提升长江上游航段船舶LNG动力替代率的措施探索.docx

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提升长江上游航段船舶LNG动力替代率的措施探索

摘要：

为实现“气化长江”，推广LNG作为船舶清洁能源，本文针对某4000t级LNG-柴油双动力船舶，在长江上游复杂水域适航能力进行了系统性测试，结合船舶实际条件进行了船舶控制参数、驾驶习惯等多方面的改进。

结果表明：

LNG替代率达到60%，为客户节约燃料成本2422元/100km，避免了柴油发动机大量黑烟问题，降低了氮氧化物等污染物排放。

关键词：

LNG动力船舶；长江上游航段；控制参数；驾驶习惯 

1概述

经过近10年的探索，我国水上LNG燃料的应用目前已进入逐步推广发展阶段。

国家陆续颁布了LNG动力船舶改造、加注和营运监管等政策法规，天然气企业纷纷开展LNG船舶运行试点和加注趸船、码头试点示范项目建设。

但以往船舶改造都主要集中在长江中下游和运河河段，长江上游船用LNG试点项目较少。

前者河段水速较平缓，对船舶推进主机的突加突卸性能要求较低。

已有内河船舶LNG动力改造的研究均针对这种水域特征，并取得了较好的性能。

长江上游水域复杂，明滩暗流较多、水位落差大，对船舶的动力特性及船员的驾驶技术较之长江中下游及运河河段航行的LNG动力船舶有更高的要求。

对于LNG控制系统的动力动态反应特性，系统参数的设定需根据航线的实际工况进行更为细致和严苛的标定。

目前船舶单纯采用LNG提供动力时，动力输出并不理想，为使LNG/柴油双动力船舶持续高功率输出，必须降低LNG替代率、提高柴油使用率。

LNG替代率的降低，意味着无法有效节省燃料费用，许多船务公司难以积极地参与船舶动力改造，成为推广船舶LNG动力改造的关键瓶颈之一。

针对上述问题，本文以长江上游（库区以上）第一艘4000t级集装箱多用途LNG-柴油双燃料动力船舶为对象，对船舶运行数据及航线运行中的各种工况进行了采集、整理和分析，并经过对燃料喷射系统和船员驾驶习惯的改进，大大提高了LNG替代率，增强船东新建和改造LNG动力船舶的信心，显著助力LNG动力船舶改建市场的进一步拓展。

2项目概况

2.1船舶技术参数

LNG动力船舶型号：

4000t级集装箱多用途船舶

船舶运行航线：

重庆寸滩港-----四川宜宾港 （往返）

船舶航运里程：

768km

船舶主推动力:

735kW×2台（LNG-柴油机双燃料发动机）

船舶发电机：

64kW×1台

改进前燃料替代率：

32%

注：

替代率ε=（纯柴油模式下柴油用量-双燃料模式下柴油用量）/纯柴油模式柴油用量

2.2船舶LNG动力系统简介

（1）船舶LNG系统布置图见图1。

图1  船舶LNG系统布置图

（2）双燃料系统总图见图2。

图2 双燃料系统总图

（3）双燃料系统结构框图见图3。

 图3  双燃料系统结构框图

（4）产品优势

①可切换至纯柴油模式运行；

②改装方便，在原柴油机不变的基础上加装燃气喷射系统；

③ 动力足，功率等同于原柴油机功率；

④ 经济性高，替代率65%～-85%，综合使用成本降低约30%；

⑤ 采购成本比进口系统降低约30%～50%；

⑥ 集成化程度高；

双燃料发动机监控仪兼有柴油机监控仪的全部功能，可完全取代原柴油机监控仪；

⑦ 更先进的控制策略，突加突卸响应速度快；

⑧电磁气阀气密性、可靠性、寿命均高于进口同类产品；

⑨ 空燃比闭环控制，降低排放；

⑩ 集成动力云平台，实时监控发动机运行情况及船舶位置；

⑪完全自主知识产权，可个性化产品定制。

2.3运行数据及运行航线分析

（1）此次实船航行处于长江干线的枯水期，船舶运行受长江上游（特别是江津以上航段）水位偏低，河床最低水位距离船舶底部只有1m左右深度等影响，船舶载重只有2500t～3000t，预估进入长江丰水期，随着船舶载重量的增加，LNG的用量会增加1t/航次～2t/航次。

