3000t級(jí)貨船柴油-LNG混合動(dòng)力改造

于全虎，王 穎

(1.江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.淮安新奧燃?xì)庥邢薰荆K 淮安 223002)

3000t級(jí)貨船柴油-LNG混合動(dòng)力改造

于全虎1，王 穎2

(1.江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.淮安新奧燃?xì)庥邢薰?，江蘇 淮安 223002)

以3 000 t級(jí)京杭運(yùn)河柴油-LNG混合動(dòng)力改造試點(diǎn)船舶為研究對(duì)象，在不改變機(jī)體結(jié)構(gòu)和燃燒方式的前提下，通過(guò)對(duì)船用柴油機(jī)加裝雙燃料系統(tǒng)，使其能夠在混合動(dòng)力模式下運(yùn)行，從而獲得理想的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性和排放的環(huán)保性。同時(shí)介紹了LNG儲(chǔ)存、汽化和供氣等主要?dú)怏w系統(tǒng)，分析了混合動(dòng)力船舶對(duì)防火分隔、消防、監(jiān)控、防爆保護(hù)等要求與處理方法，探討了逃逸氣體的控制方式，希望能在摸索LNG船舶應(yīng)用方面提供一些參考。

貨船；柴油;液化天然氣；混合動(dòng)力

0 引言

能源緊缺和發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣對(duì)氣候環(huán)境的影響問(wèn)題已成為世界范圍內(nèi)影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大問(wèn)題，交通運(yùn)輸行業(yè)是能源消費(fèi)和溫室氣體排放的重要領(lǐng)域之一， 2011 年《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快長(zhǎng)江等內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展的意見(jiàn)》中提出要建成暢通、高效、平安、綠色的現(xiàn)代化內(nèi)河水運(yùn)體系，運(yùn)輸效率和節(jié)能減排能力顯著提高。

我國(guó)內(nèi)河船舶長(zhǎng)期以來(lái)一直以柴油動(dòng)力為主。近年來(lái)石油資源日益短缺，國(guó)際油價(jià)不斷上漲，導(dǎo)致內(nèi)河水運(yùn)行業(yè)成本不斷攀升，燃料費(fèi)用有時(shí)甚至超過(guò)船舶營(yíng)運(yùn)總成本的60%，并且大部分船舶柴油機(jī)的尾氣排放難以滿足海事與環(huán)保組織愈加苛刻的排放要求，因此使用清潔燃料是一個(gè)很好的突破口。液化天然氣LNG是一種清潔、高效的能源，其最主要的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)環(huán)境特性好。采用LNG 燃料可以減少10%～20%的CO2排放量，90%的NOX排放量，100%的硫化物和顆粒物排放。

國(guó)外二十世紀(jì)七十年代開(kāi)始研究壓縮天然氣CNG在汽油機(jī)上的應(yīng)用，繼而擴(kuò)展到柴油機(jī)。目前在陸地車(chē)用方面，我國(guó)汽油機(jī)改燒天然氣已有成熟的技術(shù)，但對(duì)船舶柴油機(jī)燃用天然氣燃料的研究尚處于起步階段，廣泛使用LNG 燃料仍存在不少技術(shù)瓶頸，特別是對(duì)涉及到的安全性、可靠性等一系列問(wèn)題缺乏系統(tǒng)性分析與研究。

本文所述船舶為按國(guó)家海事局[2012]第48號(hào)文批準(zhǔn)的柴油-LNG混合動(dòng)力改造試點(diǎn)船舶。在目前國(guó)內(nèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)船舶設(shè)備配套尚不完善，技術(shù)上處于摸索、試驗(yàn)階段的情況下，大量調(diào)研了相關(guān)行業(yè)如燃?xì)馄髽I(yè)和設(shè)備廠等，通過(guò)對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，使其能夠在混合動(dòng)力模式下運(yùn)行，獲得理想的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性和排放的環(huán)保性。

1 船舶概況

3 000 t級(jí)京杭運(yùn)河柴油-LNG混合動(dòng)力貨船為雙機(jī)、雙槳，鋼質(zhì)內(nèi)河干散貨船，主要營(yíng)運(yùn)于京杭運(yùn)河江蘇段水域，載運(yùn)各種干雜貨物。貨艙區(qū)域?yàn)殡p底、雙殼。貨艙區(qū)雙層底及舷艙甲板、舷側(cè)采用縱骨架式，舷艙單底采用橫骨架式，機(jī)艙、艏艙、艉艙采用橫骨架式結(jié)構(gòu)形式。該船總布置情況如圖1所示。本船主要技術(shù)參數(shù)為：

總長(zhǎng)

75 m

垂線間長(zhǎng)

