3000t級貨船柴油-LNG混合動力改造

于全虎，王 穎

(1.江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003；2.淮安新奧燃氣有限公司，江蘇 淮安 223002)

3000t級貨船柴油-LNG混合動力改造

于全虎1，王 穎2

(1.江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003；2.淮安新奧燃氣有限公司，江蘇 淮安 223002)

以3 000 t級京杭運河柴油-LNG混合動力改造試點船舶為研究對象，在不改變機體結構和燃燒方式的前提下，通過對船用柴油機加裝雙燃料系統，使其能夠在混合動力模式下運行，從而獲得理想的動力性能、經濟性和排放的環保性。同時介紹了LNG儲存、汽化和供氣等主要氣體系統，分析了混合動力船舶對防火分隔、消防、監控、防爆保護等要求與處理方法，探討了逃逸氣體的控制方式，希望能在摸索LNG船舶應用方面提供一些參考。

貨船；柴油;液化天然氣；混合動力

0 引言

能源緊缺和發動機尾氣對氣候環境的影響問題已成為世界范圍內影響經濟社會發展的重大問題，交通運輸行業是能源消費和溫室氣體排放的重要領域之一， 2011 年《國務院關于加快長江等內河水運發展的意見》中提出要建成暢通、高效、平安、綠色的現代化內河水運體系，運輸效率和節能減排能力顯著提高。

我國內河船舶長期以來一直以柴油動力為主。近年來石油資源日益短缺，國際油價不斷上漲，導致內河水運行業成本不斷攀升，燃料費用有時甚至超過船舶營運總成本的60%，并且大部分船舶柴油機的尾氣排放難以滿足海事與環保組織愈加苛刻的排放要求，因此使用清潔燃料是一個很好的突破口。液化天然氣LNG是一種清潔、高效的能源，其最主要的優點是對環境特性好。采用LNG 燃料可以減少10%～20%的CO2排放量，90%的NOX排放量，100%的硫化物和顆粒物排放。

國外二十世紀七十年代開始研究壓縮天然氣CNG在汽油機上的應用，繼而擴展到柴油機。目前在陸地車用方面，我國汽油機改燒天然氣已有成熟的技術，但對船舶柴油機燃用天然氣燃料的研究尚處于起步階段，廣泛使用LNG 燃料仍存在不少技術瓶頸，特別是對涉及到的安全性、可靠性等一系列問題缺乏系統性分析與研究。

本文所述船舶為按國家海事局[2012]第48號文批準的柴油-LNG混合動力改造試點船舶。在目前國內相關專業船舶設備配套尚不完善，技術上處于摸索、試驗階段的情況下，大量調研了相關行業如燃氣企業和設備廠等，通過對船舶動力系統進行技術改造，使其能夠在混合動力模式下運行，獲得理想的動力性能、經濟性和排放的環保性。

1 船舶概況

3 000 t級京杭運河柴油-LNG混合動力貨船為雙機、雙槳，鋼質內河干散貨船，主要營運于京杭運河江蘇段水域，載運各種干雜貨物。貨艙區域為雙底、雙殼。貨艙區雙層底及舷艙甲板、舷側采用縱骨架式，舷艙單底采用橫骨架式，機艙、艏艙、艉艙采用橫骨架式結構形式。該船總布置情況如圖1所示。本船主要技術參數為：

總長

75 m

垂線間長

71.85 m

型寬

15 m

型深

4.2 m

設計吃水

3.5 m

總噸

1 597

最大載貨量

3 000 t

主機型號/數量

Z6170ZLC-18、Z6170ZLCZ-18/2

設計航速

13 km/h

航區

A級

圖1 3 000 t級京杭運河柴油-LNG混合動力貨船總布置示意圖

2 LNG儲存系統

LNG氣體燃料儲存在容積為10 m3的雙層高真空填充式C型獨立LNG儲罐內。

2.1LNG儲氣罐處所

根據本船的總體布置以及營運航行區域內的航道特點，結合規范和法規的要求，LNG氣罐處所設置于主甲板尾部開敞空間。為便于LNG儲氣罐的布置，在滿足船員生活和居住條件的前提下，適當縮短了甲板室長度，生活艙室后甲板空間足夠放置儲氣罐。在面向儲罐的艙室后圍壁外側加設一檔肋位長度的空艙，以滿足氣罐處所防火分隔要求。

