王德刚，张尊华

(1.武汉市工程咨询部，武汉 430014;2.武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉 430063)

船用LNG-柴油双燃料动力系统技术应用分析

王德刚1，张尊华2

(1.武汉市工程咨询部，武汉 430014;2.武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉 430063)

根据LNG燃料的主要特点和性质分析船用LNG-柴油双燃料动系统的类型、特点及其应用现状，提出发展船用LNG-柴油双燃料系统的建议。

LNG;柴油;双燃料;船舶;内河

目前，已探明的天然气(natural gas)储量要高于石油储量，且天然气的价格也明显低于石油基燃料。另外，分析BP公司公布的2012年全球能源消费(见图1)的变动可以发现，经合组织国家的传统化石燃料(煤炭和石油)的消费量已经呈现负增长，而天然气的消费量显著增加［1］。因此，将天然气作为船用发动机燃料可以有效地减少国际航运对石油基燃料的依赖，具有广阔的应用前景和极大的市场需求［2］。

图1 2012年全球能源消费变动［1］

事实上，船用天然气发动机研发的最初动力来源于降低船舶污染物排放，为的是满足IMO日益严格的排放要求。IMO海上环境保护委员会(MEPC)于1997年通过决议，将《防止船舶造成空气污染规则》作为附则VI纳入MARPOL73/78公约，作为对船舶柴油机试验、检验和发证的强制性要求［3］。2008年，MEPC又通过了MARPOL73/78公约附则VI新的修正案，要求船用柴油机NOx排放按照3个阶段(Tier I、Tier II和Tier III)实施控制，且对船用燃油含硫量也作出了严格限制。对于传统船用柴油机，如果不加装排气后处理系统(如SCR系统)，将难以达到排放控制区的要求，且低硫价格昂贵，将增加船舶营运成本，因此清洁、价廉的天然气替代燃油作为船用燃料已成为应对该问题的现实选择［4］。

1 LNG燃料特性

天然气是一种混和燃料，其组分随气田不同而异，主要成分有甲烷(90%以上)、氮及C2～C5的饱和烷烃，另外还含有微量的氦、二氧化碳及硫化氢等，表1给出了甲烷与几种燃料的相关物性的对比［5］。

表1 汽油、乙醇和氢气燃料特性比较(标况下)

目前，天然气已被发达国家广泛应用于交通领域，随着我国天然气来源的日益多元化、规模化，利用天然气替代成品油已成为现实选择。天然气作为船用燃料，具有两种存储方式，一种是直接将其压缩至特制的容器中，称为压缩天然气(CNG)，在经过减压器减压后供发动机燃用;另一种是在低压(或略高于常压)下将天然气冷却至约-162℃低温，变成液态存储，称为液化天然气(LNG)。

由于LNG能量密度高、硫含量极低、储量丰富，在船用发动机中应用前景广泛。我国已经开始大力推广LNG燃料。据《2013～2017年中国LNG行业发展前景与投资预测分析报告》数据统计，2010年中国LNG年产量达900万t，2013年，我国LNG产量突破100亿m3。随着我国LNG储量的不断增加，将为LNG燃料在船舶中的应用带来前所未有的机遇［6］。

