小型LNG动力船的技术难点分析

杭州市港航管理局　周小佳



小型LNG动力船的技术难点分析

杭州市港航管理局周小佳

摘要：对小型LNG动力船在实际应用中存在的包括发动机、气体管路、气罐、透气口、报警和应急切断、管路保护、危险区域划分等一些技术问题进行研究分析，从船舶建造规范、设计制造、船舶检验、加气站建设以及配套政策等方面提出部分解决方法和思路。

关键词：LNG动力；小型船舶；船舶建造规范

一、引言

随着全国性的节能减排运动的展开，近几年LNG动力船在全国各地得到了大规模的推广，但从目前来看效果不太理想。究其原因，一是由于油价的回落使得天然气的性价比下降，加上LNG加注码头或加注趸船严重缺乏，船东积极性下降。二是目前相关专业技术人员的缺乏和配套产品的落后等因素导致LNG动力船的各种技术指标很难完全达到规范要求，限制了LNG动力船的发展。要改变这一现象，需要各方积极配合，找出原因，研究对策。船长在20～50 m间的小型船舶占我国船舶数量的绝大多数，产生的空气污染量占船舶排放量的绝大部分，同时LNG动力船在小型船舶上的应用难度比大、中型船舶更大，推广的成果和意义也更大。本文就小型LNG动力船存在的主要技术难点问题进行分析，并提出部分解决思路和方法。

二、LNG动力船存在的主要技术难点

1.发动机的选择和气体管路的问题

LNG动力船分单一天然气和双燃料（天然气和燃油）两种。因单一天然气燃料供气压力高于双燃料，为避免因气体泄漏引发主机动力丧失事故，需采用两个或多个尺寸相近的气罐或设两个完全独立的气罐连接处所（采用C型气罐），储存空间和技术要求相应提高。所以小型船舶一般采用双燃料发动机。目前发动机分新造和改造两种。

改造机天然气采用总管进气单点喷射和支管进气多点喷射两种方式。其中总管进气单点喷射方式仅需增加一套燃气供应系统，可完全保留柴油机的燃油喷射系统，天然气喷射压力低，对燃气泵的要求较低，成本较低，改造方便。但有很多缺陷，如会引发爆燃、总管存在爆炸危险、有燃气扫出、排放性能差、空燃比不够精确、燃气模式下调速性能差等，安全性、经济性和排放都存在明显问题。所以这种改造方式应予以淘汰。另一种方式是目前绝大多数改造船舶使用的支管进气多点喷射方式。该方式空燃比比较精确，没有燃气扫出，排放性能较好，部分解决了总管进气方式的缺陷，但还有单缸爆燃问题、调速性能差、改造成本较高等缺陷。

新造机一般采用支管进气多点喷射方式，由于天然气燃点为650 ℃，而柴油燃点仅为220 ℃，所以利用微量柴油引燃天然气的微引燃模式可以兼顾两种燃料的燃烧优化，是目前比较理想的发展机型。但以上无论哪种类型的国产发动机，其燃气管路及零部件普遍采用螺纹连接和法兰连接，如燃气混合器、燃气滤清器、燃气喷射阀等本身都是螺纹连接，有严重的泄漏隐患，规范规定螺纹接头仅适用于外径不超过25 mm的辅助管路和仪表管路上，所有阀件和法兰接头又必须布置在阀箱内，供气管路原则上应采用对接焊全焊透型式，且需100%进行射线检测。所以供气管路特别是发动机附近的管路连接要完全满足规范要求有一定难度。

2.机器处所类型的确认

对小型船舶来说，采用本质安全型机器处所，能够避免很多由于空间间距小而带来的问题。但本质安全型机器处所要求供气管路采用双壁管。由于机器处所的供气管路的双壁管由船厂施工，发动机厂家一般不会考虑双壁管的要求，所以就目前我们国家绝大多数船厂的施工条件和工艺来说，无论采用机械通风导管的双壁管还是采用填充惰性气体的双壁管，对小型船舶来说都不太现实。ESD防护式机器处所（正常情况下处于气体安全状态，异常情况下可能变为气体危险区域，当出现气体燃料泄漏等异常情况时，非合格防爆设备和机械自动关闭）仅适用于多机舱船舶，且除免除双壁管要求外，其他对机舱的要求也很高，小型船舶并不适用。所以目前情况下，小型船舶的机器处所仅可能采用增强安全型机器处所。

