LNG燃料动力船舶技术发展与应用

LNGLNG 燃料动力船舶技术发展与应用燃料动力船舶技术发展与应用 前言前言 二十一世纪是人类追求美好生活 实现美丽梦想的伟大时代 也是面临诸多问题 迎接挑战的变革时代 虽然世界经济仍然在快 速发展 科学技术也在飞速进步 但是人类面对的问题似乎也越来 越多 如全球气候的不断恶化等环境问题 煤炭和石油等化石燃料 的消耗殆尽等能源问题 这两个重大问题也是二十一世纪人类必须 要解决的 因此 世界各国 各行各业都在研究和找寻有效的解决 方法 对于世界船舶工业来说更是如此 我们知道 物流业是仅次于 制造业的石油消费第二大行业 而船舶长期以来一直是物流行业的 消耗和排放的 大户 由于成品油价格不断上涨 国际污染公约日 趋严格 使得整个船舶工业不得不寻求新的解决之道 船用 LNG 技 术似乎给我们带来了希望 它不仅清洁 而且储量充沛 甚至比石 油的储量还要丰富 如果应用 LNG 作为动力 似乎同时缓解了上述 的两个问题 然而 对于现有的技术与政策而言 要实现全面的 LNG 化 我们还有相当长的路要走 下面我们对 LNG 燃料动力船舶 技术的现状 发展和应用进行初步的探讨 一 发展一 发展 LNGLNG 燃料动力船舶的优势燃料动力船舶的优势 LNG 就是液化天然气 Liquefied Natural Gas 的简称 将气 田生产的天然气净化处理 再经超低温 162 加压液化就形成 液化天然气 LNG 主要成分是甲烷 它无色 无味 无毒且无腐 蚀性 其体积约为同量气态天然气体积的 1 600 重量仅为同体积 水的 45 左右 热值约为汽油的 1 2 倍 与传统的燃油相比 LNG 具有以下优势 1 储量丰富 2009 年已探明储量达 188 万亿立方米 可至少满 足全世界需求 150 年以上 近几年科学家从深海中发现了 可燃冰 这种能源 它是一种 固态 型天然气 1 体积 可燃冰 可分解 成 164 体积的天然气和 0 8 体积水 据统计 地球上 可燃冰 所 含能量相当于石油 天然气 煤总和的 3 倍 我国 2008 年底探明天 然气储量达到 63357 亿立方米 具有广泛运用天然气的资源基础 2 经济性好 按照目前的油价和 LNG 价格水平 柴油 8200 元 吨 LNG5000 元 吨 使用 LNG 比使用柴油节约 40 60 的燃料费 用 按热值计算 LNG 价格只有柴油的 60 左右 1 立方米天然气产 生的能量相当于 1 2 升柴油产生的能量 且因为天然气燃烧彻底 不易积碳 减少维护费用逾 50 3 环保性好 首先 LNG 在液化前灰尘 硫 水分等杂质已被 排除 是一种洁净能源 其次 与其它化石燃料比 在相同的能量 输出下 LNG 的污染物排放最少 一般来说可以减少 10 20 的 CO2 排放量 90 的 NOX排放量 100 的硫化物和颗粒物排放 最后 天然气燃烧时比较柔和 燃烧噪声小 4 安全性好 首先 天然气燃点为 650 柴油为 260 汽油 为 427 其次 天然气发生爆炸的浓度区间是 5 15 柴油为 0 5 4 汽油为 1 5 最后 天然气密度是空气的 55 泄漏后会直 接扩散到空气中 如果加入嗅剂泄漏时可被及时发现 减少安全隐 患 5 冷能利用 LNG 在气化时产生大量的冷能 860 883kJ kg 在发动机设计或改装时可以给予考虑 持别船舶制冷和空调 渔船 冷冻和冷藏等方面给予利用 LNG 与 CNG LPG 的区别 1 CNG 是压缩天然气 Compressed Natural Gas 目前在汽车 上应用较多 技术也较成熟 它是天然气加压并以气态储存在容器 中 20MPa 它与管道天然气的组分相同 CNG 的体积能量密度约 为汽油的 26 LNG 的组成比 CNG 更纯净 不含水分 因而 LNG 的排 放性能要优于 CNG 2 LPG 是液化石油气 Liquefied Petroleum Gas 经常容易与 LNG 混淆 其实它们有明显区别 LPG 的主要组分是丙烷 超过 95 还有少量的丁烷 LPG 在适当的压力下以液态储存在储罐容 器中 常被用作炊事燃料和车辆燃料 二 发展发展 LNGLNG 燃料动力船舶的背景分析燃料动力船舶的背景分析 1 节能减排的要求 据统计 世界航运业每年要消耗 20 亿桶燃 油 我国是一个人均占有资源相对贫乏的国家 节能减排责任重大 2010 年我国原油消耗达到 4 55 亿吨 需进口 2 亿吨才能满足要求 约为总需求的 45 预计 2020 年 原油消耗将达 5 6 亿吨 石油对 外依存度将提高到 60 巨大的原油消费又会促使原油价格保持高 位 提升船舶运营成本 因此 原油短缺会制约我国经济的发展 还会严重威胁国家的能源安全 随着原油的消耗 随之带来的就是排放污染 据统计 世界航 运业每年要排放超过 12 亿吨二氧化碳 约占全球总排放量 6 为 应对世界气候变化出台的环保法规 规定了船舶污染防治 减少排 放的标准和时限 近年来 国际海事组织 IMO 加强了对海上船舶 排放的强制性规定 如果各国都执行 IMO 的排放强制性规定的话 5 10 年后世界上用于近海贸易的船只大多数都会使用 LNG 作为船用 燃料 在我国物流业是仅次于制造业的石油消费第二大行业 全行业 石油制品消耗占全国的 34 左右 二氧化碳排放量占 18 9 并且这 一比例仍逐年上升 