LNG燃料在长江散货船上的适用性研究-报告(2013-9-30)

1、LNG燃料在长江散货船上的适用性研究研究报告长江航运科学研究所二一三年九月LNG燃料在长江散货船上的适用性研究报告目 录1.项目背景12.国外船舶使用LNG燃料的现状42.1国外营运及建造中的LNG燃料船舶42.2 LNG燃料概念船或设计方案82.3国外LNG燃料船舶的发展现状特点113.国内船舶使用LNG燃料的现状133.1船舶双燃料改造技术现状133.2试点船舶LNG使用情况143.3典型改造船舶163.4水上LNG加注站点建设情况及规划183.5改造船舶实际运营中的问题184.国内LNG双燃料发动机的发展现状214.1国内LNG双燃料发动机的研究现状214.2 发动机主要燃气喷射技术22

2、4.3国内LNG双燃料发动机的典型产品265.长江散货船/集装箱船的实际运行工况355.1长江船舶运输市场现状355.2长江散货/集装箱船舶运营现状365.3调研分析386.规范和法规对船舶使用LNG燃料的工况要求406.1 LNG双燃料动力船舶相关规范、法规和技术要求406.2规范和法规对船舶使用LNG燃料的工况作出的有关要求406.3对规范和法规相关条文的理解417.经济性分析427.1集装箱船-固定航线427.2散货船-固定航线477.3散货船-不固定航线497.4双燃料改造成本527.5投资回收期538.结论与建议558.1主要结论558.2建议569、结束语59II1.项目背景节能减

3、排是全球经济和社会发展的大趋势，也是我国转方式调结构的重要内容。在2011年7月召开的国际海事组织海洋环境保护委员会（MEPC）第62次会议上，能效设计指数EEDI与船舶能效管理计划SEEMP作为MARPOL附则VI的延续获得通过，并于2013年1月1日生效。第一阶段从2013年至2014年，保持现在的基线值；第二个阶段从2015年至2019年，基线值下降10；第三个阶段从2020年至2024年，基线值下降20。从2025年开始，基线值与现在的相比要下降30。我国交通运输部在公路水路交通运输节能减排“十二五”规划中明确提出：“十二五”期间，营运船舶单位运输周转量二氧化碳排放下降16%以上，其中

4、海洋船舶和内河船舶分别下降17%和15%以上。我国是世界第二大石油消费和进口国，交通运输行业是石油消费大户，占油品消费的33%。航运船舶以柴油燃料为主，在交通运输行业燃料消费中占有很大比例。柴油燃烧排放的二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物、悬浮颗粒，已成为大气污染的重要来源。液化天然气（Liquid Natural Gas，以下称LNG）的主要组分是甲烷（CH4），燃烧后排放的气体以水为主，不含颗粒物和硫化物，是公认的“清洁能源”。针对绿色航运的发展需要，全球范围内开始加速船舶新能源应用的研究步伐，包括风能、太阳能、生物燃料、液化天然气、压缩天然气等。在诸多新能源应用中，天然气燃料储量丰富，价格低廉

5、，环保性高、经济性好，具有广阔的应用前景，被认为是未来代替柴油，减轻环境污染、最理想的燃油替代能源，成为船用主要动力燃料的首选。当前，受政策驱动和人们环保意识的增强、以及航运企业通过降低燃油成本以提高发展内劲等多重因素的影响，全国各地LNG双燃料船舶发展迅猛。目前，我国已有21艘双燃料动力船舶的试点方案通过了交通运输部海事局组织的专家评审。此外，还有大量双燃料船舶的试点方案等待着交通运输部海事局审批。然而，我国首个向中国船级社申请LNG双燃料船舶改建的船舶武轮拖302，从2010年8月完成改造试航以来，LNG改造船舶实际运行的节能效果、减排效果、技术状况的正常性、稳定性、安全性等，就一直受到广

6、泛的质疑，与船舶改造LNG相关的技术标准、法规、水上加注站点标准等政策尚未完善，再加上长江水上加气站的建设、配套又严重滞后，改造船舶成本费用以及相关发动机改造技术的成熟性问题等诸多元素，致使LNG在船舶上的实际推广步伐非常缓慢。一个不争的事实是，很多LNG改造试点工作，均是作为科研研究项目，在完成对第一艘船舶的科研改造，并经过试运营之后，没能顺利而快速地推进后续船舶的改造。LNG改造船舶的运行情况究竟怎样？受到业内人士的广泛关注。目前在长江上营运的散货船，实际都是处于低负荷的运行状态，而中国船级社在气体燃料动力船检验指南（2011）中要求，在“低功率运行和无负荷怠速运行时应仅使用燃油燃料”，在

7、新制订的天然气燃料动力船舶规范（报批稿）中也进一步明确：“空载怠速运行、低负荷运行、高负荷运行和超负荷运行时应仅使用燃油”。中国海事局在制订的天然气燃料动力船舶法定检验暂行规定（报批稿）中也作出了相同的规定。这些技术要求和散货船实际运行状况的矛盾，使得LNG燃料是否适用于长江散货船的问题凸现出来。此外，在分析LNG替代燃油的经济性方面，大家通常以主机额定负荷附近的技术参数作为计算分析依据，而散货船主机通常在很低的负荷下运行，这就导致燃油经济性的预算会大大偏离实际运行情况，对“油改气”推进改造产生了一定顾虑，以致影响到船舶“油改气”工作的推广。为厘清上述种种问题，并对现行船舶使用工况、LNG船舶

