LNG动力船技术要点及注意事项

近十年以来，使用LNG作为绿色船舶的燃料，无论从市场价格优势，还是日益完善的LNG供应链以及应用技术的成熟，LNG燃料推进技术在新建远洋船舶上的应用大幅提高。未来3～5年，在可供选择的碳中和或零碳燃料中，LNG燃料技术仍然是绿色船舶的最主要技术路径之一。那么，LNG动力船主要有哪些技术要点，安全方面有哪些注意事项？

在整个LNG燃料系统中，LNG燃料的储存由于需要专用的燃料舱、较大的空间，对船舶的总体布置有比较明显的影响，因此往往需要首先确定LNG燃料舱的型式、布置位置和舱容等技术参数。

目前可以在大型油船上应用的LNG燃料舱舱型主要有B型、C型等独立液舱和薄膜型液舱，A型舱由于技术成熟度的原因，尚不具备燃料舱的实船应用条件。其中目前的B型舱和C型舱多使用9Ni钢建造，但包括我国在内的多个国家正在进行低温钢用于LNG燃料舱建造的应用技术研究，预计3～5年内具备实船应用条件。

LNG燃料舱型式分类图

将燃料舱舱型选择时需要考虑的因素按照影响力排序，依次为舱型的技术成熟度和可靠性、对货物装载（容积、重量）的影响、对船舶操作（航行、装卸货、燃料加注）的影响、燃料舱的建造成本（材料和工时）、燃料舱建造自主可控性和对船舶建造周期的影响、燃料舱空舱重量以及与加注船的匹配性等方面。

LNG燃料舱在船上的布置位置随舱型的不同而有所差异，一般而言，C型舱可布置于开敞甲板或货物区域的主船体结构内，而B型舱和薄膜舱均布置于货物区域的主船体结构内。将燃料舱布置位置选择时需要考虑的因素按照影响力排序，依次为防止意外搁浅/碰撞损坏（IGF/IGC规则强制要求）、对船舶操作的影响（驾驶室视野、装卸货、直升机作业等）液体和气体燃料供应便利性（距燃料处理和供应装置的距离）、对船舶结构重量影响（总纵弯矩和剪力）、危险区的影响范围（防爆布置的便利性和经济性）、消防布置（与船上其它区域的分隔、灭火等）以及防止恶劣天气损坏等方面。

根据不同船型，结合以上关于舱型选择和布置位置的考虑因素，便可得出总体性技术方案。参考目前各种型式LNG燃料舱的技术发展水平和应用经验，C型舱是LNG燃料储存系统的主流选择。由于真空绝热型燃料舱（双壳）的制造工艺尚难以满足舱容需求较大的燃料舱（1000m³以上），因此对于大型LNG动力船而言，泡沫绝热型C型燃料舱具有一定优势；同时，超大型集装箱船也有采用薄膜型LNG燃料舱的实际案例，实际大型LNG动力船燃料舱选型仍有多样化的选择。

基于LNG动力船典型运营航线、全程LNG燃料使用率、LNG加注设施分布和加注价格的可接受度等因素，确定LNG动力船续航力和加注频次，进而对LNG动力船的燃料舱舱容进行测算。

此外，使用双燃料主机和辅机的远洋船舶，必然需要考虑LNG燃料和普通燃油的配合使用和各自的舱容问题。考虑燃油舱舱容的技术路线有如下方面：

①假定全程使用LNG燃料，但LNG燃料的供应系统非双套冗余设置，为保证船舶安全，需要将燃油系统视为主燃料系统的备用，并配备足够的燃油，以便在LNG气体燃料供应系统出现故障时，至少能够使用燃油航行至最近的避难地/修理港。

②假定在营运中混合使用LNG燃料和燃油，以便在较小的LNG燃料舱舱容方案中，配合燃油满足对长航程续航力的要求。

③为最大限度减少气体燃料供应系统故障对船舶正常运营的影响，在典型航线最远航程的始发港即出现气体燃料供应系统故障时，船舶可以不耽误航期，使用燃油完成航次任务，并利用航行的间隙完成供气系统的修理和恢复。

