摘 要

液化天然气（LNG）是一种绿色环保的新型能源。近年来以LNG为燃料（纯燃气和混合动力）发动机在陆上电站和大型LNG运输船舶上的应用已经日益成熟。本文讨论了一条LNG-燃油双燃料全回转港作拖轮的方案设计，并就LNG双燃料发动机的动力特性、燃料供应、控制系统等在港作拖轮上的适用性与可行性进行了初步的探索研究。

关键词：LNG-FO双燃料；港作拖轮；方案设计；

1 概述

天然气是清洁、方便、高效的优质能源，液化天然气（LNG）是由天然气经精练后液化得到的。世界上天然气资源丰富，常规天然气资源量估计为400~600万亿m3。按现在的年产量水平，可供开发二、三百年。21世纪天然气的产量和消费量，将要超过煤炭和石油而跃居世界能源的首位。但目前开发利用的产量较低，只有2.2万亿m3，约为石油年产量的60%，所以从全球看，天然气市场的前景更为乐观。[]

天然气是以碳氢化合物为主的气体混合物，无味、无色、无毒、无腐蚀性。纯天然气的组分是以甲烷为主，其含量一般都在90%以上，另外，还含有少量乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等低碳烷烃以及二氧化碳、硫化氢、氮和微量的氦、氖、氩等稀有气体。其物理化学特性如下：

气态比重 0.68~0.75 kg/m3

液态比重 (LNG) 0.43~0.47 kg/m3

低位热值 35~50 MJ/Nm3

爆炸极限(和空气混合比) 5~15%

LNG燃料在减少大气排放，特别是NOx、CO2、SOx和颗粒物（烟尘）的排放方面优势十分明显。与船用燃油（MDO）相比LNG燃料的减排效果与环保性能十分显著，详见下图：

CO2排放降低约22％ SOx排放降低约～100％

颗粒物排放降低～100％ NOx排放降低92％

随着行业的不断发展，全球航运业将要面临的污染和排放限制将愈加严厉。客观条件的改变将会推动航运业的节能减排技术的高速发展。以LNG为代表的新能源在环保方面所具有的独特优势和所能产生的效益已经越来越显著，其在船舶交通运输行业的应用和推广已呈潮涌之势。[]

2 船型论证

现有某国内船东为配合完成大型LNG运输船的港内作业任务，确定设计建造一批全回转港作拖轮的基本意向。船东对此类港作拖轮的设计提出的基本要求除满足相关的国内外公约、规范及LNG行业通行要求之外，还希望考虑使用LNG燃料作为动力以实现节能减排目标。

a) 主机功率确定

港作拖轮属于港口设施配套的重要设备，主要用于在港口区域内为引航大型船舶并协助其操纵包括靠泊、离泊作业。随着科技经济水平的提高以及船舶不断的大型化，各大港现有或新造的拖轮多以全回转拖轮为主，配备的主机功率也随着实际作业能力的需求而逐渐增大。结合船东的实际使用需求，为配合完成Q-flex，Q-max型LNG运输船舶的港内辅助作业，本拖轮功率暂定6000HP~6500HP。

b) LNG燃料应用可行性分析

船东提出LNG燃料作为拖轮动力的要求，主要可以从技术、经济、环保等多方面进行综合比较分析。

LNG作为港作拖轮的燃料在技术上可行。

以LNG作为内燃机的燃料的技术到今天已有30多年的历史了，技术相对成熟。目前可以生产LNG内燃机的厂家有芬兰的Wartsila (LNG+MDO双燃料发动机)、Rolls-Royce Marine（稀薄燃烧LNG发动机）以及MAN B&W （高压2冲程LNG发动机）。这些厂家的相关机型都已获得主流船级社的认可，且有装船实例。可以提供LNG燃料供应系统设备的厂家有TGE，Hamoworthy，Skaugen 等，他们多年以来在液化气生产运输行业有着丰富的经验，可以为燃料系统从压力燃料罐，管路设备，到控制系统提供设备配套。在规则规范和标准方面，各主流船级社都有相关指南和规范，且在该领域有较长时间的研究和技术积累，CCS也颁布了《气体燃料动力船检验指南》，国际海事组织也正在根据行业的最新发展技术动态，修订IGF规则（国际气体燃料规则）。

LNG作为港作拖轮的燃料在经济可行。

近年来有报告显示，目前原油的探明储量已经接近于极限，在航运燃料消费领域，传统的柴油等能源产品价格波动居高不下，导致航运企业船舶营运成本不断攀升。在船舶运营成本中，燃料占总成本的50%~60%。天然气作为一种价格低廉的燃料还有很大的开发空间，且开采成本低于原油。LNG燃料拥有非常显著的经济替代性，在功效相同的情况下使用LNG清洁能源比使用柴油节约55%~60%的费用，能够大幅降低船舶运营成本。随着时间的流逝应用LNG燃料的经济优势将会日趋显著。

虽然使用LNG作为燃料，会使船舶的初次投资相比于常规设计有所升高，但经过初步测算，以当前的燃料市场价格条件下比较，使用LNG作为燃料，在船舶全生命周期内具有明显的成本优势。