8、改造技术、国内外船舶改造、使用情况，有关技术标准规范、水上加气站点建设等有一个系统和比较全面的了解，对当前船舶LNG改造及其后续发展、政策影响、经济性等问题有个基本认识、分析和判断，尤其是在当前全球航运经济以及长航集团战胜航运寒冬，共度难关这一现实背景下，在兼顾水运行业LNG船舶改造发展以及有关政策即将出台等情况下，长航集团科技部审时度势，未雨绸缪，提出LNG燃料在长江散货船上的适用性研究课题，及时向长江航运科学研究所下达了这一研究课题任务，其目的就是为长航集团就LNG船舶改造规划决策提供参考，使长航集团船舶“油改气”工作科学、合理、有序、有效推进。2.国外船舶使用LNG燃料的现状日益严格的船

9、舶气体排放条约，成为船舶使用气体燃料代替液体燃料的推动力。从船舶的发展来看，欧洲国家在LNG燃料船舶方面的发展走在世界前列，特别是作为全球第一家引入LNG船舶燃料的挪威，在LNG燃料船舶技术的发展和推广上起到良好的示范作用。据挪威船级社（DNV）统计，截至2013年6月，全球共有40艘LNG全动力船以及近40艘LNG与柴油混合动力船处在营运中，另有35艘LNG全动力船的新建订单。该机构预计，2014年全球运营的LNG全动力船舶数量将升至63 艘，2020年或达到1000艘。2.1国外营运及建造中的LNG燃料船舶目前国外典型营运及建造中的LNG燃料船舶情况见表2-1。表2-1国外典型LNG燃料船

10、舶情况表船名船舶类型船舶参数航线年份主机燃料状态Glutra客滚船莫尔德20004台三菱GS12R-PTK型超稀薄燃烧天然气发动机LNG营运Viking Energy平台供应船长94.9m，型宽20.4m，总吨5073t20034台2010kW的瓦锡兰6L32DF型双燃料发动机，单台功率2200千瓦LNG营运 France EnergyLNG船长219.5m，宽35m，深22m，载重吨34800t，航速为17.5kn2005芬兰瓦锡兰6L50DF型双燃料发动机，柴油发动机功率为25800马力，LNG功率为9500马力柴油LNG 营运Barentshav警戒舰长93.2m，宽16.6m，吃水5.

11、8m20091台4000kW的Bergen B32型柴油机、3台2600kW的三菱GS16R型发电机以及1台642kW的三菱GS12R型电动机柴油LNG 营运Argonon化学品邮轮载重吨6100t 鹿特丹-巴塞尔20112座LNG及柴油以8比2的比率混合的双重燃料主机（Caterpillar DF3512主机；功率1115 kW）LNG柴油营运Bit Viking成品油船载重吨25000t奥斯陆-希尔科内斯20112台5700kW的直列6缸瓦锡兰W6L50DF型双燃料主机LNG燃油营运中Francisco高速滚装渡船长99m，最高速度达到约58kn布宜诺斯艾利斯-乌拉圭蒙得维的亚20122台

12、双燃料GELM2500燃气轮机，每台额定功率22000kWLNG燃油营运中Stunna平台供应船长94m，吨位5197t2012双燃料主机柴油LNG 营运中M/S Høydal近海贸易货船长70米，宽16米，吃水6.2米，载重吨位2650t挪威沿海20121台Bergen C25:33L6P发动机LNG营运中3100TEU集装箱船集装箱船长764英尺，宽106英尺，吃水34英尺，航速22kn2012采用大宇造船开发的双燃料系统，以及1台MAN ME-GI双燃料低速发动机LNG柴油建造中近海支持船 (OSV)近海支持船 (OSV)载重吨5520t，最大航速为13节美国墨西哥湾20123

13、台发动机LNG重质燃油建造中Sea-Cargo Express滚装船长132.8米，吃水6米，载重吨5600t英国、阿姆斯特丹及挪威的港口2012配置1台5250kW的Rolls-Royce Bergen B35:40V12PG富氧燃烧主机LNG柴油营运中Maersk Drury集装箱船长294.1m，载重吨65965t、5000TEU2012l台45760千瓦的MAN B&W主机，4台2100千瓦的MAN发电机，还有1台Aalborg的辅助锅炉，其中两台发电机和辅助锅炉经改造，可双燃料造作LNG重质燃油改造后营运中Stavangerfjord旅游渡轮长170m，载重吨400

14、0t20134台单LNG发动机系统LNG营运中Midnight Sun North Star滚装船 华盛顿-阿拉斯加2013LNG动力发动机LNG改造中（1）世界首艘改装而成的LNG燃料集装箱船“Maersk Drury”号是德国航运公司Reederei Stefa Patjens公司运营的一艘5000标准箱的集装箱船。该船于2006年由现代重工建造，总长294.1m，65965 DWT，入级DNV。主机采用l台45760kW的MAN B&W，4台2100千瓦的MAN发电机，还有1台Aalborg的辅助锅炉。该改装项目始于2010年3月，改装内容包括：将靠近发动机室的货物区改装成一间“

