内河LNG燃料动力船舶机舱形式对比与选择

    陈文柱++李志勇

    摘 要：三种类型的LNG动力机舱，因规范要求和船舶用途不同，所适用的船型也不同，就新建内河货船来讲，本质安全型机舱更加适合。而ESD防护式机舱更适合对电力需求较大的船舶，增强安全型机舱则更适合于进行LNG动力改造的船舶。

    关键词：LNG燃料 动力系统 船舶安全

    前言

    LNG（Liquefied Natural Gas 液化天然气）作为一种清洁、高效的能源，越来越受到青睐，供应量以每年12%的速度增长。在船舶行业，许多船东也正在使用或计划使用LNG燃料作为船舶动力。

    LNG动力在船舶行业，可运用的范围非常广泛，根据《天然气燃料动力船舶规范》（以下简称《规范》），除了客船和危险品运输船外，均可使用。但LNG经过气化后，是一种可燃气体，当达到一定浓度范围，就存在爆炸的危险，因此LNG燃料动力船舶的机舱安全性尤为重要。为使LNG危害发生的风险和影响降至最低，《规范》提供了三种机舱布置的形式，分别是“本质安全型”、“ESD防护式”、“增强安全型”。

    鉴于内河货船的特点，在设计时，LNG气罐一般会被布置在开敞甲板处，LNG在经过气化后，经由气体管路输送至机舱，然后进入气体燃料发动机内部。本文针对这种供气方式的内河货船，就上述三种机舱布置形式的对比与选择展开讨论。

    规范允许的机舱形式

    本质安全型机舱：其布置使机舱在任何情况下（正常和异常情况）均处于气体安全状态。

    ESD防护式机舱：其布置使机舱在正常情况下处于气体安全状态，当出现气体燃料泄露等异常情况时，非防爆设备和机械自动关闭，防爆设备和机械运行。

    增强安全型机舱：通过加强机舱通风、增加可燃气体探测覆盖、提高机舱内供气管路焊接要求等措施增强安全水平。

    规范对三种机舱布置形式的要求

    双壁管：系指有内管和外管组成的，主要用于向气体燃料发动机供气的管路。内管之间充满压力高于气体燃料压力的惰性气体或按规范有关要求进行通风。

    三种机舱布置形式的特点和选择

    1、本质安全型机舱

    本质安全型机舱可采用气体燃料发动机或双燃料发动机，机舱内的气体管路（包括阀件控制单元）采用双壁管或通风导管进行气密环围，当双壁管（或通风导管）内发生气体泄露时，内外管之间自动冲灌氮气，以此保证机舱始终处于气体安全状态。

    相对于其他形式的机舱，其优缺点是：通风排量小，无需设置大排量防爆风机；可以接受较大供气管路压力，发动机选择有优势；机舱为本质安全，内部电气设备可不必为防爆型；双壁管（或通风导管）的安装工艺复杂。对于新建货船，在设计时有一定的灵活性，采用本质安全型机舱则是一个合适的选择。

    2、 ESD防护式机舱

    ESD防护式机舱可采用气体燃料发动机或双燃料发动机，机舱内的气体管路可不设气密环围，发动机/发电机布置在2间或多间机舱内，当任何一间机舱内的燃料供应被切断时，其余机舱维持至少40%的推进功率和电力供应。机舱内尽可能少的容纳仅为维持发动机正常工作的设备，焚烧炉、惰性气体发生器和燃油锅炉等不应布置在机舱内。

    相对于其他形式的机舱，其优缺点是：“双/多机舱、容纳设备少”的布置适合电力推进的内河货船；“双/多机舱”的设置增加了船舶布置的设计难度和建造成本。鉴于对机舱布置的要求，ESD防护式更加适合于采用电能为动力的船舶，但在由机械能转化为电能再转化为机械能的过程中，增大了能源的消耗，因此，相对货船来讲，ESD防护式机舱更加适用于对电能需求较大的船舶，如绞吸式挖泥船等类似的工程船。

