船舶LNG双燃料动力系统改造论证Word文档下载推荐.docx

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c柴油—天然气双燃料发动机

——技术可行、法规规范成熟、监管明确，关键技术存疑本项目研究

2.2柴油—天然气双燃料发动机

a进气总管预混合（增压器前、后预混）——单点喷射×

试点多，不理想

b进气支管混合——多点喷射—国内技术前沿，本项目采用

c燃气直接喷入气缸—暂未闻国内柴油机厂展开实机试制

单点喷射

多点喷射

特点

采用一个喷射阀将燃气从进气总管喷入

采用多个喷射阀将燃气从进气歧管喷入，可分别控制各气缸什么时间喷入、喷入多少

优点

结构简单，维护方便，成本低

可较准确控制空燃比，提高燃烧效率

可避免气门重叠角期间燃气扫出，有效控制THC（Totalhydrocarbons）排放

缺点

控制精准度差，响应慢，THC排放高，燃料消耗率高

喷射阀多，控制要求高，成本高

*供气管路满足本质安全机器处所要求比较困难

2.3本项目总体架构

立足于国内的技术发展现状，采用如下的清洁能源推进系统（双机双桨）：

特点：

在现有技术水准和条件下最大限度地燃用天然气

●航行：

推进——主要燃用天然气

发电——主机轴带，主要燃用天然气，不开柴油发电机

●停泊：

10kW，天然气发动机发电（~3.5万）

【氢燃料电池发电,~35万（电堆12万、制氢15万、配套8万）】

*技术上可行，布置上有难度，系统设计方面需攻关

*增加该项试验性应用可成为项目亮点，但需要投入人力和资金

建议增加

●仅靠/离码头、应急：

全柴油

3.1任务书的表述

在一艘7000t级散货船上做实船验证。

▲主推进系统的CO2排放减少18%以上

▲NOX排放减少30%以上

▲降低燃料成本20%以上

▲燃油替代率达到70%以上

▲示范7000t散货船比国际公约要求的能效设计提高10%以上

3.2验证船的船型符合性

验证船“长航集运8303”为集装箱、干散货两用船√

“吨级”一般指载重吨位。

长航集运8303载重吨稍小不影响技术适用性

A级航区：

吃水5.0m，排水量6291.4t，DWT=6291.4-1056.4=5235t

B级航区：

吃水5.1m，排水量6430.4t，DWT=6430.4-1056.4=5374t

3.3对比采用的测试数据

对比是采用实船测试数据还是采用台架测试数据？

鉴于:

（1）NOX排放等项目，要在实船上进行准确测量非常困难；

（2）实船环境、工况等随时在变化，而且，影响试验的因素繁杂；

（3）交通部和CCS的相关评估认定办法和指南均采用台架试验数据。

建议：

用台架试验数据进行对比

3.4对比对象

“长航集运8303”实船主机720kW×

2，配置偏大，任务书讲“与传统主推进系统比”，该与哪档功率的系统比？

鉴于：

近似吨位船舶较合理配置为600kW×

2

与600kW×

2的传统主推进系统比

3.5对比的基准、工况点及技术指标能否达到要求的预评估

参照《内河示范船技术评估和认定办法》[交水发（2014）144号]、《内河船舶能效设计指数（EEDI）评估指南（2012）》，建议比较主机在75%额定负荷时的CO2排放，即选取主机工况点：

