LNG燃氣動力在旅游船上的應用

廣西壯族自治區(qū)桂林船舶檢驗局 覃振福

目前，近200多艘旅游船常年航行于桂林漓江水域，船舶柴油機尾氣排放已成為漓江空氣污染的重要來源之一，漓江旅游船舶主要動力源依然是柴油機，柴油機在工作中會排出大量的有害物。我國“十二五”規(guī)劃已經(jīng)明確提出，要大力推進船舶節(jié)能和使用綠色能源，重點發(fā)展LNG作為主要的船用清潔能源。研究和應用節(jié)能技術(shù)降低船舶能耗，加強船舶管理和設備維護保養(yǎng)及節(jié)能減排的基礎(chǔ)性管理，不僅可以為航運企業(yè)節(jié)省燃料費用，還可以減少船舶造成的環(huán)境污染，獲得經(jīng)濟和環(huán)保雙重效益。LNG燃氣發(fā)動機在桂林漓江“山水34”號旅游船上的應用，既實現(xiàn)經(jīng)濟又保護環(huán)境的同時，還符合相關(guān)規(guī)范對“綠色船舶”的要求。

船舶系統(tǒng)布置設計

旅游船“山水34”號總長31.1米，水線長29.4米，型寬5.6米，型深1.05米，滿載吃水0.54米，航速16節(jié)，于1996年5月24日建造完工，船檢登記號為1996J5300060，配有兩臺X6110C4型號柴油機，單機功率為73.5KW，轉(zhuǎn)速2000r/min，可容納游客118人和19名船員。

該船主要對船舶主推進動力裝置進行改造，為了保證改造后的旅游船能安全運營，根據(jù)原有船舶的條件，并結(jié)合漓江航道及旅游船特點參照中國船級社《氣體燃料動力船檢驗指南》和《雙燃料發(fā)動機系統(tǒng)設計與安裝指南》檢驗標準以及現(xiàn)有船舶規(guī)范和技術(shù)標準要求對船舶實施改造，船舶改造基本原則是要求滿足船舶原來穩(wěn)性和性能要求。因此，改造僅涉及主機和增加儲氣罐安裝的要求，其它未動，改造后的左右LNG燃氣發(fā)動機的布置、尺寸、重量、參數(shù)基本不變，需要加裝的LNG儲氣瓶和氣體管系和原船上其他物體進行置換，以平衡船舶原有浮態(tài)，以便改造后的船舶能夠正常航行。

該船在機艙上甲板尾部敞開處安裝兩個由張家港富特瑞特種裝備股份有限公司生產(chǎn)的汽車用液化天然氣儲氣罐，儲氣罐具有雙層結(jié)構(gòu)，外殼與內(nèi)膽之間保持一定距，形成絕熱空間，防止散熱，臥式安裝在甲板上，單罐容積為450L。這樣布置的好處是，一是機動靈活便于吊裝充液及拆裝安全。二是天然氣屬低溫液體，其密度比空氣輕，在發(fā)生泄漏后會自動向上溢開，不會對水體產(chǎn)生污染；同時，在加入特殊嗅劑后，天然氣如有泄漏會及時被發(fā)現(xiàn)；另外，天然氣的燃點比柴油要高，瞬間著火比油慢，也易擴散，不易達到爆炸極限，所以安全性能很高。三是燃氣儲氣罐與燃氣發(fā)動機距離適中，便于安裝和檢查。氣罐內(nèi)的液化天然氣經(jīng)過水浴式氣化器，利用發(fā)動機的外循環(huán)熱水進行氣化，氣化后的天然氣經(jīng)過穩(wěn)壓調(diào)壓器、電子切斷閥、過濾器及二級減壓閥進入發(fā)動機。穩(wěn)壓調(diào)壓器將主體管道氣體壓力穩(wěn)定在0.8～1.0MPa，二級減壓閥將進入發(fā)動機的氣體壓力降為0.25Mpa。燃氣管路主體管路采用不銹鋼無縫管，機艙內(nèi)通往發(fā)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(fā)動機之間采用金屬軟管連接。