而船舶长期以来一直是我国物流行业的消耗和 排放 大户 以我国内河为例 目前内河船舶柴油机每年产生的 NOX SOX和颗粒等污染物约 100 万吨 占港口区域总量的 50 以上 因此 以技术创新为先导 大力提升船舶动力装置的节能减排能力 走绿色船舶动力发展之路已成为贯彻落实科学发展观 建设节能型 社会的必然选择 2 降低噪声的要求 船员长期工作和生活在船上 强烈的噪音 使船员精神疲劳 工作效率下降 严重时影响身心健康 危及航行 安全 20 世纪 80 年代 由于航运业的蓬勃发展 国际社会普遍关 注船舶舱室的噪音问题 相关研究较多 也促使了我国一系列规范 的出台 之后一段时间 随着造船技术的成熟 舱室噪音得到一定 控制 关注度逐渐降低 国内相关研究也日趋减少 然而 目前的 船舶动力装置普遍采用的是高噪音的柴油机 而且随着人们对工作 生活环境舒适度的要求日益提高 作为影响船员生活质量和工作质 量的主要因素之一 噪音问题不容忽视 大型远洋船舶的技术标准 和相关规范要求较高 且在机舱均设置隔音效果很好的集控室 一 般能够满足我国 运输船舶舱室噪音标准 及 运输船舶舱室噪音 测量方法 的要求 而内河小型船舶多采用高噪音的中 高速柴油 机作为动力装置 且有很多小船根本没有集控室 轮机人员长期暴 露在高噪音的冲击之下 长此以往 听力严重受损 身心健康无法 保障 现代船用柴油机普遍采用高增压 其增压器转速可达 20000rpm 以上 对气流的作用可产生剧烈的高频噪音 是柴油机最 大的噪音源 而柴油机气缸内的剧烈燃烧 爆压可高达 20MPa 亦 会发出强烈噪音 四冲程柴油机进 排气阀周期性的启闭 也会发 出刺耳的敲击声 3 国家高度重视 国家 十二五 发展规划把节能减排作为重 要战略目标之一 各行各业提出了严格的节能减排目标 同时 温 家宝总理在哥本哈根全球气候大会上向世界承诺 到 2020 年前 CO2 排放量比 2005 年减少 40 45 船舶燃料作为耗能和碳排放大户 必然会成为改造重点 2011 年 1 月国务院正式颁布 关于加快长江等内河水运发展的 意见 将内河水运发展上升为国家战略 提出了我国内河水运的发 展目标 明确要求利用 10 年左右的时间 建成畅通 高效 平安 绿色的现代化内河水运体系 国家船检总局也表示 国家船检总局 和地方各级船检部门将一如既往地支持和关注 LNG 船舶的实践和推 广 同年 3 月 交通部发布关于贯彻 国务院关于加快长江等内河 水运发展的意见 的实施意见 明确指出要着力构建绿色内河水运 体系 各地市也纷纷推出贯彻 国务院关于加快长江等内河水运发 展的意见 的实施意见 都把利用绿色能源作为以后发展的重点 根据交通运输部规划 十二五 期间 我国新节能减排技术 的应用试点将逐步增加 内河柴油和 LNG 混合动力船舶技术正是其 中的试点新技术之一 2012 年 1 月 海事局又专门下发通知 对 LNG 燃料动力船舶改造试点工作进行明确 在渔业领域 根据农业 部渔业船舶检验局的发展规划 十二五 期间 我国将全力提升渔 船装备技术水平 推动渔业船舶向现代安全 节能 环保 经济型 方向发展转变 用 LNG 代替柴油作船舶燃料 符合国家 十二五 发展规划和 科学发展观的总体要求 且能带来经济效益 必将成为国家大力支 持的产业项目 可以预见 以天然气为主导的中国绿色海运时代即 将开启 4 渔船领域需求 我国是世界上渔船最多的国家 现拥有渔船 达 106 万艘以上 约为全世界渔船总量的 25 渔船功率总和超过 1600 万 kw 而海洋渔船总能耗约占整个渔业能耗的 70 渔船燃料 的费用约占渔业捕捞成本的 75 近年来 尽管国家出台的柴油补 贴政策对渔船补贴进入常态化 但高起的油价和高油耗 使得渔民 们难以接受 造成渔船被迫停港现象非常普遍 渔民生产生活也面 临较大困难 与此同时 燃油的大量消耗 带来的污染物的排放较 高 作为绿色能源的天然气 具有储量丰富 价格低廉 运输方便 使用安全等优点 替代柴油在渔船等领域推广使用 将推进渔船节 能减排 促进渔民持续增收 对促进渔船的现代化发展将会起到重 要的作用 农业部渔业船舶检验局与中海石油气电集团公司签署 绿色能 源框架协议 根据协议要求 中海油改造了天津北塘渔港的 20 条 渔船 并与 2012 年 11 月 13 日对拥有 柴油 LNG 双动力的津塘渔 03808 和津塘渔 03820 渔船进行了试航 这是国内首批接受 油改 气 改造的渔船 下一批 30 艘渔船的改造施工即将在北塘渔港进行 预计 2012 年内改造完成 农业部渔业船舶检验局 2012 年确定的渔 船液化天然气 LNG 动力改造计划提出 到 2020 年 要使适用于 LNG 动力的渔船柴油消耗量中的 70 被 LNG 代替 5 LNG 动力船舶改造相关规范要求 任何产业的发展离不开政 策规范的指导和约束 由于 LNG 动力船舶产业发展时间短 因此目 前与 LNG 动力船舶制造 改造和检验的相关政策 规范不多 但国 际海事组织 船级社和国内海事部门仍制定了相关的规范来促进该 产业的健康快速发展 相关规范见表 1 表表 1 1 LNGLNG 动力船舶相关规范动力船舶相关规范 序 号 规范名称 颁布 时间 颁布单位 1 双燃料发动机系统设计与安装指南 2007中国船级社 CCS 2 气体燃料动力船检验指南 