LNG发动机的技术应用与发展前景-毕业论文.pdf

i 分类号 编号 烟 台 大 学 毕 业 论 文 lng 双燃料发动机的技术特点双燃料发动机的技术特点与应用与应用前景前景 technical characteristics and application prospect of lng marine dual fuel engine 申请学位： 工学学士 院 系： 海洋学院 专 业： 轮机工程 姓 名： 李志厚 学 号： 201260502209 指导老师：段长晓（讲师） 2016 年 05 月 31 日 烟台大学海洋学院 ii lng 双燃料发动机的技术特点与应用前景 姓 名： 李志厚 导 师： 段长晓 2016 年 05 月 31 日 烟台大学海洋学院 iii 烟台大学海洋学院毕业论文任务书烟台大学海洋学院毕业论文任务书 姓名 李志厚 学号 201260502209 毕业届别 2016 专业 轮机工程 毕业论文题目 lng 船舶双燃料发动机技术特点及应用前景 指导教师 段 长晓 学历 研究生 职称 讲师 所学专业 轮机工程 具体要求(主要内容、基本要求、主要参考资料等)： 论文根据lng 燃料的理化性质引出国内外船舶 lng 双燃料发动机的发展现状， 进而 通过 lng 动力船舶的特点，论述了 lng 动力船舶的设备(推进系统设备,lng 储罐结构, 气体燃料输送系统设备)与性能，以及 lng 双燃料发动机的发展前景。 论文层次清楚，结构合理，重点突出，选用数据准确、论据充分，分析归纳合理， 文字准确，结论正确。符合论文写作规范和要求。 参考资料要选择合理、得当、准确，并注明资料的出处和来源。 进度安排： 2015.12.212016.2.28 开题、搜集资料 2016.2.293.18 完成论文大纲 2016.3.195.19 撰写毕业论文初稿 2016.5.185.31 论文修改定稿、打印并准备答辩。 指导教师（签字） ： 2016 年 01 月 07 日 院（系）意见： 教学院长（主任） （签字） ： 年 月 日 备注： i 摘要摘要：全球经济的飞速发展，航运业的地位也日渐突出，以柴油为主要燃料的 柴油机成为各船舶的主要动力， 但是随之带来的各种矛盾也给航运业带来了巨大 的挑战：柴油机的燃料利用不充分，各种污染物的排放给全球环境带来的破坏， 柴油资源的紧缺。 各国家纷纷出台了自己的限制排放标准。 为了满足各排放标准， 节约资源，人们不得不寻求新的替代资源。本文主要对目前国际上的资源利用情 况进行分析，对 lng 双燃料内燃机的结构组成进行了介绍，对 lng 动力运输 船舶的应用情况、推进性能、经济性与可持续性进行了详细的介绍。对未来以 lng 为主要燃料的内燃机进行了展望， 对 lng 双燃料内燃机的发展前景进行了 总结。 关键词关键词：lng 燃料性质、lng 储气罐、多点喷射、单点喷射、lng 动力船舶、 经济性、环保性 ii abstract：rapid development of world economy, the status of the shipping industry has become more and more prominent, the diesel oil as the main fuel of diesel engine become the main driving force of the ship, but brings along with all kinds of contradictions to the shipping industry has brought the huge challenge: diesel fuel is not fully used, sewage dye emissions brought to the global environmental destruction, diesel resource shortage. countries have introduced their own restrictions on emissions standards. in order to meet the emission standards, saving resources, people have to find new alternative resources.this paper focuses on the current international situation of utilization of resources are analyzed, the lng dual fuel engine structure is introduced in this paper, the application of lng powered transport