王德剛，張尊華

(1.武漢市工程咨詢部，武漢 430014;2.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

船用LNG-柴油雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用分析

王德剛1，張尊華2

(1.武漢市工程咨詢部，武漢 430014;2.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

根據(jù)LNG燃料的主要特點(diǎn)和性質(zhì)分析船用LNG-柴油雙燃料動(dòng)系統(tǒng)的類型、特點(diǎn)及其應(yīng)用現(xiàn)狀，提出發(fā)展船用LNG-柴油雙燃料系統(tǒng)的建議。

LNG;柴油;雙燃料;船舶;內(nèi)河

目前，已探明的天然氣(natural gas)儲(chǔ)量要高于石油儲(chǔ)量，且天然氣的價(jià)格也明顯低于石油基燃料。另外，分析BP公司公布的2012年全球能源消費(fèi)(見圖1)的變動(dòng)可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)合組織國(guó)家的傳統(tǒng)化石燃料(煤炭和石油)的消費(fèi)量已經(jīng)呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，而天然氣的消費(fèi)量顯著增加［1］。因此，將天然氣作為船用發(fā)動(dòng)機(jī)燃料可以有效地減少國(guó)際航運(yùn)對(duì)石油基燃料的依賴，具有廣闊的應(yīng)用前景和極大的市場(chǎng)需求［2］。

圖1 2012年全球能源消費(fèi)變動(dòng)［1］

事實(shí)上，船用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的最初動(dòng)力來源于降低船舶污染物排放，為的是滿足IMO日益嚴(yán)格的排放要求。IMO海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)(MEPC)于1997年通過決議，將《防止船舶造成空氣污染規(guī)則》作為附則VI納入MARPOL73/78公約，作為對(duì)船舶柴油機(jī)試驗(yàn)、檢驗(yàn)和發(fā)證的強(qiáng)制性要求［3］。2008年，MEPC又通過了MARPOL73/78公約附則VI新的修正案，要求船用柴油機(jī)NOx排放按照3個(gè)階段(Tier I、Tier II和Tier III)實(shí)施控制，且對(duì)船用燃油含硫量也作出了嚴(yán)格限制。對(duì)于傳統(tǒng)船用柴油機(jī)，如果不加裝排氣后處理系統(tǒng)(如SCR系統(tǒng))，將難以達(dá)到排放控制區(qū)的要求，且低硫價(jià)格昂貴，將增加船舶營(yíng)運(yùn)成本，因此清潔、價(jià)廉的天然氣替代燃油作為船用燃料已成為應(yīng)對(duì)該問題的現(xiàn)實(shí)選擇［4］。

1 LNG燃料特性

天然氣是一種混和燃料，其組分隨氣田不同而異，主要成分有甲烷(90%以上)、氮及C2～C5的飽和烷烴，另外還含有微量的氦、二氧化碳及硫化氫等，表1給出了甲烷與幾種燃料的相關(guān)物性的對(duì)比［5］。

表1 汽油、乙醇和氫氣燃料特性比較(標(biāo)況下)

目前，天然氣已被發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用于交通領(lǐng)域，隨著我國(guó)天然氣來源的日益多元化、規(guī)?；?，利用天然氣替代成品油已成為現(xiàn)實(shí)選擇。天然氣作為船用燃料，具有兩種存儲(chǔ)方式，一種是直接將其壓縮至特制的容器中，稱為壓縮天然氣(CNG)，在經(jīng)過減壓器減壓后供發(fā)動(dòng)機(jī)燃用;另一種是在低壓(或略高于常壓)下將天然氣冷卻至約-162℃低溫，變成液態(tài)存儲(chǔ)，稱為液化天然氣(LNG)。

由于LNG能量密度高、硫含量極低、儲(chǔ)量豐富，在船用發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用前景廣泛。我國(guó)已經(jīng)開始大力推廣LNG燃料。據(jù)《2013～2017年中國(guó)LNG行業(yè)發(fā)展前景與投資預(yù)測(cè)分析報(bào)告》數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年中國(guó)LNG年產(chǎn)量達(dá)900萬t，2013年，我國(guó)LNG產(chǎn)量突破100億m3。隨著我國(guó)LNG儲(chǔ)量的不斷增加，將為L(zhǎng)NG燃料在船舶中的應(yīng)用帶來前所未有的機(jī)遇［6］。

2 船用LNG-柴油雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)

2．1 系統(tǒng)類型和特點(diǎn)