2 船用LNG-柴油双燃料动力系统

2．1 系统类型和特点

LNG燃料动力船燃料系统一般包括燃料充装(充装处所)、燃料储存(气罐处所)、燃料供应(管系)和燃料利用(机器处所或发动机系统)，其典型布置见图2。

天然气发动机是LNG燃料动力船上的主要用气设备，其工作可靠性和安全性直接关系到整个船舶的营运安全，是整个动力系统的核心设备。

目前，我国正在内河开展LNG燃料动力船试点工作，市场上出现了几种不同类型的天然气发动机。按使用的燃料类型，可分为单一气体燃料发动机(只能使用天然气燃料工作)和双燃料发动机(既可以使用天然气也可以使用柴油，或者两者同时使用)，双燃料发动机又分为“微引燃式”和“混烧式”两种。按照天然气的进气方式，可以分为缸外预混进气和缸内直喷进气两种，缸外进气又分为总管进气和支管进气，总管进气又分为增压器前进气和增压器后进气两种;缸内进气，可以分为低压缸内直喷和高压缸内直喷两种。这几种类型的天然气发动机的对比见表2［7］。另外，由于甲烷的辛烷值高于汽油，而十六烷值低于柴油，所以传统的压燃式发动机燃用天然气时必须引入点火源以点燃天然气。目前我国内河试点船主要采用总管单点喷射式及“混烧式”双燃料发动机。

图2 典型的LNG燃料动力船燃料系统构成

表2 不同燃料类型天然气发动机的优缺点

2．2 应用情况

国内在20世纪90年代开始通过引进国外产品在汽油机上使用LPG、CNG，并很快实现国产化。近几年来，国内与国外合作开发了几款柴油天然气发动机:上柴公司与荷兰TNO道路与车辆研究所及美国WOODWARD集团所属荷兰DELTEC公司联合开发了D6114ZL柴油-CNG双燃料船用发动机;玉柴与加拿大CIC公司合作开发了YC6108ZQN增压柴油-CNG双燃料发动机;一汽锡柴与新西兰、美国合作共同开发了CA6110柴油-CNG双燃料发动机;二汽朝柴与意大利合作开发了CY6102 CNG单燃料发动机。

目前，在船用其他燃料动力方面，建造最多的LNG燃料船舶是渡船，其中包括车/客渡船、滚装船、客滚船，等。因为这些船舶多属于短途沿海航行，对LNG储气罐大小的要求较低。据统计，2000～2010年全球采用LNG作为燃料的船舶共22艘(不包括LNG运输船)，挪威作为LNG生产大国，为了提高挪威气体燃料技术和获得良好的环境效应，1996年挪威议会决定分别建造采用CNG和LNG作为燃料的两种类型车/客渡船。2000年，世界首艘采用LNG为燃料的渡船“M/F Glutra”号由阿克尔船厂建造完工。通过采用LNG燃料，该船可以减少80%的NOx排放量，总成本比采用柴油燃料的渡船高30%，但船厂和运营商认为由于属于新技术的首次应用，费用的提高在可接受范围内。2009年STX集团和法国Stirling国际设计公司推出一型新概念旅游船“EOSEAS”号，该船采用LNG作为燃料以驱动螺旋桨并提供船上所需电力。2009年挪威皇家海岸警卫队租借的首艘环保型沿海警戒舰“KV Barentshav”号开始服役，是世界上首艘采用LNG燃料和柴油驱动的舰艇。2011年，瓦锡兰公司公布了65 000 t级LNG燃料豪华旅游船的设计方案。德国航运公司Reederei Stefan Patjens公司联合挪威船级社等公司对1艘4年船龄的5 000 TEU集装箱船进行改装，采用LNG燃料，该项目已于2012年完成。

目前，我国陆上交通已经大面积地应用各种清洁燃料，然而在水上交通领域，虽然对清洁燃料的应用探索不断，但并没有大面积推广清洁燃料技术。2010年8月，武汉轮渡公司在武轮拖302号船上进行了柴油/LNG实船试验;2010年8月，京杭大运河上的3 000 t级“苏宿货1260”号船进行了柴油-LNG混合动力试航;2011年2月江西省开展了船舶油改气的前期调研工作，选定一条在赣江内具有代表性的主流船型，“赣抚州货0608”干货船进行赣江内首艘LNG-柴油混燃实船试验;2011年3月，长航凤凰重庆货运分公司所属“长迅三号”2 500 t级散货轮在长江重庆航段上进行了燃用双燃料(柴油/LNG)的航行试验。

