LNG燃?xì)鈩?dòng)力在旅游船上的應(yīng)用

廣西壯族自治區(qū)桂林船舶檢驗(yàn)局 覃振福

目前，近200多艘旅游船常年航行于桂林漓江水域，船舶柴油機(jī)尾氣排放已成為漓江空氣污染的重要來源之一，漓江旅游船舶主要?jiǎng)恿υ匆廊皇遣裼蜋C(jī)，柴油機(jī)在工作中會(huì)排出大量的有害物。我國(guó)“十二五”規(guī)劃已經(jīng)明確提出，要大力推進(jìn)船舶節(jié)能和使用綠色能源，重點(diǎn)發(fā)展LNG作為主要的船用清潔能源。研究和應(yīng)用節(jié)能技術(shù)降低船舶能耗，加強(qiáng)船舶管理和設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)及節(jié)能減排的基礎(chǔ)性管理，不僅可以為航運(yùn)企業(yè)節(jié)省燃料費(fèi)用，還可以減少船舶造成的環(huán)境污染，獲得經(jīng)濟(jì)和環(huán)保雙重效益。LNG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)在桂林漓江“山水34”號(hào)旅游船上的應(yīng)用，既實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)又保護(hù)環(huán)境的同時(shí)，還符合相關(guān)規(guī)范對(duì)“綠色船舶”的要求。

船舶系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)

旅游船“山水34”號(hào)總長(zhǎng)31.1米，水線長(zhǎng)29.4米，型寬5.6米，型深1.05米，滿載吃水0.54米，航速16節(jié)，于1996年5月24日建造完工，船檢登記號(hào)為1996J5300060，配有兩臺(tái)X6110C4型號(hào)柴油機(jī)，單機(jī)功率為73.5KW，轉(zhuǎn)速2000r/min，可容納游客118人和19名船員。

該船主要對(duì)船舶主推進(jìn)動(dòng)力裝置進(jìn)行改造，為了保證改造后的旅游船能安全運(yùn)營(yíng)，根據(jù)原有船舶的條件，并結(jié)合漓江航道及旅游船特點(diǎn)參照中國(guó)船級(jí)社《氣體燃料動(dòng)力船檢驗(yàn)指南》和《雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝指南》檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以及現(xiàn)有船舶規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)船舶實(shí)施改造，船舶改造基本原則是要求滿足船舶原來穩(wěn)性和性能要求。因此，改造僅涉及主機(jī)和增加儲(chǔ)氣罐安裝的要求，其它未動(dòng)，改造后的左右LNG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的布置、尺寸、重量、參數(shù)基本不變，需要加裝的LNG儲(chǔ)氣瓶和氣體管系和原船上其他物體進(jìn)行置換，以平衡船舶原有浮態(tài)，以便改造后的船舶能夠正常航行。

該船在機(jī)艙上甲板尾部敞開處安裝兩個(gè)由張家港富特瑞特種裝備股份有限公司生產(chǎn)的汽車用液化天然氣儲(chǔ)氣罐，儲(chǔ)氣罐具有雙層結(jié)構(gòu)，外殼與內(nèi)膽之間保持一定距，形成絕熱空間，防止散熱，臥式安裝在甲板上，單罐容積為450L。這樣布置的好處是，一是機(jī)動(dòng)靈活便于吊裝充液及拆裝安全。二是天然氣屬低溫液體，其密度比空氣輕，在發(fā)生泄漏后會(huì)自動(dòng)向上溢開，不會(huì)對(duì)水體產(chǎn)生污染；同時(shí)，在加入特殊嗅劑后，天然氣如有泄漏會(huì)及時(shí)被發(fā)現(xiàn)；另外，天然氣的燃點(diǎn)比柴油要高，瞬間著火比油慢，也易擴(kuò)散，不易達(dá)到爆炸極限，所以安全性能很高。三是燃?xì)鈨?chǔ)氣罐與燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)距離適中，便于安裝和檢查。氣罐內(nèi)的液化天然氣經(jīng)過水浴式氣化器，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的外循環(huán)熱水進(jìn)行氣化，氣化后的天然氣經(jīng)過穩(wěn)壓調(diào)壓器、電子切斷閥、過濾器及二級(jí)減壓閥進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。穩(wěn)壓調(diào)壓器將主體管道氣體壓力穩(wěn)定在0.8～1.0MPa，二級(jí)減壓閥將進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體壓力降為0.25Mpa。燃?xì)夤苈分黧w管路采用不銹鋼無縫管，機(jī)艙內(nèi)通往發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體管路全程采用全熔透對(duì)接焊接頭。為方便連接和減少震動(dòng)對(duì)管接頭的影響，主體管路與發(fā)動(dòng)機(jī)之間采用金屬軟管連接。

