新型能源天然氣在船舶工程的應(yīng)用

1、江蘇省無錫市交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 ?？飘厴I(yè)論文江蘇省無錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校畢 業(yè) 論 文新型能源天然氣在船舶工程的應(yīng)用系部名稱 _專業(yè)名稱 _班 級 _學(xué) 號 _姓 名 _指導(dǎo)教師 _二0一四年一月十八日摘 要傳統(tǒng)船舶主要以柴油或者汽油為燃料，而柴油和汽油都是由石油煉化出來的產(chǎn)物。眾所周知，石油是一種不可再生的能源，人類的發(fā)展一步步的消耗著有限的石油，同時燃燒石油所產(chǎn)生的有毒氣體夜以繼日的破壞著我們賴以生存的地球。所以隨著石油價格飛漲和生態(tài)惡化，不少船東把眼睛瞄到了天然氣上面來，把天然氣作為船舶燃料的呼聲也越來越高。其技術(shù)的發(fā)展也越來越受到業(yè)界的重視。本文主要論述了新型潔凈能源天然氣在船舶工

2、程中的應(yīng)用，詳細講解了天然氣作為新型能源所具有的優(yōu)缺點，在船舶動力方面的具體應(yīng)用和在未來能源缺乏情況下的發(fā)展前景。作為新型能源應(yīng)用于船舶動力所需要解決的問題及我國在氣體燃料作為船舶動力的相關(guān)規(guī)定。關(guān)鍵詞：新型能源 天然氣 船舶動力裝置 規(guī)范目 錄1. 天然氣動力船的起源. 42. 天然氣動力船的優(yōu)點 43. 天然氣動力船的缺點 54. 天然氣動力裝置 .75. 我國天然氣動力船舶建造規(guī)范 . 96. 天然氣動力船舶在全球市場的現(xiàn)狀 . .107. 天然氣動力船舶在我國的發(fā)展概況 . .118. 天然氣動力船舶在未來的發(fā)展前景 . 129. 天然氣動力船舶發(fā)展面臨的問題 . 14結(jié)論 . .15

3、致謝 16參考文獻 17船舶新型能源-天然氣1.天然氣動力船的起源挪威作為LNG生產(chǎn)大國，為了提高挪威氣體燃料技術(shù)和獲得良好的環(huán)境效應(yīng)，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(rèn)為由于屬于新技術(shù)的首次應(yīng)用，費用的提高在可接受范圍內(nèi)。2.天然氣動力船的優(yōu)點2.1天然氣的環(huán)保性 目前，石油和煤炭是最大的船舶能源提供者，人類在使用燃料獲得能量的同時，也向環(huán)境排放了大量的有

4、毒氣體，如：二氧化碳、氧氮化物、硫氧化物等，其中氧氮化物和硫氧化物是酸雨的主要物質(zhì)，而二氧化碳的大量排放也造成了日益嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。因此，減少能源系統(tǒng)中有害氣體的排放已成為改善全球環(huán)境的關(guān)鍵問題。 目前，全國航行船舶每年排放近12億噸的二氧化碳氣體，約占全球排放量的百分之六。氧氮化物和硫氧化物更是占了全球排放量的百分之二十和百分之三十，船用燃料燃料嚴(yán)重污染了海洋和大氣。且隨著2008年十月召開的MEPC58通過了MARPOL公約附則V1的修正案，對船舶大氣污染物的排放提出了進一步的要求。經(jīng)修訂，從2012年1月1日起，對船舶燃油的含硫量從百分之4.5降低為百分之3.5，在2018年前估計可行，

