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)能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

船用LNG-柴油雙燃料動力系統(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)能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

根據(jù)LNG燃料的主要特點和性質(zhì)分析船用LNG-柴油雙燃料動系統(tǒng)的類型、特點及其應(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)儲量要高于石油儲量，且天然氣的價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(見圖1)的變動可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)合組織國家的傳統(tǒng)化石燃料(煤炭和石油)的消費量已經(jīng)呈現(xiàn)負增長，而天然氣的消費量顯著增加［1］。因此，將天然氣作為船用發(fā)動機燃料可以有效地減少國際航運對石油基燃料的依賴，具有廣闊的應(yīng)用前景和極大的市場需求［2］。

圖1 2012年全球能源消費變動［1］

事實上，船用天然氣發(fā)動機研發(fā)的最初動力來源于降低船舶污染物排放，為的是滿足IMO日益嚴格的排放要求。IMO海上環(huán)境保護委員會(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，作為對船舶柴油機試驗、檢驗和發(fā)證的強制性要求［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NOx排放按照3個階段(Tier I、Tier II和Tier III)實施控制，且對船用燃油含硫量也作出了嚴格限制。對于傳統(tǒng)船用柴油機，如果不加裝排氣后處理系統(tǒng)(如SCR系統(tǒng))，將難以達到排放控制區(qū)的要求，且低硫價格昂貴，將增加船舶營運成本，因此清潔、價廉的天然氣替代燃油作為船用燃料已成為應(yīng)對該問題的現(xiàn)實選擇［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)達國家廣泛應(yīng)用于交通領(lǐng)域，隨著我國天然氣來源的日益多元化、規(guī)?；锰烊粴馓娲善酚鸵殉蔀楝F(xiàn)實選擇。天然氣作為船用燃料，具有兩種存儲方式，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)動機燃用;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，稱為液化天然氣(LNG)。

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

2 船用LNG-柴油雙燃料動力系統(tǒng)

2．1 系統(tǒng)類型和特點

LNG燃料動力船燃料系統(tǒng)一般包括燃料充裝(充裝處所)、燃料儲存(氣罐處所)、燃料供應(yīng)(管系)和燃料利用(機器處所或發(fā)動機系統(tǒng))，其典型布置見圖2。

天然氣發(fā)動機是LNG燃料動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)系到整個船舶的營運安全，是整個動力系統(tǒng)的核心設(shè)備。

目前，我國正在內(nèi)河開展LNG燃料動力船試點工作，市場上出現(xiàn)了幾種不同類型的天然氣發(fā)動機。按使用的燃料類型，可分為單一氣體燃料發(fā)動機(只能使用天然氣燃料工作)和雙燃料發(fā)動機(既可以使用天然氣也可以使用柴油，或者兩者同時使用)，雙燃料發(fā)動機又分為“微引燃式”和“混燒式”兩種。按照天然氣的進氣方式，可以分為缸外預(yù)混進氣和缸內(nèi)直噴進氣兩種，缸外進氣又分為總管進氣和支管進氣，總管進氣又分為增壓器前進氣和增壓器后進氣兩種;缸內(nèi)進氣，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)動機的對比見表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)動機燃用天然氣時必須引入點火源以點燃天然氣。目前我國內(nèi)河試點船主要采用總管單點噴射式及“混燒式”雙燃料發(fā)動機。

圖2 典型的LNG燃料動力船燃料系統(tǒng)構(gòu)成

表2 不同燃料類型天然氣發(fā)動機的優(yōu)缺點

2．2 應(yīng)用情況

國內(nèi)在20世紀90年代開始通過引進國外產(chǎn)品在汽油機上使用LPG、CNG，并很快實現(xiàn)國產(chǎn)化。近幾年來，國內(nèi)與國外合作開發(fā)了幾款柴油天然氣發(fā)動機:上柴公司與荷蘭TNO道路與車輛研究所及美國WOODWARD集團所屬荷蘭DELTEC公司聯(lián)合開發(fā)了D6114ZL柴油-CNG雙燃料船用發(fā)動機;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)動機;一汽錫柴與新西蘭、美國合作共同開發(fā)了CA6110柴油-CNG雙燃料發(fā)動機;二汽朝柴與意大利合作開發(fā)了CY6102 CNG單燃料發(fā)動機。

