3 000 DWT 內河多用途船LNG 動力改造方案及應用

朱少兵，鄒 勇

（廣州港股份有限公司，廣州 510199）

1 前言

國家頒發了《關于全面深入推進綠色交通發展的意見》（2017 年11 月）、《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》（2018 年11 月）、《粵港澳大灣區發展規劃綱要》（2019 年2 月）等相關政策文件，提出綠色交通發展和節能減排要求。廣東省政府也先后出臺了《廣東省提升內河航運能力和推動內河航運綠色發展總體分工方案》、《廣東省內河航運綠色發展示范工程實施方案》（2021 年8 月）及《廣東省內河航運綠色發展示范工程船舶LNG 動力改造補貼實施方案》（2019 年9 月）等文件，推進綠色珠江船舶LNG 動力改造工作。

隨著船舶LNG 動力技術水平不斷進步，國內LNG動力系統主要設備（如：LNG 燃料發動機、LNG 儲存設備、LNG 燃料供應系統及安保系統等）核心技術已日趨成熟，國家船舶監管部門相繼出臺了一系列關于LNG 動力船舶技術規范、檢驗規則和標準，為船舶LNG 動力改造提供了政策和技術指導。

本次3 000 DWT 內河多用途船改造項目，主要改造任務為：（1）拆除部分甲板艙室和設施，增設LNG儲罐，重新布置甲板艙室；（2）安裝LNG 儲罐，鋪設LNG 供給管線；（3）將原主機、發電機組更新為純LNG 主機和發電機組，更新齒輪箱，對排煙管重新布置，原柴油相關系統（設施）拆除；（4）增設LNG儲罐水霧噴淋系統、干粉滅火系統、可燃氣體探測系統、LNG 應急切斷系統及安保系統等。

珠江水域具有航道復雜和船型緊湊特征，突破緊湊型船舶LNG 動力改造總布置優化、船型標準化改造論證、天然氣動力發動機與傳統燃料動力推進設備的匹配、設備選型論證、船舶LNG 動力改造危險區域最小化控制、大功率天然氣發動機試驗驗證等關鍵技術，顯得尤為重要。

2 天然氣發動機技術模式

2.1 技術模式

天然氣發動機是船舶LNG 動力改造系統的主要設備，分為LNG 單燃料發動機和LNG 混合燃料發動機。

根據燃料燃燒效率及綜合排放性能分析，LNG 單燃料動力技術模式相對較好，因為LNG 摻燒式混合燃料發動機要兼顧兩種不同特性的燃料使用，導致燃料燃燒效率低，綜合排放性能相對較差。經分析論證，本船改造采用LNG 單燃料動力技術模式，更加符合政府倡導的綠色珠江航運發展的要求。

2.2 設備選型

目前，國內天然氣發動機技術先進性、安全可靠性有保障，經濟性及節能減排效果相對較好。

2.2.1 LNG 混合燃料發動機

按燃油比例及燃氣進氣方式，LNG 混合燃料發動機可分為：摻燒式混合燃料發動機；微引燃式混合燃料發動機；缸內直噴式混合燃料發動機。

1）摻燒式混合燃料發動機

適用工況窄，減排效果差，技術應用失敗案例較多；早期長江流域船舶動力改造，使用雙燃料發動機，其二氧化碳、硫化物和氮氧化物排放方面不如人意。

2）微引燃式雙燃料發動機

普遍適用于大功率發動機，在遠洋大型船舶、沿海中大型船舶上廣泛應用，其技術成熟，減排效果顯著。目前國內相關廠家正在研發采用微引燃技術的中小功率、中高速雙燃料機，但尚未取得實質性進展，離成熟產品投入市場還有較長時間。

3）缸內直噴LNG 混合燃料發動機

存在NOx 不能滿足TierIII 要求、高壓供氣系統復雜且成本高等缺點，目前可選機型少。

2.2.2 LNG 單燃料發動機

按燃氣進氣方式，可分為預混式單燃料發動機和支管多點噴射單燃料發動機：

1）預混式LNG 單燃料發動機

按照天然氣燃燒特性設計制造，技術可靠，故障率低，減排效果明顯優于摻燒式雙燃料發動機；適應工況范圍廣，不存在摻燒式LNG 發動機在低負荷和高負荷不能燃用LNG 的問題，適合內河船舶通常負荷率較低使用場景。

