3000t级货船柴油-LNG混合动力改造

于全虎，王 颖

(1.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003；2.淮安新奥燃气有限公司，江苏 淮安 223002)

3000t级货船柴油-LNG混合动力改造

于全虎1，王 颖2

(1.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003；2.淮安新奥燃气有限公司，江苏 淮安 223002)

以3 000 t级京杭运河柴油-LNG混合动力改造试点船舶为研究对象，在不改变机体结构和燃烧方式的前提下，通过对船用柴油机加装双燃料系统，使其能够在混合动力模式下运行，从而获得理想的动力性能、经济性和排放的环保性。同时介绍了LNG储存、汽化和供气等主要气体系统，分析了混合动力船舶对防火分隔、消防、监控、防爆保护等要求与处理方法，探讨了逃逸气体的控制方式，希望能在摸索LNG船舶应用方面提供一些参考。

货船；柴油;液化天然气；混合动力

0 引言

能源紧缺和发动机尾气对气候环境的影响问题已成为世界范围内影响经济社会发展的重大问题，交通运输行业是能源消费和温室气体排放的重要领域之一， 2011 年《国务院关于加快长江等内河水运发展的意见》中提出要建成畅通、高效、平安、绿色的现代化内河水运体系，运输效率和节能减排能力显著提高。

我国内河船舶长期以来一直以柴油动力为主。近年来石油资源日益短缺，国际油价不断上涨，导致内河水运行业成本不断攀升，燃料费用有时甚至超过船舶营运总成本的60%，并且大部分船舶柴油机的尾气排放难以满足海事与环保组织愈加苛刻的排放要求，因此使用清洁燃料是一个很好的突破口。液化天然气LNG是一种清洁、高效的能源，其最主要的优点是对环境特性好。采用LNG 燃料可以减少10%～20%的CO2排放量，90%的NOX排放量，100%的硫化物和颗粒物排放。

国外二十世纪七十年代开始研究压缩天然气CNG在汽油机上的应用，继而扩展到柴油机。目前在陆地车用方面，我国汽油机改烧天然气已有成熟的技术，但对船舶柴油机燃用天然气燃料的研究尚处于起步阶段，广泛使用LNG 燃料仍存在不少技术瓶颈，特别是对涉及到的安全性、可靠性等一系列问题缺乏系统性分析与研究。

本文所述船舶为按国家海事局[2012]第48号文批准的柴油-LNG混合动力改造试点船舶。在目前国内相关专业船舶设备配套尚不完善，技术上处于摸索、试验阶段的情况下，大量调研了相关行业如燃气企业和设备厂等，通过对船舶动力系统进行技术改造，使其能够在混合动力模式下运行，获得理想的动力性能、经济性和排放的环保性。

1 船舶概况

3 000 t级京杭运河柴油-LNG混合动力货船为双机、双桨，钢质内河干散货船，主要营运于京杭运河江苏段水域，载运各种干杂货物。货舱区域为双底、双壳。货舱区双层底及舷舱甲板、舷侧采用纵骨架式，舷舱单底采用横骨架式，机舱、艏舱、艉舱采用横骨架式结构形式。该船总布置情况如图1所示。本船主要技术参数为：

总长

75 m

垂线间长

71.85 m

型宽

15 m

型深

4.2 m

设计吃水

3.5 m

总吨

1 597

最大载货量

3 000 t

主机型号/数量

Z6170ZLC-18、Z6170ZLCZ-18/2

设计航速

13 km/h

航区

A级

图1 3 000 t级京杭运河柴油-LNG混合动力货船总布置示意图

2 LNG储存系统

LNG气体燃料储存在容积为10 m3的双层高真空填充式C型独立LNG储罐内。

2.1LNG储气罐处所

根据本船的总体布置以及营运航行区域内的航道特点，结合规范和法规的要求，LNG气罐处所设置于主甲板尾部开敞空间。为便于LNG储气罐的布置，在满足船员生活和居住条件的前提下，适当缩短了甲板室长度，生活舱室后甲板空间足够放置储气罐。在面向储罐的舱室后围壁外侧加设一档肋位长度的空舱，以满足气罐处所防火分隔要求。