目前，在船用其他燃料動力方面，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。因為這些船舶多屬于短途沿海航行，對LNG儲氣罐大小的要求較低。據(jù)統(tǒng)計，2000～2010年全球采用LNG作為燃料的船舶共22艘(不包括LNG運輸船)，挪威作為LNG生產(chǎn)大國，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%，但船廠和運營商認為由于屬于新技術(shù)的首次應(yīng)用，費用的提高在可接受范圍內(nèi)。2009年STX集團和法國Stirling國際設(shè)計公司推出一型新概念旅游船“EOSEAS”號，該船采用LNG作為燃料以驅(qū)動螺旋槳并提供船上所需電力。2009年挪威皇家海岸警衛(wèi)隊租借的首艘環(huán)保型沿海警戒艦“KV Barentshav”號開始服役，是世界上首艘采用LNG燃料和柴油驅(qū)動的艦艇。2011年，瓦錫蘭公司公布了65 000 t級LNG燃料豪華旅游船的設(shè)計方案。德國航運公司Reederei Stefan Patjens公司聯(lián)合挪威船級社等公司對1艘4年船齡的5 000 TEU集裝箱船進行改裝，采用LNG燃料，該項目已于2012年完成。

目前，我國陸上交通已經(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號船上進行了柴油/LNG實船試驗;2010年8月，京杭大運河上的3 000 t級“蘇宿貨1260”號船進行了柴油-LNG混合動力試航;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”干貨船進行贛江內(nèi)首艘LNG-柴油混燃實船試驗;2011年3月，長航鳳凰重慶貨運分公司所屬“長迅三號”2 500 t級散貨輪在長江重慶航段上進行了燃用雙燃料(柴油/LNG)的航行試驗。

由此可見，歐洲國家在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，政府對于LNG燃料發(fā)展的推動等方面均具有領(lǐng)先優(yōu)勢和良好的示范效應(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)計公司和船廠，更多的是船東、船級社、設(shè)備廠商、設(shè)計公司和船廠聯(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。摻燒策略對雙燃料發(fā)動機運行安全性、動力性、經(jīng)濟性和排放特性等綜合性能有重要影響，是雙燃料發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)之一。建議不同型號的柴油機或同型號柴油機采用不同LNG系統(tǒng)進行雙燃料改造時，應(yīng)通過發(fā)動機臺架試驗確定其摻燒策略。

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

3)加快LNG-柴油雙燃料船用發(fā)動機動力系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準和規(guī)范的制定和完善工作，使發(fā)動機改造前期的產(chǎn)品規(guī)劃、價格評估、技術(shù)評審等工作能做到有法可依。

4)從船舶機艙改造、管路布置改造、發(fā)動機改造等方面考慮，建議整體考慮船舶燃氣動力推廣，爭取獲得國家更大力度政策扶持。隨著船用LNG發(fā)動機使用逐漸增多，應(yīng)進一步推進完善LNG發(fā)動機船舶供氣站等基礎(chǔ)配套設(shè)施建設(shè)。

參考文獻

［1］British Petroleum.BP statistical review of world energy［Z］.BP Annual Review，2013.

［2］王魯星，田明，韓有臣.LNG點亮中國船用燃料市場新前景［J］.國際石油經(jīng)濟，2012(5):64-69.

［3］王世榮.我國內(nèi)河柴油-LNG雙燃料動力船舶的現(xiàn)狀分析與建議［J］.中國水運，2011，11(7):5.

［4］王峰，濮繼林.LNG動力船舶發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［J］.江蘇船舶，2011，28(5):16-17.

［5］CORDINER S.Numerical and experimental analysis of combustion and exhaust emission in a dual-fuel diesel/natural gas engine［J］.Energy＆Fuel，2008，22:1418-1424.

［6］周淑慧，沈鑫，劉曉娟，等.LNG在我國內(nèi)河水運領(lǐng)域的應(yīng)用探討［J］.天然氣工業(yè)，2013，33(2):81-89.

［7］KORAKIANITIS T，NAMASIVAYAM A M，CROOKES R J.Natural-gas fueled spark-ignition(SI)and compression-ignition(CI)engine performance and emissions［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2011，37(1):89-112.

［8］彭宏愷.LNG燃料動力船改造試點工作探析［J］.中國海事，2012(10):47-52.

［9］盧瑞軍，周志勇，武憲磊.船用天然氣發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2014，31(3): 57-60.

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)項目(2013328811530)

王德剛(1959-)，男，學(xué)士，高級工程師

研究方向:機械工程

E-mail:zunhuazhang@whut.edu.cn