15、气体技术室”(Gas Technology Room)，这样不仅大大简化了燃料加注的操作，且把货物空间的损失降到最低，在甲板上还设有额外的LNG储罐，总LNG燃料容量达到240+500立方米；同时还对船上4台MAN 7L27/38型发电机中的两台及辅助锅炉进行改装使其可使用双燃料（气体/重质燃油）操作。改造完成后，当停泊于港口期间，该船就可使用清洁燃料，同时为未来在排放控制区（ECA）运营作好了准备。该项目由DNV、马士基航运公司、MAN、TGE船用燃气公司合作进行，于2012年完成。（2）世界首艘LNG动力成品油船2011年11月24日，全球首艘以LNG为燃料的载重25000吨“Bit Vi

16、king”号成品油船正式投入运营。该船是全球第一艘主机改装为燃烧LNG的营运船，也是非LNG运输船中以LNG作为燃料的最大一艘商用船。2010年8月，瓦锡兰集团与瑞典Tarbit航运公司签订了一份改装设计合同，将“Bit Viking”由柴油机推进改装成LNG主机推进。该船原来的主机为2台使用重质燃油的直列6缸瓦锡兰6L46B型柴油机，每台主机功率为5850kW；改装后，将替换为2台5700kW的直列6缸瓦锡兰W6L50DF型双燃料主机，80%载荷时自持力为12天。甲板前部设有2个500m3的储罐，用于LNG燃料的安全储存。改装完成后，经过短期运行，在减少污染排放方面，温室气体排放量减少了20

17、25%，硫排放量为零，NOX减少了90%，颗粒物的排放减少了99%。改装后的“Bit Viking”号成为全球最环保、最安全的成品油船之一，将由挪威国家石油公司（Statoil）在奥斯陆与希尔科内斯之间的海岸营运，已在航行过程中成功通过LNG供应设施实现了燃料补给。（3）世界首艘LNG燃料高速滚装渡船2012年，澳大利亚Incat Tasmania船厂将世界首艘以LNG作为主要燃料的“Francisco”号高速滚装渡船交付于南美Buquebus公司。该船长99m，可同时承载1000名乘客和150辆汽车，水上航行最高速度可以达到约58kn。船上装有2台双燃料GELM2500燃气轮机，每台额定功率

18、22000kW，将LNG作为主燃料，船用蒸馏燃油作为备用和辅助燃料。点火和在港操纵时使用船用蒸馏燃油。用于其首都布宜诺斯艾利斯到乌拉圭首都蒙得维的亚之间的国际轮渡。2013年7月正式营运。（4）世界首艘双燃料推进平台供应船2003年，Eidesvik公司向Kleven海事公司订造的以LNG作为燃料的海洋工程船“Viking Energy”号在挪威投入使用，是首艘双燃料推进平台供应船（PSV）。该船总长94.9m，型宽20.4m，总吨5073t，货物甲板面积为1030m2。船上配有1个234m3的CRYO AB不锈钢真空绝热储气罐，设计压力为9bar，LNG储存量约为209m3。燃料补给周期为每

19、10天/次。主机采用4台2010kW的瓦锡兰6L32DF型双燃料发动机，单台功率2200kW，可以减少90%的NOX和30%的CO2排放量。为了保证主机的安全性，主机系统划分为防火区和防爆区。该船运营10年来，被证明具有良好的经济性和动力灵活性，获得了船东的好评。 （5）世界上首艘以LNG为动力的近海贸易货船2012年5月，土耳其Tersan船厂为挪威NSK Shipping航运公司建造的世界上第一艘以LNG为动力的近海贸易货船M/S Høydal号投入运营。该船具备运输2200t鱼饲料的能力，是世界上最大的鱼饲料货船。船长70m，宽16m，吃水6.2m，载重吨位为2650t，配备了

20、罗罗公司一台Bergen C25:33L6P发动机，该机烧液化天然气时，在转速为1000r/min时，额定功率为1650kW。船上搭载1个90m3的LNG燃料储罐，每周通过挪威BioMar工厂附近的一座永久性的船舶LNG加油站加注LNG。由罗罗公司的一台变螺距螺旋桨推进，其最大航速可达14kn。该船由挪威BioMar公司长期租赁承担挪威沿海的运输任务。2.2 LNG燃料概念船或设计方案目前国际上LNG燃料船舶设计已经涉及到超大型船舶，出现多型LNG燃料概念船或设计方案，表2-2是近几年出现的LNG燃料概念船或设计方案。表2-2国外LNG燃料概念船或设计方案年份研发单位船名船舶类型船舶参数主机备

21、注2009STX集团和法国Stirling国际设计公司EOSEAS旅游船设置类似于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。概念船2010DNVQuantum集装箱船6200TEU双燃料主机2个各2500m3的Type-C型LNG燃料储罐安装于居住区下方概念船2010DNVTrialityVLCC长361m，宽70m，型深27.52m，载重量291300t采用2台MAN Diesel&Turbo高压双燃料低速发动机船上2台各6750m3的Type C型LNG燃料储罐安装于上甲板概念船2011DNVQuantum 9000集装箱船ME-GI型气体燃料双冲程发动

