工程, 2012, (2)： 1-6.

[6] 上海佳豪船舶工程设计股份有限公司. 6500马力双燃料港作拖轮主机技术规格书[Z].