平原流域內(nèi)河標(biāo)準(zhǔn)船型應(yīng)用LNG動(dòng)力技術(shù)分析

于全虎 孟德臣 張化英

1. 江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2. 河南省交通運(yùn)輸廳航務(wù)局, 河南 鄭州 450016

0 前言

河南省地處中原腹地,域內(nèi)以平原為主,主要通航河流為淮河及其支流沙潁河。為適應(yīng)河南省淮河、沙潁河等航道升級(jí)改造工程,充分發(fā)揮等級(jí)航道的通過能力和運(yùn)輸船舶的裝載能力,提高運(yùn)輸船舶營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性,促進(jìn)船舶回船籍港,有必要推廣船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程。標(biāo)準(zhǔn)船舶采用LNG動(dòng)力可降低廢氣中CO2、NOx和SOx等的含量。本文以平原流域內(nèi)河標(biāo)準(zhǔn)船型研發(fā)為基礎(chǔ),針對(duì)平原流域內(nèi)河標(biāo)準(zhǔn)船型應(yīng)用LNG動(dòng)力進(jìn)行技術(shù)分析,為內(nèi)河船型標(biāo)準(zhǔn)化和新能源船舶技術(shù)相結(jié)合提供參考。

1 標(biāo)準(zhǔn)船型應(yīng)用LNG動(dòng)力的技術(shù)可行性

1.1 國(guó)內(nèi)LNG動(dòng)力船舶應(yīng)用情況

2010年8月,京杭運(yùn)河第一艘柴油-LNG混合動(dòng)力(簡(jiǎn)稱LNG混合動(dòng)力)船舶“蘇宿貨1260”3 000噸級(jí)運(yùn)沙船試航成功(圖1)[1]。自2013年中國(guó)船級(jí)社(CCS)《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》(2013版)和中國(guó)海事局(MSA)《內(nèi)河天然氣燃料動(dòng)力船舶法定檢驗(yàn)暫行規(guī)定》(2013版)公布實(shí)施后,我國(guó)內(nèi)河天然氣(主要是LNG)動(dòng)力船舶的建造和應(yīng)用由試點(diǎn)進(jìn)入常態(tài)化,技術(shù)上已逐漸完善,而且設(shè)計(jì)、建造和監(jiān)管等環(huán)節(jié)有規(guī)范、法規(guī)依據(jù)。據(jù)報(bào)道,“十二五”期間,我國(guó)共建造完工LNG動(dòng)力船舶50艘。江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司自2012年開始開展LNG動(dòng)力船舶的設(shè)計(jì)研究,2013年承擔(dān)了“江蘇(貨)3001”3 000噸級(jí)散貨船(圖2)LNG混合動(dòng)力改造設(shè)計(jì)。該船在江蘇省按海船檢[2012]48號(hào)文批準(zhǔn)試點(diǎn)改造的LNG動(dòng)力示范船舶中第一個(gè)通過法定檢驗(yàn),2014年3月正式投入營(yíng)運(yùn),實(shí)際應(yīng)用情況良好。此后,江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司又陸續(xù)完成了63 m集散兩用LNG混合動(dòng)力貨船(圖3,應(yīng)用于京杭運(yùn)河江蘇段水運(yùn)應(yīng)用LNG綜合示范區(qū))、49.8 m集散兩用LNG單燃料動(dòng)力貨船(圖4)、LNG動(dòng)力專用集裝箱船(圖5)等批量LNG混合動(dòng)力及LNG單燃料動(dòng)力船舶的設(shè)計(jì)。

圖1 “蘇宿貨1260”LNG-柴油混合動(dòng)力貨船

圖2 “江蘇(貨)3001”3 000噸級(jí)LNG混合動(dòng)力貨船

a)“大港集001”貨船

b)“大港集002”貨船圖3 63 m集散兩用LNG混合動(dòng)力貨船

圖4 49.8 m集散兩用LNG單燃料動(dòng)力貨船

圖5 LNG動(dòng)力專用集裝箱船

1.2 LNG動(dòng)力船舶技術(shù)要點(diǎn)

1.2.1 LNG船機(jī)及其動(dòng)力特性和環(huán)保性

1.2.1.1 LNG船機(jī)

內(nèi)河船舶LNG動(dòng)力改造試驗(yàn)及試點(diǎn)工程于2010年開始,至今經(jīng)歷了原有柴油船用發(fā)動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱“船機(jī)”)改造為L(zhǎng)NG混合動(dòng)力船機(jī),以及直接使用成品LNG混合動(dòng)力船機(jī)和LNG單燃料船機(jī)兩個(gè)階段。

