小型LNG运输加气船双燃料动力系统研究

吕志庆，高占峰，杨培智

（1. 中远船务工程集团有限公司技术中心，辽宁大连 116600；2. 国鸿液化气机械工程（大连）有限公司，辽宁大连 116600）

小型LNG运输加气船双燃料动力系统研究

吕志庆1，高占峰1，杨培智2

（1. 中远船务工程集团有限公司技术中心，辽宁大连 116600；2. 国鸿液化气机械工程（大连）有限公司，辽宁大连 116600）

近年来随着经济的发展对于清洁能源的需求不断增强，国内对于天然气的需求量越来越大。目前，我国的天然气运输方式主要有：常规陆路运输、管道运输、船舶运输等。文章主要为突破和解决小型LNG加气船LNG燃料供应系统关键设备设计和研发问题，提升核心系统和装置国产化率。

LNG加气船；双燃料；动力系统

0 引言

近几年，全球变暖、气候异常等话题已逐渐成为人们关注的焦点，绿色环保、节能减排已成为全世界大多数国家的共识。在这样的大环境下，随着全球航运业的发展，船舶所造成的污染也越来越引起国际社会的关注。

随着我国“气化长江”计划的持续开展，在长江等几大内河流域及一些沿海港口航行的船舶开始采用LNG作为船舶燃料［1］。但是一部分船东还处于观望状态，因为毕竟LNG的加气没有柴油方便，国内也只有几个在建的LNG加气港口。LNG加气船的出现极大程度上解决了这个问题。LNG加气船的建造比LNG加气港简单，而且使用起来可以灵活运用。综上所述，建造小型LNG加气运输船是发展液化天然气（LNG）为船舶燃料的首要保障［2］。而LNG作为LNG加气船燃料更是节省了船舶本身的运营成本。本文主要讨论如何突破和解决小型LNG加气运输船LNG燃料供应系统关键设备的设计和研发问题［3］，并提升核心系统和装置国产化率。

1 加气船研究内容与技术方案

1.1 技术指标

目前相关的规则和规范如下：《国内航行海船建造规范》、《材料与焊接规范》（2012年）、国内航行海船法定检验技术规则（2011年）、中国船级社《国际散装运输液化气体船舶构造与设备规范》、MSC.285（86）决议、有关安全安装船舶天然气燃料发动机的临时导则、中国船级社《天然气燃料动力船舶规范2013》。

1.2 主要研究内容

通过以上规则规范来设计以LNG为燃料的燃料供应系统，并对以下两个方向进行分析：

1）对采用C型单层外包绝缘形式与采用C型双真空绝热形式进行比较及分析；

2）对采用LNG泵增压形式给主机供给燃料与采用压力储罐蓄压形式给主机供给压力进行比较及分析。

1.3 可行性分析

1）两种不同形式的LNG储罐运用在此套LNG燃料供应系统上的比较及可行性分析。

（1）单层外包绝缘形式储罐，如图1所示；

（2）双真空绝热形式储罐，如图2所示。

图1 C型单层外包绝缘形式储罐

图2 C型双层真空绝热形式储罐

2）两种不同形式的燃料供给方式运用在此套LNG燃料供应系统上的比较及可行性分析。

（1）LNG燃料系统采用LNG泵方式供给燃料；

（2）LNG燃料系统采用储罐蓄压方式供给燃料。

结论：经过以上两种方案的比较，本项目方案最终采用双真空绝热罐蓄压的形式供给燃料。

2 设计方案

2.1 系统组成

LNG燃气供应系统主要由以下系统构成：

1）LNG压力储罐；

2）LNG加气站；

3）燃气气化&加热系统；

4）水乙二醇加热系统；

5）安全系统；

6）管系和阀件；

7）仪器仪表；

8）控制系统。

2.2.1 LNG压力储罐

LNG储罐的设计满足IGC规则，安装罐舱内，采用真空绝缘罐。储气罐设置了双层壁且储气罐的外壳由耐低温材料制成， 双层罐之间设有防爆片，用于夹层安全保护。LNG储罐安装在由船体基座上，基座由船厂提供。见图3。

