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【天然气】我国内河LNG燃料动力船舶发展概况

2017-02-27 华气能源猎头

我国内河及长江航运普遍存在污染严重、船舶机型复杂、技术装备陈旧老化、能耗高等问题，发展LNG燃料动力船舶对于我国内河航运的节能减排具有十分重要的意义。2010年7月5日，由交通运输部主办的港航共建绿色水运技术交流会在上海召开，CCS 总裁李科浚在题为“关于建设我国绿色水运的几点认识”的主旨演讲中，鲜明地提出了建设我国目标型绿色水运的体系框架和措施建议；2011年1月国务院《关于加快长江等内河水运发展的意见》提出，利用10年左右的时间，建成畅通、高效、平安、绿色的现代化内河水运体系。同时，我国能源中长期发展规划明确指出“十二五”期间，大力发展天然气，2030年天然气将占到一次能源的10%，成为我国能源发展战略中的一个亮点和绿色能源支柱之一。正是在这些大背景下，船用燃料油改用天然气近年来成为各方关注的热点，越来越多的企业投入这一行业，并已引起国家和地方主管部门的重视。

　　一、LNG燃料动力船舶概述
　　船舶航行所用燃料主要为柴油和燃料油，其中柴油主要用于内河或近海中小型船舶，相对于燃料油来说柴油燃烧完全、排放少、船舶运营维护成本低，但燃料成本高。燃料油主要用于远洋大中型船舶，通常含有较多的硫、灰分等杂质，燃烧后大气污染物排放量多，船上相关设备要经常更换或清洗，维护成本高。LNG作为船舶动力燃料，最初应用于LNG运输船，主要是基于LNG运输船舶长时间长距离航行会有少量LNG蒸发成气体（简称BOG），BOG与燃料油按一定比例混合，就可以成为传统蒸汽轮机推进系统主锅炉的燃料，这样既解决了BOG的安全排放问题，又节省了燃料消耗。然而直到2000年，挪威才率先将LNG作为船舶动力燃料真正地应用于非LNG运输船。

　　二、LNG的特性及船舶改造原理
　　LNG是一种混合气体，其主要成分为甲烷，根据GB12668-2005《危险货物品名表》，冷冻液态天然气，联合国编号为1972，危险品分类号2.1类，为无色、无嗅、易燃气体。LNG体积约为同量气态天然气体积的1/600，重量仅为同体积水的45%左右，燃点为650℃。 LNG气液之间的临界温度是-82.5℃，液固之间的临界温度是-186℃。大气压力下，LNG沸点都在-162℃左右。在此低温下LNG蒸气密度大于环境空气。通常LNG是作为一种沸腾液体储存在绝热储气罐中。
　　LNG燃料动力改造是在船舶现有柴油机的基础上，增加一套LNG供气系统和柴油LNG双燃料喷射系统，可实现单纯柴油燃料状态下和油、气双燃料状态下两种运行模式，将船舶单一的柴油动力改造为柴油LNG双燃料动力，通过采用LNG部分替代柴油燃料，达到节省燃油和降低排放的双重目的。不仅新造船可以采用LNG作为燃料，现役船舶也可以通过改装，使用LNG/柴油双燃料主机。现有的船舶要以柴油为燃料，通常情况下需要加装的主要系统包括LNG储罐和气体处理系统，此外还需安装一些辅助系统，如通风系统、ECU、安全系统、自控系统等。最易于改装的船型包括干杂货船、散货船，改装难度较大的船型为客船、渡船、集装箱船，难度最大的则是大型集装箱船、危险品船。改装的难点主要在于如何布置储罐以及其他气体燃料系统的子系统，以及LNG在液化、储存、运输时所带来的麻烦。

　　三、我国LNG燃料动力船舶应用概况
　　我国LNG燃料动力船舶改造的研究和应用始于2010年。2010年8月，湖北西蓝天然气有限公司成功对“武拖轮302号”船进行了LNG动力燃料改造，并在武汉下水试航成功。航行试验表明：在双燃料模式下，发动机不同工况下的参数稳定，柴油机的部分性能较燃烧纯柴油时有所改善；柴油机在规定的转速范围内能有效地进行燃料转换，转换过程方便快捷；柴油机在额定工况下噪音和排污均有较显著的改善；天然气替代柴油率可达66%~80%，经济效益明显。2010年9月，“苏宿货1260”号柴油-LNG混合动力船满载3000吨黄沙从宿迁驶入淮安。航行试验表明：混合动力船在双燃料模式下，硫氧化物减排近100%，氮氧化物减排85%~90%，二氧化碳减排15%~20%，并且噪音、烟尘排放也大大降低，具有很强的社会效益和经济效益。2011年3月25日，中国石油昆仑能源有限公司与济柴动力总厂、武汉交通发展集团、武汉交通发展船舶设计有限公司在武汉市就LNG动力船舶的示范应用工作达成四方合作框架协议，并提出“气化长江战略”。同年4月15日，相关LNG动力船舶正式开工建造。目前，以济柴LNG发动机为动力的新能源船舶示范项目，已在长江武汉段、芜湖、京杭运河及珠江四地共8艘船舶上同时实施。
　　截至2012年底，先后改造了多艘柴油机船舶使用LNG—柴油双燃料，在京杭运河和长江航线进行了试验示范运行。改燃船型有散货和拖船两类，发动机功率覆盖330 、440和105 KW等多种规格。经过空载和满载航行表明，采用混合动力后，动力完全满足原船的要求，速度和原船相当，并且运行稳定，柴油的平均替代率达到60%～70%；在混燃模式下，SOX百分之百实现了减排，NOX减排85%～90%，CO2也可减排15%～20%，同时噪音、烟尘和废油水的排放也大为降低。我国部分改造试点船资料如表1所示。
　　目前，开展船舶油改气业务的企业主要有昆仑能源有限公司、北京油陆商贸有限公司、湖北西蓝天然气有限公司、港华燃气有限公司、新奥燃气有限公司、中国长江航运集团公司、中国石油济柴动力总厂等，国家海事局、船级社及江苏、安徽、湖北等地方的海事、船检、交通等相关部门对试验示范项目也给予了较大关注和支持。