目前许多改建或新建LNG动力船供气管路部分采用双壁管，气体阀件单元也做成气密（气密效果因工艺不同不尽相同），管路有独立的机械通风，另外机舱其他要求基本参照增强安全型机舱要求。这种方法满足规范要求，机舱安全性有保障，但成本很高。

3.小船气罐的布置问题

小型船舶特别是一部分改建船舶，由于船长的限制，机舱距船尾较近，气罐的布置比较困难。为了留出船尾必要的防撞间距，气罐部分空间要放置在机舱上方，此种情况按规范要求必须设置宽度至少达到900 mm的隔离舱。为解决这一问题，设计时在其下方机舱部位增加一块900 mm高度的隔离区域。由于小船机舱高度有限，这一区域没有了利用空间，给机舱区域的布置带来了极大的困难。

4.气体管路及气罐透气口与其他区域的间距问题

一般情况下，小型LNG动力船舶的舵机舱位于气罐后下方，其开口距气罐透气口、燃料阀、气体管路法兰等距离较近，但其内部设备不能完全达到防爆等级要求，采取过压措施也不太现实。考虑到LNG气体密度约为空气的55%，一般情况下很少会有LNG气体在舵机舱积聚，故对舵机舱的要求应予适当放宽，不把其划入危险区域之内。气罐的透气口位置和高度要求对小型LNG动力船来说是很大的考验。尽管规范对内河船舶考虑了其布置的困难，对内河船舶气罐的透气口的高度从6 m降为3 m，但对受航道桥梁限制的内河船舶，还是偏高。透气口距机器废气出口及机舱空气出口的距离规范要求为海船10 m，内河船舶5 m，对小型船舶来说，出口的布置是非常困难的。

5.可燃气体泄漏报警和供气阀的切断

可燃气体探测器探测精度缺乏检测手段，规范要求气体浓度在20%～40%LEL（爆炸下限）时发出报警或切断供气阀。但目前检验时没有有效的检测工具和手段来确定气体浓度和报警或切断的可靠性。常用的方法只是简单地在探测器下方释放可燃气体来确认是否报警或切断供气阀，而气体浓度无法确定。

6.危险区域的划分

危险区域的划分参照了闪点≤60°的油船要求。对小型船舶来说，机舱部分、舵机舱部分，特别是艉灯区域很难布置到危险区域以外。危险区域内的电气设备只能布置合格的防爆设备。这几个区域的电气设备除一般的防爆灯具和防爆开关外，没有合格的防爆航行灯及其他防爆电气设备可供。通常的做法是在危险区域内的机舱部分做成气密，普通机舱门、窗布置在危险区域以外，机舱及各类进风口在危险区域外，面向船首方向。但舵机舱和艉灯布置很难解决。

7.气体充装管路的保护

部分船舶的气罐位于主甲板下方的舱室中，充气管路部分穿过主甲板，为防止船体发生冷脆现象及保证充装人员的安全，管路的保温是很重要的工作。但目前对管路的保温材料的选择、施工缺乏明确要求，配套的合格产品几乎没有。