5、到2020年1月1日逐漸降低至百分之0.5。而天然氣的主要成分是甲烷，是目前自然界能存在的最低碳分子的燃料。將天然降低到零下160度以下，其體積將縮小600倍以上，利于儲存和市場供應(yīng)。天然氣不含任何雜質(zhì)，硫，混合物和芳烴，燃燒產(chǎn)物沒有氣味，不含微粒和殘余成分，幾乎沒有污染。因此，天然氣是一種值得信賴的環(huán)保新型燃料。2.2天然氣動力船的經(jīng)濟性 2000年，國內(nèi)柴油售價為2000元一噸，而到2012年上半年，柴油的價格則一躍躍到了9000元一噸，油價的飛漲大幅度提高了船東的運營成本。這時，天然氣作為一種低價環(huán)保的角色出現(xiàn)了。天然氣的市場價格遠低于燃油價格，尤其是在美國和歐洲。相同的熱值輸入下，天然

6、氣的價格相對于燃油價格的四分之一或者三分之一。目前，國內(nèi)由于定價機制的原因，天然氣的價格和重油的價格相當(dāng)，但隨著中國成為世界第一大進口國，天然氣的價格還會進一步降低。2.3天然氣動力船的安全性 天然氣屬于低溫液體，即使發(fā)生泄漏事故時也會很快自然氣化，其密度比空氣輕，泄漏的氣體會自動向上溢開，不會對水體產(chǎn)生污染，加入特殊嗅劑后，天然氣泄漏可及時被發(fā)現(xiàn)。天然氣的燃點比汽柴油更高，瞬間著火比油慢，易擴散，不易達到爆炸極限。從使用安全性上來講，天然氣也比燃油好很多。3.天然氣動力船的缺點3.1天然氣燃料系統(tǒng)體積大。天然氣儲罐燃料系統(tǒng)所占空間大，重量重，影響載貨量。天然氣儲罐體積大，所占空間比傳統(tǒng)的柴油

7、燃料儲存所占空間大4倍左右，重量也是后者的1.5倍。3.2天然氣燃料船的造價較高。目前天然氣燃料船的造價高于傳統(tǒng)柴油燃料船5%-20%左右，會帶來一定的成本壓力。 3.3天然氣燃料缺乏技術(shù)安全通用規(guī)則。目前只有挪威船級社（DNV）對天然氣燃料船做出了相關(guān)分類標(biāo)準(zhǔn)，但大部分國家還沒有針對LNG船用燃料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則等出臺相關(guān)政府管制規(guī)定3.4天然氣船的初始成本較高。據(jù)了解，一個LNG儲存罐的費用就要幾百萬美元，如果船東只算建造成本這筆賬，往往會望而卻步。不過，由于所在區(qū)域?qū)Υ芭欧乓笕找鎳?yán)格，丹麥、娜威等北歐國家目前已經(jīng)不得不開始使用以LNG為燃料的渡船、滾裝船、海岸警備船、LNG船和平臺供應(yīng)

8、船。3.5.天然氣動力船的噪音現(xiàn)代船用柴油機普遍采用高增壓，其增壓器轉(zhuǎn)速可達20000rpm以上，對氣流的作用可產(chǎn)生劇烈的高頻噪音，是柴油機最大的噪音源；而柴油機氣缸內(nèi)的劇烈燃燒(爆壓可高達20MPa)，亦會發(fā)出強烈噪音；四沖程柴油機進、排氣閥周期性的啟閉，也會發(fā)出刺耳的敲擊聲。大型遠洋船舶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)范要求較高，且在機艙均設(shè)置隔音效果很好的集控室，一般能夠滿足我國運輸船舶艙室噪音標(biāo)準(zhǔn)及運輸船舶艙室噪音測量方法的要求。而內(nèi)河小型船舶多采用高噪音的中、高速柴油機作為動力裝置，且有很多小船根本沒有集控室，輪機人員長期暴露在高噪音的沖擊之下，長此以往，聽力嚴(yán)重受損，身心健康無法保障。然而天然氣