2010中国船级社 CCS 3 散装运输液化气体船舶构造与设备 规范 2005中国船级社 CCS 4 内河散装运输液化气体船舶构造与 设备规范 2008中国船级社 CCS 5 有关船上天然气燃料发动机装置安 全性的临时指南 2009 IMO 海事安全委 员会 MSC 6 LNG 燃料动力试点船舶关键设备技 术要求 2012中国海事局 7 LNG 燃料动力试点船舶技术要求 2012中国海事局 8 LNG燃料动力船舶应用安全研究项目组 织与实施方案 2012中国海事局 气体燃料动力船舶除满足以上技术要求外 尚应满足 国内航 行海船法定检验技术规则 2011 或 内河船舶法定检验技术规则 2011 的相关要求 三 双燃料动力船舶的发展三 双燃料动力船舶的发展 1 1 低速双燃料发动机的发展低速双燃料发动机的发展 目前 全球推出的低速双燃料发动机仅有瓦锡兰的 RTX5 型和曼 恩 MAN 的 ME GI 型发动机 处于试验测试阶段 另外 日本三菱 重工 MHI 和韩国现代重工 HHI 也开始启动这一技术 早在 1973 年 在被瓦锡兰兼并之前的著名低速机供应商 瑞士 苏尔寿公司就已为 LNG 船 维纳托尔 号配备了一台低速双燃料 7RNMD90 型发动机 2010 年秋季瓦锡兰正式启动低速双燃料发动机 研制 2011 年 2 月进行 RTX5 新型低速双燃料发动机的测试工作 早在 1994 年 作为占有全球 80 低速机市场份额的巨头曼恩就 开始低速双燃料发动机的研发工作 2011 年 5 月 18 日 曼恩在哥 本哈根举行了 ME GI 型双燃料发动机的发布仪式 宣称 新型主机 可较传统柴油机减少 23 的二氧化碳排放 而 NOX SOX排放分别能 减少 80 和 90 2012 年 4 月 曼恩在哥本哈根又举行第二次 ME GI 型发动机测试展示会 宣称 韩国现代重工和日本三井造船将分别 生产该机型的原型机 此举意味着 ME GI 型发动机向商业化方面迈 进了重要一步 预计 2012 年 11 月 韩国现代重工将生产 1 台 8S70ME GI 型机 而三井造船则将在 2013 年下半年生产 1 台 6S70ME GI 型机 2012 年 6 月 日本三菱重工 MHI 着手开发一款低速双燃料 船用二冲程发动机 UEC LSGI 11000 18000kw D 600mm 预计 2015 年推出 2012 年 6 月 韩国现代重工 HHI 推出 Himsen H35 40GV 型单气体燃料发动机 作为一台发电用动力装置出现在中 东的第一范例 也可用于商船 近海工程设施与钻井平台 目前 HHI 在柴油发动机市场上占据了 35 份额 2012 年计划 15 用于以气 体为燃料的发动机替代 2 2 中速双燃料发动机的发展中速双燃料发动机的发展 与低速双燃料发动机相比 中速双燃料发动机的发展明显领先 一方面 中速机一般作为中小型船舶的推进主机或发电机使用 功 率相对较小 燃料需求量也较少 船舶燃料携带问题易解决 另一 方面 由于中速双燃料发动机有能够广泛应用于沿海和内河船舶的 前景预期 发展受到更多的关注 目前 全球推出中速双燃料发动 机的制造商有瓦锡兰 曼恩 卡特彼勒等 其中 瓦锡兰遥遥领先 共推出三种机型 并获得大量订单 曼恩发展相对落后 但也推出 两种机型 有部分订单 卡特彼勒只处于起步阶段 瓦锡兰截至 2012 年 5 月底 已为 100 艘 LNG 船提供了 50DF 双 燃料发动机 加上目前的手持订单 使用该机型的 LNG 船占到了 LNG 船队总量的四分之一 推出的机型还有 34DF 20DF 应用范围 扩展到小型货船 渡船 拖船 船用发电机和陆用发电机 瓦锡兰 已交付了 720 台双燃料发动机 曼恩于 2007 年才通过 51 60DF 中速双燃料发动机的最后测试 并首次用于船舶领域 并为西班牙航运公司的 LNG 船提供了 5 台 8L51 60DF 双燃料发动机 之后也为陆用和发电用提供了双燃料发 动机 2012 年 5 月 获得两台 8L51 60DF 和两台 9L51 60DF 订单 俄罗斯现代商船公司 卡特彼勒于 2011 年底推出旗下 MAK 品牌的双燃料发动机 MAK M46DF 该机型正在德国罗斯托克卡特彼勒发动机厂进行试验 预计 首台将于 2014 年交付 与欧洲船用发动机生产商相比 亚洲主要造船国的制造商目前 均未能推出中速双燃料发动机 韩国方面 虽然现代重工自主品牌 得的 Himsen 中速机已取得巨大成功 2015 年 5 月 但也仅是推出 了 Himsen 品牌的气体发动机 尚未能进一步拓展至双燃料发动机 目前 采取合作方式与瓦锡兰合资成立了瓦锡兰现代发动机公司 生产瓦锡兰 50DF 双燃料发动机 同时引进许可生产曼恩的 ME GI 低 速双燃料发动机 3 3 我国双燃料发动机的发展我国双燃料发动机的发展 受限于较为落后的船用柴油机研发技术 我国目前尚未推出中 速或低速船用双燃料发动机 但在促进内河船舶使用双燃料动力上 依旧取得了不错的进展 长航集团 中兴恒河投资集团和富地石油 控股集团联合开展的 长江绿色物流创新工程 以及中国船级社和 中国石油联合推进的 气化长江 等项目 都致力于我国内河船舶 的 油改气 船舶 油改气 的原理是 在不更换船舶发动机的条件下 将 柴油 LNG 双燃料系统加装到船舶上 