LNG 燃料动力船燃料系统关键技术分析

鲁世军

（重庆市船舶检验中心有限公司，重庆 400000）

0 引言

地球是人类共同生活的家园，但是，随着当前人类社会的发展，不同地区的环境状况在持续恶化。调查显示，自1860 年以来，全球年平均温度正以每年0.6 ℃的速度持续上升。20 世纪80 年代，全球每年受到气候灾害影响的人数已经达到了1.47 亿左右，到20 世纪90 年代，受灾人数攀升至2.11 亿左右。此外，全球约有40%的人口面临着严重缺水的问题。如果不采取有针对性的措施，30 年之后全球将有超过55%的人口面临水荒等问题[1]。

我国是世界第二大石油消费和进口国，交通运输行业是石油消费大户，占石油品消费的33%。船舶运输以柴油燃料为主，在交通运输行业燃料消费中占有很大比例。柴油燃烧排放的二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物、悬浮颗粒，已成为大气污染的重要来源。截至2014 年，交通运输业已成为全球温室气体的第二大排放源。为了促进生态环境保护和经济发展的良性互动，习近平总书记提出了“两山”理论，成为指导全国绿色发展的理论，指导处于转型期的中国加快开展产业结构转型调整和工业全面升级改造。以技术创新为先导，大力提升船舶运输物流行业的节能减排能力，走绿色物流发展之路，已经成为贯彻落实科学发展观、建设节约型社会的必然选择。LNG 双燃料动力船属于清洁能源船，此船型每年可以为船舶运营企业减少80%左右的燃油排放污染，社会效益良好，对于国家和社会都具有非常重要的意义。LNG 燃料属于清洁绿色能源，大力发展LNG燃料动力船，有助于为国家“碳达峰，碳中和”的环保目标贡献力量[2]。

1 LNG 燃料动力系统类型

目前LNG 燃料动力船可分为单燃料船和双燃料船。单燃料船是指发动机只使用一种燃料，即只用LNG 燃料。双燃料船是指发动机使用两种燃料，即使用LNG 燃料和0#柴油的混合燃料。无论是单燃料船还是双燃料船，它们的燃料动力系统一般包括燃料充装、燃料储存以及燃料的供应与利用。

LNG 燃料动力船动力系统中最关键的部件为“三点一线”及“四大部件”。所谓的“三点”是指气罐处所、机器处所及充装处所，“一线”指的是管系，包含附件、阀件等；“四大部件”包括发动机、气罐、热交换设备和中央控制单元。

其中，气罐处所的主要功能是储存燃料，包含的设备有气罐、热交换设备等。气罐的危险之处在于：首先，气罐与热交换设备可能存在结构坍塌的危险；其次，如果气罐、热交换设备发生了泄露，在与火源发生接触之后可能引发火灾。

充装处所的主要功能是进行燃料充装，包含的设备主要是管系等，若充装处所发生泄露，其泄漏的介质将导致金属“冷脆”现象，当可燃气体遇到火源会发生火灾。

机器处所可以将燃料转换为动能，它的着火源相对集中。其发动机、管系泄露可燃气体发生火灾的概率较大，因此，应当重点做好防泄漏、防火等工作。除此之外，作为燃料供给的单元，机器处所的主要风险点体现在可靠性、协调性等方面。

管系用于燃料的供应，主要包含管路、阀件、接头等，若阀件、接头发生泄漏会引起对船体结构的低温伤害和可燃气体的集聚。管系基本分布在气罐处所、充装处所、机器处所内，管系泄漏对这个3 处所可能会产生影响。为了减低燃料泄漏风险，目前LNG燃料管路基本采用双壁管。

2 LNG 单燃料发动机技术

LNG 单燃料发动机是指只使用LNG 燃料而不使用其他燃料的发动机。此类型发动机采用火花塞打火点燃LNG 燃料，燃气喷射、空燃比等参数，主要使用中央控制单元（electronic control unit, ECU）进行控制。ECU 采用油门信号进行控制，并通过控制电子节气门开度，对燃气喷量进行精确控制。LNG 单燃料发动机主要具有以下7 个方面的特点：①在发动机稳定运行期间，主要使用闭环控制方式，确保实际空燃比与理论空燃比保持一致性。②燃气进气方式主要采用的是电控单点喷射的方式，具有供气及时、停气干脆等优势。③LNG 单燃料发动机还具有加速、加浓等功能。④通过应用防喘震技术，在发动机大负荷突然卸载的情况下，ECU 会结合减载信号等信息，开启燃料切断激活功能。如此一来，便能够有效避免增压器喘震等问题。⑤LNG 单燃料发动机具有超速保护的功能。⑥电钥匙打开之后，若没有转速信号，电磁阀将会自动进行关闭。⑦LNG 单燃料类型的发动机还具有故障自我诊断的功能[3]。

LNG 单燃料发动机和常规柴油机在结构方面的主要区别如表1 所示。

表1 LNG 单燃料发动机和常规柴油机在结构方面的主要区别

3 LNG 双燃料发动机技术

双燃料船是指发动机使用两种燃料，既可以以LNG 为燃料，又可以燃烧燃油，或者同时燃烧燃油和LNG 燃料的混合燃料。在现有的柴油机的基础上加装LNG 燃料供给系统，便能够实现对单一柴油发动机的转化，使之成为双燃料发动机。在开启全柴油模式的情况下，LNG 气源切断，这样发动机就与原来的柴油机工作模式保持一致。