④在考虑EEDI能效规则时，为使用对应于气体燃料的碳转换系数（该转换系数的使用可以使船舶EEDI计算值达到IMO Phase III要求），给出的气体燃料与总船用燃料的热值比需大于50%的限制条件，具体体现在LNG燃料舱舱容和燃油舱的舱容的比值和限制方面。

LNG动力船燃料经济性测算主要包括四大步骤。首先，基于近年船用燃料的市场情况对HFO、低硫油、LNG燃料价格未来的发展趋势进行预测。对于LNG价格而言，通常的价格是指到岸价，而LNG作为燃料加注的船上的价格实际上还包括LNG燃料在岸上设施的储存、加注操作等费用，这是经济性测算中需要考虑的问题。其次，测算LNG燃料方案和脱硫塔方案相对于传统燃油动力系统在初始投资成本上的差价，即相对初始投资成本。对于LNG动力系统方案，投资成本考虑的主要系统设备包括LNG燃料舱、LNG燃料供应系统、双燃料主机及辅机。对于脱硫塔方案，需要考虑脱硫塔的投资成本。对于低硫油方案，基本上不存在额外投资。再次，测算三种方案的营运成本。对于LNG燃料方案和低硫油方案，营运成本主要是燃料费用，可基于LNG动力船的燃料消耗量和燃料价格预测进行测算。对于重油方案，除了需要考虑燃油费用外，还需要考虑脱硫塔的日常操作维护费用等。最后，基于每航次的分摊总成本进行经济性比较。先初步假定一个投资回收期，将LNG动力船相对初始投资分摊至投资回收期内的每个航次，再加上燃油成本，即可得到每航次的总成本。基于每航次的总成本对三种方案的经济性进行比较，通过对假定的投资回收期进行反复校，可确定最终的投资回收期。

以中远海运能源运输公司和大连船舶重工集团联合投资建造的全球首艘LNG双燃料动力VLCC为例，基于VLCC的服务航线、加注频次、燃料消耗量等营运信息，同时结合全球燃料油市场和东亚地区LNG市场的价格趋势预测，对VLCC使用LNG燃料、低硫油或脱硫塔三种减排方案的经济性进行了测算和比较，测算结果表明LNG燃料方案的投资回收期为7～8年。

2012年，MAN公司的ME-GI二冲程高压双燃料发动机率先获得LNG运输船订单，由于当时Wärtsilä公司的XDF机型产品型谱尚不完善，可选机型较少，MAN高压ME-GI机型在一段时间内逐步成为LNG运输船双燃料推进装置的主流选择。随后Wärtsilä推出了低压双燃料发动机，并伴随着Wärtsilä XDF（即现在的WinGD XDF）机型功率覆盖范围的进一步拓宽，以及低压技术的进一步成熟，尤其是NOx减排的显著优越性，越来越多的LNG运输船和LNG动力船选择 WinGD XDF机型。

随着全球碳排放控制EEDI第三阶段标准的到来，目前LNG被认为是满足该标准的最实际可行方案之一。目前大型C型燃料罐应用已经成熟，B型舱及薄膜舱正在推广应用，当舶配备足够大的气体燃料舱后，MAN机在燃油经济性方面的优势将不那么重要。同时低压天然气供气系统的优势越来越被重视，MAN先发优势减少。虽然两家公司都针对自己的产品做了大量改进，但从订单看，天平似乎正在向低压发动机方案倾斜。

ME-GI与X-DF发动机的主要优势为，功率密度高、燃料使用范围更广、油耗低，转速低，螺旋桨效率高以及甲烷逃逸低，但同时也存在不足的地方，比如，如需满足Tier III排放要求，需配备废气后处理设备，此外，高压天然气供气系统为保证安全，造价和维护较高，造价约增加15%～20%。可以看到，虽然X-DF优势只有两项，但影响确是关键的，这也表现在近年来，WINGD新增订单大大增加。

根据气体燃料发动机理论工作循环的不同，与之匹配的供气系统可分为低压系统和高压系统。对于燃气模式下采用奥托循环的发动机，例如绝大多数四冲程气体燃料发动机以及WinGD开发的低压二冲程双燃料发动机，在进气歧管内或在压缩行程中间喷入燃气，供气压力约为5-16bar，属于低压供气系统。对于燃气模式下采用狄塞尔循环的发动机，例如MAN的ME-GI双燃料发动机，燃气在压缩行程末期引燃油点火后以300bar 的高压喷入气缸，因此采用高压供气系统。