圖6 柴油-LNG電控噴射混合動(dòng)力系統(tǒng)流程圖

目前濰柴西港新能源動(dòng)力有限公司、中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力總廠、玉柴聯(lián)合動(dòng)力有限公司等多家船用發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)均可提供系列化功率范圍的持證LNG船機(jī)。國(guó)內(nèi)LNG單燃料船機(jī)一般采用火花塞點(diǎn)燃式，例如玉柴聯(lián)合動(dòng)力有限公司的單燃料船機(jī)(圖7),而LNG混合動(dòng)力船機(jī)一般采用少量柴油引燃混燒式。

1.2.1.2 LNG船機(jī)動(dòng)力特性

與火花塞點(diǎn)燃式LNG單燃料船機(jī)比較,少量柴油引燃混燒式LNG船機(jī)有如下特性[2]:

1)壓縮比更高,燃料熱效率更高,能耗更低。

2)引燃用柴油釋放出的能量遠(yuǎn)高于火花塞點(diǎn)火產(chǎn)生的能量,利于天然氣穩(wěn)定著火,避免失火現(xiàn)象。

3)循環(huán)變動(dòng)更小。

4)引燃柴油會(huì)形成多個(gè)點(diǎn)火源,加快天然氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣?提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力特性;并且能在較寬泛的空燃比范圍工作,實(shí)現(xiàn)較稀薄燃燒。

圖7 火花塞點(diǎn)燃式LNG單燃料船機(jī)系統(tǒng)流程圖

5)母型柴油機(jī)結(jié)構(gòu)改動(dòng)小,主要部件互換性好,廠商制造和配套成本低,后續(xù)使用維修方便。

6)需要柴油和天然氣兩套控制系統(tǒng),整機(jī)成本增加。

7)由于采用兩種燃料混燃方式,排放環(huán)保性能較單一氣體燃料的環(huán)保性能差。

內(nèi)河航道相對(duì)狹小,彎道多,船舶密度大,對(duì)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速及低速動(dòng)力輸出特性要求高,較適合使用LNG混合動(dòng)力船機(jī),但從綠色環(huán)保的角度看,LNG單燃料船機(jī)更有應(yīng)用前景。此外,目前微量引燃發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)在國(guó)外中大型船機(jī)上已成熟應(yīng)用,是國(guó)內(nèi)內(nèi)河船機(jī)的技術(shù)發(fā)展方向之一。

1.2.1.3 LNG船機(jī)環(huán)保性

1.2.2 LNG儲(chǔ)氣處所

考慮內(nèi)河貨船的總體布置、營(yíng)運(yùn)航道特點(diǎn),以及船舶規(guī)范和法規(guī)的要求,LNG一般儲(chǔ)存于C型臥式低溫罐中[3],船用LNG儲(chǔ)罐常見類型有真空填充式和多層纏繞式,真空填充式是在低溫儲(chǔ)罐夾層中充填干燥的珠光砂,夾層厚度為200～300 mm,再抽真空度到2～5 Pa;多層纏繞式是在低溫儲(chǔ)罐夾層中包扎鋁箔紙和纖維紙(一般40層),夾層厚度為84～100 mm,再抽真空度到0.05 Pa以上。多層纏繞式性能優(yōu)越,重量輕,比真空填充式預(yù)冷損失小、穩(wěn)定性好,但單位容積成本高,真空度要求[4-6]更高,抽真空工藝更復(fù)雜。