2.2LNG氣體燃料的圍護

LNG低溫液體儲氣罐主要技術參數見表1。儲氣罐依托船甲板作為支撐，儲氣罐下方的尾甲板上設有與主甲板焊接在一起的鋼制基座，儲氣罐鞍座與基座采用螺栓緊固連接。LNG儲氣罐設有壓力釋放系統，氣罐處所壓力釋放閥與透氣管相連，透氣管出口高于露天甲板不小于3 m，其通向起居處所、氣體安全處所最近的空氣進口、空氣出口或開口及機器設備的廢氣出口均不小于5 m。

2.3LNG氣體燃料的充裝

本船經由充裝總管接頭對LNG儲罐進行加注。充裝管路上靠近通岸接頭處串聯安裝1個手動截止閥和1個遙控截止閥，能在燃料充裝作業的控制位置操作遙控閥。目前采用LNG罐車運輸至指定碼頭對船舶儲罐進行充裝的方法。船舶在加注燃料時，燃料供應裝置和燃料供應站之間的管路應進行等電位連接。

表1 LNG低溫液體儲氣罐主要技術參數

3 LNG汽化和供氣系統

LNG汽化系統采用循環熱水水浴式汽化器，主要是用發動機的冷卻水對水浴式汽化器中的液化天然氣加熱，使之汽化為常溫氣體，供發動機使用，達到節約能源以及循環利用的效果。

本船LNG汽化器采用盤管式的結構，汽化能力達到100 N·m3/h。整個設備的制造采用耐腐蝕06Cr19Ni10材質。設備上設置排污口，當水浴式汽化器停止工作時，可排出里面的水分以及其雜質。從汽化器出來的常溫氣態天然氣NG經氣體互鎖閥、天然氣濾清器、燃氣減壓閥、燃氣噴射組件等，作為燃料進入發動機。其供氣系統圖見圖2。

圖2 LNG-NG供氣系統圖

4 發動機改造

在原有6170柴油機的機體結構和燃燒方式不變的基礎上，本船增加1套LNG供氣管路系統和柴油-LNG雙燃料電控噴射系統。該管路工作壓力為0.8 MPa，設計壓力為1.0 MPa。雙燃料工作模式由電子轉換開關控制，發動機可以在純柴油模式下工作，也可以在柴油-LNG雙燃料模式下工作。在柴油-LNG混燃模式時，發動機中的微量柴油用于引燃，天然氣則作為主要燃料。

主機改造采用增壓器后總管混合正壓噴射方式。天然氣在增壓器后發動機進氣道與增壓后空氣混合，通過發動機進氣道及各缸進氣閥進入發動機氣缸，在壓縮沖程由噴入的少量柴油引燃氣缸內天然氣。針對不同工況，電子控制單元ECU根據測量發動機工作狀態的轉速傳感器、壓力傳感器、排氣溫度傳感器、油門位置傳感器等傳感器信號確定相應的控制參數，通過天然氣噴射閥及油門執行器控制發動機的供氣量和柴油供給量，實現最優供給比，獲得理想的動力性能、經濟性和排放的環保性。

電控系統設置故障自診斷和安全保護功能。當出現電源、重要傳感器、重要執行器等故障時，電控系統可自行判斷，啟動安全保護功能，自動將發動機轉換到純柴油模式運行。

5 船舶系統

5.1消防系統

除常規散貨船的水消防系統和消防設備外，本船在LNG儲氣罐處所的上方安裝用于儲氣罐的冷卻和防火以及面向儲氣罐的艙壁部分的水霧系統，其噴水率對水平防護表面為10 L/(min·m2)，對垂直防護表面為4 L/(min·m2)。本船選用2臺電動水泵(流量：60 m3/h，揚程：0.42 MPa)作為總用/消防泵。單臺消防泵組即可同時提供2股19 mm水槍和水霧系統所需消防水量。

機艙左右舷入口處、每臺氣體燃料發動機旁和燃料充裝接頭附近各增設1具5 kg手提式干粉滅火器，在LNG儲氣罐充裝站附近增設置1臺70 kg和1臺100 kg大型推車式干粉滅火器，以覆蓋所有可能的泄漏點。

5.2機艙通風

機艙區域設置2臺軸流式防爆風機，流量為18 000 m3/h。空氣由機艙內風道上的風柵進入風道，再經露天甲板上的風機由菌形風帽排入機艙外開敞空間。機艙風機和主機采用雙燃料模式運行連鎖，即當通風機開啟至少10 min以后，發動機才能采用雙燃料模式運行。當風機因故關停時，發動機能自動轉換為純柴油模式。