9、動力船舶所使用的燃氣輪機，在使用時噪音主要有三種形式：進排氣噪聲、機體輻射噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲。一般情況下，其機體輻射和結(jié)構(gòu)噪聲要比柴油機小，但由于它需要的空氣量大，所以它的進排氣噪聲要比柴油機大。4.天然氣動力裝置介紹4.1蒸汽輪機 蒸汽輪機推進系統(tǒng)主要由鍋爐、蒸汽輪機和齒輪減速傳動裝置組成。其工作原理是鍋爐產(chǎn)生的蒸汽通過蒸汽渦輪機將熱能和壓力勢能轉(zhuǎn)換成動能驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，經(jīng)減速裝置減速后帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，從而推動船舶前進。蒸汽輪機占據(jù)今天全球LNG船推進系統(tǒng)的主流，主要原因為：LNG船舶的航速要求一般較高，蒸汽輪機輸出功率大，可以滿足LNG船對大功率推進系統(tǒng)的要求；同時系統(tǒng)功率裕量較大、可靠性較

10、高，可以滿足交貨時效性的要求；在蒸汽輪機系統(tǒng)中LNG蒸發(fā)汽或重油均可用作鍋爐的燃料，也可以采用一定比例混合燃燒方式，LNG蒸發(fā)汽可以得到很好的利用；在只燃燒蒸發(fā)汽時排出的排放物也較為清潔；維護不是很頻繁且費用也相對較低；主鍋爐和蒸汽透平結(jié)合的主推進系統(tǒng)有效地解決了蒸發(fā)汽的安全利用問題；LNG的應(yīng)用技術(shù)在相當(dāng)長的時期內(nèi)只被少數(shù)幾個發(fā)達國家所掌握，同時市場長期處于供過于求的狀態(tài)，LNG價格較低，蒸汽輪機系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性較好。而其他主推進系統(tǒng)方案相對地都或多或少存在一些技術(shù)瓶頸，成了作為LNG船主推進系統(tǒng)的障礙。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，蒸汽輪機系統(tǒng)在某種程度上說已成為LNG船的標(biāo)準(zhǔn)主動力系統(tǒng)。4.2燃氣輪

11、機在LNG船上采用燃氣輪機推進裝置，可采用機械式或電力式。燃氣輪機重量較輕，無振動、并且可以使用雙燃料(使用重油作為備用燃料)。它的低效率某種程度上可通過聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)來彌補然而，燃氣輪機對電站和氣體壓力的要求較高，這會使安裝更復(fù)雜，費用更為昂貴。4.3復(fù)合渦輪機組復(fù)合渦輪機組(即燃氣輪機發(fā)動機十蒸汽輪機發(fā)動機)，是在用燃氣輪機燃燒蒸發(fā)汽的同時，利用廢氣能量產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動蒸汽輪機。這種發(fā)動機的燃料效率較一般的蒸汽輪機好，而且排放的廢氣與汽輪發(fā)動機相同，是比較清潔的。缺點是需要高質(zhì)量的石油燃料，并且不能與蒸發(fā)汽混合燃燒。將來還可能考慮與電力推進裝置相結(jié)合。從環(huán)保因素考慮將來有可能會采用此種方案的推

12、進系統(tǒng)。4.4雙燃料電力推進雙燃料發(fā)動機(燃油和蒸發(fā)氣)的發(fā)展己經(jīng)使有效利用蒸發(fā)氣成為可能，雙燃料發(fā)動機是從重油柴油機發(fā)展而來。因此雙燃料發(fā)動機推進裝置也是現(xiàn)代LNG船一個具有強有力競爭力的選擇。雙燃料發(fā)動機是一種經(jīng)過特殊改造的可直接燃燒LNG蒸發(fā)汽和燃油的內(nèi)燃機，有高壓型和低壓型兩種。高壓型雙燃料內(nèi)燃機在噴射少量的點火柴油后，即可將船上蒸發(fā)的LNG氣體高壓噴射進入燃燒室燃燒；低壓型雙燃料柴油機可將船上蒸發(fā)的LNG氣體以較低的壓力(約4barcm2)噴射進入燃燒室，在輕油點火下燃燒。前者使用高壓LNG管路有泄漏的危險，后者則需要額外配置點火裝置。據(jù)有關(guān)資料，在挪威近海項目中，在小型LNG船上推

