内河船舶LNG双燃料柴油机的技术特点及应用

任胜超，胡以怀

（上海海事大学，上海 201306）

0 引言

随着IMO Tier II、Tier III排放标准的陆续实施，对船舶柴油机废气排放的控制也愈加严格，除了采取废气再循环、燃油掺水燃烧、使用燃油添加剂、燃料脱硫处理、尾气喷水净化等措施来使船舶尾气排放满足标准外，LNG作为一种清洁能源越来越受到业界关注。

1 LNG双燃料柴油机的优越性

天然气的主要成分有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等，其中甲烷占70%～90%，硫化氢以及氮气含量微小。同煤、石油燃料相比，在输出相同能量的前提下，天然气产生的污染物排放量最少，二氧化碳排放减少了近30%，硫氧化物排放减少了近100%，氮氧化物排放减少了80%，微小颗粒物排放减少了92%。因此，以LNG、柴油为燃料的发动机的环保优越性愈加明显。

表1为车用燃料的特性参数，从表中可以得出，天然气燃料的辛烷值最高，抗爆性能好，有助于提高内燃机功率、延长发动机寿命和节省燃料。其爆炸极限和着火点也高于其他燃料，因此安全性相对较高。但由于天然气的着火点为 650℃，与汽油的427℃和柴油的260℃相比，着火点高很多，点火能也高于汽、柴油，因此 LNG并不能像柴油一样被压燃，而是往往通过火花塞点燃或一定量的柴油引燃[1]。此外，LNG燃料的气化潜热高，液态燃料的冷能可在船舶上应用，如用于船舶货物冷藏、制淡 装置、船舶空调系统、发动机以及设备冷却等[2]。

表1 车用燃料的特性对照表

船舶经过改造，采用LNG双燃料柴油机，燃料成本费降低，柴油机寿命延长，初期投资成本能够较早的回收。以赣抚州货0608号船为例，该船的改装费用为 38万元，年燃料成本费据测算可降低16.1894万元，投资回收期为2.488年[3]。

2 我国内河船舶“油改气”现状

国务院在2011年1月21日出台了《关于加快长江等内河水运发展的意见》，将实现内河水运绿色发展列为主要任务，充分提高内河水运体系的节能减排能力，有效降低能源资源消耗，发展低碳经济，减少污染物排放。2011年8月31日，交通运输部印发了“十二五”水运节能减排总体推进实施方案，内河 LNG和柴油混合动力船舶技术应用被列为重点技术试点工作中的五大项目之一，以推动水运节能减排技术的应用。内河柴油和 LNG混合动力船舶技术试点工作的开展，推动了 LNG双燃料柴油机的发展，掀起了内河船舶“油改气”的热潮。

2010年7月，3000吨级“苏宿货1260”船开始进行改造，8月进行试航；同期，由湖北西蓝天然气有限公司和武汉轮渡公司共同合作改造的“武拖轮302号”试航成功[4]。2011年1月，“漓江山水34号”在漓江试航成功，成为中国内河第一艘天然气动力游船；同年3月，由中国长航集团、北京中兴恒和投资集团及富地石油控股集团共同推进的LNG-柴油双燃料散货船“长讯3”试航成功[4]。赣抚州货0608号干货船于2011年6月改造完成，成为江西省第一艘使用LNG-柴油混合动力的船舶。

3 LNG双燃料柴油机的技术特点

LNG双燃料柴油机即以 LNG和柴油作为燃料，通过在原柴油机的基础上加装 LNG燃料供给系统，通过接收转速、温度、流量等传感器信号，利用中央控制单元 ECU对数据进行处理，并由执行器对柴油的喷射量和天然气的供应量进行调整，实现柴油和 LNG燃料的混合燃烧。将单一燃料的柴油机改装为 LNG双燃料柴油机后，在气体燃料工作模式下，由天然气满足主要的动力需求，柴油仅作为天然气的引燃燃料和为相关部件提供润滑。当天然气供给系统故障或者不能满足船舶特定工况下的功率需求时，船舶仍然可以切换到纯柴油模式下运行，以满足船舶动力需求[5]。