600kW×

75%=450kW

（1）燃油与LNG按低位热值换算，长航集运8303轮CO2排放：

序号

名称

代号

单位

计算公式或数据来源

结果

1

0#轻柴油低位热值

LHV1

MJ/Kg

GB/T3254.1-94规定的标准环境状况

42.7

LNG低位热值

LHV2

《规范》1.1.3.1

49.5

3

LNG密度

ρ

kg/m3

450

4

每千克0#轻柴油等效LNG质量

M

kg

5

每吨0#轻柴油等效LNG体积

V

m3

6

主机额定功率

MCR

kW

设计选型

600

7

评估基准点的主机功率

P

P=0.75MCR

450

8

轻柴油CO2转换系数

CY

《指南》表2.2.1

3.151

9

LNG燃料的CO2转换系数

CQ

2.750

10

LNG燃料替代率

α

%

任务书

70.0%

11

评估基准点的主机耗油率

G

g/kw*h

柴油机推进特性曲线图

202.0

12

燃油工况每小时CO2排放量

Q1

g/h

Q1=Cy*G*P

286430

13

双燃料工况LNG消耗率

G1

G1=α*G*M

122.0

14

双燃料工况轻柴油消耗率

G2

G2=（1-α）*G

60.6

15

双燃料工况每小时CO2排放量

Q2

Q2=（Cy*G2+Cq*G1）*P

236873

16

CO2排放降低率

ƒ

（Q1-Q2）/Q1*100%

17.3%

任务书要求CO2排放降低>

18%，当燃油替代率α=70%时不能达到目标，需提高至α=73%

（2）燃油与LNG按做功效能换算，长航集运8303轮CO2排放：

MJ/kg

GB/T3254.1-94规定的标准状况

600

评估基准点主机功率

3.15104

2.75000

计算基准点主机耗油率

g/kW*h

128.2

244638

14.59%

18%，燃油替代率需提高至α=86.4%

★建议：

对主机改造，要求在75%额定负荷时，燃油替代率达到73%

根据CCS《船用柴油机氮氧化物排放试验及检验指南》、《内河示范船技术评估和认定办法》[交水发（2014）144号]，按主机额定功率25%、50%、75%、100%工况的排放值进行加权计算。

经过调研，目前双燃料发动机无法依靠发动机技术达到NOX减排30%，只能采用排气后处理等措施实现。

因此建议采用技术较为成熟可靠的选择性催化还原（SCR）系统，与SCR生产厂签订合同，保证NOx减排率>

30%。

长航集运8303轮上、下水航行的NOX排放情况：

实测数据估算27g/kWh，降30%→18.9。

法规要求：

45.0n（-0.2）=10.5g/kWh

以纯柴油模式台架试验数据为基准，采用SCR处理降低30%

按项目申报（2013.9）时价格、主机75%负荷时燃油替代率70%计算

【数据来源：

国家发展改革委2013年9月13日“发改电[2013]184号”、《ICISC1中国LNG市场周评（2013-9-16）》】

0号柴油价格：

8355元/t

LNG在西南、华东、华南三区平均价：

5590元/t

燃油替代率70%，降低燃油成本：

1-（30%×

8355+70%×

——×

5590）/8355=27.5%

若0号柴油5300元/t、LNG价4600元/t，燃油替代率70%

则降低燃油成本：

5300+70%×

4600）/5300=14.9%

常用工况燃油替代率50%，近期0号柴油5300元/t、LNG价4600元/t

降低燃油成本：

1-（50%×

5300+50%×

4600）/5300=10.6%

若长航集运8303年耗油400t，则节省燃油费：

400×

5300×

10.6%=224,720元

根据《内河示范船技术评估和认定办法》[交水发（2014）144号]，主机燃油替代率在75%额定功率考核。

替代率Td=（纯柴油模式油耗量Bc-双燃料模式油耗量Bo）/Bc×

100%

★没有考虑LNG的热值与做功效能问题，即未考虑耗气的多少

★完成CO2排放指标，要求主机在75%额定功率时，燃油替代率达到73%。

超过任务书规定的燃油替代率指标（70%）。

柴油机厂、发动机改造服务商均表示：

可保证完成燃油替代率指标

★根据船舶实际营运情况，建议主机只在80%负荷以下燃用LNG，在80%负荷以上全用柴油；

主机双燃料最佳工况向40—50%负荷区域调整。

按《内河船舶能效设计指数（EEDI）评估指南（2012）》计算，与《内河绿色船舶规范（2013）》规定的能效设计指数基线值进行比较。

经双燃料动力系统改造后的估算结果

船型

集装箱船

散货船

航区

A

B

C

排水量t

6291.4

6431.4

4934.4

75%MCR时航速

18.46

18.37

19.48

能效设计指数基线值RLV

18.608

18.319

22.234

13.502

8.563

9.875

达到的能效设计指数EEDI

14.733

14.419

18.866

10.313

10.093

13.206

EEDI/RLV

0.792

0.787

0.849

0.764

1.179

1.337

4.1验证船“长航集运8303”基本情况【总吨4068t（五层，250+12=262箱，13t/箱）】

总长：

90.00m

设计水线长：

87.80m

垂线间长：

86.00m

型宽：

16.16m

型深：

6.00m

设计吃水：

A：

5.00m（排水量6291.4t,载货量5130t）

B：

5.10m（排水量6431.4t，载货量5270t）

J2：

4.00m（排水量4934.4t，载重量3773t）

设计静深水航速：

18km/h（吃水4.00m，主机541kW×

2时）

船员：

8人

主机：

8190ZLC1×

2台

持续功率（MCR）：

720kW@1450r/min

齿轮箱减速比：

5:

