LNG 柴油双燃料动力船舶技术应用研究_伍赛特

DOI ：10.16056/j.1005-7676.2019.03.019
摘要：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；船舶中图分类号：TK01+9
文献标志码：A
文章编号：1005－7676（2019）03－0066－
03
WU Saite
（SAIC Motor,Shanghai 200438,China
）
The technical characteristics of LNG/diesel dual-fuel diesel engines was introduced,and the domestic and
international application of new energy ships using such diesel engines was also described.It focused on the influencing factors and existing problems of the related technological transformations and its future was looked out.Although there are still many technical shortcomings,LNG/diesel dual-fuel ships still has better emission performance and lower cost.With the continuous improvement and optimization of relevant technical levels,regulations and policies and energy systems,it will be widely used in the
future.
LNG;diesel;dual fuel;diesel engine;ship
LNG/柴油双燃料动力船舶技术应用研究
伍赛特
（上海汽车集团股份有限公司，上海200438）
收稿日期：2017-08-20
作者简介：伍赛特（1990—），男，湖南邵阳人，助理工程师，工学硕士，毕业于长安大学，动力机械及工程专业，主要研究
方向为内燃机与动力装置。

1LNG/柴油双燃料柴油机及其技术特点
双燃料柴油机是指其工作燃料除了燃油外还可
以添加其他气体燃料以共同工作的柴油机[1-3]。

以ME-GI 柴油机为例，除了具备新增的燃气供给及喷射系统之外，其他系统几乎与普通柴油机相比并无显著差别。

天然气为清洁能源，可以在一定程度上降低柴油机的排放[4-6]；同时，在当今燃油价格节节攀升的情况下，采用相对廉价的天然气又可相应节约燃料
费用[7-8]。

双燃料柴油机是在燃油柴油机的基础上对燃烧
系统和设备以及控制系统进行改造更新而来的。

当使用气体燃料进行运行时，其热效率较高，因而经济性好，特别是柴油机的排气中所含的NO 及SO 都大大减少，这些优点使双燃料柴油机越来越多地在LNG 船上得到应用。

采用双燃料柴油机作为LNG 船的主机，驱动螺旋桨的方式主要有2种，即双燃料低速柴油机可直接驱动螺旋桨，而双燃料中速柴油机则可用电力推进方式。

2LNG/柴油双燃料动力船舶的应用概况
2.1国外应用概况
LNG用作船用燃料最早源于北欧，其主要目的是应对排放控制区（ECA）日益严格的排放要求。

挪威海事研究机构数据表明，LNG燃料动力船建造成本比常规燃油动力船舶高8%～20%，维护成本也相对较高，但环保优势明显。

为评估未来LNG燃料用于船舶远洋运输的可能性以及如何在全球范围内发展LNG产业，英国LR 船级社联合国际海上战略有限公司开展了一项名为“LNG燃料动力远洋运输（LNG-fuelled deep sea shi-pping）”的研究，并于2012年8月发布了研究报告。

该研究基于ECA设定、全球燃油硫含量限值实施日期、船东采用LNG作为新造船燃料的倾向、燃油与LNG价格预测等假想，从3种情景（基本情景、高需求情景、低需求情景）对全球新造LNG燃料动力船和LNG燃料需求进行了预测。

尽管LNG燃料动力船舶既环保又经济，同时在挪威这种船舶在营运和加注燃气过程中未曾发生重大事故，但挪威方面从2000年到现在，近20年的过程中其本国的LNG燃料动力船舶并未得以大规模推广。

主要原因在于该产业目前仍面临着诸多挑战，如缺乏相应的国际法规，加气站和物流等供应链不健全，船用LNG技术尚未成熟，LNG动力船所需的船员人数紧缺等情况。

上述诸多因素均制约了LNG燃料动力船舶的发展[9]。

2.2国内应用概况
基于海事法规的种种限制及我国内河船业发展的压力，对船用柴油机采取了改进措施。

受限于船用柴油机研发技术，目前我国尚未能推出真正意义上的中速或低速船用双燃料发动机，但在促进内河船舶使用双燃料动力上依旧取得了不错的进展。

现在，我国正在大力推行内河船舶的“油改气”[10-11]。

2010年以来，我国成功实现“油改气”的内河船舶不断增多，但值得注意的是，虽然在没有解决双燃料发动机的情况下，推进内河船舶使用双燃料依旧取得了进展，但船舶可能在某些工况下面临动力不足的问题。

3影响LNG/柴油双燃料船舶改造的问题
3.1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。

3.2柴油机改造
针对LNG/柴油双燃料柴油机的改造主要为储气传输管道，发动机双燃料改造，通风与安全设备及发动机控制系统，对船舶布置产生实质性影响的主要是储气罐及其传输管道的布置，其影响主要表现为储气罐位置，储气罐通过生活区域的安全距离，危险区域的重新划分及防火等级划分，消防设备配备，具体因素包括。