LNG作为港作拖轮的燃料具有环境友好性。

我们只有一个地球，保护地球，保护我们的家园已经成为世界各国各行业的共识。LNG燃料在减少大气排放，特别是NOx、CO2、SOx和颗粒物（烟尘）的排放方面优势十分明显。

c) 动力系统分析与选择

目前，应用LNG燃料可选用的动力系统有两种：LNG-燃油双燃料发动机和LNG燃气发动机。结合本船选取的拖轮作业功率，可供选择的机型有Wartsila 34DF双燃料发动机和Rolls-Royce Bergen C26:33燃气发动机。

双燃料发动机可以在两种燃料模式下工作，不同工况下燃料自动切换，动力系统稳定可靠，应变迅速，适应能力强。LNG发动机燃料单一，对燃料供应链的依赖性强，有较大的空间和时间的局限性。LNG发动机是针对LNG燃气专门开发的机型，能耗优化结果较好，因而燃料效率高，功率特性好。而双燃料发动机由于需要兼顾两种不同特性的燃料，因而在这方面较弱。[]

采用双燃料发动机，由于有两种燃料供给模式，CCS现行规范的要求有所放宽，使系统的设计难度和施工难度都有所降低。

燃料补给的可靠性和便捷性是是选择发动机型式的关键因素。考察当前我国LNG燃料供应设施的现状，在现阶段采用槽罐车加注方式最为切实可行。

服务于港区的拖轮需要按照排定的工作计划分航次开展周期性服务作业。对于以纯LNG燃料的船型而言，需要频繁（几天）靠岸加注燃料，尤其是在一个作业周期内，剩余燃料有限的情况下，燃料的加注将受限于作业的时间和空间。双燃料推进系统船型则能够比较灵活的安排LNG燃料和燃料油的加注时间，也能够保障在作业周期内的服务质量。在国内现有LNG燃料配套设施的服务水平和条件下，双燃料机型方案是兼顾各种因素的稳妥选择，更有利于LNG燃料的普及和推广应用。

综合上述分析比较结果，本设计方案主机选择Wartsila 34DF双燃料发动机。

d) 主尺度与总布置

主机选型确定后，进一步确定拖轮的主尺度和总体布置以形成初步设计方案。需要整理分析多个全回转港作拖轮设计方案，选取设计成熟、性能良好的母型船作为设计参考。同时考虑到本船双燃动力系统的特点，比常规拖轮增加一套LNG燃料存贮和供应系统，因此在总体布置上需做相应的修改，并辅以初步的计算校核，以确保设计方向的正确性。

参考母型进行分析比较，本船主要要素选择范围如下：

Ÿ 总长： 30~36m

Ÿ 型宽： 9~11m

Ÿ 型深： 5~6m

Ÿ 设计吃水： 4~4.5m

Ÿ 航速： 13kn

由于LNG燃料的能量密度为柴油的60%，且需要在一定压力下集中低温存储，故而会给船舶的总体布置带来一定的难度。

基于本船增加了LNG燃气系统，将会使新的设计方案在船长、船宽、型深等方面比常规拖轮有所增加。另一方面要保证拖轮的灵活操纵性，布置的紧凑合理是十分必要的。

调研拖轮的作业特点，服务于港区的拖轮需要按照排定的工作计划分航次开展周期性服务作业。对于以LNG为燃料的港拖而言，需要间隔一定时间（5~6天）靠岸加注燃料。新的设计方案将LNG燃气系统的存储量设定为50m3，一方面能够满足主机燃料消耗周期的要求，另一方面考察当前我国LNG燃料供应设施的现状，在现阶段采用槽罐车加注方式最为切实可行——目前的LNG槽罐车单车加注量为50m3，刚好满足拖轮的燃料补给需求量。

确定LNG燃料系统容量后，根据系统供应商提供的参数，在满足规范要求的前提下，将燃料系统布置在船首。甲板以上的生活区适当加高，将集控室和所有船员居住舱室布置在主甲板之上，有效控制船长和船宽的增量，保证拖轮作业的操纵性。型深方面，根据LNG储罐参数及相关规范的布置要求，新方案参照母型适当增加，经初步稳性估算，满足要求。

3 推荐方案

LNG双燃料全回转港作拖轮推荐设计方案：

船体为横骨架式、单甲板、三层甲板室，前倾板型首柱和园角方艉的全焊接钢质船。驾驶室和居住室设于舯前部，机舱设于舯部。全船主甲板下应由三道水密横舱壁分隔成艏尖舱、LNG存储舱、带部分双层底液舱的机舱、舵桨舱。

甲板室共有3层，分设主甲板室、起居甲板室、驾驶室。

主要要素：

总长： ～36.00m

型宽： 11.60m

型深： 6.00m

设计吃水： 4.05m

定员： 10人

航速： 13kn

系柱拖力： 78ton

船级：CCS ★CSAD Tug，Coastal area，Dual Fuel System, FiFi-1，

★CSMD

挂旗：中华人民共和国