螺旋桨直径：

2.16m

4.2主要改造内容

（1）将原柴油机推进系统改造为LNG—柴油双燃料动力推进系统

（2）进行机桨匹配优化

（3）加装轴带发电机系统

（4）加装脱硝装置

（5）加装能效管理系统

4.3本船双燃料动力系统改造特点

（1）按机桨匹配优化调整主机：

720kW@1450r/min→600kW@1200r/min

且要求双燃料最佳工况向低负荷区优化

（2）主机改造采用多点喷射技术

（3）采用带气罐连接处所的双层真空绝热LNG储罐，按半围蔽处所布置

（4）机舱布置按本质安全型机器处所设计

（5）LNG气化采用主机内循环冷却水

4.4改造总体布置

4.5机—桨匹配优化

机—浆匹配优化——任务书的直接要求；

——增加轴带发电机，须对原匹配点进行复核和优化；

——完成EEDI指标的途径之一。

实船现状：

▲桨重，不能开到额定转速1450r/min

——若增加轴带发电机，则会更重

▲燃油消耗较高，直接推高EEDI指数

优化方法：

根据航行试验数据进行技术分析，寻求最佳匹配点

研究螺旋桨负载轻重对主机燃油消耗率的影响

长航集运8303轮的特性曲线：

4.5.1主机功率配置核算

（1）实船测试数据

测试条件：

艏吃水4.60m，舯吃水4.70m，艉吃水4.80m，排水量5877.7t

静水航速km/h

7.94

10.37

12.54

14.95

16.66

18.58

上水主机总功率kW

64.8

83.4

225.6

457.9

689.4

843.1

下水主机总功率kW

67.7

87.4

222.0

457.5

709.2

830.5

平均主机总功率kW

66.25

85.4

223.8

457.7

699.3

836.8

依据实船测试曲线，静水航速为18km/h时，主机总功率为792kW。

（2）满载航速18km/h所需主机总功率【海军常数法】

A级航区满载状态为：

吃水5.00m，排水量6291.4t。

所需主机总功率：

792kW*（6291.4t/5877.7t）^（2/3）=829kW

B级航区满载状态为：

吃水5.10m，排水量6431.4t。

792kW*（6431.4t/5877.7t）^（2/3）=841kW

（3）主机装机功率

按B级航区满载，最大静深水航速18km/h配机

单台主机功率=裕度1.1*总功率841kW/2台=463kW

增加50kW轴带发电机，主机装机功率需增加50kW/0.8=63kW

主机装机功率（每台）=463kW+63kW=526kW

（4）主机功率调整建议

鉴于现有主机为8190型720kW，调整到540kW左右没有可供参考的技术资料，建议调整至其基本型状态：

600kW@1200/min。

4.5.2螺旋桨匹配优化

从测试数据分析，实船螺旋桨的额定设计点为420kW@1200r/min，加轴带发电机后，与600kW@1200r/min的主机匹配良好，不须调整。

但从降低燃油消耗考虑，可作进一步优化……

4.6LNG燃料储罐选型

（1）气罐型式

LNG燃料储罐有薄膜型气罐、半薄膜型气罐、独立气罐（A型独立气罐、B型独立气罐、C型独立气罐）等。

本项目选用绝热性能好、商业化程度较高、安全性可靠、便于本船布置安装的卧式真空缠绕双层绝热C型独立气罐（带气罐连接处所）。

（2）气罐压力

考虑供气系统中各设备和器件的压力匹配、蒸发气体的储存，气罐设计压力定为1.2MPa。

（3）气罐容量

①常用工况燃油消耗量：

工况

静水航速

km/h

主机功率

耗油率

g/kWh

航时h（水流5km/h，

吴淞—阳逻1014km）

主机耗

油量t

主机每航次

耗油量t

上水950r/min

14.57

408

230

106.0

9.95

13.13

下水750r/min

12.29

203

267

58.6

3.18

辅机每航次耗油：

18kW/0.8*220*（106.0+58.6）*1.2/1000=978kg

其中上水：

18kW/0.8*220*106.0*1.2/1000=630kg

下水：

18kW/0.8*220*58.6*1.2/1000=348kg

燃油消耗总量：

13.13+0.978=14.11t/航次

②0#轻柴油与LNG换算