将柴油 LNG 按一定比例混合 供给发动机 由 LNG 提供主要动力 而柴油用于点燃压缩状态下 LNG 的引燃燃料和部件的润滑剂 一旦 LNG 使用完毕或因故不能及 时填充或燃气系统出现故障 船舶仍可以在纯柴油下运行 2010 年 以来 我国成功 油改气 的内河船舶不断增多 典型案例有 1 2010 年 8 月 由江苏宿迁海事局牵头 北京油陆集团出 资研发的改造船 3000 吨级的 苏宿货 1260 号 在京杭运河苏北段 成功试航 2 2010 年 8 月 由湖北西蓝天然气公司与武汉轮渡公司合 作改造的 武拖轮 302 号 在武汉试水成功 3 2011 年 3 月 由中国长航集团 中兴恒河投资集团和富 地石油控股集团共同推进的改造船 长讯三号 散货船试航成功 4 2011 年 4 月 由中石油昆仑能源公司承担并组织研发的 满载排水量 5000 吨的改造船在安徽芜湖举行试航仪式 5 2011 年 12 月 由山东昆仑胜利能源公司与山东济宁市轮 船公司合作改造的 鲁济宁货 2535 号 首航成功 6 2013 年 4 月 安徽省首艘 LNG 燃料动力试点船舶 红日 166 轮 顺利取得船舶检验证书 成为自我国船舶实施 LNG 燃料动 力试点改造以来 首艘取得船检验证书的船舶 2011 年 4 月 7 日 红日 166 完成改造后 正式下水试航 在试运营的 2 年中 该 船未出现任何故障 总体运行平稳 取得良好经济和社会效果 该 船 2012 年 10 月 10 日通过国家海事局组织的专家审核 并随后取得 LNG 燃料动力试点船舶核准通知 2013 年 4 月 对照 LNG 燃 料动力试点船舶关键设备技术要求 和 LNG 燃料动力试点船舶技 术要求 经实船检验 该船顺利获得船检机构签发的 LNG 试点船 舶检验证书 船舶的 油改气 技术中 LNG 的替代率可达 60 90 系统改 造成本大致为 15 100 万元左右 一年内可以收回 值得注意的是 虽然在没有解决双燃料发动机的情况下 推进内河船舶使用双燃料 依旧取得了进展 但船舶可能在某些工况下面临动力不足问题 同 时冷能也没有被充分利用 除了内河船舶 油改气 取得了一定进展外 在双燃料发动机 改造 拓展 研制和开发方面 我国目前也做了大量有益的探索工 作 代表性的有 1 中石油旗下的济柴动力总厂自主研发推出了 2000 3000 系列高速双燃料发动机 应用于石油钻探动力 2011 年 5 月 济柴 投资 10 亿元在武汉江夏区兴建新能源船用发动机生产基地 规划投 产后年销售额 50 亿元 2012 年 3 月 济柴与中国长江航运集团签 署战略合作协议 将为其 146 艘 3000 10000 载重吨的新建或现有内 河船舶提供或改造成 LNG 双燃料动力 2 淄博柴油机总公司 在原船用柴油机的基础上 以中国船 级社 气体燃料动力船检验指南 钢制海洋渔船建造规范 等为 主要研发依据 开发了 Z170 210 系列船用双燃料发动机 3 2012 年 7 月 江苏韩通船舶重工开始建造 5 万载重吨的 双燃料散货船 预计 2014 年交付 4 2012 年 10 月 中国船舶重工集团 711 所签订了两艘 1000 吨运输船的双燃料改造合同 5 2012 年 10 月 中国北车大连机车车辆有限公司推出一款 国内最先进的双燃料船用发动机 它是在原有的 6240 型柴油机的基 础上进行系统研发而成 天然气替代率可达 80 6 2012 年 5 月 天津塘沽水产局与中海石油气电集团贸易 分公司完成了 渔船 LNG 及柴油双燃料改造试验示范项目 协议签 署 将对北塘 50 艘渔船进行油气混合动力改造 11 月份已改造完 成 20 艘 成为全国首批油气混合动力渔船 为全国 LNG 能源上渔 船 战略提供示范 7 我国五大燃气公司 新奥燃气 港华燃气 华润燃气 中国 燃气 中油燃气 均已在 LNG 船用市场取得一定成果 其中 华润 燃气首艘 LNG 柴油混合动力船舶已于 2013 年 1 月 7 日试航 中油 燃气也于 2012 年在赣江等流域完成 5 艘 LNG 船舶改装并投入运营 另有 10 艘船舶正在改装阶段 四 四 LNGLNG 混合动力系统混合动力系统 所谓 LNG 混合动力就是在船舶现有柴油机的基础上 增加一套 LNG 供气系统和柴油 LNG 双燃料电控喷射系统 通过电子装换开关 可实现单纯柴油燃料状态下和油气双燃料状态下两种运行模式 将 船舶单一的柴油动力改造为柴油 LNG 双燃料动力 通过采用 LNG 部 分替代柴油燃料 达到节省燃油和降低排放的双重目的 1 LNG1 LNG 混合动力的特点混合动力的特点 船舶采用 LNG 柴油双燃料动力后 柴油的平均替代率达到 60 至 80 可实现硫氧化合物减排 85 90 二氧化碳减排 15 20 同时 噪声污染 烟尘 废油水排放也大大降低 船员 的工作生活环境得到很大改善 同时 由于装备了智能化的安全监 测与处置系统 一旦有可燃气体泄露 就会自动报警 自动切断天 然气管路 启动防爆通风机 隔开储罐与舱室和机舱 确保船舶运 营安全和船员生命安全 此外 采用 LNG 燃料 即使船舶发生沉没 事故 也不会出现由于使用柴油燃料导致大面积水域污染的现象 2 2 现有柴油动力到现有柴油动力到 LNGLNG 混合动力的改装混合动力的改装 首先是船体改造 