（2）长江上游航段有小滩子、斗笠子、莲石滩、瓦窑滩、铜鼓滩、桌子角等10余处明滩或暗流的复杂水域，船舶为保证安全航行，必须满负荷推进。

此时，发动机增压压力（0.26MPa～0.28MPa）和航速（820rpm/min～830rpm/min）,都超过了双燃料运行的安全条件，只能在纯柴油模式下运行，对LNG的使用量造成影响。

（3）船舶运营航线，急流多滩多，主机转速应用范围广，常常超出双燃料状态保护区（转速超800转自动退出双燃料），在系统退出双燃料后船员不会及时操作、切换回双燃料；

2.4问题及整改方案

通过实船出航时的数据采集，总结分析了实际运行工况的以下几个问题，见表1。

表1 运行问题分析及整改方案

3结果与分析

3.1控制系统优化

3.1.1由于两艘LNG动力船舶船员驾驶习惯不同，A船常开转速上行750rpm～780rpm之间，下行700rpm～720rpm；B船上行650rpm～700rpm；下行600rpm～650rpm；不可使用同一个控制MAP。

针对发现的情况，为两条船主机按以下方法进行了优化：

（1）更新电控程序，使电控系统一直保持在自动模式，主机转速超出双燃料状态保护区，喷射阀自动停喷燃气，回到保护区内，燃气自动恢复喷射。

（2）参数设置，提高了A船保护区的范围，上线由800rpm提高到815rpm，使系统不因突然转速波动，超出上限。

（3）原主机高负荷时，采用了保守的不烧气策略，更改为低替代率，适当掺烧。

（4）因两船使用习惯不同，B船多用低速区间，低速区柴油喷射量更少，MAP数值是比A船低5%左右。

（5）优化船舶顺水下行，原来下水不烧天然气改成低负荷低替代率，适当掺烧天然气。

优化后的计算油耗数据：

A船一航次综合替代率60%，B船一航次综合替代率55%；具体调整参数范围如图4和图5所示。

图4 调整前推进主机燃气运行参数图

 图5 调整后推进主机燃气运行参数

通过比对图4和图5的数据，可见：

（1）新增红色方框范围内的修正参数（每缸每循环的燃气喷射量），在保证发动机安全运行的前提下，适当增加了在低转速低负载工况下的天然气使用量。

（2）通过黑色方框范围内修正参数的调增，在保证发动机安全运行的前提下，相应增加了在中低转速、低负载工况下的天然气使用量。

（3）蓝色方框范围内修正参数的调增，在保证发动机安全运行的前提下，平稳增加了在中高转速、中高负载工况下的天然气使用量。

（4）绿色方框范围内的修正参数的调减，为保证发动机安全运行，平稳减少了在高转速、高负载工况下的天然气使用量。

通过以上4个重点范围的修正参数调整，涵盖了船用推进主机在低转速、低负载-----高转速、高负载，全工况内的LNG进气量的系统优化。

3.1.2在长江干线上游航段的枯水期，船舶在纯柴油模式下，通常柴油耗量为12t/航次。

通过以上对控制系统参数的优化，在双燃料模式下，柴油耗量减少到5.5t/航次，LNG用量为6.5t/航次，达到55%左右的替代率。

按柴油7900元/t，LNG4800元/t的价格计算，每航次能节约燃料成本约18600元，节约率为19.62%。

（1）每航次节约燃料成本如表2所示。

表2 船舶燃料成本节约统计表（每航次）

（2）优化前后船舶实际运行中LNG、柴油用量对比数据如图6、图7所示。

通过对图6和图7的数据比对，我们可以看到：

LNG用量：

优化前约3t，优化后约6t，LNG用量增加约100%。

柴油用量：

优化前约10t，优化后约为6t，柴油用量减少约40%。