图3 LNG储罐罐舱布置图

2.2.2 LNG加气站

该系统设计用于向LNG储罐内充装燃料，带回气功能。设有充装接口以满足需要。为便于控制货舱内的蒸气压，充装过程中货物蒸气可采用回气或上喷淋维持压力。充装系统的布置应能使充装时不会有气体排放到大气中。

充装结束时，采用氮气将充装管线内的液体排出。在驳运易燃气体/液体时，燃料供应方和船厂的充装站之间提供一套等电位连接装置。燃料充装站的设备组成：每一充装管路靠近通岸接头处串联安装一个手动载止阀和一个遥控切断阀；在液化气燃料充装接头的下方应安装承滴盘，承滴盘应由不锈钢制成，并应通过管路排出舷外；带绝热层的液体及蒸气充装管线；LNG充装接头（和槽车接口相匹配）；必要的压力及温度显示仪表；氮气吹扫接口；LNG充装接头防飞溅装置。

2.2.3 LNG气化和加热系统

燃气供应至机舱采用以下两种模式：

1）利用储罐蒸气压，使液化天然气流经气化器、加热器；

2）LNG储罐内的BOG利用储罐的压力流经加热器。

上述两种操作方式可结合使用，以满足船上燃气设备的用气要求以及燃气罐内的压力控制。

2.2.4 LNG管系和阀件

当设计温度低于-110℃或更低时，对管系的每一个分支应提交一份完整的应力分析资料供认可。

1）LNG管系

LNG管系采用不锈钢，由管线、法兰、管件、螺栓螺母、垫片等组成。按照船级社的要求设计。LNG充装管线采用高真空多层绝热低温管，内外管之间抽真空，采用珍珠岩填充，内外管之间设支撑块、液化天然气充装接头、燃气供应管。

2）燃气供应管

燃气供应管线安装在通风管内，采用不锈钢材料。

2.2.5 LNG阀件

阀门需满足规范要求，所有LNG阀门采用不锈钢材质。

1）液相。公称直径100mm以下，采用对焊式球阀或截止阀；

2）气相。公称直径100mm以下，采用对焊式球阀或截止阀；

3）安全阀；

4）弹簧式安全阀。在燃气储罐，充装站液相管和气相管线的合适位置安装气动式速闭阀以满足规范的要求。

2.2.6 仪器仪表

所有安装在危险区域的仪器仪表应为防爆型，并满足该区域最低防爆等级要求。

1）LNG储罐液位指示及报警

每个LNG储罐至少安装一套液位测量装置，液位显示的数值应能读到mm级。LNG储罐液位测量系统应输出四个可调节的液位报警信号，两个高位报警信号，以及两个低位报警信号至控制站。数字式液位指示以及报警（低位、高位及高高位）可在控制站内模块上独立显示，报警状态以及越控功能将始终处于可视状态。

2）温度指示与报警

（1）储罐温度测量

每个储罐配置2套温度传感器，温度传感器应采用铂电阻式，测量范围在-200℃～+50℃之间。温度显示的数值应能显示到0.1℃。

（2）货舱处所的温度测量

在每个LNG储罐处所安装温度传感器，并在控制站提供温度显示和报警。安装位置为，储罐处所：一套（位于每个LNG储罐的底部）。

（3）充装管系温度测量

应在液相充装管线和蒸气回流管线的位置安装温度指示装置。

2.2.7 压力指示及报警

1）储罐压力测量与报警

每个LNG储罐安装一套独立的压力报警及指示装置，在控制站内进行显示及报警。采用本安型电子式压力传感器，压力表上清晰标明LNG罐允许的最高压力和最低压力。尤其是LNG储罐内的压力应在整个操作过程中进行如下的控制。

2）充装管系压力测量

应在液相充装管线和蒸气回流管线的位置安装压力指示装置。

2.2.8 控制系统

1）启动器

水泵电机启动器与控制柜集成在一起。

2）主控制板

在集控室设有一套主控制柜，集中对燃气系统及设备进行控制。主控制系统采用可编程控制器进行控制和管理。同时设有一套人机显示界面，用于显示和管理整个燃料供应系统，根据船舶规范，驾驶台需提供必要的报警功能。所有的系统及设备根据厂家的标注以及规范和公约要求，提供必要的报警及速闭功能。