71.85 m

型寬

15 m

型深

4.2 m

設(shè)計(jì)吃水

3.5 m

總噸

1 597

最大載貨量

3 000 t

主機(jī)型號(hào)/數(shù)量

Z6170ZLC-18、Z6170ZLCZ-18/2

設(shè)計(jì)航速

13 km/h

航區(qū)

A級(jí)

圖1 3 000 t級(jí)京杭運(yùn)河柴油-LNG混合動(dòng)力貨船總布置示意圖

2 LNG儲(chǔ)存系統(tǒng)

LNG氣體燃料儲(chǔ)存在容積為10 m3的雙層高真空填充式C型獨(dú)立LNG儲(chǔ)罐內(nèi)。

2.1LNG儲(chǔ)氣罐處所

根據(jù)本船的總體布置以及營(yíng)運(yùn)航行區(qū)域內(nèi)的航道特點(diǎn)，結(jié)合規(guī)范和法規(guī)的要求，LNG氣罐處所設(shè)置于主甲板尾部開(kāi)敞空間。為便于LNG儲(chǔ)氣罐的布置，在滿足船員生活和居住條件的前提下，適當(dāng)縮短了甲板室長(zhǎng)度，生活艙室后甲板空間足夠放置儲(chǔ)氣罐。在面向儲(chǔ)罐的艙室后圍壁外側(cè)加設(shè)一檔肋位長(zhǎng)度的空艙，以滿足氣罐處所防火分隔要求。

2.2LNG氣體燃料的圍護(hù)

LNG低溫液體儲(chǔ)氣罐主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。儲(chǔ)氣罐依托船甲板作為支撐，儲(chǔ)氣罐下方的尾甲板上設(shè)有與主甲板焊接在一起的鋼制基座，儲(chǔ)氣罐鞍座與基座采用螺栓緊固連接。LNG儲(chǔ)氣罐設(shè)有壓力釋放系統(tǒng)，氣罐處所壓力釋放閥與透氣管相連，透氣管出口高于露天甲板不小于3 m，其通向起居處所、氣體安全處所最近的空氣進(jìn)口、空氣出口或開(kāi)口及機(jī)器設(shè)備的廢氣出口均不小于5 m。

2.3LNG氣體燃料的充裝

本船經(jīng)由充裝總管接頭對(duì)LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行加注。充裝管路上靠近通岸接頭處串聯(lián)安裝1個(gè)手動(dòng)截止閥和1個(gè)遙控截止閥，能在燃料充裝作業(yè)的控制位置操作遙控閥。目前采用LNG罐車(chē)運(yùn)輸至指定碼頭對(duì)船舶儲(chǔ)罐進(jìn)行充裝的方法。船舶在加注燃料時(shí)，燃料供應(yīng)裝置和燃料供應(yīng)站之間的管路應(yīng)進(jìn)行等電位連接。

表1 LNG低溫液體儲(chǔ)氣罐主要技術(shù)參數(shù)

3 LNG汽化和供氣系統(tǒng)

LNG汽化系統(tǒng)采用循環(huán)熱水水浴式汽化器，主要是用發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水對(duì)水浴式汽化器中的液化天然氣加熱，使之汽化為常溫氣體，供發(fā)動(dòng)機(jī)使用，達(dá)到節(jié)約能源以及循環(huán)利用的效果。

本船LNG汽化器采用盤(pán)管式的結(jié)構(gòu)，汽化能力達(dá)到100 N·m3/h。整個(gè)設(shè)備的制造采用耐腐蝕06Cr19Ni10材質(zhì)。設(shè)備上設(shè)置排污口，當(dāng)水浴式汽化器停止工作時(shí)，可排出里面的水分以及其雜質(zhì)。從汽化器出來(lái)的常溫氣態(tài)天然氣NG經(jīng)氣體互鎖閥、天然氣濾清器、燃?xì)鉁p壓閥、燃?xì)鈬娚浣M件等，作為燃料進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。其供氣系統(tǒng)圖見(jiàn)圖2。

圖2 LNG-NG供氣系統(tǒng)圖

4 發(fā)動(dòng)機(jī)改造

在原有6170柴油機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)和燃燒方式不變的基礎(chǔ)上，本船增加1套LNG供氣管路系統(tǒng)和柴油-LNG雙燃料電控噴射系統(tǒng)。該管路工作壓力為0.8 MPa，設(shè)計(jì)壓力為1.0 MPa。雙燃料工作模式由電子轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制，發(fā)動(dòng)機(jī)可以在純柴油模式下工作，也可以在柴油-LNG雙燃料模式下工作。在柴油-LNG混燃模式時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)中的微量柴油用于引燃，天然氣則作為主要燃料。

