柴油和LNG混合動力技術(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—LNG混合動力，是在不改變原柴油機(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–LNG雙燃料混合動力，LNG—柴油雙燃料發(fā)動機(jī)具有兩種工作狀態(tài)，兩套燃料儲存系統(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，可減少氣缸與活塞之間的磨損，有利于延長發(fā)動機(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59.3 m，型寬11.8 m，設(shè)計(jì)載貨量1585 T，兩臺8138Cz9型柴油機(jī)，主機(jī)總功率為220 KW。根據(jù)《氣體燃料動力船檢驗(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，雙燃料動力由三大系統(tǒng)組成，即LNG儲供氣系統(tǒng)，柴油—天然氣混燃電控噴射系統(tǒng)，消防報(bào)警系統(tǒng)。

LNG儲供氣系統(tǒng)，由LNG儲罐，氣化及穩(wěn)壓裝置和天然氣供應(yīng)管系組成。LNG儲罐是低溫燃料儲存設(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)。首先對安放儲罐的二層甲板進(jìn)行加固，為罐體安裝基座和支撐并吊裝儲罐。見下圖：

根據(jù)《氣體燃料動力船檢驗(yàn)指南》的要求，儲罐和管線的壓力設(shè)計(jì)壓力不低于1.0MPa，本項(xiàng)目儲罐設(shè)計(jì)壓力1.05 MPa，管線設(shè)計(jì)壓力1.6 Mpa。儲罐處所按照《氣體燃料動力船檢驗(yàn)指南》的要求，安裝有安全閥，儲罐壓力高于1MPa的時(shí)候，安全閥自動打開，通過放散管泄壓。儲罐處還安裝有電動、手動、氣動三個(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)，包括一臺可燃?xì)怏w報(bào)警控制器和三個(gè)可燃?xì)怏w探頭、兩臺防爆軸流風(fēng)機(jī)、四臺干粉滅火器。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)會顯示哪個(gè)部位報(bào)警，并自動采取相應(yīng)的動作。

實(shí)船營運(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—LNG混合動力是由LNG儲罐，氣化及穩(wěn)壓裝置，柴油—天然氣混燃電控噴射系統(tǒng)和消防報(bào)警系統(tǒng)組成，贛撫州貨0608號船改裝費(fèi)用為38萬元。期中：LNG儲罐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(純柴油單位成本為20.27元/ktkm，柴油—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號船年完成運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量 39680ktkm左右，根據(jù)此數(shù)據(jù)測算，該船使用柴油—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—LNG雙燃料動力在技術(shù)上是可行的，實(shí)船營運(yùn)三個(gè)月表明，使用柴油—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)的動力性能能滿足船用推進(jìn)主機(jī)的需要。

實(shí)船營運(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)還必須解決推廣中的經(jīng)費(fèi)、培訓(xùn)和宣傳等問題。

江西省目前正在制定“十二五”水運(yùn)節(jié)能減排專項(xiàng)規(guī)劃，擬推廣柴油—LNG雙燃料動力船100艘，力爭達(dá)到碳排放量減少5000噸，天然氣取代純柴油6000噸，柴油-LNG混合動力船舶燃料成本下降20%的目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)綠色水運(yùn)做出新的貢獻(xiàn)。

(作者單位：江西省港航管理局)