    3、增强安全型机舱

    增强安全性机舱仅适用于采用双燃料发动机的内河货船，机舱内的供气管路可不必设气密环围，但接头处必须采用对接、全焊透的形式。除风机、探测器、报警器、照明装置应为防爆型外，其他设备可与普通货船机舱的安全要求一致。当探测到气体泄露时，发动机自动切换至燃油模式。相对于其他形式的机舱，其优缺点是：机舱构造与普通货船相类似，制造工艺相对简单、方便，易于被船东接受；大部分机舱设备不必采用防爆型，降低了设备安装难度；通风配量大，需配置大排量防爆风机；仅适用于采用双燃料发动机的内河货船，有一定的局限性。

    随着LNG在船舶行业的推广，其清洁、经济的特点将更加突出，将会有更多的船东加入到使用LNG的行列，而增强安全型机舱的设备布置与普通货船更接近，采用这种设计进行双燃料改造，会更方便、快捷。

    新建内河货船的本质安全型机舱布置方案

    1、方案船舶主要信息

    方案船为航行于A、B航区的内河钢质自航散货船，艏艉为单底、单甲板结构，设有升高甲板，货舱区域为双底、双舷侧结构。设计装载运输积载因数介于0.45-0.833m3/t（不包含0.45）的货物，如黄砂、干湿砾石等散装货物及其他袋装、包装货物。

    2、 气罐布置

    气罐可布置于开敞甲板，也可布置于围壁/半围壁处所内，对于内河货船来说，布置于开敞甲板有以下几方面的原因：内河货船定员少，甲板室舱室简单，可以提供足够的空间布置气罐；内河货船大多采用尾排气，不会对气罐的充装、放泄产生影响；不必设置专用的气罐储存舱室和配套设备，节省了建造成本；节省干舷甲板下的空间，可有效增大货舱舱容；相对于布置于围壁/半围壁处所，建造工艺简单。对于方案船，气罐布置于尾部顶棚甲板（二层甲板），节省主甲板面积，同时也不妨碍驾驶室向后的视线。

    3、机舱布置

    内河船舶机舱的布置应根据其船舶特点进行设计，方案船采用以下形式：推进方式：内河船航道相对较窄，船舶密度大，靠港也比较频繁，因此操纵性要求较高，大多数内河船采用双机形式；燃油舱设置：目前长江沿岸的加气站数量和分布还不完善，部分加气站仍采用槽车加气，纯气体机的使用还存在一定限制，因多数LNG动力船舶采用油气混燃模式，机舱仍设置常规燃油舱；结构布置：大型内河船舶机舱多数采用双舷侧结构形式以提供防碰安全型和结构强度。

    本方案船机舱亦采用上述比较普遍的形式。

    4、机舱内供气管系及双壁管通风管系

    供气管路的通风进气口和出气口均位于居住甲板后部的开敞处所，尽可能的减小对甲板室起居服务处所的影响，同时也便于通风设备的安装。

    为了便于对双壁管内的可燃气体进行探测，出气口位于进气管路一侧，对于进气管路，双壁管外管延伸至主甲板上一层甲板（居住甲板后部开敞处所），并连接至风机。双壁管外管还可做适当的简化：进气管路在主机之前的部分可为一根管路，在进入主机前一份为二，出气管路在机舱外可合二为一，并可与内管分离。

    总结

    1、LNG动力船舶机舱形式选择

    因规范要求和船舶用途不同，根据上述分析，三种类型的LNG动力机舱所适用的船型也不同，其中：本质安全型机舱：适用于各类常规推进方式货船，如：散货船、集装箱船等。上述方案也说明了其可行性。ESD防护式机舱：适用于对电力需求较大的船舶，LNG燃料发动机可作为船舶电站的原动机，如：电力推进船舶、部分电力驱动的工程船等。增强安全型机舱：适用于现有的，需进行LNG动力改造的船舶。

    2、LNG动力船舶推广建议

    LNG作为一种清洁能源在环境保护上的作用有目共睹，虽然目前LNG动力船舶的规范、法规、政策都已比较完善，但新建的LNG动力船舶数量却很少，根据皖江地区的情况，建议：继续加大对LNG动力主机的研发，提高低负荷工况（50%额定功率）下的运行稳定性和燃料消耗并扩展功率段覆盖范围；继续对于新建LNG船舶进行资金补贴，补贴方式由新建船一次性补贴变更为LNG的价格补贴。

    （第一作者单位：芜湖四维船舶技术有限公司

    第二作者单位：安徽省皖江船舶检验局）