ship, promote performance, economy and sustainability are introduced in detail. the future of the internal combustion engine with lng as the main fuel were discussed. the development prospect of lng dual fuel engine are summarized. key words： lng fuel properties, lng gas tank, multi-point injection, single point injection, lng power ship, economy, environmental protection iii 目录目录 1 绪绪 论论 . 1 2 燃料基础知识燃料基础知识 . 2 2.1 lng 燃料理化性质 2 2.2 lng 燃料的常用储存方法 .2 2.2.1 常用 lng 气罐形式 2 2.2.2 机器内部的供气管路.4 3 船用船用 lng内燃机技术内燃机技术 5 3.1 船用 lng 内燃机分类 .5 3.1.1 按燃料种类 .5 3.1.2 按进气方式分类 .6 3.1.3 点火方式 .7 3.2 lng 内燃机技术存在的问题 .8 3.2.1 系统在改造后存在的缺陷 8 3.2.2 燃料的储存问题 .8 4 lng燃料动力船舶燃料动力船舶 . 9 4.1 lng 动力船舶概述 9 4.2 lng 动力船舶分类及比较 .9 4.3 lng 动力船舶的性能9 4.3.1 环保性.9 4.3.2 经济性 11 4.3.3 安全性 11 5 lng储罐结构、系统及设备储罐结构、系统及设备 12 5.1 液化气储罐的类型和结构 . 12 5.2 液化气储罐的安装和防护 13 5.3 液化气储罐的附件 . 14 6 气体燃料输送系统和相关设备气体燃料输送系统和相关设备 15 6.1 气体燃料管系的类型和结构 . 15 6.2 船用 lng 低温阀件和附件 16 7 lng发动机在船舶上的发展前景发动机在船舶上的发展前景 . 17 7.1lng双燃料发动机在船舶上的应用. 17 7.2 我国 lng 的供应现状 . 17 结束语结束语. 20 致谢致谢 21 参考文献参考文献 . 22 烟台大学毕业论文 1 1 绪绪 论论 全球经济的飞速发展，航运业的地位也日渐突出，以柴油为主要燃料的柴油 机成为各船舶的主要动力， 但是随之带来的各种矛盾也给航运业带来了巨大的挑 战：柴油机的燃料利用不充分，各种污染物的排放给全球环境带来的破坏，柴油 资源的紧缺。各国家纷纷出台了自己的限制排放的规定。为了满足各排放标准， 节约资源，人们不得不寻求新的替代资源。 lng 以其极少的燃烧污染物，良好的燃烧性能而备受人们的青睐，从而以 lng 为燃料的内燃机也随之产生。同以柴油为燃料的内燃机相比，lng 内燃机 的污染排放量最少，co排放量减少了30%。在排放产物中几乎没有 sox。nox 排放减少了 80%。pm 排放减少了 95%。因此，以 lng 为燃料的内燃机在环保 方面有其独特的优越性。但由于各国对 lng 燃料的标准不同，lng 燃料的加装 方式也不同，lng 内燃机在全球航运企业中并没有得到好的推广，但在国内的 航运中倍受青睐。 lng 内燃机在 19 世纪 60 年代开被运输船舶采用。2011 年，瓦锡兰公司 完成了 rtx5 新型低速 lng 双燃料内燃机的测试任务。在同年9 月的测试中， 其最新研发的 lng 双燃料内燃机的nox 排放到达国内 imo tier规范。1 总的来说，现阶段国内外优化 lng 内燃机发火性能，保证运行平稳可靠的 方式一般有两种：(1)高压 lng 的气缸内喷射(2)lng 微量柴油引然条件下的多 点电喷射方式。美国 bkm 公司开发了性能可靠的“微引燃”内燃机缸内燃烧方 式。这种方式是让1 的引燃柴油首先发火燃烧从而引燃缸内的天然气混合气 体，为 lng 燃料的发火创造条件。该燃烧方式的中心部件是采纳 servojet 电控 液压泵喷嘴， 这种喷嘴能很好地控制点火油量， 同时具有可调节性。 使用了 lng 多点喷射电子控制系统，该系统由专用的软件控制， 可通过对软件程序参数的修 改来改变喷油量。同时也使用了（1）断缸法即截断各个缸的进油来控制喷油量。 （2）增压空气旁通法即通过一系列的措施旁通增压空气以达到控制燃烧性能。 （3）废气再循环。 （4）优化喷射泵的喷射正时，控制引燃油量的方法。这很大 的降低了 hc 的排放，使热效率进一步得到提高。 烟台大学毕业论文 2 2 燃料基础知识燃料基础知识 2.1 lng 燃料理化性质燃料理化性质 天然气：是指在石油等化工燃料的加工及贝岩矿中出现的可燃气体。