22、机概念船2011瓦锡兰公司65000吨级豪华旅游船豪华旅游船长260m，船宽34m，最大宽度为43.2m，载客能力为1900人，航速19kn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，有2个8000kW的电动机。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设计方案2011日本大岛造船和DNVECO-Ship 2020新敞口式散货船排水量定为62000载重吨，计航速为14.5kn2台罗尔斯罗伊斯公司稀薄燃烧4冲程中速LNG主机，每台功率4000kW在船尾到桥楼下部之间设4个C型LNG储罐，总贮存量2700立方米，续航力可达170

23、00海里概念船2012川崎重工9000TEU集装箱船集装箱船船长308m，宽48.4m，吃水14.5m二冲程双燃料发动机采用了双岛式上层建筑及新型棱型低压绝缘储罐（B型）设计方案DNV认证2012大宇造船与海洋工程公司14000TEU的集装箱船集装箱船船长365.5m，设计吃水为14m，设计航速为24kn采用曼发动机与透平公司的二冲程双燃料发动机LNG储罐为大宇获得专利的ACT-IB棱柱型铝罐（B型独立储罐）DNV认证2012日本Fukuoka船厂12500载重吨化学品船化学品船船长136.4m，型宽21m采用了Wartsila公司的双燃料中速柴油主机“9 L34DF”DNV认证其中部分LNG

24、动力散货船、集装箱船和化学品船情况如下： 2011年，日本大岛造船和DNV共同开发了未来船型的概念设计项目新敞口式散货船“ECO-Ship 2020”，目前该计划的第一阶段已顺利完成。该船主要用于运输纸浆等物品，考虑到航线、船东和运营商等方面的需求，排水量定为62000载重吨，设计航速为14.5kn，虽然较现有的敞式散货船要慢，但可大幅节省燃料费用，具有较高的经济性。该船采用2台罗尔斯罗伊斯公司稀薄燃烧4冲程中速LNG主机，每台功率4000kW，与2冲程的主机相比可提供更多的LNG燃料储存空间，在船尾到桥楼下部之间设有4个C型LNG储罐，总贮存量为2700m3，续航力可达17000海里。船上还

25、有一台1400 kW的辅机以及罗尔斯罗伊斯公司最新的混合轴带发电机(HSG)PTO/PTI系统。这艘概念船还设有废热回收系统，可将产生的电力输入到PTI中作为船舶推进动力，在设计航速下该系统可节约5的燃料。该概念设计的主要优点有：主机仅使用LNG作为燃料，采用单一燃料主机取代双燃料主机使得船员无需担心燃料之间切换的问题；清洁的机舱且对主机和燃料系统的维护要求较低；双螺旋桨推进系统以及1个艏侧推器提供了极佳的机动性进入港口时无需拖船协助；对压载水的要求较低。与传统船舶相比减少了约20的压载水需求，从而提供了更大的货物空间。以LNG为燃料的9000TEU集装箱船由川崎重工公司研发，已经获得了挪威船

26、级社的基本认证。该型船长308m，宽48.4m，吃水14.5m，由二冲程双燃料发动机提供动力，其LNG储罐容积约为7000m3，该船采用了双岛式上层建筑及新型棱型低压绝缘储罐（B型）设计方案，以实现货舱容积最大化。通过使用废气再循环（EGR）系统，当该船在在排放控制区(ECAs)内航行时，可满足国际海事组织(IMO)的TierIII标准。世界上第一艘LNG燃料14000TEU的超大型集装箱船由大宇造船与海洋工程公司(DSME)研发设计，已获DNV认可。该船长365.5m，设计吃水为14m，设计航速为24kn。该船采用曼发动机与透平公司的二冲程双燃料发动机，以重油或LNG为燃料。在使用燃油最少而

27、燃气最多的模式下，其二氧化碳排放量可减少23，硫化物排放量可减少92。该船的LNG储罐为大宇获得专利的ACT-IB棱柱型铝罐（B型独立储罐），容积为22490m3。法国船级社表示，通过进行危险源识别分析（HAZID）后，法国船级社认定超大型长途集装箱船在使用LNG燃料方面并无任何技术和安全方面的障碍。2012年12月，日本Fukuoka船厂宣布最新研发设计的LNG动力12500载重吨化学品船获得了挪威船级社的基本认证（AIP）。船长136.4m，型宽21m，主机采用了Wartsila公司的双燃料中速柴油主机“9L34DF”。燃料库为IHI Marine United公司的SPB油库，LNG供给

28、系统也与IHIMU公司联合开发。LNG动力化学品船的研发设计在全球尚属首次，服役之后将成为在欧洲排放控制区(ECA)及欧洲/北美之间大西洋航线上能够往返航行的船舶。目前，Fukuoka公司已经与多家船舶公司进行了新造协商。2.3国外LNG燃料船舶的发展现状特点总体上，国外LNG燃料船舶的发展现状具有以下特点：（1）从船舶的发展来看，欧洲国家在LNG燃料船舶方面的发展走在世界前列，特别是挪威在LNG基础设施、LNG燃料船舶技术和规范发展、政府对于LNG燃料发展的推动均具有领先优势和良好的示范效应。而韩日造船企业目前也在积极准备LNG燃料船舶的开发和研究。（2）具体到目前正在运营和在建的LNG燃料