出于簡(jiǎn)化危險(xiǎn)區(qū)域及設(shè)備布置的需要,LNG儲(chǔ)氣處所一般設(shè)置于船舶尾部開敞空間,同時(shí)設(shè)置一套LNG儲(chǔ)存、供氣系統(tǒng),包括儲(chǔ)罐、汽化器及相應(yīng)閥件、附件及儀表等(圖8)。船舶在初始設(shè)計(jì)時(shí)考慮便于LNG儲(chǔ)罐的設(shè)置,一般在滿足生活居住條件的前提下,適當(dāng)縮短艙室長(zhǎng)度,儲(chǔ)罐與舷側(cè)距離、船尾部距離都應(yīng)符合相應(yīng)船舶規(guī)范要求[4-6]。

圖8 LNG儲(chǔ)存及供氣系統(tǒng)

LNG儲(chǔ)罐經(jīng)由充裝總管接頭進(jìn)行加注,加注結(jié)束后應(yīng)將液體或氣體燃料從充裝管路中排出,用供氣設(shè)備內(nèi)的BOG將進(jìn)液管道內(nèi)的LNG吹至儲(chǔ)罐內(nèi),然后對(duì)進(jìn)液軟管進(jìn)行放散。

考慮到船員在LNG儲(chǔ)氣處所活動(dòng)的安全性,在LNG儲(chǔ)罐公共鞍座的外圍需要增加鋼絲防護(hù)網(wǎng),網(wǎng)上設(shè)有可關(guān)鎖的門,以便于對(duì)LNG儲(chǔ)氣及供氣系統(tǒng)的甲板露天部分進(jìn)行日常操作與維護(hù)。

1.2.3 面向儲(chǔ)氣處所艙室限界面防火設(shè)計(jì)

面向儲(chǔ)氣處所的上層建筑艙室限界面應(yīng)考慮防火分隔,可采用隔離空艙或加強(qiáng)防火分隔設(shè)計(jì)(圖9)。

圖9 面向儲(chǔ)氣處所的艙室限界面采用隔離空艙的防火分隔設(shè)計(jì)

1.2.4 船舶性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

船舶尾部LNG儲(chǔ)氣處所的甲板上需增加LNG儲(chǔ)罐和儲(chǔ)罐安裝座,同時(shí)焊接加強(qiáng)復(fù)板。這將帶來船舶穩(wěn)性、浮態(tài)及結(jié)構(gòu)受力的變化,需就這些方面的船舶性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算(圖10)[7-8]。

圖10 LNG儲(chǔ)罐安裝底座及甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

1.2.5 可燃?xì)怏w探測(cè)及安保系統(tǒng)

可燃?xì)怏w探測(cè)及安保系統(tǒng)(圖11)是使用LNG燃料動(dòng)力的船舶必須配設(shè)的安全控制系統(tǒng)及配套設(shè)備,一般通過設(shè)置相關(guān)探測(cè)設(shè)備對(duì)氣體儲(chǔ)罐、汽化器、氣體管路等的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù),以及安全條件(如燃?xì)庑孤?、通風(fēng)無效、可能的火災(zāi)等)進(jìn)行檢測(cè)[9],當(dāng)監(jiān)測(cè)到相關(guān)設(shè)備參數(shù)出現(xiàn)異?；虿粷M足安全條件的情況發(fā)生時(shí),按照控制策略發(fā)出控制信號(hào)并控制相關(guān)設(shè)備做出反應(yīng)。

a)可燃?xì)怏w探測(cè)器

b)安保系統(tǒng)工作界面圖11 可燃?xì)怏w探測(cè)器和安保系統(tǒng)工作界面

1.2.6 消防系統(tǒng)

主要是在LNG儲(chǔ)氣處所設(shè)水消防、壓力水霧、水幕系統(tǒng)及滅火器等[10]。

1.2.7 電氣系統(tǒng)

主要是考慮防爆照明,氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和氣體燃料控制系統(tǒng)需由主電源和蓄電池雙路供電等。

1.2.8 BOG控制方案

LNG動(dòng)力船舶的BOG氣體主要來自LNG儲(chǔ)罐的壓力安全系統(tǒng)釋放和氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的逃逸氣體,其中LNG儲(chǔ)罐釋放的BOG占很大比例,尤其內(nèi)河船舶普遍待閘時(shí)間較長(zhǎng),待閘期間發(fā)動(dòng)機(jī)不工作,LNG儲(chǔ)罐吸熱后內(nèi)部壓力升高導(dǎo)致安全閥定期打開釋放氣體。目前除了提高儲(chǔ)罐自身的保溫能力外,還有以下方法可以考慮:

1)減少LNG儲(chǔ)罐逃逸氣量。當(dāng)LNG儲(chǔ)罐壓力高于0.9 MPa±0.05 MPa時(shí),ECU得到儲(chǔ)罐壓力傳感器的信號(hào)后發(fā)出儲(chǔ)罐壓力高的報(bào)警,這時(shí)開啟儲(chǔ)罐節(jié)能出口管路閥和儲(chǔ)罐出口閥,發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并且齒輪箱處于脫排狀態(tài),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制在800～900 r/min,將儲(chǔ)罐內(nèi)的天然氣燃用直至儲(chǔ)罐壓力下降至正常值。

2)減少發(fā)動(dòng)機(jī)逃逸氣量。天然氣進(jìn)氣量采用數(shù)字閥并聯(lián)組合多點(diǎn)無級(jí)控制技術(shù),達(dá)到每一工況下天然氣進(jìn)氣量高精度的控制;柴油引燃量采用數(shù)字電控技術(shù)和閉環(huán)油門控制技術(shù),優(yōu)化全工況下的引燃噴油量;天然氣進(jìn)氣采用增壓器后正壓噴射形式,使天然氣與增壓氣體在正壓狀態(tài)下充分?jǐn)_動(dòng)、均勻混合;采用各缸排氣溫度監(jiān)控,隨時(shí)判斷缸內(nèi)混合燃燒的工作狀況。上述措施使兩種燃料在氣缸內(nèi)充分混燃,確保發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期工作于最佳狀態(tài),減少逃逸氣量[11]。

2 LNG動(dòng)力船舶配套設(shè)施建設(shè)情況

目前,內(nèi)河LNG動(dòng)力船舶推廣緩慢的主要原因之一是受LNG加注站建設(shè)所限,2013年前長(zhǎng)江沿線LNG加注站還未建立,2014年前京杭運(yùn)河區(qū)域尚無LNG加注站,船舶無法直接靠岸加氣,必須采取將氣罐拆卸后用汽車運(yùn)到岸上加氣站加注或在專用監(jiān)管碼頭由LNG低溫槽罐車加注的方式,不但提高了加氣成本,還增加了作業(yè)時(shí)間,加大了生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)[12]。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)研究、建設(shè)的內(nèi)河區(qū)域LNG加注站的模式主要分為:棧橋式碼頭固定站、岸基式碼頭固定站、躉船+碼頭或管廊、獨(dú)立躉船站和移動(dòng)加注船[13-14]。岸基式碼頭固定站主要參照GB 50156-2012《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》、GB 50028-2016《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 52 Vehicular Fuel Systems Code、JTS 165-5-2016 《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》等進(jìn)行設(shè)計(jì)。中國(guó)船級(jí)社(CCS)《液化天然氣燃料水上加注躉船入級(jí)與建造規(guī)范》(2014版)于2014年3月1日生效,中國(guó)海事局(CHINA MSA)《液化天然氣燃料內(nèi)河加注躉船法定檢驗(yàn)暫行規(guī)定》(2014版)于2014年9月1日開始實(shí)施,為地理環(huán)境適應(yīng)性較好的獨(dú)立躉船加注站模式提供了較為完善的規(guī)范和法規(guī)依據(jù)[15-17]。

2013年9月國(guó)內(nèi)首座水上LNG加注站—“海港星01”(圖12)[18]在長(zhǎng)江南京八卦洲投入試運(yùn)行,為全國(guó)首個(gè)接岸躉船式水上LNG加注站,躉船船長(zhǎng)100 m,型寬18 m,配有2個(gè)各250 m3LNG儲(chǔ)氣罐,2臺(tái)低溫裝卸臂及其他工藝配套設(shè)施,每小時(shí)可向船舶加注34 m3LNG。2014年2月13日,京杭運(yùn)河江蘇段首個(gè)水上LNG加氣站(圖13)[19]在江蘇省淮安市建成,采用岸基式碼頭固定站方式。