天然气 主要由以下成分组成： （1） ch4（2）极少量的乙烷（3）c3h8（4）丁烷。气 源地的不同。可以导致 lng 的组成成分有很大的差别。其组分如下表所示： 表 2.1 天然气组分表 组分 百分比（体积组分，%） 甲烷 94% 乙烷 4.7% 丙烷 0.8% 丁烷 0.2% 氮气 0.3% 甲烷值 83 天然气为透明的没有气味没有腐蚀性对人体没有危害的气体,主要成分为 ch4，在天然气管道中还发现有水分、氮气、乙烷等气体，ch4 的是由一个 c 和四个 h 组成的结构体，其燃烧排放物主要是 co 和 h2o。与其它化石燃料相 比 lng 燃烧时其燃烧产物中仅含有少量的二氧化碳粉尘和微量的 co、hc 和 nox。因此，lng 是一种环保性强的无污染的能源。 天然气在常规大气压状态下冷却至-162时，会由 g(气态)转变成 l（液态） 称为液化天然气（lng） ，通过对天然气液化处理。他的体积会变成气态体积的 1/600。lng 的质量大约为同体积液态水的 46%。热值大概为。 2.2 lng 燃料的燃料的常用常用储存储存方法方法 2.2.1 常用常用 lng 气罐气罐形式形式 国内要求的 lng 能源船舶的气罐常采用： （1）薄膜型气罐。 （2）半薄膜型 气罐。 （3）独立型气罐。各类型气罐的特点如下表所示 2.2。 烟台大学毕业论文 3 表 2.2 各种型式气罐对比 气罐型式 简要描述 压力 部分装载 次屏壁 缺点 优点 薄膜， 半薄 膜 集 成 在 船 体中 一 般 小 于 0.0025mpa， 最大 0.07mpa 不可以 需要 对 压 力 变 化 十 分敏感， 需 保压 对 船 体 结 构 适 应 性 强 独立型气罐 a 型 平 面 结 构 路 组 成 的 菱形货舱， 适 合 于 船 体形状。 0.07mpa 可以 需要 需要保压， 由于低压， 需 要 极 大 的 透 气 系 统 能 够 较 好 的 适 应 船 体 形 状 b 型 平 行 结 构 组 成 的 棱 柱形货舱， 适 合 于 船 体形状。 0.07mpa 可以 部 分 次 屏 壁 需要保压， 由于低压， 需 要 极 大 的 透 气 系 统 能 够 较 好 的 适 应 船 体 形 状 回 转 球 型 （moss） 0.07mpa 可以 需要 需要保压， 对 气 罐 有 所要求 系 统 非 常 可 靠 c 型 独 立 型 压 力容器 0.2mpa 可以 不需要 对 气 罐 处 所有要求 -设计牢靠 -压力适应性 好 -易于安装 -无泄漏 -无需维护 国际上普遍使用的 lng 气罐是 c 型气罐，其典型的保温形式有：纯真 空层保温法。内部玻璃钢缠绕，外部加真空层保温法。珍珠岩加真空保温层 法。其中第种方法较为常用。2 烟台大学毕业论文 4 2.2.2 机器机器内部内部的供气管路的供气管路 为满足平安的要求机舱内的一切管路要求双壁管。为了满足这种要求，采用 的形式有2 种。 （1）同心管。即内管和外管之间冲灌压力高于内管内气体压力的 低化学性能的气体（通常充 n2） 。并安装压力检测传感器。当探测到 n2 压力降 低时，会马上发出警报。 （2）在密闭的通风管内设置供气管路。密闭通风管内需 要安装有抽风机。该抽风机一般为抽吸式。并且要求具有高于 35 次/h 的换气能 力。两种具体的形式如下图 2.3.所示： 图 2.3 双壁管 lng 船舶常用 esd 型机舱，就是把好几台内燃机分设于相互没关联的密闭 舱室中，各台内燃机的管子分别独立。当一台内燃机坏了时，管子的所处会被关 闭分离。因而管路不需要双壁管，就可以保证安全，大大降低了成本。同时， ccs 对 lng 货船要求了加强安全型机器处所。它规定： （1）内燃机等所有机 械处所内，一切供气管路的接头的焊接方法必须使用可靠牢固的对接焊。 （2）焊 接方法需要达到 i 级管路的安全规范。 （3）所有 lng 管道阀件和附件封蔽在气 密阀箱内。 （4）使用的探测和通风装置按危险有毒的标准处置。 烟台大学毕业论文 5 3 船用船用 lng 内燃机内燃机技术技术 3.1 船用船用 lng 内燃机内燃机分类分类 市场上 lng 内燃机的种类有多种。依照可运用燃料类型分为单一燃料内燃 机和 lng 双燃料内燃机。不同类型的内燃机其结构原理和运行方式不同。 3.1.1 按燃料种类按燃料种类 3.1.1.3.1.1.1 1 单一燃料单一燃料内燃机内燃机 单一燃料内燃机是指只能应用 lng 燃料运行而不能转换到燃烧柴油工作的 内燃机。单一 lng 燃料内燃机既可由少量燃油引燃，也可由火花塞直接点燃。 因为单 lng 燃料内燃机机没有其他备用燃料，所以当其在船舶上应用时，要求 配备两个独立的气罐和两套供气系统。只燃烧lng 的内燃机，可以看作是由汽 油机改造而成的，其发火方式也可以与汽油机相同。图 3.1.1.1 所示为单一燃料 内燃机的工作流程图，跟汽油机的主要区别体现在： （1）燃气的加装供给系统。 （2）改装冷却系统。 （3）加装混合气系统。 （3）调整电控系统。电控系统根据 系统和汽车负荷的改变来进行调整。 图 3.1 单一燃料内燃机流程 3.1.1.2 lng3.1.1.2 lng 双燃料双燃料内燃内燃机机 lng 双燃料内燃机是指柴油机的柴油燃烧系统、供油系统不变，再加 lng 燃料系统，发动机气缸中经过进气吸入空气和气态 lng 的混合气后由改装前的 柴油机喷油泵喷入极少的柴油作引燃用。 引燃的柴油受气缸压缩发火后， 点燃了 气缸中空气和气态 lng 的混合气，从而各混合气体在气缸内剧烈燃烧，带动曲 轴输出机械能，这就是双燃料 lng 内燃机。在气体燃料不足或用尽时内燃机可 发动机发动机 汽化器汽化器 混合器混合器 液态气瓶液态气瓶 电控调压器电控调压器 加加 热热 回回 水水 混 合 气混 合 气 体体 气态气态 液态液态 烟台大学毕业论文 6 完全使用纯燃油工作。 双燃料内燃机在启动和低速情况下运行时采用柴油作为燃 料，在工作过程中通过电子控制单元（ecu）控制天然气的喷射量，喷射出的天 然气和空气充分混合后导入发动机吸气口吸入柴油机气缸中， 同时通过喷油泵喷 入少量柴油压燃后作为天然气的点火源。lng 双燃料内燃机大大降低了柴油的 消耗率，同时具有更好的经济效益和排放污染物低等优点。 图 3.2 双燃料发动机结构原理图 3.1.2 按进气方式分类按进气方式分类 按天然气的进气模式分类lng 内燃机有两种形式。 （1）气缸外进气。 （2） 气缸内进气。一般说来缸外进气大致可以分为两种类型。进气总管进气。进 气支管进气。而进气总管进气又分为两种。即：增压器前进气。增压器后进 气。缸内进气通常指缸内直喷进气。部分机型也分为两种。即：低压缸内直接 进气。高压缸内直接进气。 3.1.2.13.1.2.1 缸外进气缸外进气 3.1.2.1.13.1.2.1.1 总管进气总管进气 （1）增压器前端进气 增压器前端进气的内燃机通常会在涡轮增压器的压气机叶轮前面装设混合 器设备，lng 管路与混合器管路相连接，并且与混合器相连通的天然气处于零 压状态。内燃机在运转过程中，天然气由压气机进口处空气的飞速流动。在混合 器内所形成的真空抽出。从而与空气充分混合，并由空气吸气总管，吸入气缸发 火燃烧做功。 （2）增压器后端进气 柴油箱柴油箱 发动机发动机 混合器混合器 空气过滤器空气过滤器 混合器混合器 lng 储气瓶储气瓶 截断阀截断阀 注入阀注入阀 烟台大学毕业论文 7 增压器后端进气式内燃机通常在中间冷器后端安装燃气喷射阀。 当内燃机工 作时， 电控单元发出指令燃气喷射阀依据指令将直接喷入进气总管，在进气总管 中与空气构成可燃烧的混合气体， 随后经过空气进气总支管进入气缸燃烧对外做 机械功。 3.1.2.1.2 支管进气支管进气 支管进气内燃机通常在每一空气进气支管的根部装有一个燃气喷射阀， 或在 各气缸盖的进气通道上安装燃气喷嘴。当电控单元发出指令时，燃气喷射阀按照 电控单元发出的电信号的规定向相应气缸的进气支管（进气道）喷射天然气。使 其与空气充分混合后进入气缸。 3.1.2.2 缸内进气缸内进气 缸内进气又称为缸内直喷， 是指喷射阀直接将 lng 气体喷入气缸在活塞上行 时候。根据喷射压力的大小不同缸内喷射又可分为两种。即：低压缸内喷射。 高压缸内喷射法。 （1）低压缸内直喷 低压缸内直喷是指在压缩冲程前期的喷射，因此天然气的喷射压力也较低。 该喷射方式主要用于压缩比（）较低的点燃式 lng 内燃机上。 （2）高压缸内直喷 高压缸内直喷是指先将天然气压缩至要求压力（通常在 19mpa 左右）。扩 散分层稀薄燃烧为气缸中混合气体的主要燃烧方式，同时通过 ecu 实时精确地 控制高压燃气喷射、 高能火花塞点火时刻或引燃油喷射时刻，从而使滞燃期主燃 期变短。 3.1.3 点火方式点火方式 天然气着火温度高， 不能压缩使其燃烧发火。 通常需要借助外界的条件才能 发火。常用的点火方式有火花塞点火、电热塞辅助燃烧、柴油引燃等方法。 3.1.3.1 火花塞点火火花塞点火 天然气的着火点较高，需要使用特殊的火花塞才能点燃。因而该特殊的火花 塞采用高能量电脑控制点火方式的火花塞。该火花塞对点火定时进行控制。除此 以外对点火强度也可以进行准确的控制。 通过以上的措施可以使可燃混合气的燃 烧按照规定的要求进行。 3.1.3.2 电热塞辅助燃烧电热塞辅助燃烧 气缸内设有主、副两个燃烧室， 高压的混合燃气在副燃烧室内通过电热塞被 加热， 喷涂在主燃烧室内壁的低散热材料形成保温作用。在不同的温度下副燃烧 室内天然气所受的温度高。首先着火燃烧。燃烧室内天然气压性能，并且通过适 当控制主副燃烧实现两级着火和燃烧，实现混合气着火不同步，有效降低压力升 高率和最高爆发压力使内燃机在工作过程中更加稳定柔从而抑制燃烧敲缸的发 生。 