液化天然气动力船舶的发展

液化天然气动力船舶的发展研究

【摘要】世界能源日益紧张，天然气在世界能源结构中的比重将赶超石油成为世界第一大能源。液化天然气（lng）市场是当今世界能源工业中发展速度最快的市场之一，液化天然气逐步替代燃料油作为客车、载货汽车及船舶等的气体燃烧动力。lng正发展成为未来的航运动力，本文在分析研究lng的特点、lng动力船舶的可行性的基础上, 提出lng动力船舶的发展趋势。

【关键词】液化天然气；lng动力船；可行性；发展

0.前言

天然气作为清洁能源越来越受到青睐，很多国家都将lng列为首选燃料，天然气在能源供应中的比例迅速增加。液化天然气正以每年约12%的高速增长，成为全球增长最迅猛的能源行业之一。lng 作为船舶的燃料动力也成为未来航运事业发展的关键因素，各国船社也已对lng动力船进行应用和开发。

1.lng应用于船舶的特点

天然气在常压下，当冷却至约-162℃时，则由气态变成液态，称为液化天然气。天然气在液化过程中进一步得到净化，甲烷纯度更高，不含二氧化碳，硫化物，无色、无味、无毒且无腐蚀性。天然气液化后密度为420kg/m3,体积为原来的的1/625，大大方便存储和运输。液化天然气比水轻，重量仅为同体积水的45%。

不同产地的lng组分不同，但以甲烷为主，表1为中原油田生产

的lng组分。

lng液化天然气目前是全世界增长速度最快的一种优质清洁燃料。它具有储存，运输效率高，杂质含量少，燃烧清洁高效，气价低平稳定、经济效益好等优点。其特点为：

（1）液化天然气场站建设不受城市燃气管网的制约；机动灵活，投资少，见效快；是理想的汽车，工业生产、电力和民用燃料。（2）天然气经冷冻液化后其体积缩小600倍，极大的提高了运输效率，有利于天然气的推广普及。

（3）天然气的气相密度为0.72kg/m3，比空气要轻，稍有泄露，即可挥发空中，因此使用相对安全。

（4）lng作为优质的燃料，与汽油相比，它具有辛烷值高、抗爆性能好、发动机寿命长。燃料费用低，环保性能好等优点。

（5）lng汽化潜热高，液化过程中的冷量可回收利用。

（6）由于lng组分较纯，燃烧完全，燃烧后生成二氧化碳和水，所以它是很好的清洁燃料，有利于保护环境，减少城市污染。

2.lng作为船舶动力的可行性分析

2.1环保效益

国际海事组织(imo)专家组日前发布研究报告数据显示，目前航运业每年共消耗20亿桶燃油，排放了超过12亿吨的c02，约占全球总排放量的6％，同时硫化物(sox)排放量和氮化物(nox)排放量分别占全球排放量的20％和30％。据预测，到2020年全球航运业c02

排放总量将达l4亿吨。为了在全球范围内降低氮氧化物的排放，国际海事组织的防污染公约将针对船舶的九大排放进行限制，主要通过强制性的能效设计指数(eedi)公式，从船舶设计和建造阶段起对船舶能效水平进行规范，并规定了船用发动机当前和未来的氮氧化物排放限值。

按照imo的限值要求，各国船东如果在2015年之后继续在污染排放控制区运营，采用lng做燃料动力室最好的选择。由于天然气是最清洁的化石燃料，船舶采用液化天然气不需要其他的减排措施就可以符合污染排放控制的要求，由于lng的组分纯，燃烧完全，硫氧化物和颗粒物质的减排量几乎可达到100%，氮氧化物减排的减排量可达到85～90%，温室气体co2的减排量可达15～20%。

2.2安全性

lng安全性能可靠。lng属低温液体，即使发生泄漏事故时也会很快自然气化，其密度比空气轻，在发生泄漏后会自动向上溢开，不会对水体产生污染；加入特殊嗅剂后，天然气泄漏可及时被发现；天然气的燃点比汽柴油更高，瞬间着火比油慢，易扩散，不易达到爆炸极限。从使用安全性上来讲，天然气也比燃油好很多。

2.3经济可行性

lng的热值是柴油的1．23倍，价格却只有柴油的1/2，因而是极有前景的代用燃料。1nm3 天然气的行驶里程等效于1.2升汽油。汽油(93#)按7.1元／升计算，天然气零售价为按4.8元／nm3。

计算如下： (1.2×7.1-4.8)/1.2×7.1=43.67％。因此，使用lng 作燃料比汽油便宜43.67%，其具有低成本的优势。

2.4技术可行性

现有船舶要以lng或者lng/柴油为燃料，则必须加装lng储存舱等装置，通常情况下，在船舶改装过程中，加装的主要装置为lng 储罐和气体处理系统。此外，船上还需要安装一些辅助系统，如气体加热系统、惰气系统、通风系统、遥控阀门及安全系统、自控系统等。典型的船舶使用lng方案为：lng通过气体处理系统气化天然气通过主控阀供给燃气发动机进而使船舶获得动力。

气体发动机技术较为成熟，在船舶动力系统领域，国际几大发动机生产商经过多年的技术研发，其产品已经能够满足船舶应用lng 燃料的需要。

据挪威船级社（dnv）介绍，目前无论是单一采用lng为燃料与混合燃料的技术问题，还是包括少量气体燃料未经燃烧通过发动机以废气形式排放、在空间较小的船体中安装非圆柱形储罐等，均已得到解决并进行优化设计。

以lng为燃料的船舶在靠泊，可通过岸上的管道补充燃料，当船在海上运营时，则可通过小型的lng船来实现补给。

3.lng动力船舶的发展现状及趋势

截至目前，采用lng作为单一燃料的营运船舶已达20艘。挪威航运业是最早改变石油能源路径依赖，也是最多采用液化天然气等清

洁能源作为船用燃料的先行者。挪威船级社dnv早在2001年，就率先制定了lng船舶检验规则，成为多年来lng船舶建造与检验的一个标准。

dnv与日本大岛造船有限公司联合开发的“eco-ship2020”项目已完成第一阶段，该项目完成了敞舱口散货船的概念设计。这是一艘完全使用lng、不使用其他任何燃料也不使用电力推进系统的商船。该船配备有4个c型高压储存仓，共能储气3000立方米，还加上了应用废热回收、空气润滑等其它节能技术，该船满足imo废气排放标准要求，其硫化物排放量为0.氮氧化物排放量可下降90%，二氧化碳的排放量可下降50%以上。

营运于澳大利亚至中国航线的环保概念矿砂船“ecore”号使用了灵活的燃料方案采用二冲程me-gi燃气发动机，能够使用柴油与天然气两种燃料。该船采用了优化的设计方案，只设1个置中的货舱，有c型lng储罐则位于船尾的驾驶舱，这一方案有助于利用船体空间，确保lng储罐不会占用货舱空间及减少货运量。

2010年8月份，我国长江混合动力第一船的“武拖轮302”号在武汉首航成功，该船使用柴油和lng两种燃料为混合动力。该混合动力船舶以lng为主要动力能源，与柴油配比为7：3。罐体固定在船舶甲板上，封闭运行，所有控制点都有传感器，能自动或手动切断起源，安全性较高。测算显示，运用液化天然气后船舶能节约燃料成本近25％。