13、進系統(tǒng)有直接采用了雙燃料發(fā)動機作為主推進裝置，但此系統(tǒng)需要和蒸發(fā)汽氧化裝置配套使用。與常規(guī)動力裝置相比，使用這種雙燃料發(fā)動機不但最大限度地利用了蒸發(fā)汽燃料，而且大大降低了燃油的消耗和運營成本，可節(jié)約燃料2030，提高發(fā)動機的效率。在一艘13.5萬立方米LNG船上，MAN BW柴油機公司對燒重油的蒸汽輪機與燒重油和天然氣的雙燃料發(fā)動機進行了比較，后者每年可為船東節(jié)約250萬美元左右的費用。同時，雙燃料發(fā)動機具有很低的排放，其氮氧化物的排放量只相當(dāng)于普通柴油機的110，二氧化碳的排放也相當(dāng)?shù)?。由于雙燃料發(fā)動機可以在氣體燃料和液體燃料兩種模式下交替工作，而且兩種模式是自動切換，在停止氣體燃料供應(yīng)時，

14、發(fā)動機不會停止運行，而是自動切換到液體燃料模式。隨著船舶動力裝置的不斷發(fā)展，雙燃料發(fā)動機以其可使用兩種燃料、重量輕、制造成本較低等優(yōu)點將成為今后LNG船主推進裝置的一個重要選擇。5.我國天然氣燃料動力船舶規(guī)范隨著船舶越來越廣泛的使用天然氣，發(fā)布了天然氣燃料動力船舶規(guī)范。它是在CCS氣體燃料動力船檢驗指南（2011）的基礎(chǔ)上，依據(jù)CCS“天然氣燃料動力船關(guān)鍵技術(shù)研究”、“船用LNG燃料罐結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究”等課題的研究成果和大量實踐調(diào)研成果，按照目標(biāo)型標(biāo)準(zhǔn)（GBS）和風(fēng)險評估理念而制定的針對以天然氣燃料作動力的鋼質(zhì)船舶規(guī)范。相對于2011版“指南”本規(guī)范的主要變動是：（1）在“指南基礎(chǔ)上，從使用方

15、便性的角度，對規(guī)范結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，并新增氣罐、氣體燃料發(fā)動機、電子控制系統(tǒng)、熱交換器4大關(guān)鍵產(chǎn)品的技術(shù)要求，作為4個附錄。（2）對原指南中部分內(nèi)容進行修訂，增加氣罐連接處所、管系試驗，氣體閥件單元處所、半圍蔽處所內(nèi)的儲存、供氣管路閥件布置圖等方面的要求，對氣罐處所、機艙內(nèi)供氣系統(tǒng)、氣體燃料發(fā)動機的功能性要求等內(nèi)容進行了調(diào)整。（3）新增氣體燃料充裝、天然氣標(biāo)準(zhǔn)充裝接頭的相關(guān)技術(shù)要求。（4）將風(fēng)險分析理念貫穿規(guī)范始終，新增故障模式及影響分析（FMEA）的要求。6.天然氣動力船舶在全球市場的現(xiàn)狀 在全球船用天然氣發(fā)展現(xiàn)狀方面，現(xiàn)在，天然氣作為船用燃料在全球范圍內(nèi)普及程度較低，只有零星幾個國家在為數(shù)不多