3.2.1船舶布置分析
对于现有船舶的改造，难点和首要任务是确定LNG储气罐的安装位置。

储罐不能离火太近，而且气罐处所应尽量远离机器处所、起居处所、服务处所和控制站，如与其相邻，其边界应是气密型的[12]。

改造船舶对船舶布置的影响，主要体现在储气罐及其管道的安排布置[13-14]，现有改造船舶的生活区均位于船体艉部，机舱也位于船体艉部，储气罐的安全距离要求对现有改造船舶来说都是一个难以解决的问题，船舶吨位越小问题越严重。

3.2.2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。

因此，在LNG双燃料船舶改造过程中，需要对于加装LNG储罐的甲板进行局部加强处理或者局部甲板下沉处理。

3.2.3船舶水动力性能分析
从现有试点船舶改造的内容来看，改造工程对船舶水动力性能的影响表现在储气罐对船舶稳性的影响。

在船舶上安装LNG储罐后，由于LNG储罐的自重和其安装位置的影响，故会使船舶的重量分布情况发生变化，从而使得船舶的重心位置发生变化，故会对船舶初稳性高产生影响；由于LNG储罐中的液体燃料会形成自由液面，因此需要对船舶原初稳性高进行自由液面修正，故会使得船舶初稳性高发生一定程度的变化。

3.3存在的主要问题
目前我国试点船舶采用的总管进气式改造机主要存在下述问题。

3.3.1安全方面
由于比柴油机增加了1套燃气供应系统，双燃料发动机的安全风险较柴油机有所增加，主要表现在如下方面：1）供气管路发生泄漏，导致机舱产生气体积聚；2）发动机起动时天然气回窜至起动空气系统；3）进气管时刻充满可燃混合气（总管进气发动机）；4）缸内可燃混合气渗透至曲轴箱；5）可燃混合气在排气管内积聚。

为尽可能保证双燃料发动机的安全工作，必须采取相应的风险控制措施来降低风险发生的可能性，或减轻事故造成的危害。

因此，要求供气管路采用双壁管（本质安全型机舱），起动空气系统安装火焰消除器，进气总管和排气管安装防爆阀，增压器和中冷器安装防爆阀（增压器前进气发动机），曲轴箱安装防爆阀、气体探测器、油雾探测器（高压机和较大缸径低压机）等。

但部分试点船由于种种原因（施工难度、成本等）并未完全考虑上述问题，如进气管、增压器和中冷器、排气管未装防爆阀、曲轴箱未装气体探测器和油雾探测器等，使得改造机的安全问题令人担忧。

3.3.2排放方面
使用双燃料柴油机的初衷是降低排放，设计先进的气体燃料内燃机的尾气排放中可几乎不含硫氧化物（SO），并使颗粒（PM）排放下降达90%，氮氧化物（NO）排放下降85%～90%。

但是，受柴油机固有结构限制，改型机难以充分发挥天然气的优势。

不仅如此，我国目前的改造方式仅简单增加1套燃气供应系统和控制系统，未对换气正时、喷油正时等原机技术参数进行优化，也没有使用合理的油-气掺烧策略（替代率），因而没有获得令人满意的减排效果。

虽然由于燃料的特点（不含硫）可显著降低SO和PM排放，但目前的试验数据显示，简单改造的双燃料发动机的NO、HC和CO排放均较原机有不同程度的增加。

4结论
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。

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了子程序的方式进行了编程。

但基于程序较长，现将程序的主要流程和思路介绍如下。

1）程序流程：双线圈的处理（子程序）→双赫兹的处理（子程序）→自动追踪程序→进行主程序的编程。

2）主程序：进行初始化的处理→S0.0限位跟互锁处理、急停、自动程序能源的调配以及启动停止的闪烁→S0.1进行手动自动的判断→S0.2、S0.3手动自动的编写→S0.4进入自动程序进行初始位的进行追踪与预判→S0.5至S1.1进行任务书上自动程序的要求跑最后返回初始位。

注意：步进里面S0.0是一直启动的状态的，判断是否手动自动是从S0.1开始跳的。

3）双线圈的处理：在西门子PLC编程中，即使在步进指令中仍存在双线圈问题，因此要特别注意双线圈的处理。

双线圈的处理主要有，东西南北、东西西东、灯1灯2、光伏电站1M12.0、光伏电站2M13.0、风力电站M14.0、舞台灯M15.0、报警灯M16.0、负载M17.0。

4）自动追踪程序：当需要追光时，只需M20.0～M20.4中的一个线圈启动即可，随即进入进行追光状态。

2.3实施效果
PLC是控制逻辑建立的程序，用程序代替硬件接线，减少了接线的工作量。

另一方面，相对单片机、嵌入式系统而言，PLC的程序容易入门，编程便捷。

文中通过采用子函数的形式对风光互补设备进行PLC编程，减少了编程代码，节约了时间，并且采用梯形图的编程方式比较容易掌握，为技能大赛学生和广大从事该方面研究工作的人员提供了一种优越的途径。

3结语
通过采用子程序的PLC编程方式实现了对光伏供电系统手、自动运行的目标，但光伏供电系统的功能较多，程序较为复杂，应在仔细分析后，画出其I/O分配表后再进行梯形图的编写，在编写过程中特别注意双线圈问题。

该编程方式能减少编程代码、节约编程时间，为职业技能大赛提供一种参考方案，以取得更好的成绩。

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