LNG船舶动力系统的总体设计及关键技术研究

祝志勇，叶文彪，高 健

(1.中车资阳机车有限公司，四川 资阳 641300；2.中国人民解放军陆军装备部驻沈阳地区军事代表局驻大连地区军事代表室，辽宁 大连 116001)

0 引言

节能减排已经成为全球航运业发展的大势所趋，LNG动力船舶正是在此形势下发展起来的一项先进技术，其绿色动力系统的集成是目前发展的重心[1]。随着环保趋势的深入和LNG的兴起，特别是内河航运节能减排补贴政策的出台催化了LNG燃料动力船舶行业的快速发展。但是，由于设计、应用经验不足，加上各种设备厂家独立供货，导致在LNG燃料动力船动力系统在集成过程中出现各种问题，严重制约了内河船LNG动力技术的推广[2]。

“粤珠328” LNG双燃料动力示范船(简称“粤珠328”船)为3 000吨级多用途船舶，现常年运行在京杭运河上。其主要参数为：船长65.98 m，船宽15.8 m，最大载货3 530 t，最多可以搭载160个重柜集装箱。该船最大特点就是采用LNG和柴油双燃料动力系统，并将动力系统的各模块集成为一个有机的动力包。

本文以“粤珠328”船的LNG动力系统为例，分析LNG船舶动力集成系统的总体设计思路，并对LNG储气罐的加装、LNG发动机系统的改造、LNG报警监控系统的设计等关键技术进行研究，总结船舶动力集成的经验教训，为内河LNG船舶动力系统的整体设计模式提供有效的技术方案。

1 LNG船舶动力系统的总体设计

LNG船舶动力系统是LNG动力船舶的核心部分，是以LNG作为主要动力燃料、通过发动机为船舶提供动力的集成系统。与传统燃油动力系统相比，它以柴油-燃气双燃料替代单一的柴油燃料，以双燃料发动机替代柴油发动机，即在原有柴油机主体结构和燃烧方式不变的前提下，增加1套LNG供气系统和柴油-燃气双燃料电控喷射系统，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2种运行模式的转换。同时为防止LNG泄露带来的危险，增加1套LNG报警控制系统。所以，LNG船舶动力系统主要由3大系统组成，即LNG储供气系统、柴油-燃气双燃料发动机系统、LNG报警控制系统。

根据“粤珠328”船的船体设计布局，LNG罐及气化设备布置在船尾部甲板上，燃气机及发动机气体阀组单元(GVU)安装在船舱内，控制柜布置在驾驶操作室内。燃气机与LNG罐通过燃气管路进行连接，燃气机尾气通过排烟管路排出船外。动力集成设备的布局和安装示意见图1。

液态天然气LNG从储气罐出来后经过气化器汽化，液态天然气LNG转化为气态天然气CNG。汽化后的天然气在进发动机前，通过GVU进行过滤和压力调整，喷入发动机燃烧室燃烧做功，发动机输出轴通过变速箱后带动螺旋桨旋转，为船舶提供动力[3]。同时LNG报警控制系统对LNG储罐、气化器、阀门、机舱等进行监控，以确保LNG环境下的使用安全。LNG报警监控信息和发动机运行参数汇总到控制室，由控制柜对LNG控制系统和发动机进行远程控制。

图1 动力集成设备的布局和安装示意图

2 LNG储供气系统的优化设计

LNG储供气系统由LNG储气罐及气化装置、缓冲罐、接头、阀件等组成。LNG储气罐的有效容积为15 m3，最大工作压力为1.0 MPa，安放在船舶甲板上，用于贮存液化天然气。

液态天然气LNG从储气罐出来，经过气化器汽化，LNG在汽化过程中由于体积膨胀，需要吸收大量的热量，为防止气化器结冰，需设法将发动机的缸套水引出到气化器。为保证燃气供给量及压力的稳定性，避免发动机在急加速过程中出现燃气压力波动而影响发动机性能的现象，还需增加1个缓冲罐。同时为防止LNG罐的接头、阀件等发生泄漏，需要将其围蔽在由耐低温材料制成的处所内，即气罐连接处所(俗称“冷箱”)。LNG储气流程见图2。