3.1.3.3 柴油引燃柴油引燃 烟台大学毕业论文 8 柴油引燃是指压缩行程中在气缸中喷入柴油作引燃。柴油的着火温度低。 所 以喷入的柴油的首先通过压燃着火燃烧。 燃烧的过程中，在燃烧室内造成大量火 焰，放出很多的热量，接着就引燃气缸的气态lng 混合气。但是为满足发火的 需要这类内燃机需要设计燃油、燃气两套燃料供给系统。假如对现有柴油机进行 改装，原柴油机的柴油管路可以保留。与此同时供应系统也可以不改变。只要增 加一套供燃气系统即可，较易实现4。 3.2 lng 内燃机内燃机技术存在的问题技术存在的问题 3.2.1 系统在改造后存在的缺陷系统在改造后存在的缺陷 目前使用的 lng 内燃机多数由汽油机或柴油机直接改造而成，然而因为天 然气的燃烧个性与柴油稍有不同。比较典型的有两点，即： （1）着火点高。 （2） 火焰发展期长。从而带来了动力缺失、排气温度过高等一系列问题，手段解决。 排气温度过高的问题可以通过增大散热器的散热面积、 增大冷却水泵的排量等方 法解决。因此，为获得较好的机械性能和较高的热效率，需要针对天然气重新设 计和制造内燃机的气缸等部件及管路系统， 并配置准确可靠的控制系统和灵敏的 检测系统。 3.2.2 燃料的储存问题燃料的储存问题 常用的天然气储存有两种方式： （1）压缩天然气。 （2）液化天然气。cng 存在的缺陷是： （1）存储气量少，可供使用的气体少。 （2）lng 气体燃料的单 位体积包含的能量低。 （3）发火性能和动力性能都较差。需要使用高压压缩机压 缩。同时要求用来存储的容器有很强的承压能力。储存容器的特点为： （1）无缝 容器。 （2）容器壁面厚度大质量重。 （3）制造工艺复杂。 （4）在规定的高压下容 器存在很大的潜在危险。因此， 高压压缩储存技术只是一种暂时的并不实用的储 气手段。因为船舶上的应用并不广泛。lng 采用的是低温绝热技术存储，但由 于完全绝热状态不易做到，漏热使 lng 在不使用的情况下为漏热气化压泄放， 泄放天然气不仅造成资源浪费， 也存在安全隐患， 遇明火会燃烧甚至爆炸。 此外， 液化天然气是由多种物质组成的物质。 它的成分比较复杂。 长时间静置会出现 “分 层”和“翻滚”现象，可能会造成由于瞬间大量气化而产生超压爆炸危害5。 烟台大学毕业论文 9 4 lng 燃料动力船舶燃料动力船舶 4.1 lng 动力船舶概述动力船舶概述 提高经济性是把柴油机改为双燃料内燃机的首要目标。 最理想的状态是原内 燃机动力性能保持不变。在提高经济性的基础上，使污染物排放降到最低。经济 性、可靠性和环保性也得到大幅提高。 目前所用的双燃料内燃机的微量引燃柴油 主要是以以前的凸轮控制式伯胥泵为基础。不需要对传统的柴油机做较大的改 动。只需增加一套独立的供气系统就可以实现内燃机的 lng 和柴油的转换运行 使用。 现阶段，随着科学技术的发展针对双燃料内燃机的研究重点逐渐向其提高 燃烧特性的方向进行。并对其相关喷射燃烧参数进行了研究。对 lng 双燃料内 燃机的工作过程需要进行优化。lng 内燃机的具体结构也得到了大的改进。当 然，目前在电控技术方面取得的巨大突破也是一个重要方面。不过电控技术的内 燃机相对不够成熟。现阶段提高 lng 双燃料内燃机特性的技术有两种方式。其 中最成熟的一种是高压天然气的缸内直喷技术。 4.2 lng 动力船舶分类及比较动力船舶分类及比较 在混合燃烧过程中高速运行工况的碳氢化合物排放总量要远远大于中低速 工况。这是因为预混合式 lng/柴油双燃料内燃机的有部分天然气会在扫气过程 中因短路排出。因此 lng 内燃机的代替率越高,它的 ch4 排出量在扫气过程中 会比低替代率的内燃机大。而 ch4 是碳氢化合物排放总量中主要的组成成分。 当负荷增加时，代替率随之减小。nox 排放值会随着替代率的减小而增加。将 来的发展趋势是：lng 内燃机负荷的增加和代替率的减小 co 排放值加大。当 替代率增加时 co 的排放会迅速降低。 4.3 lng 动力船舶的性能动力船舶的性能 4.3.1 环保性环保性 lng 燃料排放的污染物很低，见表 4.1。 表 4.1 化石材料排放水平 单位：(磅/十亿能量输出) 污染物 天然气 石油 煤 co 117.000 164.000 208.000 co 40 33 208 nox 92 448 457 sox 1 1.122 2.591 pm 7 84 2.744 烟台大学毕业论文 10 船舶内燃机用 lng 燃料替代传统的柴油燃料会具有很好的环保的优势。 根据挪威船级社的资料表明，使用 lng 燃料可以极大地降低污染物的排放。具 体指标如下： （1）低 nox 排放：与普通柴油机相比，能实现 nox 排放量降低到89%； （2）低 sox 排放：lng 双燃料内燃机船舶 sox 排放量相当低； （3）低 pm 排放：lng 双燃料内燃机船舶的pm 排放几乎为零； （4）低 co 排放：lng 燃料的 ch 含量比柴油等化石燃料低，因此可以 实现 co排放量降低 2030%，lng 运输船舶一般使用蒸汽推进，co排放量更 低。