针对试验船船体本身的特点 将 LNG 储罐放 置于船体尾部的空闲区 并设计一个底座 70 80 厘米 底座与 甲板是焊接连接 储罐与底座是螺栓连接 储罐相邻厨房和起居室 的一侧都要增加一道隔离空仓 储罐顶部是敞开的 气化器可占用 部分盥洗室的空间 其次是船用 LNG 柴油混燃系统 根据船的空间特点设计 安装 连接船用 LNG 柴油混燃系统 依次为 LNG 储罐 气化器 气体流 量计 电动截止阀 不锈钢管路 阻火器 减压稳压阀 喷射阀 柴油机 第三是安全与消防 在 LNG 储罐位置应安装 2 个可燃气体探测 器 在机舱内应安装 4 个可燃气体探测器 在机舱两侧顶部位置应 安装 2 台轴流防爆风机 一旦有可燃气体泄露 浓度达到天然气燃 爆点的 20 就进行声光报警 并自动启动轴流风机进行强制排风换 气 如果浓度达到燃爆点的 40 则自动切断电动截止阀 上述动 作过程全部是自动控制 另外在储罐位置和机舱内各摆放了两台干 粉灭火器 最后是电路改造 根据船用发电电压不稳定的特点要进行稳压 和电压逆变等设计 确保满足控制系统和轴流风机用电的需要 3 LNG3 LNG 混合动力的推广应用混合动力的推广应用 大量试验和研究表明 LNG 柴油双燃料动力技术已经初步具备 了推广应用的条件 为迅速把科研成果转化为现实生产力 还需进 一步做好以下几个方面的工作 一是开展加气站规划 为满足 LNG 柴油双燃料动力船舶加气的 需求 需在港口和沿河布置加气站 据悉 中石油及港华燃气有限 公司共同投建的 3 条 LNG 加气趸船有望在 2013 年 6 月左右下水试航 为来往船舶加气 预计 2013 年期间 国内将建成约 10 座水上加气 点 且长江沿线未来共规划布局 3000 个船舶加气点 二是研究制定相关技术标准 目前 中国船级社已经完成 气 体燃料动力船舶检验指南 国家 2012 年也颁布了 LNG 燃料动力 试点船舶关键设备技术要求 和 LNG 燃料动力试点船舶技术要求 江苏蓝色船舶动力有限公司编制了 柴油 LNG 双燃料动力系统操 作手册 和 船员安全作业及维护须知 为顺利实现 LNG 在船舶 上的应用及推广 还将进一步研究制定相关技术标准 主要包括两 个方面 一是进一步完善规范 标准体系 全力推进 气体燃料动 力船舶检验指南 的出台 加快推进改装船厂评估和船舶设施设备 产品的认证认可 进一步完善并颁布船员操作指南 开展船员培训 和发证工作 二是实现船舶改造技术标准化 进一步优化储罐及管 路设计 针对不同类型 不同吨位的船舶 提出不同的设计方案 并制定相关的施工工艺流程 实现设计 施工的规范化和标准化 三是研究出台相关扶持政策 在试点推广初期 研究出台相关 扶持政策 主要包括三个方面 一是资金扶持 研究通过建立专项 补助资金 政府贴息 过闸费减免等方式 在推广初期对柴油 LNG 双燃料动力改装船舶给予适当资金扶持 二是土地政策支持 在港 口和沿河加气站点 LNG 储备库等基地的土地征用中给予适当政策 支持 三是建立项目工作协调机制 针对加气站的布点规划和立项 审批 船舶设施设备和船员发证等方面工作 采取集中处理和一站 式处理等方式 简化程序 据挪威船级社统计 截至 2011 年底 全球有 22 艘 LNG 动力船 舶已在商业化运营 到 2015 年 全球以 LNG 为燃料的新船订单将达 到 500 艘 到 2020 年将升至数千艘 五 目前五 目前 LNGLNG 船动力装置介绍船动力装置介绍 LNG 船是载运 LNG 的专用船舶 它在航行的过程中需要充分的 利用蒸发的天然气 相对于其他类型的船舶而言 LNG 船在 LNG 动 力技术研究上是比较成熟的 这里就以 LNG 船为例来介绍几种 LNG 动力装置 1 1 蒸汽轮机蒸汽轮机 蒸汽轮机占据今天全球 LNG 船推进系统的主流 主要原因为 LNG 船舶的航速要求一般较高 蒸汽轮机输出功率大 可以满足 LNG 船对大功率推进系统的要求 同时系统功率裕量较大 可靠性较高 可以满足交货时效性的要求 在蒸汽轮机系统中 LNG 蒸发汽或重油 均可用作锅炉的燃料 也可以采用一定比例混合燃烧方式 LNG 蒸 发汽可以得到很好的利用 在只燃烧蒸发汽时排出的排放物也较为 清洁 维护不是很频繁且费用也相对较低 主锅炉和蒸汽透平结合 的主推进系统有效地解决了蒸发汽的安全利用问题 LNG 的应用技 术在相当长的时期内只被少数几个发达国家所掌握 同时市场长期 处于供过于求的状态 LNG 价格较低 蒸汽轮机系统的整体经济性 较好 而其他主推进系统方案相对地都或多或少存在一些技术瓶颈 成了作为 LNG 船主推进系统的障碍 经过几十年的发展 蒸汽轮机 系统在某种程度上说已成为 LNG 船的标准主动力系统 蒸汽轮机推进系统主要由锅炉 蒸汽轮机和齿轮减速传动装置 组成 其工作原理是锅炉产生的蒸汽通过蒸汽涡轮机将热能和压力 势能转换成动能驱动涡轮转子转动 经减速装置减速后带动螺旋桨 转动 从而推动船舶前进 锅炉配备货物 LNG 蒸发气和燃油两套燃 料供给系统 锅炉可以单独燃烧蒸发气或燃油 也可以两种燃料同 时使用 其工作原理如图 1 所示 蒸汽轮机保养费用相对较低 维修频次少 应用记录表明系统 具有很高的可靠性 蒸发汽获取量取决于船舶设计及其工作环境条 件 通常自然蒸发率设计为 0 15 左右 有些正在营运的船舶蒸 发率可低到 