2.2LNG气体燃料的围护

LNG低温液体储气罐主要技术参数见表1。储气罐依托船甲板作为支撑，储气罐下方的尾甲板上设有与主甲板焊接在一起的钢制基座，储气罐鞍座与基座采用螺栓紧固连接。LNG储气罐设有压力释放系统，气罐处所压力释放阀与透气管相连，透气管出口高于露天甲板不小于3 m，其通向起居处所、气体安全处所最近的空气进口、空气出口或开口及机器设备的废气出口均不小于5 m。

2.3LNG气体燃料的充装

本船经由充装总管接头对LNG储罐进行加注。充装管路上靠近通岸接头处串联安装1个手动截止阀和1个遥控截止阀，能在燃料充装作业的控制位置操作遥控阀。目前采用LNG罐车运输至指定码头对船舶储罐进行充装的方法。船舶在加注燃料时，燃料供应装置和燃料供应站之间的管路应进行等电位连接。

表1 LNG低温液体储气罐主要技术参数

3 LNG汽化和供气系统

LNG汽化系统采用循环热水水浴式汽化器，主要是用发动机的冷却水对水浴式汽化器中的液化天然气加热，使之汽化为常温气体，供发动机使用，达到节约能源以及循环利用的效果。

本船LNG汽化器采用盘管式的结构，汽化能力达到100 N·m3/h。整个设备的制造采用耐腐蚀06Cr19Ni10材质。设备上设置排污口，当水浴式汽化器停止工作时，可排出里面的水分以及其杂质。从汽化器出来的常温气态天然气NG经气体互锁阀、天然气滤清器、燃气减压阀、燃气喷射组件等，作为燃料进入发动机。其供气系统图见图2。

图2 LNG-NG供气系统图

4 发动机改造

在原有6170柴油机的机体结构和燃烧方式不变的基础上，本船增加1套LNG供气管路系统和柴油-LNG双燃料电控喷射系统。该管路工作压力为0.8 MPa，设计压力为1.0 MPa。双燃料工作模式由电子转换开关控制，发动机可以在纯柴油模式下工作，也可以在柴油-LNG双燃料模式下工作。在柴油-LNG混燃模式时，发动机中的微量柴油用于引燃，天然气则作为主要燃料。

主机改造采用增压器后总管混合正压喷射方式。天然气在增压器后发动机进气道与增压后空气混合，通过发动机进气道及各缸进气阀进入发动机气缸，在压缩冲程由喷入的少量柴油引燃气缸内天然气。针对不同工况，电子控制单元ECU根据测量发动机工作状态的转速传感器、压力传感器、排气温度传感器、油门位置传感器等传感器信号确定相应的控制参数，通过天然气喷射阀及油门执行器控制发动机的供气量和柴油供给量，实现最优供给比，获得理想的动力性能、经济性和排放的环保性。

电控系统设置故障自诊断和安全保护功能。当出现电源、重要传感器、重要执行器等故障时，电控系统可自行判断，启动安全保护功能，自动将发动机转换到纯柴油模式运行。

5 船舶系统

5.1消防系统

除常规散货船的水消防系统和消防设备外，本船在LNG储气罐处所的上方安装用于储气罐的冷却和防火以及面向储气罐的舱壁部分的水雾系统，其喷水率对水平防护表面为10 L/(min·m2)，对垂直防护表面为4 L/(min·m2)。本船选用2台电动水泵(流量：60 m3/h，扬程：0.42 MPa)作为总用/消防泵。单台消防泵组即可同时提供2股19 mm水枪和水雾系统所需消防水量。

机舱左右舷入口处、每台气体燃料发动机旁和燃料充装接头附近各增设1具5 kg手提式干粉灭火器，在LNG储气罐充装站附近增设置1台70 kg和1台100 kg大型推车式干粉灭火器，以覆盖所有可能的泄漏点。

5.2机舱通风

机舱区域设置2台轴流式防爆风机，流量为18 000 m3/h。空气由机舱内风道上的风栅进入风道，再经露天甲板上的风机由菌形风帽排入机舱外开敞空间。机舱风机和主机采用双燃料模式运行连锁，即当通风机开启至少10 min以后，发动机才能采用双燃料模式运行。当风机因故关停时，发动机能自动转换为纯柴油模式。