16、的輪渡、游輪等進行定點運輸?shù)拇吧嫌昧颂烊粴庾鳛榇萌剂?，全球大部分船用天然氣?yīng)用集中在挪威。天然氣運載船多采用柴油和BOG雙動力系統(tǒng)，其推進系統(tǒng)毫無例外都是蒸汽渦輪動力裝置。目前全世界有300多艘LNGCs，BOG幾乎都作為蒸汽渦輪裝置的燃料來用。然而，LNG燃料經(jīng)濟性優(yōu)勢正在推動船用LNG的發(fā)展。國家原油供應(yīng)緊張，油價維持在高價位，而國際LNG價格則在2009年以后大幅回落，油價與天然氣價格之間的落差越來越大，從燃料成本等經(jīng)濟效益考慮，燒LNG比燒柴油合算。  同時，國際船舶排放標(biāo)準(zhǔn)將促使船用LNG快速發(fā)展。近年來，國際海事組織（IMO）加強了對海上船舶排放的強制性規(guī)定

17、，如果各國都執(zhí)行IMO的排放強制性規(guī)定的話，5-10年后世界上用于近海貿(mào)易的船只大多數(shù)都會使用LNG作為船用燃料。未來LNG船用燃料國際市場發(fā)展重點區(qū)域是波羅的海地區(qū)、北海和地中海地區(qū)。   目前，國際上LNG燃料船動力系統(tǒng)主要由瓦錫蘭、MAN、羅爾斯·羅伊斯和三菱重工四家公司供應(yīng)，其中瓦錫蘭和MAN以雙燃料發(fā)動機為主，而羅爾斯·羅伊斯和三菱重工以氣體發(fā)動機為主。  LNG船體制造方面，日本韓國為主要產(chǎn)地。三菱重工是多艘LNG燃料船舶主機的供應(yīng)商，日本商船三井于2009年公布了采用LNG燃料的“ISHIN-II”號環(huán)保渡船的

18、設(shè)計構(gòu)想，大宇造船與海洋公司目前正在開發(fā)采用LNG燃料的大型集裝箱船，該公司與MAN公司正在共同開發(fā)應(yīng)用于14000TEU集裝箱船的ME-GI發(fā)動機和DSME高壓低溫燃料供應(yīng)系統(tǒng)。7.天然氣動力船舶在我國的發(fā)展概況 目前，國內(nèi)船用天然氣利用基本處于空白領(lǐng)域，我國內(nèi)河航運燃料以柴油動力為主，尚未將LNG燃料應(yīng)用于船用領(lǐng)域，但近兩年LNG行業(yè)內(nèi)一些技術(shù)領(lǐng)先公司已經(jīng)嘗試將LNG船用燃料作為LNG行業(yè)未來發(fā)展的一個重要方向，已有多種型號的船舶主流柴油機已經(jīng)進行臺架測試，并通過了國家相關(guān)部門組織的鑒定驗收，證明了技術(shù)和經(jīng)濟上的可行性。此外在政府“節(jié)能減排”政策指引下，內(nèi)河船改裝LNG燃料將成為重點發(fā)展領(lǐng)

19、域。   從發(fā)展趨勢來看，一方面，未來我國內(nèi)河LNG船數(shù)量會快速增長。我國內(nèi)河航運資源豐富，擁有大、小天然河流5800多條，河流總長43萬公里，對內(nèi)河船舶的需求量巨大。而在節(jié)能減排大背景下，在LNG接收站不斷增加的基礎(chǔ)上，發(fā)展內(nèi)河LNG船舶對防治船舶污染，對保護江河水域環(huán)境，具有十分重要的現(xiàn)實意義。預(yù)計未來3年總共會有5萬多艘輪機船進行改裝，直接帶動能源設(shè)備價值高達260億元人民幣的市場增量。  另一方面，國家加大資金投入推進內(nèi)河航運發(fā)展，對LNG船發(fā)展構(gòu)成有力支持。交通運輸部副部長徐祖遠透露，“十二五”期間，中央將安排450億元財政資金，加大航道、支持保障系統(tǒng)和