在主控制站，可对储罐的压力、液位进行监测，同时，还可执行高液位报警及自动切断功能。

3）驾驶室报警板

在驾驶室安装一个壁挂式的报警板带有必要报警和指示功能。

3 结论

本套LNG燃料供应系统经本次研究得到以下结论：

1）此次研究成功实现了LNG动力船燃料系统的国产自主设计和生产，降低船东对国外系统供应商的依赖性；

2）本系统对LNG储存方式及供气方式等方面进行方案优化极大程度上的减少了制造成本；

3）本系统燃气供应采用储罐蓄压方式，而非使用LNG泵供气，因此本系统在操作上相较于用泵供气简单，并且基本上无需维护；

4）本系统上成功运用了国鸿液化气机械工程大连有限公司已有的“一种船舶动力装置的气体燃料供给系统”及“一种液化天然气储存舱气室罩”两种专利，这说明本设计在这方面的技术已经属于国内的领先，同时挤身国际高端技术的行列。

［1］ 高占峰. 内河LNG加气船市场定位研究［J］. 船舶标准化工程师， 2014（1）： 54-56.

［2］ 高德辈. 小型LNG运输加气船供气系统研究［J］. 中国科技纵横， 2015（20）： 48-49.

［3］ 李学军， 高占峰， 刘金媛， 等. LNG运输加气船的电力推进系统研究［J］. 科技创业家， 2014（4）： 123-124.

首艘LNG动力示范运输船下水

据清远市交通部门获悉，随着广东省首艘LNG动力示范运输船在广州南沙下水，清远市成为广东省LNG动力船新建唯一试点，标志着广东内河船舶正式进入“气化”时代，也预示LNG船的首条广东航线有望开通，首个加气站将落户清远市。北江船舶“油改气”工作正在提速，所有船舶发动机将逐渐由柴油改用安静环保的LNG。

据悉，作为交通运输部“十二五”时期全国水路运输结构调整十大示范项目之首的“大宗货物绿色运输北江示范项目”落户清远市，其中推广LNG动力船舶的示范试点应用是该项目中尤为重要的一项工作。

2014年5月，清远市交通运输局与中海油广州交通新能源有限公司、广州航海学院、广州市柏福莱海运公司清远分公司签订了北江LNG动力船新建试点示范项目四方合作协议。2015年4月，广东LNG动力船产业联盟成立，“大宗货物绿色运输北江示范项目”LNG清洁能源动力示范船在广州开工建造。根据规划，广东将在2017年前后投放100艘LNG船。

LNG动力示范船下水后将在北江（清远至珠三角航线）试运行一年，按大宗货物绿色运输北江示范项目的工作要求将LNG动力船向全省、全国进行推广，并由专业机构进行跟踪监测运行数据。

今后几年清远市水路运输业将迎来清洁能源的新时代，预计在“十三五”期间清远市将新建造60艘至100艘LNG动力船。至2020年，北江大宗货物通过水路运输相较公路运输的主要污染物碳排放量预计将减少35.5万吨。

（来源：广州日报）

Study of Double-fuel Propulsion System of Small-scale LNG Fueling Carrier

Lv Zhi-qing1， Gao Zhan-feng1， Yang Pei-zhi2
（1. COSCO Shipyard Group Co.， Ltd. Technical Center， Dalian 116600， China； 2. Gloryholder Liquified Gas Machinery （DL） Co.，Ltd.， Dalian 116600， China）

In recent years， with the development of economy， the demand for clean energy is enhanced. The amount of domestic demand for natural gas is getting greater and greater. Recently， our country has the transporting methods for natural gas such as common land route， tube transportation and ship transportation. The paper studies mainly on getting through and solve the design and developing problems of the key equipment of LNG fuel supplying system on small-scale LNG fueling carrier， so as to improve the key system and the equipment domesticization rate.

LNG fueling carrier； double-fuel； propulsion system

U674.92

A

10.14141/j.31-1981.2016.01.016

吕志庆（1970—），男，工程师，研究方向：船舶设计开发。