LNG 双燃料系统应用期间，需要对原有燃油泵齿条进行控制，进而实现对柴油喷射量的限制。需要根据ECU 发出的指令，利用油门执行器对油泵齿杆位置进行精确的控制。通过应用PID 双闭环控制技术，能够实现对油量的精确把控，同时，还提高了各缸发火的准确性、可靠性。

LNG 通过LNG/空气混合器喷射到发动机进气道。ECU 结合传感器感受到发动机工作情况，进而明确LNG 的喷射量。LNG 的喷射量主要通过喷射阀进行控制，因为LNG 喷射期间具有一定的压力，进而可以喷入指定的混合器内。当空气流进入时，LNG 就会对空气产生扰动作用，使二者之间保持良好的混合状况与效果。

在接收到传感器信号之后，ECU 将会对柴油的供应量进行严格的控制。系统可应用在不同型号的发动机上，LNG 替代率可达60%～90%。

ECU 是柴油－LNG 电控系统的电子控制单元，是根据柴油机压燃原理设计的，通过在柴油发动机上安装转速传感器、压力传感器、排气温度传感器、油门位置传感器、油门执行器和HSV-SP 系列喷射阀，由ECU 采集转速、油门位置等信号，通过改变油门位置来直接或间接改变油泵齿条位置，最终实现对油泵供油量的有效控制。除此之外，精确控制进入汽缸的量，使柴油发动机改装为柴油－LNG 发动机，实现对发动机燃料量的精确控制[4]。

4 LNG 燃料储罐技术

目前LNG 燃料储罐类型有薄膜型气罐、半薄膜型气罐、独立性气罐A 型、独立性气罐B 型、独立性气罐C 型。各种LNG 燃料气罐的优缺点对比如表2所示。

表2 各种LNG 燃料气罐的优缺点对比

薄膜、半薄膜型燃料气罐是属于非自身支持的系统，独立性气罐属于自身支持的系统，薄膜型气罐、半薄膜型气罐、独立性气罐A 型、独立性气罐B型均需要次屏壁，而独立性气罐C 型不需要次屏壁，从这点来看，采用独立性气罐C 型成本较低，而且独立性气罐C 型具有设计牢靠，压力适应性好，易安装，无泄漏，无须维护，与其配套的系统成本低等优点，故LNG 燃料储存主流采用C 型独立性气罐。

5 LNG 燃料气化器技术

LNG 是低温液体，不能直接进入柴油机进行燃烧，需将其气化后再进入柴油机燃烧，这就需要增设气化器，因而，汽化器的选择至关重要。通过市场调研发现，气化器主要分为两种类型：水浴式和空温式。LNG 空温式气化器在工作期间主要利用空气自然对流加热换热管中的低温液体；LNG 水浴式气化器主要是利用水的热量对换热管中的低温液体进行加热[5]。

若采用LNG 水浴式气化器需配套设置一台水泵，此泵的流量应与LNG 气化量相匹配。其工作原理为：由水泵通过江水横通管将江水泵至江水过滤器，之后再经过水浴式气化器，进而可以把LNG 加热气化，随后将其排出到舷外。因为江水中所含的泥沙较多，因而容易出现堵塞过滤器的问题，鉴于此，需要对过滤器进行定期清理。如果使用的是LNG 空温式气化器，需要的散热面积较大，进而造成整个LNG 空温式气化器体积过大，所占用的空间也随之增加，由于船上空间狭小，LNG 空温或气化器布置相对困难，而这一方式的优点是操作、维护相对方便。由于LNG 燃料动力船空间有限，没有足够的空间放置空气式气化器，而水浴式气化器具有体积小、气化能力大等优点，故船上一般采用水浴式气化器。

6 LNG 燃料动力船安保系统

LNG 燃料动力船安保系统为LNG 动力船提供控制、监测和安全保护。由“监测、控制系统”和“安全系统”两大系统组成，两系统相互独立，且安全系统优先于监测、控制系统。主要对LNG/柴油燃料船整船综合报警系统、LNG 充装系统、储罐液位等参数、气体燃料管路系统、气体阀件控制单元、机舱、抽风系统等进行监控。根据储罐温度、液位、压力及各现场气体探测器、火灾探测器、ESD 报警按钮等进行联锁保护及紧急切断，并将相关监控及安保状态发送至驾驶室或值班室。

每台LNG 主机和发电机上安装可燃气体、感温、感烟探测器各1 台，LNG 主、辅机双壁管设风压传感器和可燃气体探测器各1 个，阀件连接处所设自动工作的挡火闸、可燃气体探测器各1 个。

7 结语

综上所述，在国家提倡低碳、节能、环保、绿色的背景下，LNG 燃料动力船无疑是属于清洁能源的船，它可以大大地降低船舶运营企业的燃油排放污染，有着显著的社会效益。通过对LNG 燃料动力系统类型、LNG 燃料发动机的技术、LNG 燃料储罐的技术、LNG 燃料气化器的技术、LNG 燃料动力船安保系统等方面进行分析，并不断进行总结、实践，逐步完善，从而助力我国船舶在绿色、环保方面的发展。