金寶燕，鄭玄亮

（上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司，上海 200233）

0 引 言

以LNG為代表的新能源在環(huán)保方面具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)生的效益已經(jīng)越來(lái)越顯著，其在船舶交通運(yùn)輸行業(yè)的應(yīng)用和推廣已呈潮涌之勢(shì)[1]。

以天然氣為能源有利于環(huán)境保護(hù)，能夠有效減少溫室氣體排放。根據(jù)某船用LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商的產(chǎn)品手冊(cè)，與使用常規(guī)燃油的內(nèi)燃機(jī)相比，以LNG為燃料的內(nèi)燃機(jī)的減排效果與環(huán)保性能十分顯著，其中CO2排放量降低約22%；SOx排放量降低接近100%；顆粒物排放量降低接近100%；NOx排放量降低約92%。在發(fā)生泄漏的情況下，天然氣會(huì)迅速汽化擴(kuò)散，不易對(duì)水體或土壤造成污染。

長(zhǎng)期以來(lái)，全球范圍內(nèi)的LNG動(dòng)力船舶主要集中在歐洲的挪威、荷蘭等國(guó)家，船型主要為海峽渡輪、海洋工程輔助船、LNG貨物運(yùn)輸船等。船舶LNG動(dòng)力燃料應(yīng)用相關(guān)的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)（如LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、LNG液貨圍護(hù)系統(tǒng)等）也集中掌握在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)。我國(guó)作為世界造船大國(guó)，近年來(lái)也有很多業(yè)內(nèi)的學(xué)者和技術(shù)人員針對(duì)LNG船舶的設(shè)計(jì)和建造[2,3]、相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[4,5]方面進(jìn)行了大量的研究工作。

1 動(dòng)力系統(tǒng)

為滿(mǎn)足大型 LNG運(yùn)輸船舶港內(nèi)作業(yè)要求，國(guó)內(nèi)某船東準(zhǔn)備投資設(shè)計(jì)建造一批全回轉(zhuǎn)港作拖輪?；疽蟪凉M(mǎn)足相關(guān)的國(guó)內(nèi)外公約、規(guī)范及LNG行業(yè)通行要求之外，還希望使用LNG燃料作為清潔動(dòng)力能源以貫徹綠色環(huán)保的理念，提高節(jié)能減排目標(biāo)。

港作拖輪即主要服務(wù)于港區(qū)的拖輪，通常需要按照排定的工作計(jì)劃分航次開(kāi)展周期性服務(wù)作業(yè)。圖1為美國(guó)洛杉磯和長(zhǎng)灘（LA/LB）港口拖輪船隊(duì)作業(yè)數(shù)據(jù)。從圖中可以看出港作拖輪的作業(yè)符合特點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，港作拖輪約有90%的作業(yè)時(shí)間主機(jī)功率低于50%最大負(fù)荷，約有98%的作業(yè)時(shí)間主機(jī)功率低于75%最大負(fù)荷。

圖1 美國(guó)港口拖輪船隊(duì)作業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表1是船東根據(jù)LNG運(yùn)輸船輔助作業(yè)需求給出的LNG終端港作拖輪的作業(yè)時(shí)間與主機(jī)功率負(fù)荷數(shù)據(jù)?？梢?jiàn)，國(guó)內(nèi)外的港口拖輪作業(yè)性質(zhì)是一樣的——工況復(fù)雜，主機(jī)功率變化頻繁，在大部分作業(yè)時(shí)間內(nèi)主機(jī)功率負(fù)荷不會(huì)很高。換言之，在主機(jī)高負(fù)荷狀態(tài)下的船舶作業(yè)時(shí)間比較短。