按低位热值换算；

按做功能效换算（采用）

③按每航次加注一次燃料、燃油替代率70%计算：

LNG罐容量=裕度1.1×

14.11t×

70%×

2.015m3/t/装载率90%=24.3m3

④按单程上水到港后加注燃料、燃油替代率70%计算：

（9.95+0.63）t×

2.015m3/t/装载率90%=18.2m3

★气罐容量建议：

综合考虑船舶上储罐布置空间、加注作业对营运的影响、加注LNG对安全监管的影响，建议选用20m3LNG燃料储罐。

4.7LNG储罐布置

★按半围蔽处所布置（机舱上面）

《天然气燃料动力船舶规范（2013）》

★气罐布置在机舱上方的唯一措施：

加900mm隔离舱

加隔离舱方案：

（1）在机舱之上

（2）在机舱以内

（3）在机舱之上和机舱以内各加一部分

机舱内加900隔离舱（强结构400）：

★无论是在机舱之上还是在机舱以内加900mm高隔离舱都不现实

★在机舱以内加420mm高隔离舱可行

★气罐布置在机舱上方时，要求加隔离舱的目的是为了防火隔热，而隔离舱的空腔距离对隔热效果的影响并不大，因此，建议仅在机舱内加420mm高隔离舱，在机舱内和甲板上敷设A60防火绝热层。

气罐需要布置在机舱上方的情况比较常见，问题带有一定的普遍性，请CCS规范所进行技术评估。

防火分隔：

4.8主机双燃料系统改造

（1）换新机与旧机改造

通过对国内双燃料发动机的调研，了解到新造机与旧机改造相比，在技术上并无实质性差别，且其燃料经济性、燃油替代率、排放指标等，并无显著优势，因此，确定长航集运8303轮采取旧机改造的方式实现清洁能源推进。

（2）额定功率调整

装船主机为720kW@1450r/min×

2台，通过分析论证和实船测试，认为有必要将主机的额定工况点进行调整。

（3）机舱布置型式

机舱布置型式有：

本质安全机器处所、ESD防护式机器处所、增强安全机器处所。

从安全的可靠性、改造的可行性、技术的成熟度、施工的难度等方面综合考虑，建议采用本质安全机器处所布置型式。

4.9LNG供气系统

（1）供气压力

根据主机燃气需要，采用低压供气系统，供气压力0.5—0.6MPa。

（2）供气流量

按主机额定功率时燃油替代率70%进行配置。

供气流量=600kW×

2台×

210g/kWh×

10-6×

2.015m3/t×

620×

1.2=264m3/h

★设计选取气化器容量300m3/h。

（3）气化加热

考虑到空温式汽化器在长江流域的冬季不能满足燃气加热温度的要求，采用水浴式汽化器。

气化系统热源采用热品质高、清洁、温度波动小的主机高温淡水。

由于本船有两台主机，两台主机的高温淡水不宜混在一起，且考虑到保持两台主机的热负荷平衡（两台都提供加热水），因此设置二次回路换热系统。

主机的高温淡水通过中间换热器加热乙二醇，乙二醇再进入气化器气化LNG并加热至5℃以上。

采用乙二醇作换热介质可避免冻结。

（4）供气管路形式

供气管路采用双壁管。

具体形式为：

供气管路安装在通风导管内，供气管路和通风导管之间的空间安装独立的机械式抽风机通风。

4.10LNG蒸发气处理

LNG蒸发气体释放或逃逸对大气环境的破坏作用更大，必须妥善处理。

处理方式有：

蒸汽再液化；

设置BOG储存罐；

设置气体燃料燃烧装置。

目前技术上和经济上均较为可行的方式是设置气体燃料燃烧装置。

本船设置10kW天然气发电机组，用于燃烧LNG蒸发气体，发出的电能用于生活用电和给蓄电池充电。

4.11脱硝装置

现有技术，解决双燃料发动机NOX排放减少30%的难度极大，比较现实可行的办法是在排气系统中增设脱硝装置。

脱硝装置生产厂已经对示范船舶“长航集运8303”的烟气进行了测试和分析，并开展了针对性的相关研究和试验工作。

4.12轴带无刷双馈交流发电机系统

考虑到本示范项目技术推广的广泛适应性，本船按CCS对主电源装置的要求，设置50kW轴带无刷双馈交流发电机系统。

无刷双馈轴带发电机的稳压稳频及其与柴油发电机组的智能转换及逻辑控制由其自带的控制系统完成。

4.13安保系统

通过开展保障LNG/柴油双燃料发动机安全运行的参数监控研究、全船燃气泄露点分析研究、LNG供气系统监控内容、参数的研究，制订安全保障具体策略；

通过船舶轴带发电机监控内容和参数研究，制订船舶电站安全保障具体策略。

安全保障系统牵涉面较广，将在技术设计中逐步深化细