平原流域内河标准船型应用LNG动力技术分析

于全虎 孟德臣 张化英

1. 江苏省船舶设计研究所有限公司, 江苏 镇江 212003;2. 河南省交通运输厅航务局, 河南 郑州 450016

0 前言

河南省地处中原腹地,域内以平原为主,主要通航河流为淮河及其支流沙颍河。为适应河南省淮河、沙颍河等航道升级改造工程,充分发挥等级航道的通过能力和运输船舶的装载能力,提高运输船舶营运的经济性,促进船舶回船籍港,有必要推广船舶标准化工程。标准船舶采用LNG动力可降低废气中CO2、NOx和SOx等的含量。本文以平原流域内河标准船型研发为基础,针对平原流域内河标准船型应用LNG动力进行技术分析,为内河船型标准化和新能源船舶技术相结合提供参考。

1 标准船型应用LNG动力的技术可行性

1.1 国内LNG动力船舶应用情况

2010年8月,京杭运河第一艘柴油-LNG混合动力(简称LNG混合动力)船舶“苏宿货1260”3 000吨级运沙船试航成功(图1)[1]。自2013年中国船级社(CCS)《天然气燃料动力船舶规范》(2013版)和中国海事局(MSA)《内河天然气燃料动力船舶法定检验暂行规定》(2013版)公布实施后,我国内河天然气(主要是LNG)动力船舶的建造和应用由试点进入常态化,技术上已逐渐完善,而且设计、建造和监管等环节有规范、法规依据。据报道,“十二五”期间,我国共建造完工LNG动力船舶50艘。江苏省船舶设计研究所有限公司自2012年开始开展LNG动力船舶的设计研究,2013年承担了“江苏(货)3001”3 000吨级散货船(图2)LNG混合动力改造设计。该船在江苏省按海船检[2012]48号文批准试点改造的LNG动力示范船舶中第一个通过法定检验,2014年3月正式投入营运,实际应用情况良好。此后,江苏省船舶设计研究所有限公司又陆续完成了63 m集散两用LNG混合动力货船(图3,应用于京杭运河江苏段水运应用LNG综合示范区)、49.8 m集散两用LNG单燃料动力货船(图4)、LNG动力专用集装箱船(图5)等批量LNG混合动力及LNG单燃料动力船舶的设计。

图1 “苏宿货1260”LNG-柴油混合动力货船

图2 “江苏(货)3001”3 000吨级LNG混合动力货船

a)“大港集001”货船

b)“大港集002”货船图3 63 m集散两用LNG混合动力货船

图4 49.8 m集散两用LNG单燃料动力货船

图5 LNG动力专用集装箱船

1.2 LNG动力船舶技术要点

1.2.1 LNG船机及其动力特性和环保性

1.2.1.1 LNG船机

内河船舶LNG动力改造试验及试点工程于2010年开始,至今经历了原有柴油船用发动机(以下简称“船机”)改造为LNG混合动力船机,以及直接使用成品LNG混合动力船机和LNG单燃料船机两个阶段。

图6 柴油-LNG电控喷射混合动力系统流程图

目前潍柴西港新能源动力有限公司、中国石油集团济柴动力总厂、玉柴联合动力有限公司等多家船用发动机企业均可提供系列化功率范围的持证LNG船机。国内LNG单燃料船机一般采用火花塞点燃式，例如玉柴联合动力有限公司的单燃料船机(图7),而LNG混合动力船机一般采用少量柴油引燃混烧式。

1.2.1.2 LNG船机动力特性

与火花塞点燃式LNG单燃料船机比较,少量柴油引燃混烧式LNG船机有如下特性[2]:

1)压缩比更高,燃料热效率更高,能耗更低。

2)引燃用柴油释放出的能量远高于火花塞点火产生的能量,利于天然气稳定着火,避免失火现象。

3)循环变动更小。

4)引燃柴油会形成多个点火源,加快天然气的火焰传播速度,提高发动机动力特性;并且能在较宽泛的空燃比范围工作,实现较稀薄燃烧。

图7 火花塞点燃式LNG单燃料船机系统流程图

5)母型柴油机结构改动小,主要部件互换性好,厂商制造和配套成本低,后续使用维修方便。

6)需要柴油和天然气两套控制系统,整机成本增加。

7)由于采用两种燃料混燃方式,排放环保性能较单一气体燃料的环保性能差。

内河航道相对狭小,弯道多,船舶密度大,对船舶发动机调速及低速动力输出特性要求高,较适合使用LNG混合动力船机,但从绿色环保的角度看,LNG单燃料船机更有应用前景。此外,目前微量引燃发动机技术在国外中大型船机上已成熟应用,是国内内河船机的技术发展方向之一。