图2 LNG储气流程图

3 双燃料发动机系统的新增改造

发动机采用YC6C600型双燃料发动机，通过电子转换开关，随时在纯柴油和柴油-天然气混燃2种模式下切换。在混燃模式下，LNG可部分替代柴油燃料，在75%额定功率下LNG综合替代率可达到70%以上，从而达到节省燃油和降低排放的目的。相对于纯柴油机，双燃料发动机主要增加了1套燃气供给系统，具体分为机外的气体阀组单元GVU、机内燃气供给单元和混燃喷射ECU系统[4]。

3.1 机外气体阀组单元GVU

汽化后的天然气在进入发动机前，还需要进一步过滤和调压，这就需要GVU。GVU包含的零部件有调压器、燃气过滤器、气动阀、压力表等，集成在屏蔽箱内，对天然气进行调压调整、燃气过滤和启停控制。GVU整体对内部所有零部件形成围蔽，其燃气进出口都设有通风法兰，通风法兰通过管道与抽风机相连，采用双层抽风结构。当箱体内某一连接处发生燃气泄漏时，可以将燃气通过双层管抽走，防止燃气泄漏到机舱内部，引发潜在的危险。GVU结构原理见图3。

图3 阀组单元GVU原理图

3.2 机内燃气供给单元

相对于纯柴油机，双燃料发动机增加1套燃气供给单元，安装在屏蔽箱内，置于发动机顶部。其燃气系统供给采用多点喷射方案，燃气管路通过燃气共轨管分为6支，由6个燃气电喷控制阀控制燃气的喷射。燃气共轨管采用单层管，与燃气阀一同安装在屏蔽箱(GVU-2)内部，等同于双壁管作用，每一缸的燃气支管直接通向发动机进气总管，直接喷入缸盖，燃气支管采用双壁管。燃气供给单元安装位置见图4。

图4 燃气供给单元位置

3.3 发动机的混燃喷射ECU系统

燃气供给系统的作用是根据发动机工况的变化，使燃气与空气以一定的比例混合后送入燃烧室中。发动机对供气系统的控制，可集成在一个电子控制单元(ECU)上，由ECU控制供气系统的混燃喷射。YC6C双燃料发动机的ECU系统采用HEINZMANN控制系统，可实现启动、停机、双燃料模式切换、燃气系统控制功能、发动机运行状态监控等5大功能。ECU系统原理见图5。

图5 ECU系统原理图

4 LNG船舶报警监控系统的功能设计

因LNG燃气的特点，LNG船舶的危险主要集中在气罐的充装及储存处、燃气管路阀口处、发动机进排气等处，故LNG船舶的监控系统可细分为LNG天然气报警监控系统和双燃料发动机电喷ECU控制系统，并通过远程监控系统对LNG报警监控信息和发动机运行参数进行汇总并控制[5]。

LNG天然气报警监控系统主要承担的任务是对LNG储罐、气化器、遥控阀门等监控和管理，完成充装、储存、供气、待机等各种工艺过程的采集、控制、显示、报警等监控功能，同时对本船的LNG使用环境安全进行监测。通过可燃气体泄漏控制器、火灾监测报警控制器等监测设备，可以及时发现隐患启动报警并关闭紧急切断阀，切断气体燃料，确保使用安全。LNG船舶监控系统示意图见图6。

5 结论

根据“粤珠328”LNG双燃料动力船的研发经验教训，LNG船舶动力系统在设计时需特别注意以下几个关键技术：

(1)为保证燃气供给量及压力的稳定性，防止LNG罐的接头、阀件等发生泄漏，建议LNG储供气系统增加一“冷箱”。

(2)原纯柴油机需改造为双燃料发动机，即增加1套燃气供给系统和混燃喷射ECU系统。

(3)为确保LNG使用安全，船舶须安装可燃气体泄漏探测器、火灾监测报警控制器等监测设备，及时发现隐患予以报警并自动切断LNG阀门。

图6 LNG船舶监控系统图