0 10 左右 在压载航行时 可得到的蒸发汽量只有 满载航行时的 10 50 具体比例取决于货舱留有用于预冷液货的 量 海况和货舱温度的控制等综合因素 对 LNG 船来说 不管选择 何种推进系统 都必须采取某种方式来处理蒸发汽 把它用作推进 系统的燃料或进行再液化 LNG 蒸发汽在空气中爆炸浓度范围是 5 14 释放到大气不但不经济而且非常危险 LNG 是在常压下运 输的 通常液货舱安全阀设定压力为 25KPa 真空压力设定为低于 大气压 1KPa 航行时要避免货舱超压或出现负压 图图 1 1 蒸汽轮机推进系统原理图蒸汽轮机推进系统原理图 安全在天然气运输中是极其重要的 蒸汽轮机主推进系统的可 靠性 严格的安全操作规程以及成熟的系统设计使得 LNG 船有极好 的安全记录 迄今为止 除发生过个别型号蒸汽轮机齿轮箱过度磨 损事故外 并无其他重大机损事故报告 LNG 船造价高昂 延长船 舶使用寿命是降低船舶营运成本的重要措施之一 与其他船舶一样 LNG 船使用寿命很大程度上取决于船体 货舱和主推进装置的服务 寿命 船体 货舱和主推进系统的维护管理是 LNG 船舶管理的重要 环节 根据日本船级社 1992 年的技术简报 对防范非自持式液化气 船舶事故的反思 通过对 29 艘非自持式液化气船舶的事故调查分 析 其结果表明液化气运输船舶的安全系数很高 货舱发生液 化气泄漏的危险性很低 蒸汽轮机推进系统的主要缺点是 蒸汽轮机系统的燃油消耗率 比低速柴油机高 系统整体热效率低 燃料消耗量大 只有当蒸发 汽的价格与燃油的价格相比足够低时 此种方案的推进系统在营运 的经济性方面才有一定的优势 越过了某一价格的临界点 系统的 经济性差的问题便凸显出来了 2 2 燃气轮机燃气轮机 在 LNG 船上采用燃气轮机推进装置 可采用机械式或电力式 燃气轮机重量较轻 无振动 并且可以使用双燃料 使用重油作为备 用燃料 它的低效率某种程度上可通过联合循环系统来弥补 然而 燃气轮机对电站和气体压力的要求较高 这会使安装更复杂 费用 更为昂贵 罗尔斯 罗伊斯燃气轮机公司 于 2002 年初推出了供 LNG 船选 用的 Trent30 型燃气轮机 该机输出功率达 36MW 且重量较轻 不 到 26 吨 与蒸汽轮机相比 这种燃气轮机在整个使用期间可以节约 营运成本 2096 左右 如选用 Trent30 型燃气轮机作 LNG 船主机 船 的总长可缩短 19 米 而载重量却可增加 12 这对提高船舶经济 效益至关重要 Trent30 型燃气轮机具有模块化结构等特性 可维 修性好 这己成为用户选用船舶主机的重要条件之一 阿尔斯通公司和通用动力公司也准备为 LNG 船提供燃气轮机 他们认为 LNG 船采用燃气轮机推进可以节省很大的舱内空间和减 轻主机重量 阿尔斯通公司已向 LNG 船市场推出了输出功率达 17 兆 瓦的 GT35 型燃气轮机 该机是能使用柴油和天然气混合燃料的双燃 料发动机 柴油和天然气的混合比为 2 8 目前船东对这种燃气轮 机很感兴趣 通用动力公司生产的 LM2500 型和 LM6000 型燃气轮机 也适合于 LNG 船 这两型燃气轮机具有可靠性高 重量轻 单位重 量的功率很大等特点 为了满足对 LNG 船冗余度方面的要求 可在 一艘 LNG 船上可安装两台燃气轮机或采用燃气轮机加余热锅炉或采 用燃气轮机与柴油机联合动力装置 复合涡轮机组 即燃气轮机发动机十蒸汽轮机发动机 是在用 燃气轮机燃烧蒸发汽的同时 利用废气能量产生蒸汽 驱动蒸汽轮 机 这种发动机的燃料效率较一般的蒸汽轮机好 而且排放的废气 与汽轮发动机相同 是比较清洁的 缺点是需要高质量的石油燃料 并且不能与蒸发汽混合燃烧 将来还可能考虑与电力推进装置相结 合 从环保因素考虑将来有可能会采用此种方案的推进系统 3 3 双燃料电力推进双燃料电力推进 该种推进方式采用双燃料发电机组产生电能 供给船舶推进电 动机组 经减速装置减速后驱动螺旋浆转动 在建船舶中 己有 LNG 船采用此种推进方式 根据其配置的不同有多种型式可供选择 其原理如图 2 由于双燃料发动机可使用低压气体 在发动机入口处压力在 4bar 至 5bar 之间 其压缩机组与目前使用蒸汽轮机推进装置的船 舶基本相同 基于双燃料发动机的电力推进装置的总效率高于 40 与蒸汽推进装置的 30 或者更低相比要好得多 至于选择单 桨还是双桨 将基于航线情况及不同的冗余要求而定 发动机的数 目及输出功率将由所需的轴功率及冗余度决定 通常来说 一艘 13 5 万立方米的 LNG 船所需功率大约为 30 唧 可由 4 台 50DF 发 动机组组成 其 MCR 输出功率为 950 千瓦 缸 热效率高达 46 5 1 在转速为 500rpm 50Hz 或 514rpm 60Hz 热效率可达 48 推荐的装置为 8 缸机或 9 缸机 多台机使系统具有良好的冗 余特性 同时也具有良好的机动性 适应不同的运营模式要求 如 机动操纵 在港口等待 装载及卸货等 在海上和港口中可进行灵 活的预防性维护 这对蒸汽装置或者说大型二冲程发动机都是不可 能的 图图 2 2 双燃料电力推进系统原理图双燃料电力推进系统原理图 近年来的研究表明 最有利的方案就是使用强制蒸发汽以代替 燃油 这种推进方式冗余度高 操作灵活 可以保证 LNG 船具有较 高的可靠性 提高了热效率 