環保船雙燃料主機選型分析

環保船雙燃料主機選型分析

丁長健,袁同軍

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

摘要：以法律法規為指導，對比雙燃料主機和常規柴油機的排放、年燃料成本、減排市值、各工況下燃氣模式利用率、主機選型對艙容布置的影響、船舶操作的可行性與便利性、方案投資以及相應配套設施的健全性，結果表明：與常規柴油機相比，盡管初始投資增加了40%，但是雙燃料主機能夠降低排放污染物90%以上，節約年燃料成本約51%，全生命減排市值約4 585萬元；總體來說，如果解決了雙燃料主機燃氣利用率偏低，適當加大船舶主尺度，提高船舶裝載能力，相應配套設施和能力健全等問題后，雙燃料主機在環保船上具有很好的應用前景。

關鍵詞：節能減排;雙燃料主機;環保工作船;排放;經濟性

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.035

中圖分類號：U664.1

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0128-05

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一丁長健(1980-)，男，學士，工程師

Abstract:Based on laws and regulations, the dual-fuel main engine is compared with the conventional diesel engines from aspects of emission, annual fuel costs, emission reduction value, the utilization rate of gas under various operating modes, the layout of cabin space, the operability and convenience of vessels, initial investment and relevant auxiliary facility. The results show that though the initial investment is increased by 40%, the duel-fuel main engine can decrease more than 90% of emission and save about 51% of annual fuel costs and full lifecycle emission reduction value is about 45 850 000 yuan RMB. In general, dual-fuel main engine could be put into practice on the environmental vessels, provided that the problems of low gas utilization rate, small principal dimension and load capacity, and insufficiency of the relevant auxiliary facility are solved.

修回日期：2015-09-01

資助項目：工信部項目(20697-1130013)

研究方向:工程建造項目管理

E-mail:dingchj@cnooc.com.cn

相對于傳統燃油柴油機，以LNG作為燃料的純氣機或雙燃料混合動力機，其環保性具有明顯優勢。國家新能源的大力推廣和各大石油公司新能源逐步發展，尤其是國內沿海LNG項目快速推進，雙燃料主機在船舶上的應用已具有一定的基礎。結合新建深水環保船具體情況，從以下幾方面進行論證選擇雙燃料主機的可行性。

1項目背景分析

分析項目運營階段的主要污染源和污染物，并估算污染物排放量；預測項目運營階段所排放的主要污染物及拖航、起拋錨、供應等主要作業對環境影響的范圍和程度，提出船舶污染物排放總量控制目標及作業對環境影響的建議；論證正常生產情況下污染物處理措施的可行性，分析本項目運營潛在的環境風險，并針對各種風險可能引發的溢油事故提出防范對策，從而為項目主管部門和環境保護主管部門提供決策參考，為作業實施完善的環境管理措施提供可操作依據。

1.1IMO對氮氧化物排放指標和生效時間

2016年后將執行Tier Ⅲ指標，目前所有的常規柴油機都需要改造，改造成本高、技術難度大。

1.2IMO對硫化物排放指標和生效時間

從2020年1月1日起，針對目前對含硫燃料油的上限從3.50%降到0.50%。

2法律、法規

國際海事組織(IMO)編制了IGC規則、IGF規則；國際石油與天然氣行業的許多組織團體(SIGTTO, OCIMF等)也頒布了相關技術要求與標準；中國船級社已出版《氣體燃料動力船檢驗指南》(2011年)；《天然氣燃料動力規范》于2013年9月正式生效實施。這些技術規范與要求都對本項目有一定的指導意義與參考的價值[1]。

