關于漓江旅游客船LNG混合動力改造的可行性研究

金龍

【摘 要】隨著國家提出加快建成暢通、高效、平安、綠色的現代化內河水運體系的戰略目標，LNG作為柴油的替代能源在桂林漓江旅游客船上應用勢在必行。

【關鍵詞】漓江；LNG；改造

1 漓江旅游客船的動力系統現狀

1.1 漓江現有船舶動力分析

漓江現有船舶動力來源主要是柴油，即柴油發動機。柴油發動機的工作過程與汽油發動機有許多相似之處，每個工作循環都經歷進氣、壓縮、做功、排氣四個行程。但由于柴油機用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸發，而其自燃溫度卻較汽油低，因此，可燃混合氣的形成及點火方式都與汽油機不同。由于漓江上使用的柴油機功率小、轉速高（>1000r/min），屬高速機，所以目前漓江游船柴油機的點火方式基本是以電動馬達帶動柴油機曲軸轉動壓縮混合氣體使其達到自然燃點，即“壓燃”來實現的。

1.2 柴油發動機的不足

盡管柴油發動機有功率大、二氧化碳排放低等方面的優勢，但柴油機工作壓力大，對各有關零件有較高的結構強度和剛度要求，特別是其噴油泵與噴嘴制造精度要求嚴格，故成本較高。另外，柴油機還存在振動噪聲大、噴黑煙、油污不易蒸發、冬季冷車啟動困難等弊端。

2 LNG混合動力系統

2.1 LNG及LNG混合動力的概念

LNG即液化天然氣，主要成分為甲烷，氣化后比空氣輕，一旦泄露會很快擴散。空氣中天然氣濃度達到15%以上時，可以正常燃燒；濃度為5%-15%時，遇到明火即可發生爆炸，這個濃度范圍即為天然氣的爆炸極限，爆炸瞬間產生高溫、高壓，其破壞力和危險性都很大。

LNG混合動力是在不改變原柴油機結構的基礎上，加裝可燃用液化天然氣的混燃系統，改變成柴油-LNG雙燃料混合動力，LNG—柴油雙燃料發動機具有兩種工作狀態，兩套燃料儲存系統。當使用LNG—柴油混合燃燒時，同等工況下柴油供給量減少70%。以壓燃少量噴入缸內的柴油作為“引燃燃料”，天然氣作為主要燃料，通過混合器中與過濾后的空氣均勻混合后進入氣缸參與燃燒，對外做功。當使用純柴油燃燒時，通過ECU（行車電腦控制系統）自動切換裝置關閉，切斷天然氣進氣通路，調整噴油泵總油量至100%位置，從而恢復100%全柴油燃燒。

2.2 LNG混合動力系統組成

2.2.1 主機。為比較雙燃料發動機和單一氣體燃料發動機的不同，應對雙主機中的一臺進行柴油—天然氣雙燃料改造，即在現有的柴油機上加裝LNG燃料供給系統，將單一的柴油發動機轉化為雙燃料發動機。柴油變成用于點燃壓縮狀態下天然氣的引燃燃料。全柴油模式時，天然氣氣源切斷，發動機工作模式與原柴油機相同。天燃氣噴射量和柴油供油量通過中央控制單元（ECU）根據發動機工況來控制。將另一主機采用全新的天然氣單一燃料發動機。

2.2.2 供氣系統。LNG供氣系統，由LNG儲罐，氣化及穩壓裝置和天然氣供應管系組成。LNG儲罐是低溫燃料儲存設備，采用雙層金屬、真空結構，保溫性能優異，同時配備有各種安全裝置，可確保超壓情況下系統的安全。如果在漓江旅游客船上安裝儲罐位置選應選擇在面向開敞甲板處所，這樣有利于可燃氣體的散發。儲罐按照《氣體燃料動力船檢驗指南》的要求，安裝有安全閥，儲罐壓力高于最大工作壓力的時候，安全閥自動打開，通過放散管泄壓。儲罐處還安裝有電動、手動、氣動三個串聯的緊急切斷閥，保證在緊急狀態下安全可靠地從儲罐出液口根部切斷天然氣供應，確保天然氣不外泄。氣化過程即氣罐內的液化天然氣經過水浴式氣化器，利用發動機的外循環熱水進行氣化，氣化后的天然氣經過穩壓調壓器、電子切斷閥、過濾器及二級減壓閥進入發動機。穩壓調壓器和二級減壓閥應分別穩定主體管道氣體壓力和將進入發動機的氣體壓力降至要求的范圍內。燃氣管路主體管路采用不銹鋼無縫管，機艙內通往發動機的氣體管路全程采用全熔透對接焊接頭。為方便連接和減少震動對管接頭的影響，主體管路與發動機之間采用金屬軟管連接。