LNG燃料動(dòng)力船燃料系統(tǒng)一般包括燃料充裝(充裝處所)、燃料儲(chǔ)存(氣罐處所)、燃料供應(yīng)(管系)和燃料利用(機(jī)器處所或發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng))，其典型布置見圖2。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)是LNG燃料動(dòng)力船上的主要用氣設(shè)備，其工作可靠性和安全性直接關(guān)系到整個(gè)船舶的營(yíng)運(yùn)安全，是整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的核心設(shè)備。

目前，我國(guó)正在內(nèi)河開展LNG燃料動(dòng)力船試點(diǎn)工作，市場(chǎng)上出現(xiàn)了幾種不同類型的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。按使用的燃料類型，可分為單一氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)(只能使用天然氣燃料工作)和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)(既可以使用天然氣也可以使用柴油，或者兩者同時(shí)使用)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)又分為“微引燃式”和“混燒式”兩種。按照天然氣的進(jìn)氣方式，可以分為缸外預(yù)混進(jìn)氣和缸內(nèi)直噴進(jìn)氣兩種，缸外進(jìn)氣又分為總管進(jìn)氣和支管進(jìn)氣，總管進(jìn)氣又分為增壓器前進(jìn)氣和增壓器后進(jìn)氣兩種;缸內(nèi)進(jìn)氣，可以分為低壓缸內(nèi)直噴和高壓缸內(nèi)直噴兩種。這幾種類型的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)比見表2［7］。另外，由于甲烷的辛烷值高于汽油，而十六烷值低于柴油，所以傳統(tǒng)的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃用天然氣時(shí)必須引入點(diǎn)火源以點(diǎn)燃天然氣。目前我國(guó)內(nèi)河試點(diǎn)船主要采用總管單點(diǎn)噴射式及“混燒式”雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖2 典型的LNG燃料動(dòng)力船燃料系統(tǒng)構(gòu)成

表2 不同燃料類型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

2．2 應(yīng)用情況

國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)90年代開始通過引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品在汽油機(jī)上使用LPG、CNG，并很快實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。近幾年來，國(guó)內(nèi)與國(guó)外合作開發(fā)了幾款柴油天然氣發(fā)動(dòng)機(jī):上柴公司與荷蘭TNO道路與車輛研究所及美國(guó)WOODWARD集團(tuán)所屬荷蘭DELTEC公司聯(lián)合開發(fā)了D6114ZL柴油-CNG雙燃料船用發(fā)動(dòng)機(jī);玉柴與加拿大CIC公司合作開發(fā)了YC6108ZQN增壓柴油-CNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī);一汽錫柴與新西蘭、美國(guó)合作共同開發(fā)了CA6110柴油-CNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī);二汽朝柴與意大利合作開發(fā)了CY6102 CNG單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

目前，在船用其他燃料動(dòng)力方面，建造最多的LNG燃料船舶是渡船，其中包括車/客渡船、滾裝船、客滾船，等。因?yàn)檫@些船舶多屬于短途沿海航行，對(duì)LNG儲(chǔ)氣罐大小的要求較低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000～2010年全球采用LNG作為燃料的船舶共22艘(不包括LNG運(yùn)輸船)，挪威作為L(zhǎng)NG生產(chǎn)大國(guó)，為了提高挪威氣體燃料技術(shù)和獲得良好的環(huán)境效應(yīng)，1996年挪威議會(huì)決定分別建造采用CNG和LNG作為燃料的兩種類型車/客渡船。2000年，世界首艘采用LNG為燃料的渡船“M/F Glutra”號(hào)由阿克爾船廠建造完工。通過采用LNG燃料，該船可以減少80%的NOx排放量，總成本比采用柴油燃料的渡船高30%，但船廠和運(yùn)營(yíng)商認(rèn)為由于屬于新技術(shù)的首次應(yīng)用，費(fèi)用的提高在可接受范圍內(nèi)。2009年STX集團(tuán)和法國(guó)Stirling國(guó)際設(shè)計(jì)公司推出一型新概念旅游船“EOSEAS”號(hào)，該船采用LNG作為燃料以驅(qū)動(dòng)螺旋槳并提供船上所需電力。2009年挪威皇家海岸警衛(wèi)隊(duì)租借的首艘環(huán)保型沿海警戒艦“KV Barentshav”號(hào)開始服役，是世界上首艘采用LNG燃料和柴油驅(qū)動(dòng)的艦艇。2011年，瓦錫蘭公司公布了65 000 t級(jí)LNG燃料豪華旅游船的設(shè)計(jì)方案。德國(guó)航運(yùn)公司Reederei Stefan Patjens公司聯(lián)合挪威船級(jí)社等公司對(duì)1艘4年船齡的5 000 TEU集裝箱船進(jìn)行改裝，采用LNG燃料，該項(xiàng)目已于2012年完成。