2）支管多點噴射單燃料發動機

采用電控多點噴射和稀薄燃燒技術，具有預混式LNG 單燃料發動機的優勢，排放低、熱效率高、動態響應性能好，適用于內河航行環境復雜、船舶機動性要求高的船舶。但價格較高，對改造成本控制不利。

根據設備性能，應用場景及改造成本等因素綜合分析，本次船舶改造項目，部分選擇預混式LNG 單燃料發動機，部分選擇支管多點噴射式單燃料發動機。

2.2.3 LNG 儲罐

LNG 儲罐作為船舶儲能設備，是船舶LNG 動力改造關鍵設備。LNG 儲罐設有泄壓閥，當罐內氣體壓力超過設定值，泄壓閥自動打開；儲罐內設有進液噴淋管線，用于預冷操作；儲罐出口設有氣動閥（ESD），緊急情況下可切斷供氣。

LNG 儲罐容積的大小，與船舶續航能力有直接關系。根據市場調研及結合珠江水系航運特點，本次船舶改造項目，選擇容積為30 m3的LNG 儲罐。

3 危險區域最小化控制

根據《天然氣燃料動力船舶法定檢驗暫行規定》（2018）及《船舶應用天然氣燃料規范》（2021）有關要求[1]，對LNG 燃料動力船上可能出現爆炸性氣體及存在時間不同的區域，劃分為不同等級危險區域。危險區域最小化控制，是本次船舶改造項目重點考慮和關注的問題。

針對危險區域對船舶的影響，合理布置危險處所進出風口及加注口是控制關鍵，將LNG 儲罐壓力釋放口、環圍通風出風口和加注口緊湊布置：通過改變門窗位置、窗戶氣密性等措施，使得危險區域與居住處所(安全區域)得到有效隔離；當危險區域范圍覆蓋了原船電氣設備時，將相應電氣設備移出危險區域，如果布置上不允許，則改用防爆型電氣設備；安裝在危險區域內的緊急切斷閥，采用氣控型式，避免電控元器件電起火的風險。

本船舶改造項目的具體改造措施為：對船舶燃料環圍通風進出口、LNG 儲罐壓力釋放口、燃料加注口等潛在可燃氣體釋放源和各危險區域范圍，進行風險評估；將環圍通風進口布置在船舶貨艙兩側，將燃料環圍通風出口、LNG 儲罐壓力釋放口與燃料加注口等危險區域重疊設置；將LNG儲罐、上層建筑門窗、通道、排煙口、機艙進出風口和船員住艙等，重新優化布置調整，盡可能縮小危險區域范圍，以降低危險區域對船舶布置的影響，提升改造合理性和安全性。

本船危險區域分布圖，如圖1 所示。

圖1 改造船舶危險區域分布圖

4 LNG 儲罐布置與安裝結構強度

LNG 儲罐布置也是本次船舶改造項目關注重點之一。LNG 儲罐外形尺寸大、占據空間大、重量大，布置受到船舶主尺度、線型和重心高度等因素限制，布置不當會對船舶穩性和安全等造成影響。

本次船舶改造項目，采取在艉二層甲板面LNG 儲罐橫向布置方案，其對船舶裝載量、穩性的影響相對較小，靠近機艙區域，可以有效減少LNG 管路長度，避免穿過船員居住艙室和降低天然氣泄漏的風險；按照規范相關要求，在儲罐下方設隔離空艙，靠儲罐側艙壁做好相應防火措施，如圖2 所示。