主機(jī)改造情況，左機(jī)為全新生產(chǎn)的純LNG燃?xì)鈫稳剂习l(fā)動(dòng)機(jī)，右機(jī)為舊機(jī)改造的LNG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，可比較單一氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中的改造效果。該船左主機(jī)采用一拖柴油機(jī)公司生產(chǎn)的東方紅LRN6A3W-C64Z型船用全新的天然氣單一氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，型式為直列、水冷、四沖程、增壓中冷、電控噴射進(jìn)氣、電控點(diǎn)火，額定功率為73.5kW，額定轉(zhuǎn)速為2000rpm，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)與原柴油機(jī)基本一致，可以檢驗(yàn)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)是否達(dá)到原動(dòng)力的性能。主發(fā)動(dòng)機(jī)燃料僅為L(zhǎng)NG，管路安裝簡(jiǎn)潔，維護(hù)方便，同時(shí)無需擔(dān)心燃料之間切換的問題。該船右主機(jī)采用船用天然氣（LNG）-柴油電控噴射雙燃料系統(tǒng)，該系統(tǒng)在現(xiàn)有的船用柴油機(jī)上加裝一套LNG燃料供給系統(tǒng)，將單一的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為天然氣（LNG）-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，柴油變成用于點(diǎn)燃?jí)嚎s狀態(tài)下天然氣的引燃燃料和部件的潤(rùn)滑劑，全柴油模式時(shí)，天然氣氣源切斷，發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式與原柴油機(jī)相同。該系統(tǒng)通過控制柴油機(jī)原有的燃油泵的齒條來限制柴油。所采用的方法是：由中央電控單元（ECU）控制油門執(zhí)行器直接控制油泵齒桿位置來實(shí)現(xiàn)。對(duì)油泵齒條的位置采用了PID雙閉環(huán)控制技術(shù)，使油量控制靈活、準(zhǔn)確，保證了各缸發(fā)火的準(zhǔn)確可靠，使得引燃柴油的噴射量根據(jù)工況的不同而有所改變以滿足系統(tǒng)的控制要求。這種系統(tǒng)動(dòng)力性、操作性等技術(shù)指標(biāo)與原機(jī)相同，可在純柴油和柴油-天然氣雙燃料兩種狀態(tài)隨時(shí)切換，方便了船機(jī)用戶對(duì)燃料的選擇，一旦LNG使用完畢因故不能及時(shí)填充或者燃?xì)庀到y(tǒng)出現(xiàn)故障不能使用，船舶仍可在純柴油模式下正常運(yùn)行，保證船舶運(yùn)行安全，原機(jī)的一切安全保護(hù)措施不會(huì)因?yàn)楦难b后受到影響，同時(shí)系統(tǒng)自設(shè)定的安全措施與原機(jī)安全保護(hù)措施可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。

機(jī)艙燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)安全監(jiān)控保障

為確保燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，加裝輔助系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)。由于該船為試驗(yàn)性船舶改造，檢驗(yàn)船舶試運(yùn)行效果如何，機(jī)艙為有人連續(xù)值班，參照中國(guó)船級(jí)社《氣體燃料動(dòng)力船檢驗(yàn)指南》要求，無法實(shí)現(xiàn)駕駛室與機(jī)艙之間操作自動(dòng)化，但機(jī)艙和尾艙設(shè)有LNG運(yùn)行操作手冊(cè)和安全監(jiān)控系統(tǒng)，可以手動(dòng)實(shí)現(xiàn)符合自動(dòng)化和部分自動(dòng)化的試驗(yàn)要求。

通風(fēng)系統(tǒng)，在機(jī)艙兩則各加裝一臺(tái)認(rèn)可具有正反轉(zhuǎn)功能的軸流風(fēng)機(jī)，滿足機(jī)器處所應(yīng)有每小時(shí)換氣至少30次的通風(fēng)能力，通風(fēng)機(jī)及其布置應(yīng)滿足指南的相關(guān)要求；通風(fēng)系統(tǒng)確保所有空間內(nèi)具有良好的空氣環(huán)流，確保室內(nèi)不會(huì)形成氣井。當(dāng)其中一組風(fēng)機(jī)失效時(shí)，另一組風(fēng)機(jī)仍能滿足機(jī)器處所規(guī)定換風(fēng)量的要求。機(jī)艙機(jī)械通風(fēng)與主機(jī)運(yùn)行手動(dòng)連鎖操作，即當(dāng)通風(fēng)機(jī)開啟至少10分鐘以后，發(fā)動(dòng)機(jī)才能啟動(dòng)運(yùn)行；當(dāng)風(fēng)機(jī)因故關(guān)停時(shí)，手動(dòng)停止發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行（對(duì)單一氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)）或轉(zhuǎn)換為燃油供應(yīng)（對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)）。