主機改造情況，左機為全新生產(chǎn)的純LNG燃氣單燃料發(fā)動機，右機為舊機改造的LNG-柴油雙燃料發(fā)動機，可比較單一氣體燃料發(fā)動機和雙燃料發(fā)動機在運行中的改造效果。該船左主機采用一拖柴油機公司生產(chǎn)的東方紅LRN6A3W-C64Z型船用全新的天然氣單一氣體燃料發(fā)動機，型式為直列、水冷、四沖程、增壓中冷、電控噴射進氣、電控點火，額定功率為73.5kW，額定轉(zhuǎn)速為2000rpm，燃氣發(fā)動機參數(shù)與原柴油機基本一致，可以檢驗燃氣發(fā)動機是否達到原動力的性能。主發(fā)動機燃料僅為LNG，管路安裝簡潔，維護方便，同時無需擔心燃料之間切換的問題。該船右主機采用船用天然氣（LNG）-柴油電控噴射雙燃料系統(tǒng)，該系統(tǒng)在現(xiàn)有的船用柴油機上加裝一套LNG燃料供給系統(tǒng)，將單一的柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)化為天然氣（LNG）-柴油雙燃料發(fā)動機，柴油變成用于點燃壓縮狀態(tài)下天然氣的引燃燃料和部件的潤滑劑，全柴油模式時，天然氣氣源切斷，發(fā)動機工作模式與原柴油機相同。該系統(tǒng)通過控制柴油機原有的燃油泵的齒條來限制柴油。所采用的方法是：由中央電控單元（ECU）控制油門執(zhí)行器直接控制油泵齒桿位置來實現(xiàn)。對油泵齒條的位置采用了PID雙閉環(huán)控制技術(shù)，使油量控制靈活、準確，保證了各缸發(fā)火的準確可靠，使得引燃柴油的噴射量根據(jù)工況的不同而有所改變以滿足系統(tǒng)的控制要求。這種系統(tǒng)動力性、操作性等技術(shù)指標與原機相同，可在純柴油和柴油-天然氣雙燃料兩種狀態(tài)隨時切換，方便了船機用戶對燃料的選擇，一旦LNG使用完畢因故不能及時填充或者燃氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能使用，船舶仍可在純柴油模式下正常運行，保證船舶運行安全，原機的一切安全保護措施不會因為改裝后受到影響，同時系統(tǒng)自設定的安全措施與原機安全保護措施可實現(xiàn)聯(lián)動。

機艙燃氣發(fā)動機安全監(jiān)控保障

為確保燃氣發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)，加裝輔助系統(tǒng)，通風系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)。由于該船為試驗性船舶改造，檢驗船舶試運行效果如何，機艙為有人連續(xù)值班，參照中國船級社《氣體燃料動力船檢驗指南》要求，無法實現(xiàn)駕駛室與機艙之間操作自動化，但機艙和尾艙設有LNG運行操作手冊和安全監(jiān)控系統(tǒng)，可以手動實現(xiàn)符合自動化和部分自動化的試驗要求。

通風系統(tǒng)，在機艙兩則各加裝一臺認可具有正反轉(zhuǎn)功能的軸流風機，滿足機器處所應有每小時換氣至少30次的通風能力，通風機及其布置應滿足指南的相關(guān)要求；通風系統(tǒng)確保所有空間內(nèi)具有良好的空氣環(huán)流，確保室內(nèi)不會形成氣井。當其中一組風機失效時，另一組風機仍能滿足機器處所規(guī)定換風量的要求。機艙機械通風與主機運行手動連鎖操作，即當通風機開啟至少10分鐘以后，發(fā)動機才能啟動運行；當風機因故關(guān)停時，手動停止發(fā)動機運行（對單一氣體燃料發(fā)動機）或轉(zhuǎn)換為燃油供應（對雙燃料發(fā)動機）。