（3）LNG动力船舶优化后的运行数据如表3所示。

图6 优化前后LNG用量对比

图7 优化前后柴油用量对比

表3 LNG动力船舶优化后的运行数据

备注：

①此次运行768kM（重庆-宜宾，往返），测试船舶实际的柴油用量约6.24t，LNG用量约6t。

②替代率ε=（纯柴油模式下柴油用量-双燃料模式下柴油用量）/纯柴油模式柴油用量

③船舶在重庆-宜宾的上行航段时，实船测得,在双燃料运行模式下，柴油耗量由纯柴油模式下的9.32t降低为4.72t，通过计算公式，计算出LNG替代率为50.6%。

（宜宾-重庆下行航段，计算方式相同）。

3.2驾驶习惯改进

在实船出航时，也着重注意了航道运行、船长驾驶习惯。

后者也会对LNG的用量有重要影响。

在保证船舶安全运行的情况下，船长和机舱操作人员，适当降低船速，使发动机运行转数控制在650rpm/mi～800rpm/min，即可保证LNG持续使用，降低柴油的用量。

改进后每小时能节约的燃料费用如表4所示。

 表4 改善驾驶习惯节约的燃料费用

备注：

通过实船测试，柴油油耗是0.08吨/台·h，此船配备2台推进主机，所以整船柴油油耗为0.08*2*7900=1264元/h；类似方法，可以算出双燃料模式下，柴油和LNG的每台·小时的耗量。

4节能减排效果

LNG作为动力燃料相对柴油具有安全性、环保性、经济性的优越特性已被全球能源、运输、制造等各大行业深度认可。

同时，在国内长途运输车及客运车领域也广泛得到应用。

作为船舶动力源，在国内从试行推广到实现成功通航三峡船闸的约10年的时间里，其环保、安全、经济性也得到了进一步的论证。

根据中国船级社《排放指南》，并结合中国海洋石油总公司等专业机构统计资料及实船数据收集，总结了以下数据。

其中：

CO2约减低20%，NOx约减低100%，SOx约减低100%，PM悬浮颗粒物约减低80%，如图8所示。

图8  船舶污染排放物对比分析表

5结论

船舶航行在长江中上游航段（特别是上行）时，必须在大马力全速工况下，才可能打滩成功。

若采用纯柴油模式，在气缸内形成积碳或在气缸外燃烧，易形成黑烟；而燃气发动机燃烧产物主要是二氧化碳和水，不含硫化物和铅，LNG是低温气体，进入气缸内，可以降低缸内温度同时替代部分柴油燃烧做功，有助于减轻尾气黑烟的发生。

而如何能保证在此工况下，减少或完全让黑烟消失，是目前国内长江下游和运河航段LNG动力船舶未遇到和未完全解决的问题。

根据对船舶在长江上游的LNG船舶试点数据采集以及对船舶LNG动力系统优化调整后，燃气替代率在55%～60%，燃油费节省30%左右，且为柴油-LNG双动力，在运行过程中船舶动力基本不受影响，一旦形成示范效应，将带动川江流域更多船舶纳入LNG燃料改装，LNG船用加注市场扩大，促进加注站建成可为周边居民提供部分就业岗位，带来明显的经济效益和一定的社会效益。

2018年交通运输部发布《关于深入推进水运行业应用液化天然气的意见》提出，到2025年，我国要基本形成覆盖全面、技术先进的水运装备LNG清洁能源应用体系，基本建成完善的加注服务网络，新建公务船舶应用LNG比例达15%以上，内河水域新建内河和江河直达船用LNG比例达10%以上。

从近年来密集出台的LNG产业相关政策来看，从顶层设计、完善配套政策到激发市场活力，“气化长江”工程逐步形成“一盘棋”谋划，政府与市场正逐步形成密切的合作模式，尽管目前长江内河航运LNG应用还处在发展初期阶段，但随着长江大保护战略的深入推广，船舶LNG应用将迎来发展的黄金时期。