本項目環境影響評價主要依據還有如下法律、法規。

1)《中華人民共和國環境保護法》。

2)《中華人民共和國海洋環境保護法》。

3)《中華人民共和國防止船舶污染海域管理條例》。

4)《中華人民共和國漁業法》。

5)《化學危險物品安全管理條例》。

6)《建設項目環境影響評價證書管理辦法》。

7)《中華人民共和國防止船舶污染海域管理條例》。

8)《中華人民共和國環境影響評價法》。

9)《MARPOL 73/78》及其修正案。

10)《海水水質標準》。

11)《污水綜合排放標準》。

12)《中華人民共和國海上交通安全法》。

13)《國務院關于加強環境保護若干問題的決定》。

14)《中華人民共和國水上水下施工作業通航安全管理規定》[2-4]。

3污染控制目標

船舶產生的主要污染物為大氣排放物及少量的生活污水、生活廢水、生活垃圾、工業垃圾及機艙含油污水等。

1)船舶向大氣排放的污染物主要包括 NOx、SOx、CO、炭粒及臭氧消耗物質等。最高允許排放應符合表1所列的標準，見表1。

2)船舶排放的艙底污水的含油量，最高允許排放質量濃度應符合如下標準：

3)船舶排放的生活污水最高排放質量濃度應符合表3所列標準。

表1　船舶向大氣排放的污染物允許標志

表2　船舶排放的艙底污水的允許標準表

表3　船舶垃圾排放的生活污水允許標準表

4)船舶垃圾排放應符合表4所列標準。

表4　船舶垃圾排放允許標準表

4雙燃料機和常規柴油機的排放對比

LNG燃料和柴油在排放上的對比見圖1。

圖1　LNG燃料和柴油排放對比

由圖1可見，CO2排放降低約22%，NOx排放降低92%,SOx排放降低約98%～100%，顆粒物排放降低98%。

使用LNG燃料的雙燃料柴油機能夠滿足2016年生效的IMO TIER III標準，滿足Sox的最高排放要求。通過對比，LNG燃料在排放上的優越性非常明顯。

5燃料成本分析

1)主機機型。雙燃料主機參照WARTSILA 6L34DF 雙燃料船用發動機計算，2臺主機，單臺主機最大輸出功率為2 700 kW，

LNG消耗率總能耗(100%MCR)為8 130 +5% kJ/(kW·h)；

總能耗為8 233 + 5% kJ/(kW·h)，85%MCR。

最大功率(100%MCR)折合耗能約145 g/(kW·h)；常規燃油型主機參照洋馬主機計算，2臺主機，單臺主機最大輸出功率為2 700 kW，柴油消耗率為200 g/(kW·h)。

2)分析依據：

每年50個航次，每航次45 h。

每年溢油應急作業時間約30 h。

每航次航行作業時間25 h(主機～90%MCR)，護航作業時間12 h(～主機50%MCR)，值守作業時間6 h(主機～30%MCR)，動復員時間2 h(主機0% MCR)。

④柴油價格。～8 000 元/t，LNG價格：～5 400 元/t。

⑤LNG密度。0.47 t/ m3。

3)燃料消耗計算。

①以LNG為單一燃料，單航次耗氣量。

航行作業耗氣量為 17.62 t。

護航作業耗氣量為4.70 t。

值守作業耗氣量為1.41 t。

動復員耗氣量。主機處于停車狀態，無燃氣消耗。

第一，如果所學內容涉及到運算律，但授課的時間在學運算律之前，例如“湊十法”本質上是加法結合律，老師們不能使用運算律的知識，但在講運算律的時候，前面的知識可以作為使用運算律的例子，讓學生充分感受到運算律的應用是十分普遍的.

②LNG為單一燃料單航次耗氣量為23.73 t。

③柴油為單一燃料，單航次耗油量為24.30 t。

護航作業耗油量為6.48 t。

值守作業耗油量為1.94 t。

動復員耗油量：主機處于停車狀態，沒有燃油消耗。

以柴油為單一燃料的單航次耗油量為32.72 t。

④1年燃料成本對比。以不同燃料為單一能源，每航次節省的費用：13.37萬元

4)減排市值分析。

①測算基礎數據。見表5。

②年服務50航次減排測算。見表6。

③全生命周期減排測算。環保船采用LNG雙燃料綜合每年減排市值為183.40萬元。

LNG燃料主機與常規船用柴油機相比，每艘船舶在25年的全生命周期內，每艘船舶的減排市值可達到4 585萬元。

表5　測算基礎數據表

表6　年服務50航次減排測算

6建造可行分析

6.1雙燃料利用率

環保工作船的平臺供應、巡航守護均在主機低負荷情況下進行，并且這些工況的作業時間將占到環保工作船總航行時間的45%以上。另外東海、南海海況復雜，隨時需要變換主機工況及負荷，這就需要主機較短的響應時間；雙燃料主機在低負荷情況下需燃用輕柴油模式，環保工作船雙燃料主機在此作業工況下利用率會稍低。