1.2.1.3 LNG船机环保性

1.2.2 LNG储气处所

考虑内河货船的总体布置、营运航道特点,以及船舶规范和法规的要求,LNG一般储存于C型卧式低温罐中[3],船用LNG储罐常见类型有真空填充式和多层缠绕式,真空填充式是在低温储罐夹层中充填干燥的珠光砂,夹层厚度为200～300 mm,再抽真空度到2～5 Pa;多层缠绕式是在低温储罐夹层中包扎铝箔纸和纤维纸(一般40层),夹层厚度为84～100 mm,再抽真空度到0.05 Pa以上。多层缠绕式性能优越,重量轻,比真空填充式预冷损失小、稳定性好,但单位容积成本高,真空度要求[4-6]更高,抽真空工艺更复杂。

出于简化危险区域及设备布置的需要,LNG储气处所一般设置于船舶尾部开敞空间,同时设置一套LNG储存、供气系统,包括储罐、汽化器及相应阀件、附件及仪表等(图8)。船舶在初始设计时考虑便于LNG储罐的设置,一般在满足生活居住条件的前提下,适当缩短舱室长度,储罐与舷侧距离、船尾部距离都应符合相应船舶规范要求[4-6]。

图8 LNG储存及供气系统

LNG储罐经由充装总管接头进行加注,加注结束后应将液体或气体燃料从充装管路中排出,用供气设备内的BOG将进液管道内的LNG吹至储罐内,然后对进液软管进行放散。

考虑到船员在LNG储气处所活动的安全性,在LNG储罐公共鞍座的外围需要增加钢丝防护网,网上设有可关锁的门,以便于对LNG储气及供气系统的甲板露天部分进行日常操作与维护。

1.2.3 面向储气处所舱室限界面防火设计

面向储气处所的上层建筑舱室限界面应考虑防火分隔,可采用隔离空舱或加强防火分隔设计(图9)。

图9 面向储气处所的舱室限界面采用隔离空舱的防火分隔设计

1.2.4 船舶性能及结构强度

船舶尾部LNG储气处所的甲板上需增加LNG储罐和储罐安装座,同时焊接加强复板。这将带来船舶稳性、浮态及结构受力的变化,需就这些方面的船舶性能及结构强度进行校核计算(图10)[7-8]。

图10 LNG储罐安装底座及甲板结构强度有限元分析

1.2.5 可燃气体探测及安保系统

可燃气体探测及安保系统(图11)是使用LNG燃料动力的船舶必须配设的安全控制系统及配套设备,一般通过设置相关探测设备对气体储罐、汽化器、气体管路等的运行状态和参数,以及安全条件(如燃气泄漏、通风无效、可能的火灾等)进行检测[9],当监测到相关设备参数出现异常或不满足安全条件的情况发生时,按照控制策略发出控制信号并控制相关设备做出反应。

a)可燃气体探测器

b)安保系统工作界面图11 可燃气体探测器和安保系统工作界面

1.2.6 消防系统

主要是在LNG储气处所设水消防、压力水雾、水幕系统及灭火器等[10]。

1.2.7 电气系统

主要是考虑防爆照明,气体燃料发动机控制系统和气体燃料控制系统需由主电源和蓄电池双路供电等。

1.2.8 BOG控制方案

LNG动力船舶的BOG气体主要来自LNG储罐的压力安全系统释放和气体发动机的逃逸气体,其中LNG储罐释放的BOG占很大比例,尤其内河船舶普遍待闸时间较长,待闸期间发动机不工作,LNG储罐吸热后内部压力升高导致安全阀定期打开释放气体。目前除了提高储罐自身的保温能力外,还有以下方法可以考虑:

1)减少LNG储罐逃逸气量。当LNG储罐压力高于0.9 MPa±0.05 MPa时,ECU得到储罐压力传感器的信号后发出储罐压力高的报警,这时开启储罐节能出口管路阀和储罐出口阀,发动机启动并且齿轮箱处于脱排状态,发动机转速控制在800～900 r/min,将储罐内的天然气燃用直至储罐压力下降至正常值。

2)减少发动机逃逸气量。天然气进气量采用数字阀并联组合多点无级控制技术,达到每一工况下天然气进气量高精度的控制;柴油引燃量采用数字电控技术和闭环油门控制技术,优化全工况下的引燃喷油量;天然气进气采用增压器后正压喷射形式,使天然气与增压气体在正压状态下充分扰动、均匀混合;采用各缸排气温度监控,随时判断缸内混合燃烧的工作状况。上述措施使两种燃料在气缸内充分混燃,确保发动机长期工作于最佳状态,减少逃逸气量[11]。

