柴油和LNG混合動(dòng)力技術(shù)在船舶上的應(yīng)用

1、柴油和 LNG 混合動(dòng)力技術(shù)在船舶上的應(yīng)用江西省開展了船舶油改氣的前期調(diào)研工作，選定一條 在贛江內(nèi)具有代表性的主流船型 “贛撫州貨 0608”干貨 船進(jìn)行贛江內(nèi)首艘天然氣 -柴油混燃實(shí)船試驗(yàn)。柴油 LNG 混合動(dòng)力原理LNG是液化天然氣的英文（Liquefied Natural Gas）首個(gè) 字母的縮寫，一種液態(tài)的流體，主要組分是甲烷（CH4）,并含有少量的乙烷、丙烷、氮或常見的其他組分，燃燒后的排 放氣體以水為主，不含什么顆粒污染物，所以被叫做“清潔 能源”。柴油一LNG混合動(dòng)力，是在不改變?cè)裼蜋C(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) 上，加裝可燃用液化天然氣的混燃系統(tǒng)，改變成柴油 ?CLNG 雙燃料混合動(dòng)力，LNG

2、-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有兩種工作狀 態(tài)，兩套燃料儲(chǔ)存系統(tǒng)。當(dāng)使用LNG-柴油混合燃燒時(shí)，同等工況下柴油供給量減少 70。以壓燃少量噴入缸內(nèi)的柴油作 為“引燃燃料” ，天然氣作為主要燃料，通過混合器中與過 濾后的空氣均勻混合后進(jìn)入氣缸參與燃燒，對(duì)外做功。當(dāng)使 用純柴油燃燒時(shí)，通過 ECU行車電腦控制系統(tǒng)）自動(dòng)切換裝 置關(guān)閉，切斷天然氣進(jìn)氣通路，調(diào)整噴油泵總油量至100位置，從而恢復(fù) 100全柴油燃燒。使用雙燃料時(shí)，其最高爆發(fā)壓力略低于燃用柴油值，而 功率相當(dāng)，因此，燃用雙燃料時(shí)的動(dòng)力性能能滿足船用推進(jìn) 主機(jī)的需要。使用雙燃料時(shí)柴油機(jī)的熱負(fù)荷降低，排氣煙度大大降低， 氣缸內(nèi)的積碳很少，可減少氣缸與活

3、塞之間的磨損，有利于 延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。使用雙燃料時(shí)其碳煙排放值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于采用柴油時(shí)的排 放。其燃燒后排出總管的溫度較燃燒柴油時(shí)低，汽缸最高爆 破壓力和噪聲也略低于燃用柴油工況。由于 LNG 價(jià)格比柴油低， 使用雙燃料時(shí)可降低成本 20% 左右。實(shí)船改裝2011 年 2 月江西省開展了船舶油改氣的前期調(diào)研工作， 選定一條在贛江內(nèi)具有代表性的主流船型， “贛撫州貨 0608” 干貨船進(jìn)行贛江內(nèi)首艘天然氣 -柴油混燃實(shí)船試驗(yàn)。該船 2008 年建造，總長(zhǎng) 59.3 m ，型寬 11.8 m ，設(shè)計(jì)載貨量 1585 T， 兩臺(tái)8138CZ9型柴油機(jī)，主機(jī)總功率為220 KW。根據(jù)氣體 燃料動(dòng)力船檢

4、驗(yàn)指南 （報(bào)批稿）的要求，制定了該船的混 燃技術(shù)改造方案，雙燃料動(dòng)力由三大系統(tǒng)組成，即LNG儲(chǔ)供氣系統(tǒng)，柴油一天然氣混燃電控噴射系統(tǒng)，消防報(bào)警系統(tǒng)。LNG儲(chǔ)供氣系統(tǒng)，由LNG儲(chǔ)罐，氣化及穩(wěn)壓裝置和天然 氣供應(yīng)管系組成。LNG儲(chǔ)罐是低溫燃料儲(chǔ)存設(shè)備，采用雙層 金屬、真空結(jié)構(gòu)， 保溫性能優(yōu)異， 同時(shí)配備有各種安全裝置， 可確保超壓情況下系統(tǒng)的安全。儲(chǔ)罐的安裝位置選在二層甲 板，屬敞開處所，有利于可燃?xì)怏w的散發(fā)。首先對(duì)安放儲(chǔ)罐 的二層甲板進(jìn)行加固，為罐體安裝基座和支撐并吊裝儲(chǔ)罐。 見下圖：根據(jù)氣體燃料動(dòng)力船檢驗(yàn)指南的要求，儲(chǔ)罐和管線的壓力設(shè)計(jì)壓力不低于 I.OMPa,本項(xiàng)目?jī)?chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力 1.05 M

5、Pa,管線設(shè)計(jì)壓力1.6 Mpa。儲(chǔ)罐處所按照 氣體燃料動(dòng)力 船檢驗(yàn)指南的要求，安裝有安全閥，儲(chǔ)罐壓力高于 1MPa 的時(shí)候，安全閥自動(dòng)打開，通過放散管泄壓。儲(chǔ)罐處還安裝 有電動(dòng)、手動(dòng)、氣動(dòng)三個(gè)串聯(lián)的緊急切斷閥，保證在緊急狀 態(tài)下安全可靠地從儲(chǔ)罐出液口根部切斷天然氣供應(yīng)，確保天 然氣不外泄。柴油天然氣混燃電控噴射系統(tǒng)由天然氣電控噴射系 統(tǒng)、柴油油量控制系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)三部分組成。天然氣電控噴射系統(tǒng)主要由低壓電磁閥、天然氣噴射閥 以及天然氣噴管等組成。氣化并穩(wěn)壓后的天然氣進(jìn)入低壓電 磁閥和天然氣噴射閥， 天然氣的噴射量由 ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的 負(fù)荷和轉(zhuǎn)速來控制。柴油油量控制系統(tǒng)，通過控油器來控制