圖2 改造船舶隔離空艙設置圖

本次船舶改造項目，對結構的要求：主要構件保持連續貫通，需斷開時應作結構加強補償；任何強力構件如遇管道、電纜穿過及設置人孔時，其開孔尺寸須滿足規范要求，作局部加強或增設復板補償；設備基座改造時，基座結構要求適當過渡延伸，增加基座結構強度，減少振動；儲罐基座須具備一定的結構強度，經有限元軟件建模分析、校核確定；考慮到儲罐受到永久載荷、環境載荷、意外載荷作用時，能防止儲罐本體移動，允許在溫度變化及船體變形時適當收縮、膨脹，不出現應力過大的情況；基座有一定強度富裕，考慮船體結構支撐，結合下方隔離空艙結構強度分析，隔離空艙結構強構件與基座構件布置有良好的匹配性。

5 LNG 供氣系統安全控制

LNG 儲存安全性很重要，為了有效防止LNG 泄漏或溢出造成火災事故，在船舶項目改造時，應重點考慮LNG 儲存使用相關安全控制措施：

1）設置安全距離。LNG 儲罐及相應輔助設備布置區域盡可能遠離可能產生火焰或電火花的部位；

2）配置探測設備。LNG 儲罐接頭處所及安裝有LNG 設備、管路的封閉艙室內，設置可燃氣體探測器；

3）確保船舶有良好的穩性。防止劇烈搖擺加劇LNG 氣化，導致儲罐內高壓；

4）操作安全保障。配備防泄漏、防凍傷設施；

5）機艙內LNG 供氣管路采用通風導管環圍(雙壁管)，供氣管路和通風導管之間的空間安裝燃氣環圍導管抽風機進行抽風。每臺氣體發動機的燃料供給管路設置一套獨立的通風管路，發生泄漏時通過通風管路將氣體抽排到外部，確保安全；獨立通風管路除配置主抽風機外，還設置備用抽風機；

6）船舶配置的單燃料氣體發動機較多（5 臺），如果每臺發動機設置一套獨立的環圍導管通風管路，需較大空間才能滿足，實際情況是原船機艙空間狹小，過多管路、風機布置困難，因此在確保安全、管路相對獨立的前提下，盡可能減少風機及管路也是本次船舶改造重點關注之一，考慮全船分左、右舷兩路設置，左舷2 臺氣體發動機共用一路環圍導管通風管路，右舷3 臺氣體發動機共用一路環圍導管通風管路，每路并聯配置2 臺抽風機（一用一備）。當可燃氣體探測系統探測到雙壁管內天然氣濃度達到一定值時，在駕駛室駕控臺發出聲光報警，使用同一通風導管環圍系統抽風的LNG 儲罐供氣主閥自動關閉，所在舷側的所有發動機主氣體燃料閥和雙截止透氣閥關閉，自動透氣閥開啟，切斷天然氣供給。布置方法如圖3 所示。

圖3 改造船舶LNG 供氣系統圖

6 主要創新改造技術

6.1 船型布置優化

珠江水系船舶布置極為緊湊，為了確保船舶有足夠續航能力，儲罐容積要盡量大，對裝載量影響盡量小。通過對船舶總布置進行優化論證，提出將LNG 儲罐布置在船尾部上建后端二甲板的方案，達到LNG 泄漏風險點布置在船舶航行下風向位置，以避免主甲板面改造工程量大、管路長等問題。

6.2 船型標準化

目前珠江水系船型復雜多樣，通過標準化改造實施，落實好船舶改造各項工作任務。通過現場實船勘驗、設計、關鍵共性技術及風險點進行梳理，對關鍵設備、布置提出標準化改造思路，控制改造風險，為后續批量船舶LNG 動力改造作出參考。

6.3 天然氣發動機與傳統推進匹配

天然氣發動機與傳統柴油發動機比較，在尺寸、重量、功率轉速、動態響應、不同轉速下負荷穩定性等存在差異。為節省成本，盡可能減少動力設備以外其他設備更換，充分考慮天然氣發動機與內河船舶傳統推進的匹配，制定改造方案。

將原主機及齒輪箱基座全部或局部切割，重新制作、安裝。在天然氣發動機與螺旋槳匹配方面，根據現有船型參數、附體阻力、主機性能等情況進行分析；對天然氣發動機不同轉速下負荷穩定性進行核算，確保與原螺旋槳參數合理匹配，減少對軸系、螺旋槳改造。