29、船舶的配置来看，大部分船舶都为内河或近海运营，因此LNG储气罐容积基本在250m3以下。从储气罐的类型来看，基本上都采用C型储气罐，主要优点是设计独立、压力灵活、便于安装、无气体泄漏、无需维护费用，缺点是需要大量空间。从采用的发动机来看，主要由瓦锡兰、MAN、罗尔斯·罗伊斯和三菱重工四家公司供应，其中瓦锡兰和MAN以双燃料发动机为主，而罗尔斯·罗伊斯和三菱重工以气体发动机为主。（3）从研发项目来看，LNG燃料在主力船型的应用将是研究的重点，新的技术在不断开拓新的领域，如储罐的研究从C型扩展到A和B型，比如新燃料供气系统的开发等等。（4）国外LNG燃料船以新造为主，欧洲、日本

30、推动LNG燃料动力船舶主要是为了应对排放控制区要求，驱动力来自航运业内部，船舶建造公司主推绿色环保概念船，以新建船为主，技术标准高，而且造价昂贵。从国外现役船舶LNG改造来看，通常情况下需要加装的主要系统包括LNG储罐和气体处理系统，此外还需安装一些辅助系统，如通风系统、安全系统、自控系统等。最易于改装的船型包括LPG船、成品油船/化学品船，改装难度较大的船型为客船、渡船、集装箱船，难度最大的则是大型集装箱船、散货船和VLCC等远洋船舶。改装的难点主要在于如何布置储罐以及其他气体燃料系统的子系统，以及LNG在液化、储存、运输时所带来的麻烦。（5）LNG补给方面：挪威常用的LNG燃料补给设施是安

31、装在岸上的固定设备；不过有时受到停靠港硬件条件的限制，也会采用油罐车进行补给。对内河航行的渡船来说，用岸上设备进行补给一般耗时2小时左右，采用油罐车补给则需6-8小时。另外，要进行LNG燃料补给，需要通过风险评估，并且需要得到部分港口管理局的认可。（6）LNG燃料船舶的开发并不仅仅限于设计公司和船厂，更多的是船东、船级社、设备厂商、设计公司和船厂联合开展研究项目进行技术开发，而且许多项目还获得了政府的资助。3.国内船舶使用LNG燃料的现状3.1船舶双燃料改造技术现状现有船舶LNG双燃料改造技术，是在保留原有燃油系统的基础上加装LNG供给系统，将单一的柴油发动机转化为双燃料发动机。天然气经进气管

32、与空气混合器混合后进入气缸，再由喷入缸内的柴油引燃；天然气量和柴油量的比例通过电控的方式进行精确控制。改造好的柴油机有柴油-天然气双燃料和纯柴油两种运行模式。该系统是一种外挂式系统，在发动机上除了需要安装进气管装入混合器外，不需要对发动机主要部件做任何改动；系统的安装对发动机在纯柴油状态下的运行没有任何影响，当需要停用LNG燃料系统时，发动机可运行在柴油燃料模式。整个改造过程可分为三大部分，分别是供气系统、中央控制系统和安全控制系统。（1）供气系统LNG-柴油双燃料储供气系统是由LNG储罐、汽化及稳压装置和天然气供应管系组成。储罐是低温燃料储存设备，采用双层金属、真空结构，保温性能优良，同时配

33、备有各种安全装置，可确保超压情况下系统的安全。（2）中央控制系统双燃料发动机燃气控制采用的是电控喷射系统，进入双燃料发动机中的微量柴油用于点火，点燃压缩状态下天然气的引燃燃料，天然气作为主要燃料。纯柴油模式时，天然气气源切断，发动机工作模式与原柴油机相同。选择使用柴油还是双燃料模式可在驾驶台或在机舱切换。该系统主要由中央控制单元（ECU）、油门执行器、燃气喷射部件、天然气过滤器、燃气减压部件和传感器等组成。天然气通过滤清器、减压装置、喷射器和混合器进入柴油机进气道，ECU控制系统控制喷射到进气道的天然气喷射量。发动机油门位置传感器、转速传感器、排气温度传感器、进气压力传感器等将信号发送给ECU

34、，ECU根据检测得到的发动机负荷变化信号，改变天然气喷射量，同时控制柴油机柴油的喷射量，以适应发动机工况变化的要求。（3）安全控制系统安全控制系统的作用主要是对机舱、储气罐处所危险区域发生天然气泄露进行监控和报警，同时将信号传递到ECU，切断气体供应。双燃料船舶消防除依靠原船消防系统外，还增加了一套可燃气体报警系统。气体报警系统控制器布置在驾驶室，带有所有声光报警功能。图3-1双燃料发动机系统主要控制单元3.2试点船舶LNG使用情况目前包括双燃料改造试点船舶在内的LNG动力船仅是在原有的燃油系统的基础上加装LNG供给系统，对发动机主要部件不做改动。当前市场上采用的双燃料改造技术采用燃气预混合单

35、点喷射技术。燃气预混合有增压器前燃气预混合和增压器后燃气预混合。增压器前燃气预混合技术是通过混合器将空气和天然气在增压器前预混合，然后利用涡轮增压器的负压将混合气体吸入进气总管并带入燃烧室。增压器后预混合技术是一定压力的天然气通过喷射器喷入柴油机进气道，再进入燃烧室。项目组经过对目前航运单位进行走访调查，了解到目前其主要LNG双燃料改造试点船舶的基本情况见表3-1。表3-1 LNG双燃料改造试点船舶序号船名船型载重（t）核准航行水域主机总功率kW燃气注入方式使用现状1苏宿货1260散货3000京杭运河794单点喷射停止使用2长迅3散货2500三峡库区660单点喷射停止使用3赣抚州货0608散货