6、 噴油泵齒桿的行程，調(diào)節(jié)噴油量。電子控制系統(tǒng)主要由電子 控制單元（ECU）、油門位置傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等組成。當(dāng) 控油器恢復(fù)到初始狀態(tài)時(shí)，電子控制單元（ECU）切斷天然氣氣源，返回到全柴油模式雙燃料船舶消防除依靠原船消防系統(tǒng)外，還新增加一套 可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)，包括一臺(tái)可燃?xì)怏w報(bào)警控制器和三個(gè)可 燃?xì)怏w探頭、兩臺(tái)防爆軸流風(fēng)機(jī)、四臺(tái)干粉滅火器。氣體報(bào) 警控制器布置在駕駛室上，帶有聲光報(bào)警功能，該報(bào)警系統(tǒng) 會(huì)顯示哪個(gè)部位報(bào)警，并自動(dòng)采取相應(yīng)的動(dòng)作。實(shí)船營(yíng)運(yùn)該船于 2011年 6月8日改裝完畢， 出廠投入使用。 6月 15 日首次充裝 1.64 噸液化天然氣， 6 月 19 日正式開始柴油 -LNG混

7、燃料應(yīng)用試驗(yàn)。通過三個(gè)月的運(yùn)行到9月18日止，航行了 23個(gè)雙航次，運(yùn)行了 918.6小時(shí)，航行10370km,運(yùn) 輸沙石 43950 噸，完成運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量 9920ktkm ，充裝 12.1 噸 液化天然氣（一噸天然氣可汽化1450 Nm3），燃用天然氣15596Nm3，燃用柴油10954.54kg,天然氣取代純柴油 12981.5kg（ 1.2Nm3天然氣取代純1kg柴油），減少碳排放 10774.645kg（ 1kg柴油產(chǎn)生0.83kg碳排放量），降低燃料成本 費(fèi) 40474 元。實(shí)船效益分析1 、初投資船用柴油一LNG混合動(dòng)力是由LNG儲(chǔ)罐，氣化及穩(wěn)壓裝 置，柴油一天然氣混燃電控噴射系統(tǒng)

8、和消防報(bào)警系統(tǒng)組成， 贛撫州貨0608號(hào)船改裝費(fèi)用為38萬元。期中：LNG儲(chǔ)罐19萬元（含汽化器） ，柴油天然氣混燃電控噴射系統(tǒng)5 萬元，消防報(bào)警系統(tǒng) 2 萬元，附件費(fèi)用 3 萬元，船舶改造及安裝費(fèi) 用 9 萬元 .2、成本節(jié)約率贛撫州貨 0608 號(hào)船運(yùn)行 90 天，運(yùn)輸沙石 43950 噸，完 成運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量 9920ktkm ，燃用天然氣 15596Nm3 ，燃用柴 油 10954.54kg, 天然氣取代純柴油 12981.5kg, 平均取代率 54.23%，由于柴油價(jià)格為 8.4元/kg,而天然氣價(jià)格為4.4元/ Nm3，降低燃料成本費(fèi) 40474元，單位成本下降 4.08元 /ktkm

9、（純柴油單位成本為 20.27元/ktkm，柴油一LNG混合燃 料單位成本為 16.19元/ktkm）,成本節(jié)約率為 20.1%。3、投資回收期據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)贛撫州貨 0608 號(hào)船年完成運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量 39680ktkm左右，根據(jù)此數(shù)據(jù)測(cè)算，該船使用柴油一LNG雙燃料，天然氣取代純柴油51926kg，減少碳排放43098.58kg,年燃料成本費(fèi)可降低 16.1894萬元. 投資回收期為 2.488年。推廣前景通過實(shí)船驗(yàn)證，柴油一LNG雙燃料動(dòng)力在技術(shù)上是可行 的，實(shí)船營(yíng)運(yùn)三個(gè)月表明，使用柴油一LNG混合燃料與使用單一純柴油切換自如，燃用雙燃料時(shí)，其最高爆發(fā)壓力略低 于燃用柴油值，而功率相當(dāng)，因此，燃用雙燃料時(shí)的動(dòng)力性 能能滿足船用推進(jìn)主機(jī)的需要。實(shí)船營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)表明，在使用柴油 -LNG 混合燃料時(shí)， LNG替代柴油的綜合替代率可達(dá)54%以上，燃料消耗費(fèi)用按當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)可下降 20%以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。 同時(shí)，使用柴油 -LNG 混合燃料時(shí)柴油機(jī)的排氣煙度明顯降低， 碳排放減少 43 噸， 減排效果明顯。柴油 LNG 雙燃料動(dòng)力技術(shù)從試驗(yàn)到推廣還需進(jìn)行艱難 的努力，首先從管理部門要盡快制定相關(guān)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、管 理辦法和鼓勵(lì)政策。其次天然氣供應(yīng)商要盡快建立水上 LNG 的供應(yīng)體系，以確保滿足推廣應(yīng)用船舶的需求。同時(shí)還必須 解決推