主機(jī)改造采用增壓器后總管混合正壓噴射方式。天然氣在增壓器后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道與增壓后空氣混合，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道及各缸進(jìn)氣閥進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，在壓縮沖程由噴入的少量柴油引燃?xì)飧變?nèi)天然氣。針對(duì)不同工況，電子控制單元ECU根據(jù)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器、排氣溫度傳感器、油門(mén)位置傳感器等傳感器信號(hào)確定相應(yīng)的控制參數(shù)，通過(guò)天然氣噴射閥及油門(mén)執(zhí)行器控制發(fā)動(dòng)機(jī)的供氣量和柴油供給量，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)供給比，獲得理想的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性和排放的環(huán)保性。

電控系統(tǒng)設(shè)置故障自診斷和安全保護(hù)功能。當(dāng)出現(xiàn)電源、重要傳感器、重要執(zhí)行器等故障時(shí)，電控系統(tǒng)可自行判斷，啟動(dòng)安全保護(hù)功能，自動(dòng)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換到純柴油模式運(yùn)行。

5 船舶系統(tǒng)

5.1消防系統(tǒng)

除常規(guī)散貨船的水消防系統(tǒng)和消防設(shè)備外，本船在LNG儲(chǔ)氣罐處所的上方安裝用于儲(chǔ)氣罐的冷卻和防火以及面向儲(chǔ)氣罐的艙壁部分的水霧系統(tǒng)，其噴水率對(duì)水平防護(hù)表面為10 L/(min·m2)，對(duì)垂直防護(hù)表面為4 L/(min·m2)。本船選用2臺(tái)電動(dòng)水泵(流量：60 m3/h，揚(yáng)程：0.42 MPa)作為總用/消防泵。單臺(tái)消防泵組即可同時(shí)提供2股19 mm水槍和水霧系統(tǒng)所需消防水量。

機(jī)艙左右舷入口處、每臺(tái)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)旁和燃料充裝接頭附近各增設(shè)1具5 kg手提式干粉滅火器，在LNG儲(chǔ)氣罐充裝站附近增設(shè)置1臺(tái)70 kg和1臺(tái)100 kg大型推車(chē)式干粉滅火器，以覆蓋所有可能的泄漏點(diǎn)。

5.2機(jī)艙通風(fēng)

機(jī)艙區(qū)域設(shè)置2臺(tái)軸流式防爆風(fēng)機(jī)，流量為18 000 m3/h?？諝庥蓹C(jī)艙內(nèi)風(fēng)道上的風(fēng)柵進(jìn)入風(fēng)道，再經(jīng)露天甲板上的風(fēng)機(jī)由菌形風(fēng)帽排入機(jī)艙外開(kāi)敞空間。機(jī)艙風(fēng)機(jī)和主機(jī)采用雙燃料模式運(yùn)行連鎖，即當(dāng)通風(fēng)機(jī)開(kāi)啟至少10 min以后，發(fā)動(dòng)機(jī)才能采用雙燃料模式運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)機(jī)因故關(guān)停時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)能自動(dòng)轉(zhuǎn)換為純柴油模式。

5.3可燃?xì)怏w探測(cè)和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

機(jī)艙內(nèi)設(shè)置4只固定式氣體燃料探測(cè)器，尾部LNG儲(chǔ)氣罐處所設(shè)置2只固定式氣體燃料探測(cè)器，分別組成2套相互獨(dú)立的探測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)探測(cè)到機(jī)艙內(nèi)可燃?xì)怏w濃度達(dá)到燃燒爆炸下限時(shí)，發(fā)出報(bào)警，且同時(shí)切斷機(jī)艙的氣體燃料供應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為純?nèi)加湍Ｊ健Ｈ€設(shè)有1只可便攜式氣體探測(cè)器。機(jī)艙內(nèi)設(shè)置感煙、感溫探測(cè)器各1只。

5.4LNG儲(chǔ)氣罐監(jiān)控

LNG氣罐監(jiān)控包括儲(chǔ)罐壓力、液位、溫度，汽化后的天然氣溫度，汽化水的溫度、壓力等。在駕駛室能遠(yuǎn)程顯示監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐壓力、液位及相應(yīng)報(bào)警。

6 防爆保護(hù)

6.1曲軸箱保護(hù)

每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱設(shè)有敞開(kāi)式透氣管，可使泄漏的氣體及時(shí)排至機(jī)艙外的開(kāi)敞區(qū)。透氣管上設(shè)阻火器。

6.2進(jìn)氣總管和排氣總管爆炸保護(hù)