安全監(jiān)控系統(tǒng)。該船在每臺燃氣發(fā)動機上方以及儲氣罐處所設有可燃氣體探測器和感溫探測器，在尾艙配備氣體報警控制器、聯(lián)動控制柜、船用防爆軸流風機、電子切斷閥等安全監(jiān)控設備，可以對機艙和LNG儲氣罐處所進行監(jiān)控。當探測到天然氣濃度達到爆炸下限的20%時，控制器發(fā)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。

消防安全，在機器和儲氣罐處所增加設置適量的干粉滅火器。

船舶試驗效果分析

天然氣是一種清潔能源，漓江旅游船使用后可解決柴油污染水域的問題，而且旅游船更安全，每艘旅游船改造使用天然氣后，一年能源開支可節(jié)約6萬元。船舶改造試驗運行取得較好效果：一是動力性好功率儲備大、低速扭矩高、加速性能好。二是節(jié)能省氣最低燃氣消耗率197g/kW.h，合理的發(fā)動機增壓中冷結(jié)構(gòu)，拓寬了LNG發(fā)動機的運行范圍；在各種工況下均有良好的經(jīng)濟性；與汽油、柴油及其它代用燃料相比，天然氣發(fā)動機的使用費用較低一般約為汽油價格的50%、約為柴油價格的35%。

三是環(huán)保、排污低，天然氣發(fā)動機與柴油機相比可明顯降低有害物質(zhì)的排放，特別是顆粒排放（尾氣中沒有黑煙）天然氣發(fā)動機幾乎為零，另外它可完全消除鉛、苯和芳香烴等嚴重危害物，NOX、CO及HC的排放也顯著降低減輕對環(huán)境的污染，燃燒天然氣產(chǎn)生的二氧化碳比燃燒石油要少30%以上而獲得同樣的熱量。

四是安全、工作可靠天然氣為高燃點的輕量氣體，在正常溫度和壓力下，危險性比柴油小。天然氣發(fā)動機冷啟動性能好，運行平穩(wěn)，維修費用低（約為常規(guī)燃料發(fā)動機的50%），直接用甲烷作燃料，不僅可大大降低發(fā)動機機械摩擦的耗損，延長使用壽命，且運行操作簡單方便，噪音也比燃油發(fā)動機降低40%，發(fā)動機使用壽命長。

LNG燃氣動力用于旅游船還有局限性

LNG液化天然氣的低溫特性，因此低溫LNG燃氣儲氣罐、低溫液體泵絕熱性能要好，閥門和管件的保冷性能要好，與之相連的設備、管道、儀表、閥門及其配件在低溫工況條件下操作性能要好，并且要具有良好的機械強度、密封性和抗腐蝕性，低溫儲氣罐和過濾器的制造及日常運行管理已納入國家有關(guān)壓力容器的制造、驗收和監(jiān)查的規(guī)范，壓力容器生產(chǎn)應用，都必須向壓力容器的監(jiān)管單位申報檢驗，方可在船上應用。

LNG液化天然氣的泄漏特性，LNG液體溫度很低，LNG與外露的皮膚短暫地接觸，不會產(chǎn)生什么傷害，可是持續(xù)地接觸，會引起嚴重的低溫灼傷和組織損壞。因此，儲氣罐、管系外部要進行防護隔絕措施，保證安全。

LNG液化天然氣既具有天然氣易燃易爆的特點,與空氣混合容易產(chǎn)生危險，同時天然氣是一種窒息劑，大氣中氧含量約為21%，當空氣中的氧氣含量低于18%時，會引起人的窒息。由于船舶振動容易導致LNG燃氣泄漏，從而造成危險事故的發(fā)生。所以儲氣罐、管路安裝必須安全可靠，并經(jīng)過相關(guān)檢驗機構(gòu)認可才能使用。

目前制約旅游船應用LNG燃氣發(fā)動機的最大瓶頸是缺乏相應的國家政策和標準。現(xiàn)實的情況是，創(chuàng)新走在了前面，政策和標準還沒有跟上。

雖然“山水34”號只是一個開始，但通過LNG管理培訓和制造技術(shù)的不斷進步。相信隨著LNG燃氣發(fā)動機技術(shù)的不斷提高，LNG燃氣發(fā)動機在旅游船上將得到更多的應用。