江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司設(shè)計(jì)的200 m3LNG加注躉船(圖14)為柴油(油艙容積115 m3)和LNG(儲(chǔ)罐容積200 m3)合建加注站,采用躉船+碼頭形式,可為船舶加注LNG或0號(hào)柴油,船舶主尺度滿足 1 000～3 000噸級(jí)貨船靠泊進(jìn)行加注燃料的要求。

圖12 “海港星01”水上LNG加注站

圖13 京杭運(yùn)河江蘇段首個(gè)水上LNG加氣站(淮安)

目前內(nèi)河LNG動(dòng)力船舶數(shù)量相對(duì)較少,加氣需求不旺盛,因此社會(huì)力量投建水上LNG加注站的動(dòng)力不足,而水上LNG加注站的缺乏,導(dǎo)致加氣周期長(zhǎng),加氣成本過高,又影響到船東新造或改建LNG動(dòng)力船舶的積極性。水上LNG加注站的建設(shè)涉及到岸線審批、LNG氣源及LNG運(yùn)輸儲(chǔ)存等諸多環(huán)節(jié),一般社會(huì)企業(yè)難以涉足,這也造成了社會(huì)力量投入的不足。

隨著對(duì)內(nèi)河船舶在運(yùn)輸全程中水和大氣污染防治要求的不斷提高,水運(yùn)行業(yè)成為國(guó)家推行包括LNG在內(nèi)的清潔能源的重要領(lǐng)域。我國(guó)早在2009年就已在內(nèi)河船舶上開展LNG試點(diǎn)應(yīng)用,通過不斷摸索,應(yīng)用技術(shù)和相應(yīng)規(guī)范、制度逐漸成熟[20-21]。2013年交通運(yùn)輸部發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)水運(yùn)行業(yè)應(yīng)用液化天然氣的指導(dǎo)意見》,開始系統(tǒng)化推進(jìn)內(nèi)河船舶應(yīng)用LNG動(dòng)力;2014年交通運(yùn)輸部接連公布《水運(yùn)行業(yè)應(yīng)用液化天然氣試點(diǎn)示范實(shí)施方案》和《水運(yùn)行業(yè)應(yīng)用液化天然氣首批試點(diǎn)示范項(xiàng)目名單》;2014年4月財(cái)政部和交通運(yùn)輸部聯(lián)合發(fā)布《內(nèi)河船型標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)貼資金管理辦法》,明確了應(yīng)用LNG動(dòng)力的示范船舶補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)?！笆濉背跗?國(guó)家在系列戰(zhàn)略性政策中把應(yīng)用、推廣LNG能源作為防治大氣和水污染以及能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點(diǎn),交通運(yùn)輸部更是在《港口污染防治專項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施方案(2015—2020年)》和《交通運(yùn)輸節(jié)能環(huán)?！笆濉卑l(fā)展規(guī)劃》中將LNG應(yīng)用列入交通運(yùn)輸行業(yè)污染防治的重點(diǎn)[22]。

圖14 江蘇內(nèi)河首個(gè)柴油-LNG合建加注站——200 m3 LNG加注躉船方案

3 結(jié)論

船舶應(yīng)用LNG新能源是國(guó)家現(xiàn)在及將來都大力推進(jìn)的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)政策之一,平原流域內(nèi)河標(biāo)準(zhǔn)船型使用LNG新能源動(dòng)力符合國(guó)內(nèi)外船舶動(dòng)力能源發(fā)展的新趨勢(shì),對(duì)區(qū)域加快發(fā)展綜合綠色交通運(yùn)輸業(yè)具有積極意義。目前,船舶使用LNG動(dòng)力在技術(shù)上已成熟可靠,相關(guān)規(guī)范和法規(guī)已配套完善,市場(chǎng)前景良好?？扇急刃屡d能源的發(fā)現(xiàn)和開采將有助于降低LNG價(jià)格,提升LNG動(dòng)力船舶的經(jīng)濟(jì)性,加氣站等配套設(shè)施不完善的問題在政府和社會(huì)力量的推進(jìn)下,預(yù)計(jì)會(huì)得以緩解。

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