应用气体燃料对船舶机舱管路系统设计影响分析

曲永华

摘  要：国际海事组织对温室气体排放的法规要求日益严苛，对新造船舶及运营期间的船舶提出了更高的要求。近年来，船舶的设计从开发节能装置和应用清洁能源等方面不断的优化和升级，促使船舶更加节能环保。本文就船舶应用气体燃料对机舱相关管路系统设计的影响进行简介。

关键词：船舶；气体燃料；设计；影响

传统船舶采用燃油作为燃料，船舶运营期间通过主机、发电柴油机等设备废气排出大量CO2、SO2等有害气体，因此国际海事组织提出了船舶能效设计指数（EEDI）的要求，并计划通过现有船舶能效指数(EEXI)和船舶运营碳强度指标（CII）要求进一步加强度船舶温室气体排放的控制。为满足排放法规要求，船舶需开发应用节能技术提高船舶能源利用效率，或者采用天然气等相比传统燃油更加清洁的能源作为船舶燃料。目前使用天然气作为船用燃料的技术已经比较成熟，且随着全球液化天然气供应基础设施的逐步完善，短期内使用天然气等气体燃料将成为船舶降低温室气体排放的主要应对策略之一。

1  气体燃料船舶的发展现状

为应对日益严苛的排放法规要求，航运界已经有较多的船舶选择天然气作为燃料，并且应用气体燃料的新造船订单呈逐年上升趋势。根据DNV统计资料显示，目前气体作为船舶推进动力系统燃料的主要应用方式为双燃料发动机、纯燃气发动机、双燃料透平发动机等，其中双燃料发动机占比80%，为目前商船使用气体作为燃料的主要动力方式。MAN、WinGD、Wartsila、Rolls Royce及Caterpillar等制造商近年来都推出气体燃料发动机产品。应用在一般商船上的发动机主要以Wartsila、WinGD及MAN产品为主，市场占有率较高，且均已经有较多的应用实绩。

2  气体燃料的主要特点

目前在船舶上应用的气体燃料以液化天然气为主，成分主要是甲烷（CH4）,不同产地天然气的成分及热值能参数会有差异。下表列出了几种气体燃料和船用汽油的主要参数特性，与传统燃油相比，气体燃料具闪点低、易挥发等特点，在船舶上应用时应特别注意其存储、运输及泄漏监测和控制。

表1 船用汽油、乙醇和氢气燃料特性比较

特性	船用汽油	天然气	石油气	氢
分子结构	-	CH4	C3H8,C4H10	H2
闪点[℃]	52	-188	-105	-150
自动燃烧温度[℃]	250	595	459	535
沸点[℃]	20	-162	-42	-253
低热值 [MJ/kg]	42.7	50	46	120.0
可燃空气比[%]	0.6~5.5	5~15	2.2~9.5	4~75
基础燃烧率 [cm/s]	90	40	46	312
能量密度 [MJ/L]	36.6	21.2	26.7	8.5

3  应用气体燃料对机舱管系统设计影响响

根据《使用气体或低闪点燃料船舶国际安全规范》（以下简称IGF规则）的要求，使用气体燃料船舶的设计和建造应保证系统的安全性、可用性和可靠性与使用石油为燃料的船舶一致。船舶应用双燃料主机时，应匹配必要的辅助系统，以保证燃气模式下的主机起动、运行、停止及模式切换等功能，同时保证能够及时监测到并妥善处理可能出现的燃气泄漏，避免出现气体聚集和爆炸的风险，使可能影响船舶、船上人员和设备安全的潜在风险降至最低。相比传统应用燃油作为燃料的船舶，应用气体燃料需额外配置燃气供给系统和氮气吹扫系统，并且由于燃气存在泄漏的可能性等因素，机舱通风系统、废气系统、滑油系统和缸套水冷却系统等管路系统设计也需要予以特殊考虑。

3.1 燃气供给系统

燃气供给系统的主要作用是将燃料舱中的液化天然气或自然蒸发天然气转换为合适温度及压力的燃气，输送至主机或其他用气设备的燃气进口，并能够根据用气设备负荷的不同实时调整流量和压力。燃气供给系统一般包括燃料存储模块、输送泵模块、高压泵模块、气化模块、阀组单元及控制系统。根据选用燃料的状态的不同，燃气供应系统的设计及系统组成也有差异。根据双燃料发动机运行时燃气压力的要求，供气系统一般分为高压LNG供气系统和低压LNG供气系统。如果船上同时配置不同燃气压力要求的设备，则一般采用含高压模块和低压模块的组合式燃气供给系统。