5.3可燃气体探测和火灾报警系统

机舱内设置4只固定式气体燃料探测器，尾部LNG储气罐处所设置2只固定式气体燃料探测器，分别组成2套相互独立的探测系统。当探测到机舱内可燃气体浓度达到燃烧爆炸下限时，发出报警，且同时切断机舱的气体燃料供应，发动机自动转换为纯燃油模式。全船还设有1只可便携式气体探测器。机舱内设置感烟、感温探测器各1只。

5.4LNG储气罐监控

LNG气罐监控包括储罐压力、液位、温度，汽化后的天然气温度，汽化水的温度、压力等。在驾驶室能远程显示监测储罐压力、液位及相应报警。

6 防爆保护

6.1曲轴箱保护

每台发动机的曲轴箱设有敞开式透气管，可使泄漏的气体及时排至机舱外的开敞区。透气管上设阻火器。

6.2进气总管和排气总管爆炸保护

每台发动机的进、排气管总管均安装了防爆安全阀，防爆安全阀设置的开放压力分别为增压压力的1.5倍和1.2倍，其尺寸可以预防当气缸发生点火故障时剩余燃气在排气管中产生爆炸。每台发动机进气防爆安全阀、排气防爆安全阀及曲轴箱透气管的出口汇总后用总管路引至机舱外的开敞区域。

7 逃逸气体控制

京杭运河中营运的船舶普遍存在待闸时间较长的现象，待闸区有时会聚集大量船舶。随着混合动力船舶逐步推广，单艘船舶少量的逃逸气体汇聚起来会使小区域内逃逸气体达到一定浓度。逃逸气体的存在不仅造成气体燃料浪费，聚集后还会造成一定的危险性，必须予以控制。

逃逸气体控制一方面通过加强储罐的保温性能，减少安全阀的开启；另一方面在柴油机正常运行状态下，依靠发动机双燃料控制和管理系统的高性能微处理电控技术，精确控制天然气的喷射量、柴油的引燃量，使天然气-柴油在发动机缸内充分燃烧，保证发动机长期处于最佳双燃料运行状态，减少逃逸气体。此外，船舶处于待闸状态下储罐压力升高报警时，启动发动机脱排空转，促使储罐内的天然气进入发动机燃烧，从而降低储罐压力至正常值。

8 结语

国内一些机构所作Z6170系列船用柴油机部分型号台架实验结果显示，在负荷为25%额定功率时，其替代率为69.2%。但由于本船航行于京杭运河水域，存在待闸时间长等水域特殊因素和货运不足的影响，大多数船舶出于节约燃料的目的，常用主机转速一般不到额定转速的50%，功率只有额定功率的13%左右，预计其替代率只有55%～65%，平均NOX下降8%左右，CO2下降10%左右。本船实际燃油替代率和排放数据需待实际营运一段时间后才能得到较为准确的结果。

在陆地车用方面，我国汽油机改烧天然气已有成熟的技术，并已大面积地得到了推广，但对船舶柴油机燃用天然气燃料的研究尚处于起步阶段。随着“气化长江”、“长江绿色物流创新工程”等内河船舶“油改气”项目的逐步推进，天然气作为一种经济、绿色、安全的新型能源逐渐为人们所认同，成为未来主要的绿色经济型能源。LNG燃料船舶开发的推动者应不仅仅限于科研设计机构和能源企业，应该是在政策和政府主管部门的宏观主导下，船东、能源企业、验船机构、设备厂商、科研设计机构和船厂联合开展技术攻关和应用开发、推广实施。

[1]中国船级社.钢质内河船舶建造规范[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]中国船级社.气体燃料动力船检验指南[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]中国船级社.天然气燃料动力船舶规范[M]. 北京：人民交通出版社，2013.

[4]GB/T 20368-2006，液化天然气生产，储存和装运[S].

[5]GB/T 19204-2003，液化天然气的一般特性[S].

[6]GB/T 20734-2006，液化天然气汽车专用装置安装要求[S].

[7]GB 18442-2001，低温绝热压力容器[S].

2014-01-22

于全虎(1974-)，男，高级工程师，主要从事船舶动力装置的科研与设计工作；王颖(1976-)，男，主要从事车船用油改气技术市场开发与营运管理工作。

U674.13

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