燃料动力船舶技术发展与应用Word下载.docx
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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（CompressedNaturalGas）。
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。
是液化石油气（LiquefiedPetroleumGas）。
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LNG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%，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。
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1LNG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
3
《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》
2005
4
《内河散装运输液化气体船舶构造与设备规范》
2008
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》
8
《LNG燃料动力船舶应用安全研究项目组织与实施方案》
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
1.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：
kw,D=600mm）预计2015年推出。
2012年6月，韩国现代重工（HHI）推出HimsenH35/40GV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.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MAKM46DF，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.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、LNG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。
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.现有柴油动力到LNG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。
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LNG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.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
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