20、中西部地區(qū)港口等的資金投入，同時安排50億元財政引導(dǎo)資金，推進內(nèi)河船型標(biāo)準(zhǔn)化和運力結(jié)構(gòu)調(diào)整。這意味著“十二五”內(nèi)河航運投資將比“十一五”期間增加2.7倍，增幅創(chuàng)造歷史新高。8.天然氣動力船舶在未來的發(fā)展前景德國勞氏船級社(GL)目前正在研究以液化天然氣(LNG)為船用燃料的可行性。GL一名董事會成員表示，考慮到所需的LNG儲罐的體積，大型遠洋集裝箱船以LNG為燃料的可能性不大，但對于在波羅的海區(qū)域運營的小型支線船舶來說，以LNG為燃料卻較為可行。雖然采用這種新燃料的集裝箱船將比用常規(guī)燃料的集裝箱船昂貴，但前者的燃料成本更低，廢氣排放量更少。法國船級社曾指出“天然氣動力推進系統(tǒng)將成為今后綠色航運

21、的主要貢獻因素之一?！痹撋绱安块T總經(jīng)理Bernard.Anne說，“采用天然氣為船舶動力具有減少污染排放等諸多的優(yōu)勢。天然氣供應(yīng)充足豐富，與低硫含量燃料相比還具有價格優(yōu)勢。我們已經(jīng)在研究改裝現(xiàn)有船只的可能性?！睋?jù)GL預(yù)計，兩艘分別以LNG與重油為燃料的1500TEU集裝箱船，前者每年為船東帶來的收入將比后者低20萬美元。這是因為LNG儲罐的體積較大，導(dǎo)致前者的載貨量比后者少3%左右。然而，隨著船舶減排的法規(guī)日益嚴(yán)格，后者因排放二氧化碳而需繳納的有關(guān)費用更多。據(jù)此測算，對船東來說，采用上述兩種燃料的船舶的運營收益基本相當(dāng)。基于上述分析，GL預(yù)測，到2012年，在對船舶排放控制很嚴(yán)的波羅的海區(qū)域

22、將出現(xiàn)以LNG為燃料的集裝箱船。在一屆于北歐舉辦的世界天然氣論壇上，該公司得知，根據(jù)相關(guān)公約，為保護海洋環(huán)境，北歐將推廣使用LNG船用燃料系統(tǒng)。漢姆沃斯公司負(fù)責(zé)人表示，LNG燃料系統(tǒng)能提高船舶的經(jīng)濟性和環(huán)保性，降低其運營成本和儲運成本。到2015年，北歐地區(qū)將有近千艘船舶停止使用柴油，改以天然氣為燃料，且此后這一海域運營的各型新建船舶也將安裝LNG燃料系統(tǒng)。據(jù)預(yù)測，北歐市場對該系統(tǒng)的需求量每年將達到數(shù)百臺。鄔品芳介紹說，船舶采用天然氣取代柴油后，其燃料成本有望降低1/3左右。DNV(挪威船級社)執(zhí)行副總裁Remi.Eriksen日前也公開表示：“全球航運界到2030年有潛力實現(xiàn)減排30%，這其

23、中最有效的措施就是使用LNG作為燃料。由于所在區(qū)域?qū)Υ芭欧乓笕找鎳?yán)格，丹麥、挪威等北歐國家已經(jīng)開始使用以LNG為燃料的渡船、滾裝船、海岸警備船、LNG船和平臺供應(yīng)船。這說明，隨著全球范圍內(nèi)對氣體排放要求越來越高。9.天然氣動力船發(fā)展面臨的問題9.1改建現(xiàn)有船隊和天然氣儲存基礎(chǔ)設(shè)施缺乏首先最大的障礙是配套的基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，由于大部分港口天然氣補給設(shè)施不配套，盡管天然氣補給并不困難，但是港口方面卻沒有建立起完備且實用的配套體系，正如當(dāng)前汽車加氣站匾乏制約了燃氣汽車普及，天然氣在船舶上的運用也收到了制約。天然氣配套基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)涉及港口的規(guī)劃布局，需要政府企業(yè)的規(guī)劃以及企業(yè)與政府機構(gòu)的密切溝通和配合。9.2天然氣燃料船的續(xù)航能力還較弱目前，以天然氣為燃料