　　四、我国内河典型改造船舶介绍
　　“红日166”建造于2003年，船舶总吨位为3593.560t，载货量为2720t，船长72.0m，船宽为13.20m，用途为散货船，主要航线为黄石-芜湖-上海。2007年 4月7日，“红日166”完成改造后，正式下水试航，在试运营的2年中，该船未出现任何故障，总体运行平稳，取得良好经济和社会效果。该船经过混燃动力改装后，硫氧化合物排放降低70%以上，氮氧化合物减排35%～40%，每替代一吨柴油可减少碳排放0.88吨，机油消耗以及发动机噪声也明显降低，综合节约燃料成本20%以上，深受社会各界的好评。“红日166”为开展船舶LNG燃料动力试点改造、数据收集、运行评估、综合分析，以及制订出台相关规范标准提供有力支撑依据。同时，该船于2012年10月10日通过国家海事局组织的专家审核，并随后取得《LNG燃料动力试点船舶核准通知》。今年4月，对照《LNG燃料动力试点船舶关键设备技术要求》和《LNG燃料动力试点船舶技术要求》，经实船检验，该船顺利获得船检机构签发的LNG试点船舶检验证书，成为自我国船舶实施LNG燃料动力试点改造以来，首艘取得船检验证书的船舶。“红日166”的主要改造情况如下：
　　（一）船舶主推进装置方面，船舶在靠离码头时采用柴油推进，正常航行时则采用LNG/柴油双燃料推进，其中双燃料组成方式是LNG为70%，柴油30%，船舶驾驶人员通过调节驾驶台的燃气和燃油转换按钮变化船舶的推进方式，如图1所示。
　　（二）船舶管理方面，LNG/柴油双燃料船舶在船舶管理方面与普通船舶差异不大，在储气罐和机舱室除按照正常的消防灭火要求外均未单独配备相关设施和设备，在船舶驾驶台粘贴有船舶安全作业须知，特别是当燃气系统发生故障时需要采取相应的安全保障措施，如图2所示。
　　（三）监控系统方面，传感器基本安装在罐体上，像压力传感器(如图3所示)、温度传感器、液位传感器、真空度传感器；而气体探测器则安装在机舱的上部，当探测到有气体泄漏时，会使低温紧急切断阀动作，从而关闭管路，该阀的动作来此罐内的气体压力，当无压力作用时，该阀自动关闭。
　　（四）储气罐安装、布置方面，该船舶配有2台二冲程六缸柴油机，额定功率为441kw。LNG储气罐布置在船舶尾部甲板上，储气罐一个充液阀分为2路，分别通入到罐体的上下两个部分，上面的管路主要作用为冷却储气罐，下面的管路是充注液态LNG，在储罐下面分布两组汽化器，前面的一组的作用是增加罐内压力，后面一组是用于气化罐内液体，如图4所示。储气罐为15.8m3，可保证船舶航行约2000km，另外在调研中发现船舶在加气过程中会有部分气体通过管子排出，该气体需要采取类似点火装置的方式将其燃烧。
　　（五）柴油机改装方面，双燃料发动机的改装较为简单，主要是增加了一个燃油控制器来调控燃油与天然气的混合比例和在进气管路上加入了天然气管路，如图5，6所示。
　　五、总结与展望
　　传统的船型被更加适合新物流格局的新船型取代，不适应形势的老旧吨位被淘汰是一个客观的必然。LNG作为船用动力燃料具备清洁、环保、经济等优点，在我国内河推广LNG燃料动力船舶既能满足国家对环境保护的严格要求，又能解决船东船舶燃油成本居高不下的燃眉之急，是我们在船舶燃料方面发展可循环经济及绿色经济的首选。然而，续航能力较差、船舶建造及改装成本高、前期的基础设施投资巨大是我们必须克服和解决的难题。因此，在我国内河推广天然气动力船舶，机遇与挑战并存，需要政府部门、航业主管、航运企业、船舶配套单位和有关科研院所共同努力。