低压供气系统在系统复杂程度、能耗、产品供应商选择范围、投资成本等方面较高压供气系统具有明显优势。具体项目最终选择哪种供气系统取决于LNG双燃料主机的型式（高压机或低压机）。

对于LNG燃料系统，风险评估范围包括危险源辨识（HAZID）、危险与可操作性研究（HAZOP）、定量风险评估（QRA）等。

(1)危险源辨识（HAZID）

对LNG双燃料系统中LNG加注站、LNG燃料舱处所、气体燃料准备间和用气设备处所等的设计布置、设备故障及人为操作等因素发生危险源的原因、后果、风险水平、既有保护措施和建议措施进行分析，根据分析结果提出补充建议措施。

(2)危险与可操作性研究（HAZOP）

对LNG双燃料系统的LNG燃料强制蒸发、蒸发气体加热、BOG气体加热、BOG气体增压、主机供气、发电机供气、锅炉供气、LNG加注和BOG气体返回的设计工艺流程及操作发生偏差导致危险源的原因、后果、风险水平、既有保护措施和建议措施进行分析，根据分析结果提出补充建议措施。

(3)定量风险评估（QRA）

中国船级社（CCS）开发定量风险评估（QRA）服务产品，引进代表国际最先进水平之一的三维计算流体力学（CFD）软件FLACS、荷兰应用科学院TNO的二维风险评估软件EFFECTS和RISKCURVES进行灾害后果和风险的计算。CCS通过该服务产品为客户提供切实可行的解决方案，辅助客户实施风险管理、制定保障人员和财产安全的预案。

(4)火灾与爆炸分析（FEA）

开发计算流体力学和有限元结构计算相结合的服务产品开展火灾与爆炸分析，准确评估事故发生后对结构的影响程度，提出改进建议，确保将事故后果降低到最低限度。

(5)IGF规则风险评估要求符合性评估

为确保所涉及的风险都进行了必要评估，以消除或减轻对船上人员、环境或船舶的任何不利影响，IGF规则规定对于其A-1节适用的天然气燃料动力船舶，在有明确要求的情况下必须进行风险评估，其中，有明确要求的场景包括：

①应通过风险评估确定集液盘上方泄漏源的最大可信泄漏场景及泄漏量，据此设计集液盘的容量；

②设计空气闸时，应对气体危险处所内可能发生的最严重事故进行风险评估，以确保气体危险处所内发生最严重的可燃气体泄漏事故时，不会有气体通过空气闸释放至安全处所；

③当采用新颖设计的燃料围护系统，或由于实际条件无法满足要求用等效措施替代的燃料围护系统，应对其进行风险评估；

④除IGF规则已规定的意外设计条件外，薄膜燃料舱附加的意外设计场景，应通过风险评估予以确定；

⑤对于围蔽或者半围蔽的加注站，应通过风险评估对其安全性进行特别考虑；

⑥对于燃料舱接头处所的通风替代装置，应通过风险评估证明其余每小时至少换气30次的通风系统达到了同等安全性；

⑦自然通风不足的加注站，应对其进行风险评估，并根据评估结果设置合适的机械通风装置；

⑧应根据风险评估分析船上潜在泄漏源释放的可燃气体扩散范围，以此作为起居处所和机器处所的通风进口是否安装固定式气体探测器的依据；

⑨在新颖形状的燃料围护系统设计中，对承载能力极限状态评估时，结果等级系统可通过风险评估证明并经主管机关认可后适当降低；

⑩在新颖形状的燃料围护系统设计中，对事故极限状态评估时，除考虑IGF规则已列明的意外设计条件外，还应根据风险评估考虑新颖形状的燃料围护系统在使用过程中可能出现的各种意外事故。

CCS已发布《IGF规则风险评估要求手册》，可为LNG双燃料动力船提供IGF规则风险评估要求符合性。依据该手册，CCS已完成了中海油服12艘三型平台供应船（PSV）双燃料系统HAZID和HAZOP风险评估、中远海运LNG双燃料VLCC设计方案风险评估、LNG燃料动力船通过三峡船闸风险评估、伟马航运690FEU LNG罐箱运输船双燃料设计方案风险评估等项目。