每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣管總管均安裝了防爆安全閥，防爆安全閥設(shè)置的開(kāi)放壓力分別為增壓壓力的1.5倍和1.2倍，其尺寸可以預(yù)防當(dāng)氣缸發(fā)生點(diǎn)火故障時(shí)剩余燃?xì)庠谂艢夤苤挟a(chǎn)生爆炸。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣防爆安全閥、排氣防爆安全閥及曲軸箱透氣管的出口匯總后用總管路引至機(jī)艙外的開(kāi)敞區(qū)域。

7 逃逸氣體控制

京杭運(yùn)河中營(yíng)運(yùn)的船舶普遍存在待閘時(shí)間較長(zhǎng)的現(xiàn)象，待閘區(qū)有時(shí)會(huì)聚集大量船舶。隨著混合動(dòng)力船舶逐步推廣，單艘船舶少量的逃逸氣體匯聚起來(lái)會(huì)使小區(qū)域內(nèi)逃逸氣體達(dá)到一定濃度。逃逸氣體的存在不僅造成氣體燃料浪費(fèi)，聚集后還會(huì)造成一定的危險(xiǎn)性，必須予以控制。

逃逸氣體控制一方面通過(guò)加強(qiáng)儲(chǔ)罐的保溫性能，減少安全閥的開(kāi)啟；另一方面在柴油機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下，依靠發(fā)動(dòng)機(jī)雙燃料控制和管理系統(tǒng)的高性能微處理電控技術(shù)，精確控制天然氣的噴射量、柴油的引燃量，使天然氣-柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)充分燃燒，保證發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于最佳雙燃料運(yùn)行狀態(tài)，減少逃逸氣體。此外，船舶處于待閘狀態(tài)下儲(chǔ)罐壓力升高報(bào)警時(shí)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)脫排空轉(zhuǎn)，促使儲(chǔ)罐內(nèi)的天然氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒，從而降低儲(chǔ)罐壓力至正常值。

8 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)一些機(jī)構(gòu)所作Z6170系列船用柴油機(jī)部分型號(hào)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在負(fù)荷為25%額定功率時(shí)，其替代率為69.2%。但由于本船航行于京杭運(yùn)河水域，存在待閘時(shí)間長(zhǎng)等水域特殊因素和貨運(yùn)不足的影響，大多數(shù)船舶出于節(jié)約燃料的目的，常用主機(jī)轉(zhuǎn)速一般不到額定轉(zhuǎn)速的50%，功率只有額定功率的13%左右，預(yù)計(jì)其替代率只有55%～65%，平均NOX下降8%左右，CO2下降10%左右。本船實(shí)際燃油替代率和排放數(shù)據(jù)需待實(shí)際營(yíng)運(yùn)一段時(shí)間后才能得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

在陸地車(chē)用方面，我國(guó)汽油機(jī)改燒天然氣已有成熟的技術(shù)，并已大面積地得到了推廣，但對(duì)船舶柴油機(jī)燃用天然氣燃料的研究尚處于起步階段。隨著“氣化長(zhǎng)江”、“長(zhǎng)江綠色物流創(chuàng)新工程”等內(nèi)河船舶“油改氣”項(xiàng)目的逐步推進(jìn)，天然氣作為一種經(jīng)濟(jì)、綠色、安全的新型能源逐漸為人們所認(rèn)同，成為未來(lái)主要的綠色經(jīng)濟(jì)型能源。LNG燃料船舶開(kāi)發(fā)的推動(dòng)者應(yīng)不僅僅限于科研設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)和能源企業(yè)，應(yīng)該是在政策和政府主管部門(mén)的宏觀主導(dǎo)下，船東、能源企業(yè)、驗(yàn)船機(jī)構(gòu)、設(shè)備廠商、科研設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)和船廠聯(lián)合開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)、推廣實(shí)施。

[1]中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]中國(guó)船級(jí)社.氣體燃料動(dòng)力船檢驗(yàn)指南[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]中國(guó)船級(jí)社.天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范[M]. 北京：人民交通出版社，2013.

[4]GB/T 20368-2006，液化天然氣生產(chǎn)，儲(chǔ)存和裝運(yùn)[S].

[5]GB/T 19204-2003，液化天然氣的一般特性[S].

[6]GB/T 20734-2006，液化天然氣汽車(chē)專(zhuān)用裝置安裝要求[S].

[7]GB 18442-2001，低溫絕熱壓力容器[S].

2014-01-22

于全虎(1974-)，男，高級(jí)工程師，主要從事船舶動(dòng)力裝置的科研與設(shè)計(jì)工作；王穎(1976-)，男，主要從事車(chē)船用油改氣技術(shù)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)與營(yíng)運(yùn)管理工作。

U674.13

A