36、1585赣江220单点喷射/4山水34客船漓江147单点喷射/5赣远26多用途1930长江436单点喷射/6海星688散货1080长江353单点喷射停止使用7金宝106散货7054长江1396单点喷射停止使用8红日166散货4000长江882单点喷射正常使用9银华夏678散货1864长江单点喷射停止使用10芜湖海联6号散货8300长江1856单点喷射停止使用11长能12散货7295长江1396单点喷射正常使用12宝英98散货4600长江1200单点喷射正常使用对于LNG双燃料改造试点船舶，其中部分双燃料改造船舶受航运市场低迷的影响，处于停航状态；部分船舶因航运市场低迷，主机运行工况较差，主机运

37、行负荷偏低，在技术上不适合继续使用柴油-LNG双燃料，因此停止使用LNG燃料；只有少部分改造船舶仍使用柴油-LNG双燃料。其中“红日166”轮改造时间较早，航线固定，货源充足，运营过程中长期使用LNG燃料，取得了较好的经济效益。3.3典型改造船舶（1）红日166“红日166” 系芜湖市红日航运有限公司散货船，于2011年4月7日改造下水，2012年12月10日获得交通运输部海事局批准，纳入试点船舶营运。 该船为一般干货船，载重吨4000t，营运航向为黄石-上海；配备X6170ZC-33主机两台，单机额定功率441kW，额定转速1350r/min。双燃料发动机的改装主要是增加了一个燃油控制器来调

38、控燃油和天然气的混合比例，在进气管路上加入了天然气管路。储气罐为15m3，续航力约3000km。在监控系统方面，压力传感器、温度传感器、液位传感器、真空度传感器等都安装在罐体上；气体探测器安装在机舱上部，当探测到有天然气泄漏时，低温紧急切断阀动作，从而关闭管路，主机切换到纯柴油模式运行。据“红日166”船东反映，该船在进行LNG双燃料改造之前进行了螺旋桨改造，船舶运营过程中最高转速为1000r/min。现阶段在实际运营过程中，上水时采用双机双燃料模式运行，下水时单机淌航，采用纯柴油模式运行，实际运营过程中相关技术参数见表3-2。表3-2 “红日166”实际运营中的技术参数表船名红日166营运航

39、线湖北黄石-上海批文号海便函（20127091号）主机型号/台数X6170ZC-33两台批准日期2012.12.10单机额定主机功率/转速441kw1350r/min船型干货船燃气注入型式单点喷射船长72.00m最高燃油替代率70%型宽13.00m综合燃油替代率60%型深6.30m上水主机常用转速（r/min）600-700吃水空载：1.000m上水对地航速（km/h）8满载：5.450m下水主机常用转速（r/min）550-600载重吨4000t下水对地航速（km/h）12螺旋桨技术参数四叶，D:1900mm，H:1650mm改造总费用(万元)70根据调研资料，“红日166”运营过程中，一个

40、航次完成一次上水航行和下水航行。上水航行时采用双机双燃料模式运行，综合燃油替代率约60%，经济性约25%。下水航行时大部分时间采用单机淌航航行，主机采用纯柴油模式。“红日166”改造费用总计70万元，改造后同比每航次节省燃料成本约0.8万元，每年节省燃料成本13-15万元，投资回收期约5年，具有较好的经济性。同时，据船员反映，采用双燃料模式运行时，机舱噪音相对减小，机舱清洁度有所提高，较好的改善了船员的工作环境；在实际运营过程中，烟囱排烟呈灰白色，排放效果改善明显。（2）“长迅3”号“长迅3”号系长航集团长江事业部重庆分部所属船舶，2010年8月-2011年4月成功完成动力系统双燃料改造，20

41、12年10月30日（获得）交通运输部海事局正式颁布了LNG燃料动力试点船舶核准通知书，开始正式投入商业运营。“长迅3”号载重吨2500t，配置X6170Zc型主机两台，单机额定功率330kW，额定转速1200r/min。长迅3号双燃料改造采用燃气预混合技术，主要改装工作包括：增加LNG气体燃料供应系统，包括LNG储气罐在船上布置，气化器、管系、阀件的安装与布置等，“长迅3”号采用了2个3m3的LNG储罐；发动机的改装增加1套气体燃料系统进入发动机进气管，在发动机进、排气管和曲轴箱增加安全阀；对储气罐和生活区的舱壁进行改造，满足结构防火的要求；机舱设置可燃气体探测器，机舱风机改造，加大排风能力以

42、满足要求；增加水雾系统和干粉灭火系统等。由于受航运市场不景气影响，该船载量小，进出两坝存在政策困扰，水上加气补给不便和不足，加气续航能力有限等原因，“长迅3”号目前处于停航状态。3.4水上LNG加注站点建设情况及规划在长江上游，富地重庆分公司重庆富江公司已在长寿建站，年内可以投入使用，昆仑能源公司正在宜昌选址；长江中游，富地湖北分公司已办好在鄂州建站手续；昆仑能源公司拟在黄冈、白狐山建站；长江下游，江苏水上加气站拟在建设计划中；5年内拟建5到6个长江水上加气站。南京水上趸船式LNG加注站将在近期将投入使用。这将是长江上首艘投入使用的水上趸船式LNG加注站。项目组对几家能源公司进行调查发现，未来

