船用LNG-柴油雙燃料動力系統技術應用分析

王德剛，張尊華

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

船用LNG-柴油雙燃料動力系統技術應用分析

王德剛1，張尊華2

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

根據LNG燃料的主要特點和性質分析船用LNG-柴油雙燃料動系統的類型、特點及其應用現狀，提出發展船用LNG-柴油雙燃料系統的建議。

LNG;柴油;雙燃料;船舶;內河

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)的變動可以發現，經合組織國家的傳統化石燃料(煤炭和石油)的消費量已經呈現負增長，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，船用天然氣發動機研發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。對于傳統船用柴油機，如果不加裝排氣后處理系統(如SCR系統)，將難以達到排放控制區的要求，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對該問題的現實選擇［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物性的對比［5］。

表1 汽油、乙醇和氫氣燃料特性比較(標況下)

目前，天然氣已被發達國家廣泛應用于交通領域，隨著我國天然氣來源的日益多元化、規模化，利用天然氣替代成品油已成為現實選擇。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)，在經過減壓器減壓后供發動機燃用;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，在船用發動機中應用前景廣泛。我國已經開始大力推廣LNG燃料。據《2013～2017年中國LNG行業發展前景與投資預測分析報告》數據統計，2010年中國LNG年產量達900萬t，2013年，我國LNG產量突破100億m3。隨著我國LNG儲量的不斷增加，將為LNG燃料在船舶中的應用帶來前所未有的機遇［6］。

2 船用LNG-柴油雙燃料動力系統

2．1 系統類型和特點

LNG燃料動力船燃料系統一般包括燃料充裝(充裝處所)、燃料儲存(氣罐處所)、燃料供應(管系)和燃料利用(機器處所或發動機系統)，其典型布置見圖2。

天然氣發動機是LNG燃料動力船上的主要用氣設備，其工作可靠性和安全性直接關系到整個船舶的營運安全，是整個動力系統的核心設備。

目前，我國正在內河開展LNG燃料動力船試點工作，市場上出現了幾種不同類型的天然氣發動機。按使用的燃料類型，可分為單一氣體燃料發動機(只能使用天然氣燃料工作)和雙燃料發動機(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，可以分為缸外預混進氣和缸內直噴進氣兩種，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;缸內進氣，可以分為低壓缸內直噴和高壓缸內直噴兩種。這幾種類型的天然氣發動機的對比見表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，所以傳統的壓燃式發動機燃用天然氣時必須引入點火源以點燃天然氣。目前我國內河試點船主要采用總管單點噴射式及“混燒式”雙燃料發動機。

圖2 典型的LNG燃料動力船燃料系統構成

表2 不同燃料類型天然氣發動機的優缺點

2．2 應用情況

國內在20世紀90年代開始通過引進國外產品在汽油機上使用LPG、CNG，并很快實現國產化。近幾年來，國內與國外合作開發了幾款柴油天然氣發動機: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公司聯合開發了D6114ZL柴油-CNG雙燃料船用發動機;玉柴與加拿大CIC公司合作開發了YC6108ZQN增壓柴油-CNG雙燃料發動機;一汽錫柴與新西蘭、美國合作共同開發了CA6110柴油-CNG雙燃料發動機;二汽朝柴與意大利合作開發了CY6102 CNG單燃料發動機。

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。據統計，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生產大國，為了提高挪威氣體燃料技術和獲得良好的環境效應，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的首次應用，費用的提高在可接受范圍內。2009年STX集團和法國Stirling國際設計公司推出一型新概念旅游船“EOSEAS”號，該船采用LNG作為燃料以驅動螺旋槳并提供船上所需電力。2009年挪威皇家海岸警衛隊租借的首艘環保型沿海警戒艦“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計方案。德國航運公司Reederei Stefan Patjens公司聯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，我國陸上交通已經大面積地應用各種清潔燃料，然而在水上交通領域，雖然對清潔燃料的應用探索不斷，但并沒有大面積推廣清潔燃料技術。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研工作，選定一條在贛江內具有代表性的主流船型，“贛撫州貨0608”干貨船進行贛江內首艘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燃料船舶方面的發展走在世界前列，特別是挪威在LNG基礎設施，LNG燃料船舶技術和規范發展，政府對于LNG燃料發展的推動等方面均具有領先優勢和良好的示范效應［8-9］。從各型LNG燃料船舶的技術和設備發展來看，LNG燃料船舶的開發并不僅僅限于設計公司和船廠，更多的是船東、船級社、設備廠商、設計公司和船廠聯合開展技術攻關和應用開發。

3 建議

1)加大科研投入，加強科技創新，提升LNG-柴油雙燃料系統性能。積極開展船用LNG-柴油雙燃料系統摻燒策略研究。摻燒策略對雙燃料發動機運行安全性、動力性、經濟性和排放特性等綜合性能有重要影響，是雙燃料發動機關鍵技術之一。建議不同型號的柴油機或同型號柴油機采用不同LNG系統進行雙燃料改造時，應通過發動機臺架試驗確定其摻燒策略。

2)建議分階段有序推進LNG-柴油雙燃料系統在內河的應用。第1階段以現有動力系統改造為主，此階段以保障安全為重點，突出SOx和PM排放優勢，寬限NOx和HC排放;第2階段以新建發動機為主，重點研發和推廣具有自主知識產權的高性能雙燃料發動機和單一氣體燃料發動機，充分發揮LNG燃料的減排優勢。

3)加快LNG-柴油雙燃料船用發動機動力系統的技術標準和規范的制定和完善工作，使發動機改造前期的產品規劃、價格評估、技術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發動機使用逐漸增多，應進一步推進完善LNG發動機船舶供氣站等基礎配套設施建設。

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］.國際石油經濟，2012(5):64-69.

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

［4］王峰，濮繼林.LNG動力船舶發展現狀與趨勢［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在我國內河水運領域的應用探討［J］.天然氣工業，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.船用天然氣發動機關鍵技術發展及應用［J］.內燃機與動力裝置，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

交通部科技建設項目(2013328811530)

王德剛(1959-)，男，學士，高級工程師

研究方向:機械工程

E-mail:zunhuazhang@whut.edu.cn