LNG加注方案包括岸站对船加注、槽车对船加注和LNG加注船对船加注。与岸站对船加注方式和槽车对船加注方式相比，LNG加注船对船加注方式具有灵动性好、加注效率高、可海上加注等优点，能够快捷、灵活地解决沿海地区LNG动力船对清洁能源的需求。

LNG船对船加注作业分为锚地加注模式和码头加注模式。锚地加注模式为LNG动力船在锚地抛单锚定位，LNG加注船抵靠系泊在LNG动力船舷侧，并通过加注系统为LNG动力船加注燃料。码头加注模式为LNG动力船停泊码头，LNG加注船抵靠系泊在LNG动力船舷侧，并通过加注系统为LNG动力船加注燃料。

为达到LNG加注船对船加注作业安全的预期目标，应提前对LNG加注船和LNG动力船加注作业的兼容性进行评估，评估涉及船舶尺度、设备和系统、操作等方面内容，包括加注作业期间两船吃水、干舷、排水量、平行中体范围、碰垫、管汇布置、软管、ERC、ESD、绝缘法兰、惰性气体系统、BOG处理能力、危险区域、软管吊、燃料加注和压载水管理、系泊设备和布置、通讯设备以及加注速率等。

2019年以来，CCS已完成了中海油12000方和新奥8500方LNG加注船为中远海VLCC提供燃料加注、12000方LNG加注船为达飞23000TEU集装箱船提供燃料加注的兼容性评估，对船舶设计提出优化建议。2021年以来，CCS已完成上港集团20000方、中石油8500方和中海油30000方LNG加注船与达飞23000TEU、14800TEU等系列双燃料动力船型的加注兼容溶性评估服务，为我国上海和深圳LNG燃料加注作业顺利实施奠定了技术基础。

LNG燃料加注同步作业是指LNG燃料加注所附加的一个或多个同时进行的其他活动和（或）操作，其相互作用可能对安全、船舶完整性和（或）环境造成不利影响。LNG加注同时进行的其他活动和（或）操作可能对LNG加注产生不利影响，如增加LNG加注过程中的泄漏风险，或引入火源及其他人员的进入从而导致LNG泄漏后果严重性的增加，集装箱船装卸货作业和客渡船乘客上下船都是典型的LNG加注同步作业。

对LNG加注同步作业进行区域划分是风险控制最为有效的方法之一，根据潜在危险源的类型及其后果严重程度，对保护目标的周围环境进行物理空间上的划分，并以此为基础，采取科学合理的控制措施以最为经济的方式获得有效的风险控制效果。通常分阶段采用危险识别、定性风险分析、定量风险分析等手段进行LNG加注同步作业风险评估，并根据可接受衡准提出风险控制措施。

2021年以来，CCS已完成上港集团20000方“海港未来”、中石油8500方“新奥普陀号”和中海油30000方“海洋石油301”等LNG加注船分别在上海洋山港、深圳盐田港码头与达飞23000TEU、14800TEU等系列双燃料动力船型的加注同步作业风险评估技术服务，助力上海港实现“中国首单”国际航行船舶保税LNG加注业务，成为全国首个拥有国际航行船舶保税LNG加注能力的港口，助力深圳盐田港实现“华南首单”国际航行船舶LNG加注业务，成为华南首个具备LNG加注服务能力的枢纽港。

总的来说，使用包括LNG在内的清洁化石燃料作为远洋船舶船用燃料，将是实现EEDI第III阶段要求的最佳技术路径之一，全球范围内的政策和商业脱碳驱动措施、碳排放交易机制和树立良好企业形象，也将成为促进清洁燃料应用的非技术推动因素，而且会越来越得到关注。因此，未来十年内会出现更多使用LNG或其它低碳和零碳燃料的大型船舶。这个趋势在清洁的氨气和氢气分别具备在深海航行船舶上商业化应用条件之前，将是比较明确的。CCS将持续关注并不断完善我社上游延伸至燃料供应和政策法规、下游延伸至船员培训和安全操作要求等的全环节LNG双燃料应用技术服务能力。

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