摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，我国的船舶技术得到了快速的发展，介绍了LNG/柴油双燃料柴油机的技术特点，描绘了应用该类柴油机的新能源船舶的国内外应用概况，重点阐述了开展相关技术改造的影响因素及存在的一系列问题，并进行了未来展望。LNG/柴油双燃料船舶在排放性能及成本方面具有其独到的优势，尽管目前依然存在着一定的技术弊端，但随着相关技术水平、法规政策及能源体系的不断完善与优化，其必将得以广泛应用。
关键词：LNG；柴油；双燃料；柴油机；船舶
引言
LNG燃料动力系统技术是当前航运业应对日益严格的排放法规，实现船舶运输可持续发展所采取的主要技术对策之一。2010年，我国首艘LNG-柴油双燃料动力船舶成功试航，正式拉开了我国内河船舶使用LNG燃料的序幕。至2015年，在我国长江、珠江和京杭运河水系开展LNG燃料动力系统技术试点运行的船舶有近20余艘。为了使LNG燃料动力系统技术能更加有序、健康、安全地在我国内河船舶上进行推广应用，2012年和2014年，国家能源局和国家海事局组织武汉理工大学、中国船级社武汉规范所和中石油济柴动力总厂等单位先后开展了“LNG燃料动力船标准研发及试验研究”和“LNG燃料动力船舶动力系统应用技术研究”。本文依据相关研究结果，对国内外LNG-柴油双燃料动力系统技术进行了全面、客观分析，并针对我国内河船舶运输的基本国情，提出相应的技术发展方向。
1LNG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。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。
2影响LNG/柴油双燃料船舶改造的问题
2.1选取评估参数
对LNG/柴油双燃料船舶改造进行评估分析评估时，需要选取评估参数。参数的选取主要从船体状态、动力系统性能、船体与系统安全和船舶运行经济性等方面提炼船舶描述参数，具体如下。1）船舶动力系统参数。对船体状态的一般描述的船舶基本参数；运营情况上的基本参数；船舶动力方面的改装后发动机的基本参数；新增管路基本参数；燃气管路阀门基本参数；船舶安全方面的船体安全基本参数；船舶运行动力系统安全基本参数；作为船体构造部分的风机、气体燃料探测器和整船上大型的水灭火消防系统的基本参数；LNG燃料动力系统安全方面的储气罐区域、燃料充装站区域和机舱区域3方面基本参数等。2）船体与系统安全参数。为了能够更系统地研究分析试点船舶各方面的改造对现有规范标准的适应性，相关参数还应包括船舶布置方面的影响参数；双燃料改造后船体结构方面的影响参数；船舶水动力性能方面的影响参数；改造后船舶的气体燃料发动机与ECU的影响参数；动力管系的影响参数；改造后船体和动力安全系统的影响，储气罐区域影响参数；燃料充装站区域影响参数、机舱区域影响参数等。3）经济性影响参数。对改造后船舶运行经济性影响参数包括发动机排放的技术参数、发动机工作状态技术参数、改造后发动机最高燃油替代率、发动机改造条件、试点船舶改造过程的技术问题、国家相关政策问题、改造船舶船员操作问题、船舶船员培训管理问题、船舶运行管理问题。
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2.2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。
2.3主要安全指标
根据《气体燃料动力船检验指南》的要求以及散货船的特点，参考中国安全生产科学研究院于2010年9月对江苏《船用柴油-LNG混合动力技术项目进行定量风险分析安全评价（节选）》的结论，在保证安全的前提下，混燃船舶主要采取的是ESD防护。LNG储罐的安装满足稳性、ESD防护和安全泄放要求。储罐处需配置电动、手动和气动紧急切断阀和安全泄放阀，保证紧急情况下，储罐出液根部阀能及时切断燃气供应，并将超过设计压力的天然气排放到船体外的大气中。燃气管线采用06Cr19Ni10不锈钢管，管线接头主要采用全熔透焊，保证燃气管线的强度和气密性。管线上配置三联装气体互锁阀，保证在天然气发生泄漏时能及时切断燃气供应，并将管线中的天然气排放到船体外的大气中。LNG储罐以及机舱要有燃气泄露探头和消防联动装置。当发生燃气泄漏达到1%时，低爆报警，开启排风机，排出可燃气体；当发生燃气泄漏达到2%时，高爆报警，发动机自动转为纯柴油运行，所有通往机舱的燃气管路必须遥控关闭，开启排风机和互锁气体阀排出可燃气体。
2.4完善安全监控
由于LNG与柴油两种燃料的理化特性存在差异，LNG燃料动力系统在燃料的储存、供给和燃烧等方面较之传统的柴油机有明显的区别，其运行安全问题更加复杂和突出。现有的标准或规范对LNG燃料储存处、管路等的安全监控比较侧重，而对双燃料发动机自身的运行安全有失偏颇。双燃料发动机运行安全隐患包括爆震、失火、回火、排气管“放炮”、润滑油“中毒”等。
2.5船体结构分析
改造船对结构性能的影响表现在储气罐部位的结构加强与防储气罐泄漏引起船体板受超低温影响，目前的改造船部分进行了承载结构加强，所有改造船都设置了防承漏滴盘。进行LNG双燃料动力船舶改造会对原船船体局部结构产生影响，主要表现在如下几个方面：1）LNG储罐的布置，在船舶上加装LNG储罐会对放置LNG储罐的甲板局部结构强度产生较大影响。LNG储罐可贮存在开敞甲板上，根据试点船资料可见试点船舶的LNG储罐一般都是直接布置在位于船体尾部的甲板上，如主甲板或上层建筑各层甲板。LNG储罐重量及充气后LNG重量会对放置储罐的甲板结构产生直接影响。2）LNG储罐与船体之间的连接需要设置燃料储罐支撑附件，对于燃料储罐，其支撑附件与船体结构间可采用螺栓连接。对于加气趸船LNG储罐，其支撑附件与船体结构应符合《内河散装运输液化气体船舶构造与设备规范》第4章4.5对于支持构件的要求；与燃料储罐支撑附近相连的船体结构应满足《钢质内河船舶建造规范》及其修改通报相关章节的要求。
2.6 LNG 双燃料动力船舶应用展望
目前，天然气的储量，世界探明的天然气储量丰富。如果加进非传统能源，如页岩气，按当前使用量来计算天然气可供人类使用 250 年。液化天然气的现货价格仅相当于柴油的 1/4 到 1/3。作为未来石油燃料的替代能源，目前欧美发达国家 LNG 的利用率已达 25%，中国虽仅为 3．9%，但采用 LNG 的年增速达到了世界先进水平。
结语
LNG/柴油双燃料船舶以其较好的排放性能及低廉的成本，其应用前景可谓日益走俏。尽管目前依然存在着诸多技术短板，限制了其当前的发展及推广，但随着相关技术水平、法规政策及能源体系的不断完善与优化，其必将得以广泛应用。
参考文献：
[1]伍赛特.船用柴油机应用前景展望[J].柴油机设计与制造，2018，24（3）：1-4.
[2]伍赛特.柴油机行业技术特点及应用前景分析研究[J].内燃机，2018（5）：56-59.
论文作者:王华路
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/22
标签：船舶论文; 船体论文; 燃料论文; 动力论文; 柴油论文; 储罐论文; 参数论文; 《基层建设》2019年第24期论文;