2 LNG动力船舶配套设施建设情况

目前,内河LNG动力船舶推广缓慢的主要原因之一是受LNG加注站建设所限,2013年前长江沿线LNG加注站还未建立,2014年前京杭运河区域尚无LNG加注站,船舶无法直接靠岸加气,必须采取将气罐拆卸后用汽车运到岸上加气站加注或在专用监管码头由LNG低温槽罐车加注的方式,不但提高了加气成本,还增加了作业时间,加大了生产安全风险[12]。

现阶段国内研究、建设的内河区域LNG加注站的模式主要分为:栈桥式码头固定站、岸基式码头固定站、趸船+码头或管廊、独立趸船站和移动加注船[13-14]。岸基式码头固定站主要参照GB 50156-2012《汽车加油加气站设计与施工规范》、GB 50028-2016《城镇燃气设计规范》、美国标准NFPA 52 Vehicular Fuel Systems Code、JTS 165-5-2016 《液化天然气码头设计规范》等进行设计。中国船级社(CCS)《液化天然气燃料水上加注趸船入级与建造规范》(2014版)于2014年3月1日生效,中国海事局(CHINA MSA)《液化天然气燃料内河加注趸船法定检验暂行规定》(2014版)于2014年9月1日开始实施,为地理环境适应性较好的独立趸船加注站模式提供了较为完善的规范和法规依据[15-17]。

2013年9月国内首座水上LNG加注站—“海港星01”(图12)[18]在长江南京八卦洲投入试运行,为全国首个接岸趸船式水上LNG加注站,趸船船长100 m,型宽18 m,配有2个各250 m3LNG储气罐,2台低温装卸臂及其他工艺配套设施,每小时可向船舶加注34 m3LNG。2014年2月13日,京杭运河江苏段首个水上LNG加气站(图13)[19]在江苏省淮安市建成,采用岸基式码头固定站方式。

江苏省船舶设计研究所有限公司设计的200 m3LNG加注趸船(图14)为柴油(油舱容积115 m3)和LNG(储罐容积200 m3)合建加注站,采用趸船+码头形式,可为船舶加注LNG或0号柴油,船舶主尺度满足 1 000～3 000吨级货船靠泊进行加注燃料的要求。

图12 “海港星01”水上LNG加注站

图13 京杭运河江苏段首个水上LNG加气站(淮安)

目前内河LNG动力船舶数量相对较少,加气需求不旺盛,因此社会力量投建水上LNG加注站的动力不足,而水上LNG加注站的缺乏,导致加气周期长,加气成本过高,又影响到船东新造或改建LNG动力船舶的积极性。水上LNG加注站的建设涉及到岸线审批、LNG气源及LNG运输储存等诸多环节,一般社会企业难以涉足,这也造成了社会力量投入的不足。

随着对内河船舶在运输全程中水和大气污染防治要求的不断提高,水运行业成为国家推行包括LNG在内的清洁能源的重要领域。我国早在2009年就已在内河船舶上开展LNG试点应用,通过不断摸索,应用技术和相应规范、制度逐渐成熟[20-21]。2013年交通运输部发布了《关于推进水运行业应用液化天然气的指导意见》,开始系统化推进内河船舶应用LNG动力;2014年交通运输部接连公布《水运行业应用液化天然气试点示范实施方案》和《水运行业应用液化天然气首批试点示范项目名单》;2014年4月财政部和交通运输部联合发布《内河船型标准化补贴资金管理办法》,明确了应用LNG动力的示范船舶补贴标准。“十三五”初期,国家在系列战略性政策中把应用、推广LNG能源作为防治大气和水污染以及能源结构调整的重点,交通运输部更是在《港口污染防治专项行动实施方案(2015—2020年)》和《交通运输节能环保“十三五”发展规划》中将LNG应用列入交通运输行业污染防治的重点[22]。

图14 江苏内河首个柴油-LNG合建加注站——200 m3 LNG加注趸船方案

3 结论

船舶应用LNG新能源是国家现在及将来都大力推进的重点产业政策之一,平原流域内河标准船型使用LNG新能源动力符合国内外船舶动力能源发展的新趋势,对区域加快发展综合绿色交通运输业具有积极意义。目前,船舶使用LNG动力在技术上已成熟可靠,相关规范和法规已配套完善,市场前景良好。可燃冰等新兴能源的发现和开采将有助于降低LNG价格,提升LNG动力船舶的经济性,加气站等配套设施不完善的问题在政府和社会力量的推进下,预计会得以缓解。

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