3.1 LNG双燃料柴油机的结构组成

LNG双燃料柴油机的结构大体分为三个部分:LNG供气系统、LNG双燃料柴油机控制系统和LNG安全系统。图1为LNG双燃料柴油机系统图。

图1 LNG双燃料柴油机系统图

3.2 各个系统组成

LNG供气系统主要包括LNG储罐、汽化器、过滤器、减压装置、缓冲罐和混合器。

LNG双燃料柴油机控制系统主要包括天然气压力、天然气温度、进气压力、进气温度、冷却水温度、滑油压力、滑油温度、转速、排气温度、油门位置传感器以及中央控制单元ECU、天然气喷射阀、油门执行器、互锁气体阀和主气体燃料阀。

LNG安全控制系统主要包括碳氢气体探测器、声光报警系统、通风设施以及消防设施。

3.3 LNG双燃料柴油机改造的关键技术

LNG双燃料柴油机除了具备滑油压力、滑油温度、冷却水温度、排气温度异常以及发动机飞车等声光报警功能外[6]，还必须能够实现对可燃气体泄漏、发动机爆震的预防和处理，控制发动机污染物排放，实现发动机的安全、环保运行。

3.3.1 LNG可燃气体泄漏的预防

LNG可燃气体泄漏后与空气混合，在燃烧爆炸极限范围（5%～15%）内，遇明火极有可能引发火灾。对于气体燃料管路，可采用双壁管，内管为LNG气体燃料，外管充以高于内管气体燃料压力的惰性气体。同时，将气体燃料管路安装在通风的导管中，气体燃料管路和导管内壁之间的气室通过机械式抽风通风机进行强制换气；出现天然气泄漏时，在气室内充以惰性气体，并适当减少换气频率。在机舱等围蔽处所内要通过防爆风机等设备及时将可燃气体疏散到安全区域，以防可燃气体积聚。

3.3.2 发动机污染物的排放控制

氮氧化物是柴油机的排放污染物之一，根据MARPOL附则VI修正案有关“氮氧化物NOX”的规定，Tier Ⅲ排放标准将于2016年实施，船舶航行在ECA区域时，要求氮氧化物排放量比TierⅠ阶段降低约80%。但是并非所有的LNG双燃料柴油机在燃气模式下都能满足Tier Ⅲ标准。

氮氧化物的生成与燃烧室的氧气浓度、温度密切相关。有研究表明，当反应的温度高于2200K时，温度每上升90K，氮氧化物NOX的生成量会翻倍增加[7]。

从图2中可以看出，在狄塞尔循环和奥托循环中，气缸内的最高燃烧温度都要高于2200K，而且狄塞尔循环中气缸内的最高燃烧温度明显高于奥托循环，高温持续时间也较长，当燃烧室氧气浓度相当时，狄塞尔循环中NOX的生成量要远高于奥托循环。因此，要降低LNG双燃料柴油机氮氧化物的排放，可以在燃气模式时采用奥托循环。

图2 气缸温度-曲柄转角图

3.3.3 发动机爆震的预防

由于LNG的成分主要是甲烷，其与空气的混合物着火延迟时间要长于柴油，燃烧时甲烷的火焰传播速度也低于柴油，容易产生可燃混合气作为主燃料自燃时引发的不稳定爆燃，导致爆燃现象的发生。影响爆燃的因素包括发动机的负荷和转速、燃烧温度、气缸内的紊流情况、天然气与引燃柴油的比例[8]。

要减少LNG双燃料发动机的爆震，可以通过以下3个途径:

1）适当增加引燃柴油油量，减少天然气量，特别是低负荷运转时效果明显；

2）提高转速，加强燃烧室内的气流运动，火焰传播速度提高，燃气终燃温度降低，减缓爆震现象；

3）在图3所示的工作区内选取较大的空燃比，这样可以使燃气被稀释，气缸易于冷却，进而阻止爆震的发生。

图3 稀薄燃烧

4 LNG双燃料柴油机的应用

内河船舶“油改气”推动了LNG双燃料柴油机的应用，但由于 LNG燃料的一些特性以及配套设施的不健全[9]，在使用LNG作为燃料时，对船舶设计、操作和管理提出了更高的要求。

4.1 LNG燃料翻滚灾害的预防

LNG燃料在储存过程中会逐渐“老化”，形成不同密度的液层，储罐从外界吸收热量后，加剧了液层的热循环，容易导致翻滚或间歇泉，短时间内产生大量的蒸发气，顶开安全阀溢出。这不仅会造成燃料的浪费，也增加了火灾、爆炸事故的隐患。因此，LNG储罐的设计容量不能太大，并采用圆形储罐，以减少 LNG燃料长期储存引发的翻滚风险，保证LNG燃料的有效利用。但这使得船舶的续航能力降低，LNG燃料加注的频率增加。为了防止溢出气体的积聚，LNG储罐通常布置在开敞的甲板上。由于储罐占据了船舶空间，影响货物装载。在加注LNG燃料时，为避免分层现象，加注低于储罐内LNG密度的燃料时要从下部管路充入，加注高于储罐内 LNG密度的燃料时要从上部管路充入。在加注 LNG燃料前，通过储罐顶部的遇冷装置，利用少量的 LNG对储罐进行预冷，以免储罐内温度急剧变化产生过大应力和大量蒸发气。