8.船用产品证书的问题

规范规定，与气体燃料系统相关的重要产品如气罐、气体燃料发动机、热交换器、ECU、燃料管路上的阀件、软管、波纹管、泵和压缩机等需持有CCS证书，但现实条件下，产品检验没有跟上实际需求，很多部件没有证书。发动机厂家仅提供发动机及配套的电子控制系统（ECU）证书，但气体燃料控制系统及双壁管、阀件箱的通风系统和机器处所通风系统的控制箱作为LNG动力船舶的重要单元，因为船舶差异化，没有统一的控制系统，往往没有CCS证书。另外气罐及燃料管路绝大多数是由原来生产船用锅炉或压力容器的厂家生产，生产条件及技术条件良莠不齐，外购的阀件五花八门，如核心的防爆电磁阀，有进口的、国产的，类型很多但质量得不到有效保证。气体燃料控制系统的生产厂家水平也是参差不齐，给船舶安全性和检验工作留下极大的隐患。

以上是小型LNG动力船实船建造、检验过程中存在的部分技术难点，产生的原因很多，有些是短时期还无法彻底解决的，如发动机综合性能的提高和成本的控制，其他还有诸如设备制造厂家和船厂的技术、工艺缺陷，小型船舶对规范的适应性还缺乏全面的研究等。为把LNG动力真正成功应用于小型船舶，提出以下建议。

三、相关建议

（1）适当降低规范的某些条文要求。规范对LNG燃料的危险性估计偏高，天然气的燃点为650 ℃，大于柴油的220 ℃及汽油的427 ℃，其爆炸浓度也大于柴油、汽油，密度也仅为空气的55%，一般情况下很难有区域能积聚达到其爆炸浓度的气体，所以其危险程度并不是很大。在采取一些必要的防护后，如保证必要的抽吸风系统，规定非防爆电气设备与阀件、气体管路等有气体泄漏危险的单元的最小间距等，在气体燃料控制系统和气体安保系统能正常工作的情况下，安全性是完全可以保障的。危险区域的划分及开口间距的适当降低可以使小型LNG动力船的设计、施工难度大大降低，相应的成本也会有所下降，对LNG动力船的推广很有好处。

（2）气体燃料发动机、电子控制系统（ECU）、气体燃料控制系统、LNG气罐及热交换器的生产厂家必须密切配合，组合成相对固定的整体，在目前船厂LNG技术人员严重缺乏的情况下，只有各方密切配合，才能建造出合格的LNG动力船舶。

（3）验船师除必须学习掌握相应的LNG知识和检验技能外，还应配备相应的检测设备，相互交流检验的经验，在实践中逐步完善检测和检验方法。CCS对产品的检验工作要跟上实际的需求。因为大部分小型LNG船舶的检验是由地方船检部门承担的，所以地方船检部门对规范没有明确需要CCS认可的重要产品的检验工作也要及时承担完成。此外CCS也需要承担对地方船检部门的技术指导工作，通过前几年的实船试制，尽快发布检验指南以指导现场验船师的检验工作。

（4）进一步做好LNG水上加注趸船或岸上加注码头的建设，使LNG动力船能方便地加注LNG。

（5）政策的引导工作要加强。除必要的政府补贴、政策扶持外，对现有大量的低性能、高排放柴油机要采取逐步淘汰或进行LNG改造的方法加以解决。

四、结束语

从目前国内船厂和船用产品厂的现状来看，能够建造完全满足LNG动力船规范的厂家非常少，一定程度上也限制了LNG动力船的发展。要改变这一状况，除船厂和产品厂家要不断投入资金提高技术水平和生产工艺外，规范的编写也要适应当时的实际状况，循序渐进。规范要求过高有时会阻碍新技术的发展，欲速则不达。当然，LNG动力船规范的颁布，对船舶新技术的应用起了一个非常好的带头作用。以往新技术要应用于船舶，很多情况下由于厂家和检验部门没有规范和标准的支持，规范所也没有人力和物力投入新规范的研究，如此不断恶性循环，使得我国船舶新技术的应用水平非常低。此次LNG动力船规范的颁布很好地解决了这一难题，尽管LNG动力船的发展没有达到预想的效果，但其给我国船舶制造的发展起到了非常大的作用。

DOI:10.16176/j.cnki.21-1284.2016.06.003

作者简介：周小佳（1966—），男，硕士，高级工程师，E-mail：zhouxu10@sohu.com