43、3-5年，昆仑能源公司等LNG供气商也在加紧长江LNG加注站的布局。中石油及港华燃气有限公司3条LNG加气趸船2013年6月下水，年内10座水上加气站将建成。 主要供气单位关于LNG水上加注站的建设规划见表3-3。表3-3主要供气单位LNG水上加注站的建设规划表实施单位布局区段规划数量气站类型在建项目项目进度江苏海企港华燃气展有限公司长江江苏段10趸船式LNG加注站南京八卦洲水上趸船式LNG加注站投入使用江苏蓝色船舶动力公司京杭运河徐州段6趸船式LNG加注站方案设计湖北西蓝公司长江湖北段2趸船式LNG加注站选址设计富地公司（湖北、重庆分公司）长江中上游6趸船式LNG加注站重庆、鄂州选址设计昆仑

44、能源公司长江沿线12趸船式LNG加注站湖北黄冈趸船LNG加注站选址设计3.5改造船舶实际运营中的问题目前，各航运单位正面临市场运力供大于求，整个社会运力严重过剩，运价、运费暴跌，船舶资产下降，船舶融资、借贷成本急剧增加，资金压力巨大，致使船舶“油改气”工程不够顺利。总的态势是：试验可行，运行很难；行动很早，推动很难；政策滞后，技术待优；业态低迷，回报过长。3.5.1航运市场目前，由于航运市场不景气，部分LNG改造船舶停航，或者因主机运转工况不适宜双燃料模式而停止使用LNG燃料。由于航运市场还未回暖，运价始终处于低位，运力过剩，长江运输船舶普遍采取下水淌航的航行状态，以节省燃料成本。在主机长期低

45、负荷运行的工况下，采用双燃料模式运行，存在较高的航行安全风险，且燃油替代率过低。因此，在当前疲软和复杂的航运市场环境下，许多航运公司对船舶的双燃料动力改造产生观望。3.5.2政策法规LNG双燃料改造船舶相关政策规范的缺失也对船舶的实际营运造成了障碍。目前，LNG船用领域还处于初创阶段，缺乏相应的国家和行业标准可以遵循，存在市场混乱的隐忧和大面积推广的障碍，海事部门在对双燃料改造船舶的监管上存在职能重叠，这也是双燃料改造船舶在运营过程中面临的困境。挪威船级社在2001年率先制定了LNG船舶的船级检验规则，但对于LNG的补给站和补给操作，目前还没有制定统一的标准或操作规程。在我国，中国船级社已经制

46、订了有关双燃料发动机及双燃料系统装船的指南，但尚缺乏符合中国航运实际情况的行业标准。港口、海事检查严格。按要求和相关规定，LNG列入危险品系列，海事、港口等部门要求必须进出港申报和检查；影响船舶正常运营周期。船舶加气专作业必须事先报告，双燃料改造船虽不作为危险品船，但海事部门对其的管理力度明显比燃用柴油的船舶更严格。3.5.3改造技术据船员反映，改造船舶在运营中较容易出现转速不稳定的现象，致使轴带发电机运行时电压和频率输出不稳定；船舶航行过程中加速性能相对纯柴油模式较差。主要设备的供货商选择余地较小。在船舶实际改造过程中，施工工艺水平参差不齐。主机在低负荷工况运行时，燃油替代率偏低，排放不理想

47、等。3.5.4供气在使用双燃料的过程中，船东普遍反映LNG加气困难。加气站点少，仅有的几个站点也存在加气不方便。双燃料改造船舶在使用LNG燃料时大多采用槽车加气的方式，少数采用LNG储罐更换的方式。北京富地公司、昆仑能源公司等LNG供气商都出台了相应的LNG供气站点布局规划，今年9月26日，全国首个水上LNG加注站“海港星01号”在南京市八卦洲投入试运行，但是其他LNG供气站的布局规划仍处于筹备阶段。当前的LNG供气状况不能满足双燃料动力船舶的用气需求。如“红日166”轮，在实际运营过程中的最近15个航次中，有6个航次因不能及时供气而采取纯柴油模式运行。4.国内LNG双燃料发动机的发展现状4.

48、1国内LNG双燃料发动机的研究现状目前，国内已有多所大学开展了LNG双燃料发动机的理论和技术研究：（1）清华大学研究了引燃柴油供给系统参数对柴油天然气双燃料发动机燃烧特性的影响；（2）吉林大学研究了柴油和天然气的复合燃烧特性和规律；（3）天津大学研究了双燃料发动机的燃烧特性，控制发动机着火始点、喷射控制系统等对排放的影响；（4）西安交通大学研究了适当提高进气温度和合适的进气节流对降低CO和HC排放的影响，低负荷工况改善发动机排放的措施；（5）北京交通大学研究了双燃料发动机天然气电控喷射系统与混合器喷射系统排放性能的差异；（6）武汉理工大学研究了单点电控喷射双燃料发动机的动力特性。这些研究成果，