表1 LNG終端港作拖輪主機(jī)功率負(fù)荷及時(shí)間比例 %

選擇 LNG燃料為船舶主要?jiǎng)恿Γx取雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)以及氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)作為拖輪的備選機(jī)型。從多方面對(duì)兩種發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合分析比較，最終選定適合港作拖輪的動(dòng)力系統(tǒng)。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以在兩種燃料模式下工作，不同工況下燃料自動(dòng)切換，動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，適應(yīng)能力強(qiáng)。氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料單一，對(duì)燃料供應(yīng)與補(bǔ)給條件的依賴(lài)性強(qiáng)，現(xiàn)階段有較大的空間和時(shí)間的局限性。氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是針對(duì)單一燃料專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的機(jī)型，針對(duì) LNG燃料優(yōu)化，因而燃料效率高，功率特性好。而雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)由于需要兼顧兩種不同特性的燃料，因而在這方面較弱。

氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，比一般常規(guī)柴油機(jī)的反應(yīng)速度還快（廠家實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)），在各種工況下的載荷突加突卸均可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较碌捻憫?yīng)時(shí)間比較遲緩，可以滿(mǎn)足一般作業(yè)情況下的負(fù)荷變化需求。而對(duì)某些需要作出快速高負(fù)荷響應(yīng)的情況，雙燃料主機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较驴赡茈y以滿(mǎn)足要求。在此情況下，可以迅速?gòu)娜細(xì)饽Ｊ角袚Q至燃油模式，并在5～10s內(nèi)完成切換，在燃油模式下作出迅速響應(yīng)，其反應(yīng)時(shí)間與常規(guī)柴油機(jī)相當(dāng)[6]。

LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)屬于高新技術(shù)，目前處于市場(chǎng)壟斷與技術(shù)保護(hù)階段。由此導(dǎo)致在船舶整體造價(jià)的構(gòu)成中，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)和燃料供應(yīng)系統(tǒng)所占比例超過(guò)總造價(jià)的50%。此外，燃料補(bǔ)給的可靠性和便捷性是設(shè)計(jì)和選擇動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。根據(jù)當(dāng)前我國(guó) LNG燃料供應(yīng)設(shè)施的現(xiàn)狀，現(xiàn)階段采用槽罐車(chē)加注方式最為切實(shí)可行。對(duì)于應(yīng)用 LNG燃料的船型，難免要頻繁（幾天）靠岸加注燃料，尤其是在一個(gè)作業(yè)周期內(nèi)，剩余燃料有限的情況下，燃料的加注將受限于作業(yè)的時(shí)間和空間。雙燃料推進(jìn)系統(tǒng)則能比較靈活地安排LNG燃料和燃油的加注時(shí)間，也能夠較好地保障在作業(yè)周期內(nèi)的服務(wù)質(zhì)量。

最后，由于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)有兩種燃料供給模式，對(duì)現(xiàn)行LNG動(dòng)力船舶相關(guān)規(guī)范和法規(guī)的適用性更好，使動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和施工難度都有所降低。在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有 LNG燃料配套設(shè)施的服務(wù)水平和條件下，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)方案是兼顧各種因素的穩(wěn)妥選擇，更有利于LNG燃料的普及和推廣應(yīng)用。

2 船型優(yōu)化與系統(tǒng)布置

2.1 適用規(guī)范

1) 中國(guó)船級(jí)社（CCS）《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》；

2) 中華人民共和國(guó)船舶檢驗(yàn)局《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》；

3) 材料與焊接規(guī)范；

4) 國(guó)際噸位公約；

5) 國(guó)際海上避碰公約；

6) 中華人民共和國(guó)船舶檢驗(yàn)局《海船防污染結(jié)構(gòu)與設(shè)備規(guī)范》；

7) 瑞典工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SIS）鋼板除銹和油漆標(biāo)準(zhǔn)；

8) 中國(guó)海事局和CCS頒布的其他規(guī)范和規(guī)則，以及上述規(guī)范、規(guī)則的修改通報(bào)。

LNG動(dòng)力船舶的設(shè)計(jì)和建造除需要滿(mǎn)足上述同類(lèi)一般船舶的規(guī)范和法規(guī)要求外，還要滿(mǎn)足如下幾個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)LNG燃料船舶的規(guī)范要求：