具有低排放的特性 4 4 双燃料推进系统双燃料推进系统 双燃料发动机 燃油和蒸发气 的发展己经使有效利用蒸发气成 为可能 双燃料发动机是从重油柴油机发展而来 因此双燃料发动 机推进装置也是现代 LNG 船一个具有强有力竞争力的选择 该装置 的系统简图见图 3 双燃料发动机是一种经过特殊改造的可直接燃烧 LNG 蒸发汽和 燃油的内燃机 有高压型和低压型两种 高压型双燃料内燃机在喷 射少量的点火柴油后 即可将船上蒸发的 LNG 气体高压喷射进入燃 烧室燃烧 低压型双燃料柴油机可将船上蒸发的 LNG 气体以较低的 压力 约 4bar cm2 喷射进入燃烧室 在轻油点火下燃烧 前者使 用高压 LNG 管路有泄漏的危险 后者则需要额外配置点火装置 据 有关资料 在挪威近海项目中 在小型 LNG 船上推进系统有直接采 用了双燃料发动机作为主推进装置 但此系统需要和蒸发汽氧化装 置配套使用 当前 天然气一柴油双燃料二冲程和四冲程发动机己经面市 使双燃料发动机作为液化天然气 LNG 船推进主机的构想变为现实 瓦锡兰 50DF 型柴油机就是一种以天然气和柴油作为燃料的双燃料发 动机 在正常工作时 仅使用 9 的天然气和 1 的燃油混合燃料 只有在天然气系统出现故障时 才切换到燃油状态 在预燃室中喷 入燃油启动发动机 与常规动力装置相比 使用这种双燃料发动机不但最大限度地 利用了蒸发汽燃料 而且大大降低了燃油的消耗和运营成本 可节 约燃料 20 30 提高发动机的效率 在一艘 13 5 万立方米 LNG 船上 MAN B W 柴油机公司对烧重油的蒸汽轮机与烧重油和天然气 的双燃料发动机进行了比较 后者每年可为船东节约 250 万美元左 右的费用 1 同时 双燃料发动机具有很低的排放 其氮氧化物的 排放量只相当于普通柴油机的 1 10 二氧化碳的排放也相当低 由于双燃料发动机可以在气体燃料和液体燃料两种模式下交替工作 而且两种模式是自动切换 在停止气体燃料供应时 发动机不会停 止运行 而是自动切换到液体燃料模式 随着船舶动力装置的不断 发展 双燃料发动机以其可使用两种燃料 重量轻 制造成本较低 等优点将成为今后 LNG 船主推进装置的一个重要选择 图图 3 3 双燃料发动机推进装置系统图双燃料发动机推进装置系统图 瓦锡兰双燃料发动机配有精确的电子控制设备 将布置在柴油 机各位置上的传感器联系在一起 对各种参数如负载 转速 燃烧 特性 废气排放温度等进行监控 控制系统对输入的信号与系统设 定的数值进行分析比较 立即对天然气供气压力 供气量 供气正 时和空燃比进行调整 以满足负荷要求或其它工作条件 如避免敲 缸和熄火 因此当气体质量 周围环境温度变化时 所有的缸在任 何条件下都有最佳的性能 LNG 货物蒸汽对瓦锡兰 6L50DF 发动机是一个很好的燃料 唯一 需要考虑的是气体组成的变化 即氮气在蒸发汽中的含量 通常 氮对发动机不是有害的 发动机吸入的空气中氮含量就高达 78 不过 因为它是惰性气体 对燃烧没有贡献 蒸发汽的能量 热值 比纯甲烷低 LNG 蒸发汽中氮的含量可能会高达蒸发汽体积的 30 尤其是在航程开始时 这对瓦锡兰 6L50DF 发动机来说不是一个问题 控制系统会很好地调节功率输出 平抑波动 瓦锡兰双燃料发动机 的热效率可达 46 5 它在陆地上累计己有相当数量的运行时间 对用于海上来说己趋于成熟 换句话说 一切都己准备好 是其向 LNG 船主推进装置进军的时候了 六 国外六 国外 LNGLNG 动力船舶的几个实例动力船舶的几个实例 1 1 世界首艘世界首艘 LNGLNG 燃料渡船燃料渡船 挪威作为 LNG 生产大国 为了提高挪威气体燃料技术和获得良 好的环境效应 1996 年挪威议会决定分别建造采用 CNG 和 LNG 作为 燃料的两种类型车 客渡船 2000 年 世界首艘采用 LNG 为燃料的 渡船 M F Glutra 号由阿克尔船厂建造完工 通过采用 LNG 燃料 该船可以减少 80 的 NOX 排放量 总成本比采用柴油燃料的渡船高 30 但船厂和运营商认为由于属于新技术的首次应用 费用的提高 在可接受范围内 该渡船的 LNG 燃料推进原理是 LNG 从卡车储气罐注入到船上的 不锈钢储气罐 该不锈钢储气罐布置在甲板下的双壁不锈钢容器中 LNG 通过发动机冷却剂蒸发后进入 4 台超稀薄燃烧天然气发动机中 每台发电机与对应的发动机相匹配 通过变频器将电能供应到 1000kW 的异步电动机 该电动机驱动位于船尾的双桨 以提供较好 的操纵性 LNG 储存在 2 个真空 珍珠岩绝热不锈钢低温储气罐中 该储 气罐由 AGA Cryo AB 公司提供 每个 LNG 储气罐容积约为 32m3 最 大填充率为 85 储气罐的外层是不锈钢容器 该容器为双壁结构 中 间填充矿物纤维 不锈钢容器可以防止 LNG 逸出 还避免低温液体 对船体钢板的冷却侵蚀 对于气体系统的要求之一是当船舶以最高 速度与码头发生碰撞时不会出现任何损坏 2 个储气罐设置在位于 主甲板下的两个独立舱室 每个舱室还配有蒸发器 蒸汽通过双管 输送至压力为 4bar 的主机舱 为了安全起见 发动机的布置远离 LNG 储气罐 位于汽车主甲 板上的一个狭小舷边甲板 发动机采用 4 台三菱 GS12R PTK 型超稀 薄燃烧天然气发动机 转速为 1500r m 时单机功率为 675kW 