与常用的船用柴油燃烧相比较，lng 燃料内燃机的污染物排放量大大低于 常规的燃料内燃机，特别是 sox、nox、pm 排放很大的低于低硫柴油机。值得 一提的是 lng 内燃机在降低 co减排方面有独到的优势。见表 4.2。 表 4.2 几种船用主机减排方法比较 措施 sox nox pm co 二冲程柴油机降速 0% -20% 0% 0% 柴油机改造 0% -30% 0% 0% 进气时输入湿润空气 0% -70% 0% 0% 废气循环 -93% -35% -63% 0% 选择性催化还原法（以含硫量 2.7%柴油为例） 0% -90% 0% 0% 将含硫量 2.7%的柴油转化为 1.5%的柴油 -44% 0% -18% 0% 将含硫量 2.7%的柴油转化为 0.5%的柴油 -81% 0% -20% 0% 使用含硫量 05%-1.0%的柴油 -80% 0% 0% 0% 采用 lng 作为燃料 -90% -80% -100% -20% 从上表可以看出，选用 lng 作为动力的船舶，船舶 co2 减排量最低。并 且使用液化天然气为主要动力的船舶，在 sox、nox 和 pm 减排方面，也有很 大的优势。综合考虑，选用 lng 双燃料内燃机作为船舶能源可以大大提高船舶 稳定性和可靠性。 烟台大学毕业论文 11 4.3.2 经济性经济性 目前全球船舶通用的燃料是： 渣油、 燃料油、 船用轻柴油等。 在燃料价钱上， 就全球来说天然气价格比其他传统的燃料要低。 天然气燃料除了在价钱上较柴油燃料低外，lng 双燃料内燃机较传统柴油 机更加环保、 经济。 以 lng 双燃料内燃机船舶为例， 其内燃机的寿命为 700,000h 左右，如果船舶全天候在海上运行，lng 内燃机的折合寿命是80 年。比传统燃 料船舶的寿命更长。也就是说 lng 内燃机的折旧率更高。 4.3.3 安安全性全性 lng 燃料在正常状态下既不会发生爆炸，也没有腐蚀性和毒性。天然气的 燃点大约在 650左右。汽油的燃点427左右。相比于常规矿石燃料天然气着 火点更高。各爆炸极限如图 4.3 所示： 图 4.3 各气体混合物的爆炸极限 燃料名称 爆炸极限值（百分比） 天然气 5%15% 汽油 1%7% 柴油 0.5%4.1% 润滑油 极高 又由于 lng 气体的密度约为空气密度的 55%，不易汇集成爆炸性气体，因 而如果发生了大的泄漏， 天然气会很快向大气扩散， 从而降低发生爆炸的危险性。 烟台大学毕业论文 12 5 lng 储罐结构储罐结构、系统及设备、系统及设备 5.1 液化气储罐的类型和结构液化气储罐的类型和结构 常用液化气罐的类型和结构如下图 5.1 所示 独立型液舱薄膜型液舱 a型b型c型 按 传 统 船 体 设 计 法 设 计 完 全 次 屏 壁 部 分 次 屏 壁 按 分 析 法 设 计 不 需 次 屏 壁 按 压 力 容 器 设 计 菱形 coach型 esso型 菱形球形 spb型 moss型 圆柱形双瓣形 gtt型hhi型 no.96型 mark iii型 cs 1型 新型舱，2013 年4月发布 lng液货舱 双壁真空绝热单壁泡沫绝热 图 5.1 lng 储罐的类型和结构 在上图列举的各种液货舱中，a型独立舱由于出现过绝热事故，现已基本被 淘汰，b 型舱的 moss 舱因其球形的体积占用的舱室空间较大，布置紧凑，尺 烟台大学毕业论文 13 度相对较小的加注趸船一般不采用这种类型的储罐； spb 型舱能较好地适应舱室 空间；c 型舱耐压能力强，其设计和制造经验已经相对成熟，目前国内外现有和 即将建造的几艘 lng 加注船全部采用 c 型舱，国外现有实现船舶加注的岸站式 加注站（国际上仅有挪威的 3 座岸站，分别是 kollsnes production plant, ccb gotnes offshore base 以及 halhjem ferry quay）也全部采用 c 型舱10；另外，薄 膜型舱也是一种比较可靠地形式，但由于其建造成本昂贵，对于中小型 lng 加 注趸船来说，一般不采用这种形式。 5.2 液化气储罐的安装和防护液化气储罐的安装和防护 因为储罐是独立于船体的特殊结构，考虑到降低由于热量渗入系统产生的 bod 量和保护四周的船体构造免受低温的侵害等因素，lng 储罐必需采取牢靠 的绝热方法。 针对真空绝热型 lng 储罐的安全防护等方面，目前技术下有两种进出液模 式，即：罐外泵式、罐内泵式。通过分析各种模式的特点和安全性，我国内河加 注趸船一般选用安全性较高的罐内泵式储罐，如罐外泵式储罐，此种存储罐应在 储罐下方设置拦蓄结构，或采用全容罐防护等结构。 总的来讲，储罐常用的防护图示见下图5.2 和图5.3 常用的储罐形式分类及 推荐形式如图 5.4 所示。 