3.2 通风系统

为了防止设备、燃气管路及阀门等部件发生燃气泄漏导致爆炸等事故，机械处所内的燃气管线均应使用双壁管。双壁管由内管和外管组成，内管用于传输燃气。如果内管发生泄漏，燃气将进入内管与外管之间的环形空间内。整个双层管线设置了通风系统，利用抽风机保证管线环形空间内空气持续流动，并排出到安全的位置，避免气体聚集和爆炸风险。

如果船舶运营期间的环境温度可能低于空气的露点，将导致通风系统管路内部结霜，必须避免。为了保证通风系统的正常运行，设计时必须考虑可能出现的最低环境温度，根据实际情况研讨是否需要设置管路的保温或伴热。

通风系统风机的容量应保证通风系统每小时换气最少30次。同时，为了避免泄漏的燃气过渡稀释影响检测效果，通风系统中每小时最大换气量应不超过45次。

双壁管环形空间出口位置需设置气体传感器以及流量开关，并将信号接入与主机控制系统和监测报警系统。当发生燃气泄漏时，燃气会随空气被排出到安全位置，同时被出口的气体传感器检测到，进而触发报警及燃气切断等动作。当出现风机故障、管线堵塞或泄漏等问题时，系统可以通过流量开关检测到双壁管环形空间的通风流量异常，并发出报警。

3.3 氮气系统

氮气系统一般包括氮气发生器、氮气压缩机、氮气存储罐等设备组成，主要用于发动机起动或停止等操作时的燃气管线吹扫，直至管路中的燃气含量达到安全水平，避免可燃气体回流至任何危险处所。根据IGF规则要求，船上惰性气体的制造和存储应满足以下要求：

1）制造惰性气体的设备应能保证任何时间产生的惰性气体氧气含量（按体积计）不超过5％。

2）从惰性气体制造设备引出的惰性供气管路上应安装1个能连续读数的含氧量测定表和1个调定在最高含氧量（按体积计）为5％时报警的报警装置。

3）惰性气体系统应具有适合于燃料围护系统的压力控制和探测装置。

4）如氮气发生器或氮气储存设施安装在机器处所外的单独舱室内，该舱室应设置1个独立的机械抽吸式通风系统，每小时换气次数不小于6次。应设置氧气含量监测装置，当检测到氧气含量低时发出报警。

5）氮气管路应仅通过通风良好的处所。围蔽处所内的氮气管路应尽量采用接连接。如果连接阀门等必要场合时必须使用法兰连接，则应保证管路长度尽量短。

3.4 废气系统

当主机等用气设备异紧急停止或者点火失败时，可能导致部分燃气未燃烧，并进入主机废气系统。废气系统设计时应特别考虑以下几个方面，最大限度避免发生爆炸的可能性高。

1）排气系统的构造应能避免产生未燃气体的积聚；

2）含有或可能含有可燃混合气的发动机部件或系统应布置合适的压力释放系统，比如压力释放阀或者防爆片等。或者保证部件或系统的强度设计可承受最恶劣情况下由于泄漏气体被点燃后产生的超压。

3）爆炸释放出口不应通往正常情况下有人员出现的位置，避免压力释放是对人员造成伤害；

4）所有用气设备应具有独立的废气系统。

3.5 滑油系统

参考双燃料发动机厂商的具体设计，如果燃气可能泄漏至曲拐箱内，则油底壳内同样存在燃气聚积的风险。这种情况下油底壳也需要设置透气管，与曲拐箱透气管类似，将透气管连接到烟囱油雾箱内，并在管路出口位置安装防火网。也可以将油底壳透气管接入曲拐箱透气管，并在烟囱油雾箱处设置防火网。

3.6 缸套冷却水系统

当主机缸套、缸盖等部件出现破裂等情况时，燃气可能泄露到主机缸套冷却水中，并通过冷却水循环管线进入冷却器、泵以及膨胀水箱等位置。为应对这种可能性，应采取适当的措施防止气体聚集和扩散，比如将缸套水膨胀水箱的透气管连接到露天的安全位置，并设置防火网。

4  结束语：

船舶应用天然气等气体燃料时，应充分考虑气体燃料的低闪点、易挥发等特性，在燃料的存储、运输、泄漏对策及监测控制等方面设计予以特殊考虑，并对最终整体设计方案进行全面评估，对可能存在的风险制定对策，确保船舶运营及操作人员的安全。

参考文献：

[1] 邢大鹏. 液化天然气燃料在航运业的应用前景. 当代化工 2015年4月，第44卷第4期

[2] 段斌，王志敏，双燃料发动机在 LNG 运输船上应用难点与对策

. 船舶与海洋工程2017年第33卷第2期（总第114期）.

[3] 《International Code of Safety for Ships Using Gases or Other Low-

Flashpoint Fuels》 IMO

[4]《船舶应用天然气燃料规范2021》中国船级社