发动 机在满载时的热效率为 37 4 台发动机分布在 4 个不同的 通风性 好的机舱 可以通过一套系统中的多个气体检测器进行监控 能够 确保在气体浓度超过某一水平时依靠截流阀切断气体流动 泄漏的 气体通过管道进入桅杆顶部 当任一机舱中的气体混合物达到最低 爆炸水平 LEL 的 20 时 气体检测器会发出报警并且在发动机达 到 60 LEL 时自动切断气体供应 机舱的爆炸分析表明 在最坏的 情况下 主机的两扇窗格门 sashed door 将爆裂并立即释放压力 而不影响其他主机室 在正常操作下 2 台主机可以为推进和其他 能量消耗提供足够的功率 第 3 台发电机作为备用或用于增速或用 于恶劣天气条件下 第 4 台发电机为其他主机维护时使用 通过这 种配置 该船能够进行 2 3 年的全年持续航行 图图 4 4 LNGLNG 燃料渡船燃料渡船 M F M F Glutra Glutra 号号 船上 LNG 燃料的补给由 Statoil 公司的卡车供应 通过舷侧开 口进行补给 卡车内的 LNG 在 1 台空气加热蒸发器的压力作用下输 送到渡船 LNG 储气罐 补给过程一般在夜间及无人登船的情况下进 行 每次补给 47m3 或 16t 的 LNG 耗时 2 个小时 补给周期约为每 5 或 6 天一次 据了解 Fjord1 集团目前共运营 10 艘 LNG 燃料船舶 该公司 表示 通过多年的运营采用 LNG 作为燃料的渡船具有良好的环保性 可以减少 19 的 CO2 91 的 NOX 100 的 SO2 和颗粒物 而且噪声 污染较低 不过建造费用可能会增加 15 20 维护成本比柴油主 机高 2 2 瓦锡兰瓦锡兰 6500065000 吨级吨级 LNGLNG 燃料旅游船燃料旅游船 2011 年 瓦锡兰公司公布了 65000 吨级 LNG 燃料豪华旅游船的 设计方案 该船长 260 米 船宽 34 米 最大宽度为 43 2 米 船员 650 人 客舱 780 间 载客能力为 1900 人 航速 19 节 船上安装 3 个 465m3 的瓦锡兰 LNGPacs 储气罐 LNG 每天消耗 量为 45t 自持力为 12 天 35 米长的 C 型储气罐安装在游泳池甲板 下面的舱壁甲板上 这种布置既不影响水密舱壁 还能够通过船尾 户外甲板进入舱室 该船装有 2 台瓦锡兰 6L50DF 型和 2 台 8L50DF 型双燃料发动机 主机总功率为 27300kW LNG 为主燃料 柴油为备 用燃料 有 2 个 8000kW 的电动机 燃料补给站布置在船尾贮存柜附 近 既减少了管路长度 又可以保证安全 由于 LNG 储气罐容积较 大 船舶的补给将通过驳船或者小型 LNG 运输船完成 此外 2009 年 STX 集团和法国 Stirling 国际设计公司推出一 型新概念旅游船 EOSEAS 该船设置类似于 LNG 船上的储气罐 采用 LNG 作为燃料以驱动螺旋桨并提供船上所需电力 图图 5 5 瓦锡兰瓦锡兰 6500065000 吨级豪华旅游船吨级豪华旅游船 图图 6 6 6500065000 吨级豪华旅游船双燃料推进布置图吨级豪华旅游船双燃料推进布置图 3 LNG3 LNG 燃料燃料 VLCCVLCC 2010 年 12 月 DNV 公布了一型环保 VLCC 船 Triarity 号的 设计构想 该船总长 361 米 船宽 70 米 型深 27 52 米 载重量 291300t 该 VLCC 在 20 年内使用 LNG 燃料可以减少 24 的 CO2 80 的 NOX 94 的 SOX 排放量和颗粒物 据了解 一艘 VLCC 在每个航 程中会损失 0 2 的液货 为了减少货物蒸汽的泄漏 该 VLCC 安装 有货物蒸汽回收装置 将货物蒸汽提供给辅助锅炉作为燃料 为货 油泵提供蒸汽动力 2 个可以储存 6750m3LNG 的 C 型压力罐设置在甲板室的货物甲 板 便于操作和提高舱室的安全性 续航力达到 25000 海里 主机 采用 2 台 MAN Diesel Turbo 高压双燃料低速发动机 可以燃烧压力 为 300bar 的天然气 船用汽油作为引燃燃料 辅机将采用低压双燃 料发动机或气体发动机 并配有三燃料锅炉 燃料供应系统包括主 机的高压系统 辅机和锅炉的低压系统 增压装置和潜水泵等 燃 料补给通过 LNG 船或燃料补给驳 图图 7 7 DNVDNV 的的 LNGLNG 燃料油船燃料油船 Triarity Triarity 号号 七 七 LNGLNG 动力船舶改造技术动力船舶改造技术 1 1 发动机改造技术发动机改造技术 船用 LNG 发动机改造目前有两种方式 方式一 不改变柴油机机体结构 只改造进气岐管 增设燃气 混合器 进气总管和一套控制系统 适用于小功率柴油机 比如 170 机型 改造费用较低 方式一发动机改造流程见图 8 图图 8 8 方式一发动机改造流程图方式一发动机改造流程图 方式二 改变柴油机机体结构 更换气缸盖 在机体上加设燃 气总管 各缸空气进口支管内增设燃气喷嘴 另外增加一套控制系 统 适用于较大功率柴油机改造 比如 210 250 机型 改造费用较 高 方式二发动机改造见图 9 图图 9 9 方式二发动机改造图方式二发动机改造图 方式一和方式二的主要差别为 1 方式二是在气缸进气歧管内设置了燃气喷嘴 喷嘴定时 定量地喷出燃气并与