4.2 LNG燃料低温破坏的预防

LNG管道和设备要采用耐低温金属，避免发生冷脆或剧烈收缩；低温管路应有保冷措施，并进行隔离，避免与工作人员的直接接触；对于法兰、焊缝、阀门、管路连接接头等易泄漏点，要安排人员定期检查，发现霜冻或雾团要及时隔绝泄漏区域，关闭系统。

当LNG泄漏后，温度低于-107℃时，LNG气体或液体积聚在低处。人员接触后会遭受冻伤，严重时窒息死亡。工作中，维护人员必须将装备（包括面罩、目镜、手套、靴子等）佩戴齐全，着宽松的工作服，以便在溅落低温液体后可以迅速脱去。

4.3 LNG燃料加注站的建设

内河建造LNG燃料加注站，除了受加气站建设标准不够完善、LNG内河运输等因素影响外，每年的丰水期和枯水期的水位差也对船舶加注 LNG燃料的影响甚大。目前，LNG输送管道均为低温不锈钢材质的管道，不易延展和伸缩，在岸上建造加注站存在与船舶如何连接的问题。据悉，“武拖轮302号”轮是通过更换LNG罐的方式加气，而“苏宿货 1260”则是由槽罐车为船舶加气。LNG双燃料船舶“加气难”的问题日益凸显。

要克服内河水位差对 LNG燃料加注的影响，可以借助LNG趸船和斜坡码头来完成。如图4所示，沿斜坡码头架设LNG输送管道，管道上每隔一定间距安装输出接头，船舶加气时先根据水平面高度选择合适的输出接头，将LNG趸船的卸料臂连接LNG管路输出接头，趸船的加气臂连接LNG双燃料船舶，从而实现从输出接头向 LNG双燃料船舶供气。

此外，中国大型LNG接收站建设正如火如荼，目前正在运营的LNG接收站共有6座，分别位于辽宁大连、江苏如东、上海洋山、浙江宁波、福建莆田和广东大鹏湾。青岛、天津、温州、珠海、深圳、海南等地也正在建设或规划大型 LNG项目。沿海地区LNG接收站的规划建设推动着内河水域LNG接收站布局方案的酝酿，也为沿江LNG加注站的规划创造了条件。如果能尽快解决内河洪枯水位落差大对LNG燃料加注的影响，完善LNG加注站的配套建设，内河船舶“加气难”的问题会迎刃而解。

5 结束语

内河船舶采用 LNG双燃料柴油机不仅有助于延长机组寿命，降低燃料成本费用，也有利于减少污染物排放，实现内河水运的绿色发展。LNG双燃料柴油机改造的关键在于NOx的排放控制、发动机爆震预防、系统故障报警。同时，要有效预防LNG泄漏、翻滚、低温破坏等事故的发生，不断完善加气站的建设，克服水位差对LNG燃料加注的不利影响，为LNG双燃料柴油机的推广提供有力保障。

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[2]于祥, 厉善亨, 段玉龙. LNG动力船舶的兴起及冷能的回收和再利用[J]. 中国水运, 2012(11):9, 10.

[3]乔文典, 赖招权, 时国伟, 等. 柴油和LNG混合动力技术在船舶上的应用[J]. 中国水运, 2011(12):55.

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[5]李斌. 双燃料发动机的工作原理及排放控制[J]. 世界海运, 2012(5):40.

[6]王温和. 双燃料发动机技术简介[J]. 中国科技信息,2011(15):114.

[7]夏立国. 船用柴油机氮氧化物排放规范、技术标准和控制技术[J]. 船舶标准化工程师, 2010(6):46.

[8]马志豪, 徐斌, 吴建, 等. 采用示功图分析双燃料发动机爆燃特性[J]. 拖拉机与农用运输车, 2003(4):23.

[9]彭宏恺. LNG燃料动力船改造试点工作探析[J]. 中国海事, 2012(10):49, 52.