6.2艙容布置

采用雙燃料主機推進方案，需另外增加一套燃氣系統。參照IGC CODE 《國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則》及修正案、CCS關于《液化天然氣運輸船檢驗指南》2011和后續公布正式實施的《天然氣動力船舶檢驗規范》、《雙燃料發動機系統設計與安裝指南》；考慮燃氣營運安全等方面的因素，要求危險區域和安全區域進行有效分隔。按照已建成的環保工作船的動力配置和作業特點，經過初步估算，以功率5 920 kW(8 000 HP)環保船為例，平均運行耗氣量約為65 m3/d，若按照滿足本船續航力8 000 n mile計算，總共需要液化天然氣容積約為750 m3，從而造成原有環保船溢油回收艙、測試井液回收、鉆井水供應等艙容會相應縮減，環保溢油回收功能弱化。另外，本船作為供應船需滿足部分供應功能，至少還需要具有300 m3燃油艙以滿足給海上石油平臺提供燃料，不少于400 m3淡水供應的要求。這就意味著如采用雙燃料主機，在滿足船舶作業功能情況下，船舶主尺度就會比燃油主機船型大許多，在相同功率情況下，船舶工作機動性將受到較大影響，作業裝載能力將會明顯降低，造成運營效益相對較低。

6.3操作性

在船靠泊平臺碼頭、平臺守護、裝卸貨作業、機動航行、溢油回收應急作業及對外消防等工況下，船舶機動航行，需要主機頻繁突加突卸大功率負荷變化，要求主機反應速度須有較快響應，主機燃油模式可滿足快速反應要求，在主機燃用LNG氣特性不能完全滿足快速反應使用要求，雙燃料主機特性要求在20%負荷以下，只能使用燃油模式，靠離平臺碼頭、守護作業、巡航、對外消防等作業模式下，LNG燃氣都不能使用；航行工況時，反應速度較常規動力，突加突減時，主機負荷反應時間由0～100%加負荷反應時間為200 s(3.5 min)，與常規動力主機比較反應速度相差較大，會嚴重影響船舶的操縱靈活性及響應機動性。就目前技術條件使用雙燃料主機作為環保船的主推進動力系統還不太成熟。

6.4投資費用

經過對雙燃料主機設備供應商的初步調研，全球目前僅有兩家能夠生產，其中一家還未定型。其初始投資總造價要較傳統燃油主機增加40%以上，相近品牌質量的傳統主機3 000 kW 2 價格大約170萬歐元，加增值稅及關稅折合人民幣約1 800萬元,雙燃料主機相同功率段價格約650萬歐元，加稅折合人民幣約6 900萬元。主機費用增加5 100多萬元人民幣，還有為調節供氣的LNG系統單元和儲存液態LNG儲罐等費用還需增加約900多萬元人民幣， 如環保船推進系統采用雙燃料主機，主推進系統費用約增加6 000萬元。在目前海油內部市場基本確定情況下，更換動力配置增大建造運營成本，將大大延長投資回報時間。

6.5節能

6.5.1主機機型

參照WARTSILA 類似功率雙燃料船用發動機計算，2臺主機，單臺主機的最大輸出功率為2 700 kW，總能耗(85%MCR)8 233 + 5% kJ/(kW·h)。LNG折合消耗率約為160 g/(kW·h)；常規燃油型主機參照mak主機計算，2臺主機，單臺主機最大輸出功率為2 740 kW，柴油消耗率為190 g/(kW·h)。

6.5.2分析依據

以同類型船舶海洋石油255和海洋石油256兩艘環保工作船為參照，海洋石油255投入運行以來，2011年1～6月份單臺主機月平均工作時間為274.1 h，截至6月底單臺主機累計正常運行時間在1 600 h左右。發電機月平均工作時間為422 h，累計工作時間達3 600 h以上。其他主要設備工作正常。