安全監(jiān)控系統(tǒng)。該船在每臺(tái)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)上方以及儲(chǔ)氣罐處所設(shè)有可燃?xì)怏w探測(cè)器和感溫探測(cè)器，在尾艙配備氣體報(bào)警控制器、聯(lián)動(dòng)控制柜、船用防爆軸流風(fēng)機(jī)、電子切斷閥等安全監(jiān)控設(shè)備，可以對(duì)機(jī)艙和LNG儲(chǔ)氣罐處所進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)探測(cè)到天然氣濃度達(dá)到爆炸下限的20%時(shí)，控制器發(fā)出報(bào)警聲；達(dá)到爆炸下限50%時(shí)，控制器自動(dòng)切斷天熱氣氣源，并啟動(dòng)風(fēng)機(jī)強(qiáng)制排風(fēng)。

消防安全，在機(jī)器和儲(chǔ)氣罐處所增加設(shè)置適量的干粉滅火器。

船舶試驗(yàn)效果分析

天然氣是一種清潔能源，漓江旅游船使用后可解決柴油污染水域的問題，而且旅游船更安全，每艘旅游船改造使用天然氣后，一年能源開支可節(jié)約6萬元。船舶改造試驗(yàn)運(yùn)行取得較好效果：一是動(dòng)力性好功率儲(chǔ)備大、低速扭矩高、加速性能好。二是節(jié)能省氣最低燃?xì)庀穆?97g/kW.h，合理的發(fā)動(dòng)機(jī)增壓中冷結(jié)構(gòu)，拓寬了LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行范圍；在各種工況下均有良好的經(jīng)濟(jì)性；與汽油、柴油及其它代用燃料相比，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的使用費(fèi)用較低一般約為汽油價(jià)格的50%、約為柴油價(jià)格的35%。

三是環(huán)保、排污低，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油機(jī)相比可明顯降低有害物質(zhì)的排放，特別是顆粒排放（尾氣中沒有黑煙）天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎為零，另外它可完全消除鉛、苯和芳香烴等嚴(yán)重危害物，NOX、CO及HC的排放也顯著降低減輕對(duì)環(huán)境的污染，燃燒天然氣產(chǎn)生的二氧化碳比燃燒石油要少30%以上而獲得同樣的熱量。

四是安全、工作可靠天然氣為高燃點(diǎn)的輕量氣體，在正常溫度和壓力下，危險(xiǎn)性比柴油小。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)性能好，運(yùn)行平穩(wěn)，維修費(fèi)用低（約為常規(guī)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的50%），直接用甲烷作燃料，不僅可大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械摩擦的耗損，延長(zhǎng)使用壽命，且運(yùn)行操作簡(jiǎn)單方便，噪音也比燃油發(fā)動(dòng)機(jī)降低40%，發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命長(zhǎng)。

LNG燃?xì)鈩?dòng)力用于旅游船還有局限性

LNG液化天然氣的低溫特性，因此低溫LNG燃?xì)鈨?chǔ)氣罐、低溫液體泵絕熱性能要好，閥門和管件的保冷性能要好，與之相連的設(shè)備、管道、儀表、閥門及其配件在低溫工況條件下操作性能要好，并且要具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、密封性和抗腐蝕性，低溫儲(chǔ)氣罐和過濾器的制造及日常運(yùn)行管理已納入國(guó)家有關(guān)壓力容器的制造、驗(yàn)收和監(jiān)查的規(guī)范，壓力容器生產(chǎn)應(yīng)用，都必須向壓力容器的監(jiān)管單位申報(bào)檢驗(yàn)，方可在船上應(yīng)用。

LNG液化天然氣的泄漏特性，LNG液體溫度很低，LNG與外露的皮膚短暫地接觸，不會(huì)產(chǎn)生什么傷害，可是持續(xù)地接觸，會(huì)引起嚴(yán)重的低溫灼傷和組織損壞。因此，儲(chǔ)氣罐、管系外部要進(jìn)行防護(hù)隔絕措施，保證安全。

LNG液化天然氣既具有天然氣易燃易爆的特點(diǎn),與空氣混合容易產(chǎn)生危險(xiǎn)，同時(shí)天然氣是一種窒息劑，大氣中氧含量約為21%，當(dāng)空氣中的氧氣含量低于18%時(shí)，會(huì)引起人的窒息。由于船舶振動(dòng)容易導(dǎo)致LNG燃?xì)庑孤瑥亩斐晌ｋU(xiǎn)事故的發(fā)生。所以儲(chǔ)氣罐、管路安裝必須安全可靠，并經(jīng)過相關(guān)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)可才能使用。

目前制約旅游船應(yīng)用LNG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的最大瓶頸是缺乏相應(yīng)的國(guó)家政策和標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)實(shí)的情況是，創(chuàng)新走在了前面，政策和標(biāo)準(zhǔn)還沒有跟上。

雖然“山水34”號(hào)只是一個(gè)開始，但通過LNG管理培訓(xùn)和制造技術(shù)的不斷進(jìn)步。相信隨著LNG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷提高，LNG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)在旅游船上將得到更多的應(yīng)用。