1) CCS《氣體燃料動(dòng)力船檢驗(yàn)指南》；

2) CCS《雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)與安裝指南》；

3) CCS《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》（氣體儲(chǔ)罐及設(shè)備）。

2.2 船型與布置

在確定了主機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)后，選擇若干成熟優(yōu)秀的港作拖輪作為參考母型船優(yōu)化形成初步設(shè)計(jì)方案。同時(shí)考慮到該船雙燃動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)，比常規(guī)拖輪增加一套LNG燃料存貯和供氣系統(tǒng)，由于LNG燃料的能量密度為柴油的60%，且需要在一定壓力下集中低溫存貯，故需要在主尺度上進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，同時(shí)還必須保證拖輪作業(yè)的靈活操縱性，這就要求布置方案科學(xué)合理、充分提高空間利用率。另一方面，布置上適當(dāng)?shù)膬?yōu)化與調(diào)整，并輔以初步性能計(jì)算，以保證能安全航行和工作。

該船初步方案設(shè)三層甲板室，位于船的舯前部，分設(shè)主甲板室、起居甲板室、駕駛室，型深比常規(guī)拖輪略有升高，為主甲板下的LNG罐存貯艙提供必要的布置空間。

主甲板下設(shè)有舵槳艙、機(jī)艙、LNG罐存貯艙。LNG罐存貯艙位于艏尖艙之后，與錨鏈艙用水密艙壁分隔；機(jī)艙位于LNG罐存貯艙之后，由水密橫艙壁分隔。

主甲板上設(shè)有公共生活艙室，主甲板前部設(shè)錨泊設(shè)備，艉部設(shè)拖帶系泊設(shè)備。氣體燃料補(bǔ)給加氣站設(shè)置在主甲板左舷，靠近船首的位置。起居甲板上設(shè)有生活艙室、氣脹式救生筏。駕駛室甲板上設(shè)有駕駛室。羅經(jīng)甲板上設(shè)信號(hào)桅一根，船用消防炮2臺(tái)。

規(guī)拖輪略顯肥大，整體高度有所增加。另一方面，LNG燃料的特殊物理化學(xué)性質(zhì)使得該船的安全性設(shè)計(jì)成為一大難點(diǎn)，LNG罐、艙及相關(guān)的各類(lèi)通風(fēng)、透氣和安全閥門(mén)要集中通過(guò)組合式透氣桅對(duì)外釋放，以盡量減小船舶的危險(xiǎn)區(qū)域。由于拖輪船型較小、各類(lèi)設(shè)備布置空間緊湊，危險(xiǎn)區(qū)劃分要兼顧不同系統(tǒng)及作業(yè)工況的要求，部分設(shè)備的防爆性能要求需要根據(jù)不同特點(diǎn)進(jìn)行具體分析和處理，最終得到船東認(rèn)可并通過(guò)船級(jí)社認(rèn)證。

[1] 嚴(yán)新平. 新能源在船舶上的應(yīng)用進(jìn)展及展望[J]. 船海工程, 2010, 39, (6)： 111-115.

[2] 陳建國(guó)，等. LNG船建造技術(shù)的消化吸收與自主創(chuàng)新[J]. 上海造船, 2010, (1)： 22-24.

[3] 宋吉衛(wèi)，等. 大型液化天然氣船線形設(shè)計(jì)若干問(wèn)題研究[J]. 上海造船, 2011, (4)： 1-3.

[4] 吳嘉蒙，等. 液化天然氣船貨艙內(nèi)部壓力研究[J]. 上海造船, 2011, (1)： 37-42.

[5] 劉文華. 中小型LNG船C型獨(dú)立液貨艙載荷分析[J]. 船舶與海洋工程, 2012, (2)： 1-6.

[6] 上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司. 6500馬力雙燃料港作拖輪主機(jī)技術(shù)規(guī)格書(shū)[Z].