由此可见，欧洲国家在LNG燃料船舶方面的发展走在世界前列，特别是挪威在LNG基础设施，LNG燃料船舶技术和规范发展，政府对于LNG燃料发展的推动等方面均具有领先优势和良好的示范效应［8-9］。从各型LNG燃料船舶的技术和设备发展来看，LNG燃料船舶的开发并不仅仅限于设计公司和船厂，更多的是船东、船级社、设备厂商、设计公司和船厂联合开展技术攻关和应用开发。

3 建议

1)加大科研投入，加强科技创新，提升LNG-柴油双燃料系统性能。积极开展船用LNG-柴油双燃料系统掺烧策略研究。掺烧策略对双燃料发动机运行安全性、动力性、经济性和排放特性等综合性能有重要影响，是双燃料发动机关键技术之一。建议不同型号的柴油机或同型号柴油机采用不同LNG系统进行双燃料改造时，应通过发动机台架试验确定其掺烧策略。

2)建议分阶段有序推进LNG-柴油双燃料系统在内河的应用。第1阶段以现有动力系统改造为主，此阶段以保障安全为重点，突出SOx和PM排放优势，宽限NOx和HC排放;第2阶段以新建发动机为主，重点研发和推广具有自主知识产权的高性能双燃料发动机和单一气体燃料发动机，充分发挥LNG燃料的减排优势。

3)加快LNG-柴油双燃料船用发动机动力系统的技术标准和规范的制定和完善工作，使发动机改造前期的产品规划、价格评估、技术评审等工作能做到有法可依。

4)从船舶机舱改造、管路布置改造、发动机改造等方面考虑，建议整体考虑船舶燃气动力推广，争取获得国家更大力度政策扶持。随着船用LNG发动机使用逐渐增多，应进一步推进完善LNG发动机船舶供气站等基础配套设施建设。

参考文献

［1］British Petroleum.BP statistical review of world energy［Z］.BP Annual Review，2013.

［2］王鲁星，田明，韩有臣.LNG点亮中国船用燃料市场新前景［J］.国际石油经济，2012(5):64-69.

［3］王世荣.我国内河柴油-LNG双燃料动力船舶的现状分析与建议［J］.中国水运，2011，11(7):5.

［4］王峰，濮继林.LNG动力船舶发展现状与趋势［J］.江苏船舶，2011，28(5):16-17.

［5］CORDINER S.Numerical and experimental analysis of combustion and exhaust emission in a dual-fuel diesel/natural gas engine［J］.Energy＆Fuel，2008，22:1418-1424.

［6］周淑慧，沈鑫，刘晓娟，等.LNG在我国内河水运领域的应用探讨［J］.天然气工业，2013，33(2):81-89.

［7］KORAKIANITIS T，NAMASIVAYAM A M，CROOKES R J.Natural-gas fueled spark-ignition(SI)and compression-ignition(CI)engine performance and emissions［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2011，37(1):89-112.

［8］彭宏恺.LNG燃料动力船改造试点工作探析［J］.中国海事，2012(10):47-52.

［9］卢瑞军，周志勇，武宪磊.船用天然气发动机关键技术发展及应用［J］.内燃机与动力装置，2014，31(3): 57-60.

Analysis of Marine LNG-diesel Dual-fuel Power System

WANG De-gang1，ZHANG Zun-hua2
(1.Wuhan Engineering Consulting Bureau，Wuhan 430014，China; 2.School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China)

The main features and properties of LNG fuel are introduced.The types and features of the LNG-diesel dual-fuel power system and application status of the system are analyzed.Some suggestions for development of the national marine LNG-diesel dual-fuel power system are proposed.

liquid natural gas;diesel;dual fuel;ship;inland river

U677

A

1671-7953(2015)02-0107-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.028

2015-01-13

修回日期:2015-01-26

交通部科技建设项目(2013328811530)

王德刚(1959-)，男，学士，高级工程师

研究方向:机械工程

E-mail:zunhuazhang@whut.edu.cn