2.2.3 安全監控系統。在正常情況下可能出現爆炸性氣體環境的區域，我們稱“氣罐處所”。一旦LNG氣體在該區域發生泄漏，整個機艙將變成危險區域。作為后備安全措施，機艙所有燈具、開關、風機、警鈴、警燈都應為滿足要求的合格防爆型，并且機艙的任何位置都保證有兩套相互獨立的固定式氣體探測器有效覆蓋。當機艙出現可燃氣體泄漏時，這些防爆設備還應繼續工作，以保證基本的船舶安全。室外危險區域一律采用防爆電氣設備，包括燈具和開關，安裝時嚴格要求穿鋼管敷設。比如漓江旅游客船尾部的尾燈等。如果機艙內有電動舵機，則應選用乙丙絕緣氯丁內套銅絲編織鎧裝船用電力電纜，要求電纜的鎧裝一定要在設備內部良好接地，且保證進線處的密封，設備的外殼亦良好接地。氣罐處所及每臺主機的上方均應配備有可燃氣體探測器，并配備氣體報警控制器1臺、聯動控制柜1臺、及防爆軸流風機2臺。當探測到天然氣濃度達到爆炸下限的20%時，控制器發出報警聲；達到爆炸下限50%時，控制器自動切斷天熱氣氣源，并啟動風機強制排風。

2.3 漓江旅游客船LNG混合動力系統改造的優勢與存在的困難

2.3.1 漓江旅游客船LNG混合動力改造的優勢

優化漓江生態環境，實現節能減排，促進科學保護漓江是桂林市政府在漓江旅游資源開發、保護工作方面的重要目標和指向，對漓江旅游船發動機進行液化天然氣（LNG）改造是其中一個重要舉措。相較傳統能源，LNG混合動力優勢明顯，體現在動力保障和設備使用壽命、節能減排效用、游船安全衛生運營、防止河流污染等方面。經測算，船舶采用LNG混合動力后，柴油的平均替代率達到60%至70%，可實現硫氧化合物減排85%-90%，二氧化碳減排15%-20%，同時，噪聲污染、煙塵、廢油水排放也大大降低。使用混合動力后，其最高爆發壓力略低于燃用柴油值，而功率相當，因此燃用雙燃料時的動力性能足以滿足船用推進主機的需要。使用雙燃料時柴油機的熱負荷降低，排氣煙度大大降低，氣缸內的積碳很少，可減少氣缸與活塞之間的磨損，有利于延長發動機的使用壽命。另據測算，假設漓江旅游客船船舶全部進行改造、使用LNG混合動力后，每年可減排硫氧化合物200多噸、氮氧化合物220噸，減排二氧化碳2千噸以上。同時，船員的工作生活環境將得到很大改善。由于裝備了智能化的安全監測與處置系統，一旦有可燃氣體泄露，船舶能自動報警，自動切斷天然氣管路，啟動防爆通風機，隔開儲罐與艙室和機艙，確保船舶運營安全和船員生命安全。此外，采用LNG混合燃料，即使船舶發生沉沒事故，也不會出現由于單純使用柴油燃料導致大面積水域污染的現象。

2.3.2 漓江旅游客船LNG混合動力改造存在的困難

目前，LNG混合動力屬于船舶行業的新生事物，還處于摸索完善階段。漓江旅游客船在混合動力改造、普及推廣方面還存在一些不足和條件上的限制。

（1）不符合相關指南的要求。按照CCS《氣體燃料動力船檢驗指南》的要求，漓江旅游客船混合動力改造還存在一些問題。如只有一個機艙，主機和發電機組均在一個艙內；面向位于開敞甲板的儲氣罐的艙壁達不到A-60級防火分隔等。

（2）在操作培訓和實際維護上面存在一定難度。船舶動力設備的規范操作、使用以及日常維護，都需要具有一定專業知識、技能的人才，目前桂林航區在LNG動力船舶方面尚缺乏相關方面的人才儲備，開展教育、培訓和人才引進仍需要一定的時間。

（3）初投資。LNG混合動力需由LNG儲罐、氣化及穩壓裝置、柴油—天然氣混燃電控噴射系統和消防報警系統組成。據估算，每艘船舶進行改造需要至少15萬人民幣的費用，這對于漓江旅游客船目前的運營收入水平來說存在一定困難。

（4）漓江沿線油氣站布置問題。漓江航道水淺、灘多，地形條件復雜，沿線布置油氣站需要兼顧景區旅游質量不受影響、船舶加注燃料的便利性以及管理和使用的安全性，還要充分考慮設施建設和維護費用等問題，是一個內容繁復的系統工程，仍待有關部門組織調研、論證。

目前，雖然尚未有適用于客船的LNG混合動力船舶檢驗規范，但根據部海事局“內河船舶氣體燃料動力改造和檢驗工作研討會會議紀要”的精神，漓江旅游客船LNG混合動力改造項目符合國家能源產業政策和節能減排要求，具有較好的經濟效益和廣闊的市場前景，通過試點來加強對船舶LNG混合動力改造和檢驗工作的研究是很有必要的。船舶檢驗、海事及航管部門應繼續給予必要的支持和幫扶。

[責任編輯：周娜]