5.3可燃氣體探測和火災報警系統

機艙內設置4只固定式氣體燃料探測器，尾部LNG儲氣罐處所設置2只固定式氣體燃料探測器，分別組成2套相互獨立的探測系統。當探測到機艙內可燃氣體濃度達到燃燒爆炸下限時，發出報警，且同時切斷機艙的氣體燃料供應，發動機自動轉換為純燃油模式。全船還設有1只可便攜式氣體探測器。機艙內設置感煙、感溫探測器各1只。

5.4LNG儲氣罐監控

LNG氣罐監控包括儲罐壓力、液位、溫度，汽化后的天然氣溫度，汽化水的溫度、壓力等。在駕駛室能遠程顯示監測儲罐壓力、液位及相應報警。

6 防爆保護

6.1曲軸箱保護

每臺發動機的曲軸箱設有敞開式透氣管，可使泄漏的氣體及時排至機艙外的開敞區。透氣管上設阻火器。

6.2進氣總管和排氣總管爆炸保護

每臺發動機的進、排氣管總管均安裝了防爆安全閥，防爆安全閥設置的開放壓力分別為增壓壓力的1.5倍和1.2倍，其尺寸可以預防當氣缸發生點火故障時剩余燃氣在排氣管中產生爆炸。每臺發動機進氣防爆安全閥、排氣防爆安全閥及曲軸箱透氣管的出口匯總后用總管路引至機艙外的開敞區域。

7 逃逸氣體控制

京杭運河中營運的船舶普遍存在待閘時間較長的現象，待閘區有時會聚集大量船舶。隨著混合動力船舶逐步推廣，單艘船舶少量的逃逸氣體匯聚起來會使小區域內逃逸氣體達到一定濃度。逃逸氣體的存在不僅造成氣體燃料浪費，聚集后還會造成一定的危險性，必須予以控制。

逃逸氣體控制一方面通過加強儲罐的保溫性能，減少安全閥的開啟；另一方面在柴油機正常運行狀態下，依靠發動機雙燃料控制和管理系統的高性能微處理電控技術，精確控制天然氣的噴射量、柴油的引燃量，使天然氣-柴油在發動機缸內充分燃燒，保證發動機長期處于最佳雙燃料運行狀態，減少逃逸氣體。此外，船舶處于待閘狀態下儲罐壓力升高報警時，啟動發動機脫排空轉，促使儲罐內的天然氣進入發動機燃燒，從而降低儲罐壓力至正常值。

8 結語

國內一些機構所作Z6170系列船用柴油機部分型號臺架實驗結果顯示，在負荷為25%額定功率時，其替代率為69.2%。但由于本船航行于京杭運河水域，存在待閘時間長等水域特殊因素和貨運不足的影響，大多數船舶出于節約燃料的目的，常用主機轉速一般不到額定轉速的50%，功率只有額定功率的13%左右，預計其替代率只有55%～65%，平均NOX下降8%左右，CO2下降10%左右。本船實際燃油替代率和排放數據需待實際營運一段時間后才能得到較為準確的結果。

在陸地車用方面，我國汽油機改燒天然氣已有成熟的技術，并已大面積地得到了推廣，但對船舶柴油機燃用天然氣燃料的研究尚處于起步階段。隨著“氣化長江”、“長江綠色物流創新工程”等內河船舶“油改氣”項目的逐步推進，天然氣作為一種經濟、綠色、安全的新型能源逐漸為人們所認同，成為未來主要的綠色經濟型能源。LNG燃料船舶開發的推動者應不僅僅限于科研設計機構和能源企業，應該是在政策和政府主管部門的宏觀主導下，船東、能源企業、驗船機構、設備廠商、科研設計機構和船廠聯合開展技術攻關和應用開發、推廣實施。

[1]中國船級社.鋼質內河船舶建造規范[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]中國船級社.氣體燃料動力船檢驗指南[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]中國船級社.天然氣燃料動力船舶規范[M]. 北京：人民交通出版社，2013.

[4]GB/T 20368-2006，液化天然氣生產，儲存和裝運[S].

[5]GB/T 19204-2003，液化天然氣的一般特性[S].

[6]GB/T 20734-2006，液化天然氣汽車專用裝置安裝要求[S].

[7]GB 18442-2001，低溫絕熱壓力容器[S].

2014-01-22

于全虎(1974-)，男，高級工程師，主要從事船舶動力裝置的科研與設計工作；王穎(1976-)，男，主要從事車船用油改氣技術市場開發與營運管理工作。

U674.13

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