6.4 危險區域最小化控制

按照規范、規則相關要求，劃出天然氣泄漏危險區范圍，以危險區域最小化為原則，對LNG 動力系統眾多可能泄漏點進行優化布置。通過論證分析，有效縮小危險區域范圍，降低危險區域對船舶生活區域的影響，提升船舶安全性，為后續船舶改造提供參考。

6.5 首制大功率天然氣發動機

應用河南柴油機廠研制的660 kW 多點噴射LNG單一燃料主機，作為國內首臺上船試用，分析可能存在的風險，逐項完成主推進裝置運行試驗、測速試驗、回轉試驗、航向穩定性試驗等測試，為后續船舶的推廣應用提供成功案例。

7 改造成效及發展趨勢

基于珠江水系內河船型總布置優化、船型標準化改造、天然氣發動機與傳統推進設備匹配、危險區域最小化控制、大功率天然氣發動機試驗驗證等，突破了多項關鍵技術，為解決多年來困擾我國內河新能源船舶推廣應用難題起到了一定示范引領和借鑒作用。

7.1 經濟效益

船舶經LNG 動力改造后，運營經濟效益顯著：

1）根據省政府與供應商（中海油）簽訂的戰略合作協議，船舶LNG 燃料供氣價格定為市場同期柴油價格的70%，一定程度上降低了船舶運營燃料消耗成本。

2）根據實船監測，船舶改造前平均燃油單耗約為74.8 g/kW·h,船舶改造后LNG 燃料平均單耗約為58.8 g/kW·h。2023 年上半年，8 艘改造船舶運營加注LNG燃料與改造前同等運營條件下比較，運營燃料消耗成本節省達100 多萬元，經濟效益顯著。

7.2 社會效益

1）提升了珠江水系船舶生態環保水平。船舶LNG動力改造，降低了船舶大氣和水污染程度，船舶廢氣二氧化碳排放減少約20%，氮氧化物排放減少約50%，顆粒物及硫氧化物減排約100%。

2）助力珠江水運LNG 應用生態。一定程度上，助力省市政府對珠江水系船舶燃料應用生態的改變，調整水運能源結構。

3）示范引領廣東省航運綠色發展。大大調動了各港航企業加快推進船舶LNG 動力改造的積極性，促進了珠江水域LNG 加注站配套設施建設步伐，有利于珠江水運能源結構調整和環境保護，提升珠江水系航運綠色發展水平。

7.3 未來發展趨勢

近幾年來，國家先后出臺《“十四五”船舶工業規劃》、《“十四五”交通運輸發展規劃》、《內河航運發展綱要貫徹落實的實施意見》及《關于加快內河船舶綠色智能發展的實施意見》等政策文件，清潔能源替代傳統能源船舶得到了政府大力支持，隨著科學技術進步，清潔能源替代傳統能源技術日趨多樣化，清潔能源船舶建造、改造具有廣闊的發展前景。

8 結束語

響應國家節能環保政策,改善柴油機動力內河船舶所面臨的環境污染及能源成本問題,展開包括LNG在內的新型能源動力船舶研究工作,取得了可喜的成就[2]。隨著油改氣工程逐步推進,LNG 已成為業內公認的船舶新能源的重要選項，LNG 燃料動力船舶的經濟性、環保性優勢日益顯現，內河LNG 燃料動力船舶將會得到廣泛推廣應用[3]。

目前，國內LNG 動力技術的研究仍處于推廣應用階段，有關法規、規范及標準有待進一步完善，LNG 動力技術水平仍有待進一步提高；目前LNG 動力船舶建造、改造成本相對較高，以及LNG 加注站配套設施建設相對滯后等因素，影響到各航運企業清潔能源技術推廣應用的積極性。因此，為了加快水運清潔能源結構調整，構建水運LNG 應用生態，建議政府相關部門不斷完善清潔能源技術推廣應用及產業發展政策指引文件，加快LNG 配套設施建設步伐，在財政補助、優先過閘、LNG 價格優惠及船員培訓等方面，構建更加具有吸引力的激勵機制，推動綠色航運高質量發展。