出液回气 出液 拦蓄结构(围堰) 图 5.2 储罐底部出液+拦蓄结构（围堰） 烟台大学毕业论文 14 出液回气 出液 所有深冷阀 可燃气体探测 不锈钢 不锈钢 入风口 出风口 图 5.3 储罐顶部出液+冷箱 确保lng的 安全储存 储罐底部出液+拦蓄结构（围堰） 储罐底部出液+双层不锈钢+冷箱 储罐顶部出液+冷箱 推荐 形式 图 5.4 储罐形式分类及推荐形式 5.3 液化气储罐的附件液化气储罐的附件 支撑附件与安全附件是液化气罐的主要附件。 支撑附件的主要作用是对储罐 的空间位置进行固定从而保证其准确的空间位置。 安全附件的主要作用是保证储 罐的安全工作。包括压力表、液位计、温度计、可燃气体检测器、安全阀等一系 列的安全仪表。 烟台大学毕业论文 15 6 气体燃料输送系统和相关设备气体燃料输送系统和相关设备 6.1 气气体燃料管系的体燃料管系的类型和结构类型和结构 电控喷射系统是双燃料内燃机常用的控制系统。同时喷入 lng 双燃料内燃 机中的少量柴油的作用有以下几点： （1）在天然气混合气体受压缩达到极限时进 行引燃， 使其迅速可靠的发火燃烧。 （2） 润滑内燃机部件。 天然气作为主要燃料。 当内燃机需要只燃烧柴油时。天然气气源被阀件截断，lng 内燃机运行模式与 原燃烧柴油的内燃机工作模式相同，基本的油路不改变。两种燃烧形式可在驾驶 室切换。除此以外也可以在机舱中完成切换。操作简单方便，对船舶的航行几乎 没有影响。气体燃料管系的主要部件有储气罐、气化器、过滤器、缓冲器、减压 器、燃气喷射阀、混合器、电控单元、油门执行器等。 储气罐用于储存 lng，具有可充装功能可反复使用。 气化器将从储罐中流出的 lng 加热气化成可燃烧的气态，其加热器的 热量来自柴油机缸套冷却水。 过滤器过滤器的作用是将气化后的天然气过滤出去其中的水分和杂质， 同时还具有稳定压力和流速的作用， 避免系统出现太大的波动影响内燃机的燃烧 性能。 缓冲器缓冲器具有稳定压力和流速储存气体的作用， 防止备气量瞬间增 大造成供气不均而影响正常稳定供气，避免系统出现太大波动。 减压器维持 lng 气体的压力值，保证按要求稳定供气。 燃气喷射阀用于控制天然气喷射量。ecu 发出的电磁控制信号控制。 ecu 按照传感器返回的的内燃机的工况，发出控制信号来满足发动机在不同工 况下的天然气喷射量。 混合器确保天然气与空气的充分混合。 当天然气具有一定的压力喷入到 混合器内时，天然气在混合器内扰动空气使相互之间具有良好的混合效果。 电控单元根据内燃机负荷指令和接收到的传感器反馈的内燃机工作状 态的信号，确定并输出相应的控制参数，通过精确控制柴油系统的柴油喷射量和 通过控制气体喷射阀喷入内燃机天然气的喷射量，从而对内燃机的燃烧、 各运行 性能和排放等过程进行全面优化，获得最理想的排放性、操纵性、经济性、安全 性和排放性，使内燃机保持最佳的运转工况。 油门执行器用来控制用于引燃 lng 混合气体的柴油的喷射量。它一般 安装在喷油泵上， 根据电控单元发出的调节指令控制油泵齿条位置来控制柴油的 喷射量。对喷油泵齿条的位置采用了 pi控制。 转速传感器监测发动机转速，向 ecu 系统提供内燃机的转速工况，从 而完成 lng 内燃机运行速度的闭环控制。 排烟传感器用于监控内燃机的排烟温度而限制燃料的最大喷射量， 以避 免内燃机最高爆发压力过大造成机械应力，热应力过大。 监测报警系统监测报警系统是监测 lng 的泄漏。当发生泄漏时，根据 烟台大学毕业论文 16 泄露的程度，自动启动保护方法，避免安全事故的发生。 电磁阀通过配合不同的回路对内燃机进行提前的控制， 使内燃机运行平 稳可靠。控制的精度可以准确保证。灵活性也得到了很好的控制。 6.2 船用船用 lng 低温阀件和附件低温阀件和附件 做为配件的低温阀件和它的附件在 lng 系统中发挥着至关重要的作用。以 lng 内燃机为动力的船舶燃料的灌装、存储、提供、运用以及 lng 加注等特殊 作业的完成都离不开低温阀件和低温阀件的附属件的配合作用。lng 系统中最 主要的低温阀部件有三种。即： （1）截止阀。 （2）紧急切断阀。 （3）压力释放阀。 附属部件有温度计、液位观察镜、压力表等其他设备。若以上部件出现故障，将 会影响 lng 双燃料内燃机的正常运行。此同时，考虑到 lng 储存的安全性。 防止储存罐内液化天然气的过充现象。lng 分层和翻滚的现象也得到极大的改 善。须有可靠的 lng 存储仪表系统实时对罐内液体的温度、压力和液位进行监 测。 图 6.1 典型 lng 管系低温阀件及储罐仪表设置 烟台大学毕业论文 17 7 lng 发动机在船舶上的发展前景发动机在船舶上的发展前景 7.1lng 双燃料发动机在船舶上的应用双燃料发动机在船舶上的应用 国际能源署统计资料表明：近 30 年来。世界资源需求量环比以前的需求量 将增长 67。