目前，我國(guó)陸上交通已經(jīng)大面積地應(yīng)用各種清潔燃料，然而在水上交通領(lǐng)域，雖然對(duì)清潔燃料的應(yīng)用探索不斷，但并沒有大面積推廣清潔燃料技術(shù)。2010年8月，武漢輪渡公司在武輪拖302號(hào)船上進(jìn)行了柴油/LNG實(shí)船試驗(yàn);2010年8月，京杭大運(yùn)河上的3 000 t級(jí)“蘇宿貨1260”號(hào)船進(jìn)行了柴油-LNG混合動(dòng)力試航;2011年2月江西省開展了船舶油改氣的前期調(diào)研工作，選定一條在贛江內(nèi)具有代表性的主流船型，“贛撫州貨0608”干貨船進(jìn)行贛江內(nèi)首艘LNG-柴油混燃實(shí)船試驗(yàn);2011年3月，長(zhǎng)航鳳凰重慶貨運(yùn)分公司所屬“長(zhǎng)迅三號(hào)”2 500 t級(jí)散貨輪在長(zhǎng)江重慶航段上進(jìn)行了燃用雙燃料(柴油/LNG)的航行試驗(yàn)。

由此可見，歐洲國(guó)家在LNG燃料船舶方面的發(fā)展走在世界前列，特別是挪威在LNG基礎(chǔ)設(shè)施，LNG燃料船舶技術(shù)和規(guī)范發(fā)展，政府對(duì)于LNG燃料發(fā)展的推動(dòng)等方面均具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)和良好的示范效應(yīng)［8-9］。從各型LNG燃料船舶的技術(shù)和設(shè)備發(fā)展來看，LNG燃料船舶的開發(fā)并不僅僅限于設(shè)計(jì)公司和船廠，更多的是船東、船級(jí)社、設(shè)備廠商、設(shè)計(jì)公司和船廠聯(lián)合開展技術(shù)攻關(guān)和應(yīng)用開發(fā)。

3 建議

1)加大科研投入，加強(qiáng)科技創(chuàng)新，提升LNG-柴油雙燃料系統(tǒng)性能。積極開展船用LNG-柴油雙燃料系統(tǒng)摻燒策略研究。摻燒策略對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性等綜合性能有重要影響，是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一。建議不同型號(hào)的柴油機(jī)或同型號(hào)柴油機(jī)采用不同LNG系統(tǒng)進(jìn)行雙燃料改造時(shí)，應(yīng)通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)確定其摻燒策略。

2)建議分階段有序推進(jìn)LNG-柴油雙燃料系統(tǒng)在內(nèi)河的應(yīng)用。第1階段以現(xiàn)有動(dòng)力系統(tǒng)改造為主，此階段以保障安全為重點(diǎn)，突出SOx和PM排放優(yōu)勢(shì)，寬限NOx和HC排放;第2階段以新建發(fā)動(dòng)機(jī)為主，重點(diǎn)研發(fā)和推廣具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和單一氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，充分發(fā)揮LNG燃料的減排優(yōu)勢(shì)。

3)加快LNG-柴油雙燃料船用發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定和完善工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)改造前期的產(chǎn)品規(guī)劃、價(jià)格評(píng)估、技術(shù)評(píng)審等工作能做到有法可依。

4)從船舶機(jī)艙改造、管路布置改造、發(fā)動(dòng)機(jī)改造等方面考慮，建議整體考慮船舶燃?xì)鈩?dòng)力推廣，爭(zhēng)取獲得國(guó)家更大力度政策扶持。隨著船用LNG發(fā)動(dòng)機(jī)使用逐漸增多，應(yīng)進(jìn)一步推進(jìn)完善LNG發(fā)動(dòng)機(jī)船舶供氣站等基礎(chǔ)配套設(shè)施建設(shè)。

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Analysis of Marine LNG-diesel Dual-fuel Power System

WANG De-gang1，ZHANG Zun-hua2
(1.Wuhan Engineering Consulting Bureau，Wuhan 430014，China; 2.School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China)

The main features and properties of LNG fuel are introduced.The types and features of the LNG-diesel dual-fuel power system and application status of the system are analyzed.Some suggestions for development of the national marine LNG-diesel dual-fuel power system are proposed.

liquid natural gas;diesel;dual fuel;ship;inland river

U677

A

1671-7953(2015)02-0107-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.028

2015-01-13

修回日期:2015-01-26

交通部科技建設(shè)項(xiàng)目(2013328811530)

王德剛(1959-)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師

研究方向:機(jī)械工程

E-mail:zunhuazhang@whut.edu.cn