海洋石油256前兩個季度月單臺主機平均工作297 h，截至6月底單臺主機累計正常工作時間均在2 200 h以上。發電機月平均工作時間為348 h，累計工作時間達3 400 h以上。其他各主要機械系統運行一切正常，如舵機、錨機、主空壓機、收油設備、艏艉側推系統等。

按當前0#柴油國標價格8 000元/t，

按當前到岸平均LNG價格5 400元/t；

LNG密度0.47 t/ m3；

低熱值(供氣壓力為500 kPa)

min.34 MJ/(N·m3);

甲烷值 (MN)min. 80；

甲烷含量min. 70%；

燃氣溫度0 ～60 。

兩船平均月主機使用取平均值285.5 h，正常航行每月6～8航次,機動低負荷航行占總運行時間15%～20%。實際高負荷運行約220 h。機動航行65.5 h,靠泊按7航次共7天時間168 h，主機停車狀態,只開柴油發電機運行供電.。另守護巡航狀態及測試井液回收備車狀態共計266 h。

守護值守作業時，主機處于機動備車狀態,低負荷運行，LNG無法使用。

溢油監測: 主機處于機動備車狀態,低負荷運行，LNG無法使用,沒有燃氣消耗。

供應回收測試井液主機處于機動備車狀態,低負荷運行，LNG無法使用,沒有燃氣消耗。

對外消防模式，主機突加突卸，LNG無法使用,沒有燃氣消耗。

6.5.3油耗和氣耗費用測算

1)以LNG為主燃料，單月耗量。

正常航行作業耗氣量161.57 t。

機動航行作業耗油量33.60 t。

守護機動作業耗油量68.22 t。

柴油發電機耗油量83.28 t。

2)以柴油為燃料，單月耗量。

正常航行作業耗油量191.86 t。

機動航行作業耗油量33.60 t。

守護機動作業耗油量68.22 t。

柴油發電機耗油量83.28 t。

3)以不同燃料為能源，每月使用的燃耗油費用為燃氣87.25萬元，燃油153.49萬元，機動其他148.05萬元。

4)總油耗費用。

LNG機型235.30 萬元。

燃油機型301.54 萬元。

對比可知，以LNG作為燃料比柴油要經濟，每艘船舶每月可節省燃料費用約66.24萬元，對比采用雙燃料主推進系統增加初始購置費用為6 000萬元，依照燃料節省計算需要10年可收回增加部分投資。

6.6配套設施

隨著海油沿海LNG產業的快速發展，加氣補給工作站會逐漸增多。但由于船舶受潮漲、潮退影響，無法固定船舶停泊位置，而LNG輸送管道均為低溫壓力管道，不易延展與伸縮，因此，船舶加氣也是一個不容忽視的問題。新建環保工作船目標服務油田已基本確定，故其停泊碼頭也已確定。該碼頭目前LNG液化氣相關配套設備尚不完善，僅能依靠槽罐車進行加氣。目前國內船廠缺乏同類船舶的建造經驗，需要實施一系列高標準的建造工藝與質量控制措施。比如LNG燃氣系統的管路需要雙層管路設置，材料用耐低溫304以上材質，需要全焊透對接并100%探傷等，這對船廠的生產能力和質量控制要求較高。

7結論

如果雙燃料主機應用于環保船，將增加初始成本和船舶系統的復雜性，同時相應增加設備的維護成本。結合新建環保船的具體用途及功能配置，雙燃料主機的優勢和缺點同樣明顯，從整體經濟性以全周期角度分析，雙燃料主機具有明顯的優點，結合目前國家層面和各大石油公司的LNG產業發展速度，雙燃料主機應用于環保工作船具有良好的前景。

參考文獻

[1] 馮西橋.LBB分析[R].北京:清華大學核能技術設計院，1997.

[2] 中國船級社.天然氣燃料動力船規范[M].北京：人民交通出版社，1992.

[3] 中國船級社.鋼質海船入級規范[M].北京：人民交通出版社，2012.

[4] 國際海事組織海上安全委員會.國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則[s].海安會,2002.

Analysis on Selection of Dual-fuel

Main Engine for the Environmental Vessels

DING Chang-jian, YUAN Tong-jun

(CNOOC Energy Technology & Services Limited-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

Key words: energy conservation and emission reduction; dual-fuel main engine; environmental vessel; emission; economy