以目前全人类对能源的开采速度计算，全球石油产量仅可供开采 3040 年，能源是人类赖以生存的不可或缺的资源。而以传统燃料为主要动力 的柴油机等机械存在着能源利用率低能源浪费等缺点， 所以寻求高利用率的机械 与能源成为全球课题。我国的资源形势则更为严峻， 一方面自然资源不足人均资 源占有率低，目前相关统计数据显示，我国现有人口占世界总人口的 22，但 煤炭储量只占世界总储量的 1/10，而石油只占 6/25，天然气仅占 1/100，按人均 占有量比较，我国煤炭、石油、天然气人均占有量仅为全球水平的50、10 和 511。由于我国近年来经济的飞速发展，我国已成为能源消耗大国，能源消 耗总量占世界总量的 11，成为全球第二大资源消费国。由于受科学技术全球 能源价钱等因素的影响， 我国能源利用率跟世界上发达国家有一定的差距。 另外， 我国的能源消费结构不太合理， 煤炭在能源消费中的比例大于世界上其它发达国 家，成为世界上主要的煤炭消耗过，也成为世界上污染物排放的大国。因此，应 加快能源消费结构的调整步伐， 尽快改变我国传统的高污染、 低效率的生产方式。 7.2 我国我国 lng 的供应现状的供应现状 随着全球经济的飞速发展随之而来的全球石油资源的长期开发利用过程中 带来了一系列的问题如：温室效应、环境污染。从而节能减排和能源可持续利用 等一系列亟待解决的问题摆在了人们面前 11。 我国交通运输行业是消耗资源的主要行业之一，而且主要消耗成品油，约 占全社会成品油消耗量的 30%左右。作为运输中行业中使用率最高的交通工具， 目前我国远洋运输船舶共有约8 万多艘， 承担着我国接近97%的运输量。 船舶是 能源消耗的主要地方。 此外也是主要的污染气体排放。 每年船舶消耗数亿吨燃油， 其经济性和污染物排放对我国国民经济及环境的影响很大。 近年来， “绿色船舶”的发展趋势在世界范围内引起了学术界和工业界的广 泛关注， “绿色船舶”在船舶设计、动力系统和相关设备等技术方面赋予了极高 的内涵，并引领着船舶技术的一场革命。 “绿色船舶”的关键就是开发清洁能源 在船舶上的应用，目前，太阳能、波浪能、燃料电池等清洁能源的利用已引起了 国内外业界的密切关注，可以确定的是若能将清洁能源在船舶上进行有效利用， 无疑为上述问题提供了一个极具发展前景的解决方案。12 烟台大学毕业论文 18 我国的天然气资源具有储量多，地域广的特点。如图7.1 所示： 图 7.1 我国天然气资源分布情况 lng 燃料在理化性质、发火性能、安全性能上相比于普通燃料都有极大的 优势，因而具有很大的发展前景。我国在将汽油机改装成 lng 单一燃料内燃机 的技术上已经日益成熟。同时，将柴油机改装成为 lng/柴油双燃料内燃机的技 术上也取得了很大的进步。 目前改造的内燃机已经可以广泛应用于城市公交、出 租车、长途运输客车、长途运输货车、lng 运输船舶等交通工具。为了更好地 使用天然气资源，我国投资建立了许多液化气站，其分布如图 7.2 所示： 图 7.2 我国 lng 加气站分布图 烟台大学毕业论文 19 lng 内燃机污染物排放量几乎为零， 内燃机运行更加平稳， 无噪音污染， 此外，lng 冷能可以应用于汽车的空调制冷、食品等冷藏车的制冷系统，从而 可以提高能量的利用率，节约资源。lng 双燃料内燃机技术的发展将会在我国 的资源调整，节约资源，更好的保护环境的方法举措中占有更大的优势与前景。 烟台大学毕业论文 20 结束语结束语 当今世界，航运业异军突起，因其独有的运载量大、成本低的特点在运 输领域巨大的竞争下博得了自己的一片天地。然而随机全球资源能源形势的发 展，资源的限制，环境的污染对新世纪的航运业提出了新的要求与考验。lng 燃料具有污染物排放低、热值高等特点而备受世界的瞩目，于是以 lng 为燃料 的发动机应运而生。在汽油机上装一燃气管路，运用火花塞点燃 lng 气体，使 气体在气缸中发火燃烧从而为外界提供机械作用力。在柴油机上， 除传统的供油 管路之外，还需要安装供气管路，用微量的柴油燃烧后引燃 lng 气体，使气体 发火燃烧。这样的改进虽然在节约资源、减低污染物排放的优势，但是也带来了 一系列的技术上的挑战，lng 的存储需要承压能力高的气罐，同时还需要对气 罐进行保温，防止外界热量渗入，而且还需妥善处理受热后挥发出的天然气。同 时 lng 气体的管路需要各种电磁阀的控制，这就对船舶的自动化程度提出新的 要求。 随着我国科研技术的发展，lng 储存、管路处理等技术的发展，以上问题 也得到了很好的提高与改善。从而使得 lng 发动机在我国飞速发展，我国通过 将 lng 燃料运用到内河船舶上、陆地的机动车上，对我国缓解燃油储存量低、 油价过高、 空气污染严重等方面的问题有一定的帮助。 同时为了更好地推广 lng 燃料， 我国在内陆交通要道、 沿海港口都建立了 lng 气站， 这极大的方便了 lng 使用者，方便了燃料气体的加装问题。本论文前部分从国内外