49、为发动机生产企业研发商业应用型LNG双燃料发动机提供了重要的指引和参考。现在，国内主要的中小功率船用发动机生产企业，都已展开柴油LNG双燃料发动机或天然气发动机的研发，已有中国石油集团济柴动力总厂、潍柴动力股份有限公司、淄博柴油机总厂、宁波中策动力机电集团有限公司、广州柴油机厂股份有限公司等多家柴油机生产企业推出了船用柴油LNG双燃料发动机或天然气发动机。国内的LNG双燃料发动机大都是以原有成熟柴油机为基础，进行不同程度的局部改造，发展为LNG-柴油双燃料发动机。4.2 发动机主要燃气喷射技术目前国内发动机改造主要有单点喷射技术和多点喷射技术，采用单点喷射技术居多。4.2.1单点喷射技术单点喷

50、射技术是通过ECU控制安装在进气管路上的一个电磁阀，调节喷射进入发动机进气总管的天然气流量，从而实现对发动机的控制。单点喷射技术有增压器前燃气预混合和增压器后燃气预混合。增压器前燃气预混合技术是通过混合器将空气和天然气在增压器前预混合，然后利用涡轮增压器的负压将混合气体吸入进气总管并带入燃烧室。增压器后预混合技术是一定压力的天然气通过喷射器喷入柴油机进气道，再进入燃烧室。燃气预混合单点喷射技术的改造简单易行，替代率可以达到50%-70%左右。现阶段采用的预混合电控单点喷射技术对柴油机改动较小，改造费用低，周期短，技术比较成熟，是现阶段双燃料动力船舶改造采取的主要技术方式。但在实际运营过程中，仍

51、然有很多需要解决的问题，这些问题在一定程度上制约了LNG双燃料动力改造在内河船舶的推广普及。（1）天然气浪费由于改造过程对柴油机本身不作改动，改造后较大的气阀重叠角不仅造成排气总管爆炸的隐患，而且还浪费天然气。尤其是柴油机负荷较低时，为保持柴油机的工作性能，避免较大的燃料浪费，通常采用纯柴油模式运行。两种模式运转下的能量耗费对比见表4-1。表4-1“长迅3” 号双燃料改造前后能量耗费情况燃料种类热值（MJ/kg）年燃料消耗能量消耗(GJ)能耗增加0#柴油42.3200t8464双燃料0#柴油42.359.6t9511+12.4%天然气39.8（MJ/Nm3）175500(Nm3)利用预混合形式

52、单点喷射技术进行改造的双燃料动力船舶的经济性是通过较低的天然气价格实现的，由于扫气损失，在能量利用方面有浪费。（2）燃烧和排放天然气着火温度高，火焰传播速度慢，发动机运行时后燃严重，排气温度较高，且扫气时有浪费，较容易出现爆震、失火和排气管爆燃等问题，影响了发动机的安全运行。双燃料模式运行时，燃烧情况不如纯柴油模式，尤其在低负荷时，C/H（碳氢）排放增加，碳烟颗粒排放明显减少；在高负荷时天然气掺烧量增大，缸内爆压升高，影响发动机工作可靠性，NOx（氮氧化物）排放也随之增大。同时，由于天然气的燃烧速度相对柴油较慢，双燃料发动机燃烧做功时后燃严重，热负荷较大，平均有效压力和动力性较纯柴油发动机均有

53、所减小，热效率也相对降低。图4-1、4-2、4-3是双燃料发动机台架试验测试的排放分析。 图4-1 碳烟颗粒排放图4-2：双燃料发动机NOx排放图4-3：双燃料发动机C/H排放（3） 安全隐患燃气预混合技术采用的是总管进气，在双燃料发动机工作时，进气总管总是充斥着燃气混合物，对于增压器前进气形式，增压器中也充满燃气混合物。在排气总管中，由于进排气重叠角的影响，可燃气体在扫气时进入排气管，也存在着火爆炸的危险。此外，由于双燃料发动机工作时要求的活塞间隙较小，而柴油机的改造并没有对此作出相应调整，因此燃气较容易串入曲轴箱中，给发动机的安全运转带来安全隐患。4.2.2多点喷射技术预混合形式的电控单点

54、喷射技术在现阶段的双燃料改造中已经比较成熟，改造成本也具有优势，具有一定的减排效果，但因其固有的不足，以及其经济性主要是建立在较低廉的天然气价格上，因此，预混合形式不能成为未来双燃料改造的技术方向。目前市场上普遍看好的是电控多点喷射技术，其采用的是在各缸的进气阀前安装一个电控（液控/电-液联控）喷射阀，由电控单元控制喷射阀，根据各缸发火顺序在进气过程中将天然气喷入进气歧管，然后利用柴油压燃，点燃天然气做功，其原理见图4-4。图4-4 多点喷射技术原理图多点喷射技术能较好的解决气阀重叠角的影响，避免扫气过程中将一部分可燃气浪费，同时避免进气总管中始终充斥着可燃气体。此技术能在发动机负荷较小时有效使用，且取得较满意的替代率，根据各柴油机厂家实验，综合替代率在70%以上。因此，电控多点喷射技术可能是下阶段船舶双燃料改造主要采取的技术方案。电控多点喷射技术对柴油机改动较大，且目前国内的控制系统还不完善，主要采用进口控制系统，改造成本较高。对于长江船舶而言，随着电控多点喷射技术研究的深入，改造成本降低，电控多点喷射技术可能得到广泛应用。4.3国内LNG双燃料发动机的典型产品（1）济柴190系列双燃料发动机济柴于1982年开展大功率增压天然气发动机的研发工作。19