柴油和LNG混合动力技术在船舶上的应用

柴油和LNG混合动力技术在船舶上的应用

江西省开展了船舶油改气的前期调研工作，选定一条在赣江内具有代表性的主流船型――“赣抚州货0608”干货船进行赣江内首艘天然气-柴油混燃实船试验。

柴油―LNG混合动力原理

LNG是液化天然气的英文（Liquefied Natural Gas）首个字母的缩写，一种液态的流体，主要组分是甲烷（CH4），并含有少量的乙烷、丙烷、氮或常见的其他组分，燃烧后的排放气体以水为主，不含什么颗粒污染物，所以被叫做“清洁能源”。

柴油―LNG混合动力，是在不改变原柴油机结构的基础上，加装可燃用液化天然气的混燃系统，改变成柴油?CLNG 双燃料混合动力，LNG―柴油双燃料发动机具有两种工作状态，两套燃料储存系统。当使用LNG-柴油混合燃烧时，同等工况下柴油供给量减少70％。以压燃少量喷入缸内的柴油作为“引燃燃料”，天然气作为主要燃料，通过混合器中与过滤后的空气均匀混合后进入气缸参与燃烧，对外做功。当使用纯柴油燃烧时，通过ECU(行车电脑控制系统)自动切换装置关闭，切断天然气进气通路，调整喷油泵总油量至100％位置，从而恢复100％全柴油燃烧。

使用双燃料时，其最高爆发压力略低于燃用柴油值，而功率相当，因此，燃用双燃料时的动力性能能满足船用推进主机的需要。

使用双燃料时柴油机的热负荷降低，排气烟度大大降低，气缸内的积碳很少，可减少气缸与活塞之间的磨损，有利于延长发动机的使用寿命。

使用双燃料时其碳烟排放值远远低于采用柴油时的排放。其燃烧后排出总管的温度较燃烧柴油时低，汽缸最高爆破压力和噪声也略低于燃用柴油工况。

由于LNG价格比柴油低，使用双燃料时可降低成本20%左右。

实船改装

2011年2月江西省开展了船舶油改气的前期调研工作，选定一条在赣江内具有代表性的主流船型，“赣抚州货0608”干货船进行赣江内首艘天然气-柴油混燃实船试验。该船2008年建造，总长59.3 m，型宽11.8 m，设计载货量1585 T，两台8138Cz9型柴油机，主机总功率为220 KW。根据《气体燃料动力船检验指南》（报批稿）的要求，制定了该船的混

燃技术改造方案，双燃料动力由三大系统组成，即LNG储供气系统，柴油―天然气混燃电控喷射系统，消防报警系统。

LNG储供气系统，由LNG储罐，气化及稳压装置和天然气供应管系组成。LNG储罐是低温燃料储存设备，采用双层

金属、真空结构，保温性能优异，同时配备有各种安全装置，可确保超压情况下系统的安全。储罐的安装位置选在二层甲板，属敞开处所，有利于可燃气体的散发。首先对安放储罐的二层甲板进行加固，为罐体安装基座和支撑并吊装储罐。见下图：

根据《气体燃料动力船检验指南》的要求，储罐和管线的压力设计压力不低于1.0MPa,本项目储罐设计压力1.05 MPa，管线设计压力1.6 Mpa。储罐处所按照《气体燃料动力船检验指南》的要求，安装有安全阀，储罐压力高于1MPa 的时候，安全阀自动打开，通过放散管泄压。储罐处还安装有电动、手动、气动三个串联的紧急切断阀，保证在紧急状态下安全可靠地从储罐出液口根部切断天然气供应，确保天然气不外泄。

柴油―天然气混燃电控喷射系统由天然气电控喷射系统、柴油油量控制系统和电子控制系统三部分组成。

天然气电控喷射系统主要由低压电磁阀、天然气喷射阀以及天然气喷管等组成。气化并稳压后的天然气进入低压电磁阀和天然气喷射阀，天然气的喷射量由ECU根据发动机的负荷和转速来控制。柴油油量控制系统，通过控油器来控制喷油泵齿杆的行程，调节喷油量。电子控制系统主要由电子控制单元（ECU）、油门位置传感器、转速传感器等组成。当控油器恢复到初始状态时，电子控制单元（ECU）切断天然

气气源，返回到全柴油模式。

双燃料船舶消防除依靠原船消防系统外，还新增加一套可燃气体报警系统，包括一台可燃气体报警控制器和三个可燃气体探头、两台防爆轴流风机、四台干粉灭火器。气体报警控制器布置在驾驶室上，带有声光报警功能，该报警系统会显示哪个部位报警，并自动采取相应的动作。

实船营运

该船于2011年6月8日改装完毕，出厂投入使用。6月15日首次充装1.64吨液化天然气，6月19日正式开始柴油-LNG混燃料应用试验。通过三个月的运行到9月18日止，航行了23个双航次，运行了918.6 小时，航行10370km,运输沙石43950吨，完成运输周转量9920ktkm，充装12.1吨液化天然气（一吨天然气可汽化1450 Nm3），燃用天然气15596Nm3，燃用柴油10954.54kg, 天然气取代纯柴油12981.5kg（1.2Nm3天然气取代纯1kg柴油）,减少碳排放10774.645kg（1kg柴油产生0.83kg碳排放量）,降低燃料成本费40474元。

实船效益分析

1、初投资

船用柴油―LNG混合动力是由LNG储罐，气化及稳压装置，柴油―天然气混燃电控喷射系统和消防报警系统组成，赣抚州货0608号船改装费用为38万元。期中：LNG储罐19

万元（含汽化器），柴油―天然气混燃电控喷射系统5万元，消防报警系统2万元，附件费用3万元，船舶改造及安装费用9万元.

2、成本节约率

赣抚州货0608号船运行90天，运输沙石43950吨，完成运输周转量9920ktkm，燃用天然气15596Nm3，燃用柴油10954.54kg, 天然气取代纯柴油12981.5kg, 平均取代率54.23%，由于柴油价格为8.4元/kg,而天然气价格为4.4元/ Nm3，降低燃料成本费40474 元，单位成本下降4.08元

/ktkm(纯柴油单位成本为20.27元/ktkm，柴油―LNG混合燃料单位成本为16.19元/ktkm), 成本节约率为20.1%。

3、投资回收期

据不完全统计赣抚州货0608号船年完成运输周转量39680ktkm左右，根据此数据测算，该船使用柴油―LNG双燃料，天然气取代纯柴油51926kg，减少碳排放43098.58kg,年燃料成本费可降低16.1894万元. 投资回收期为 2.488年。

推广前景

通过实船验证，柴油―LNG双燃料动力在技术上是可行的，实船营运三个月表明，使用柴油―LNG混合燃料与使用单一纯柴油切换自如，燃用双燃料时，其最高爆发压力略低于燃用柴油值，而功率相当，因此，燃用双燃料时的动力性能能满足船用推进主机的需要。