船舶LNG双燃料动力系统改造论证

长航集运8303轮LNG动力系统改造

方案论证介绍

课题编号：2013BAG25B03 子课题编号：2013BAG25B03-04-02 任务书版本：

长江航运科学研究所

2015.4.28

介 绍 内 容

1.项目主要任务及目标 2.清洁能源推进系统总体架构 3.约束性技术指标论证 4.长航集运8303轮改造方案 5.对后续工作的建议

1.项目主要任务及目标

针对长江内河船运主力船型，开展清洁能源推进系统的关键技术及示范应用研究。通过船舶推进系统的优化论证，构建清洁能源推进系统的总体配置，实现清洁能源推进系统的能效管理与控制，建立清洁能源推进系统的安保体系和船岸信息交换模式，完成7000t散货船的实船示范应用。

通过长江主力船型清洁能源主推进系统研究、清洁能源管理系统开发、LNG维护系统的应用研究、清洁推进系统安保体系研究、LNG加注系统的研究及清洁能源推进系统制造标准的研究，形成完整的清洁能源主推进系统及配套系统的样机，并在一艘7000t级散货船上做实船验证。实船验证效果如下:

与传统主推进系统比，示范船——

（1）主推进系统的CO2排放减少18%以上，NOX排放减少30%以上； （2）降低燃料成本20%以上，燃油替代率达到70%以上；

（3）示范7000t散货船比国际公约要求的能效设计提高10%以上；

2.清洁能源推进系统总体架构

2.1适用于船舶推进系统的清洁能源

▲风能——量小、不稳定× ▲太阳能——能量密度低×

▲生物质能——在中短期内无望形成产业链× ●电力推进——是否真清洁在于电从哪里来

a岸基→蓄电池→电机推进√关注[受蓄电池储能密度制约，暂不适用大功率]

国务院《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》：动力电池模块的能量密度，至2015年达到150Wh/kg，至2020年达到300Wh/kg。本船吴淞—阳逻43300kWh→电池模块145t。

b柴油→内燃机发电→电机推进× c天然气→内燃机发电→电机推进×

d天然气→裂解制氢→燃料电池发电→电机推进未系统性研发，关注√ ●天然气：a火花塞点燃天然气发动机—法规规范严、船舶设计难关注√

b微柴油引燃天然气发动机—国内发展迟，困难同上关注√

中国海事局【海船舶[2014]784号】《内河液化天然气燃料动力船舶安全监督管理规定》

★虽然未对单一气体燃料机作出专门规定，但文件精神是频繁用车环境禁用天然气

中国船级社(CCS)《天然气燃料动力船规范(2013)》

A气罐布置：

★设置2个气罐并布置于2个处所，或者设置1个气罐2个气罐连接处所。困难大！

若是开敞处所应是远离的、若是封闭处所则通道会有问题

B机舱布置（单一气体燃料发动机有2种布置型式）：

★实质：要求设置2套完全独立的供气系统

★核心：设置2个机舱，且在燃气泄漏时需要运转的设备须为防爆产品

*目前推进系统采用纯天然气发动机的时机不成熟(含供应)，但值得期待，建议开展研究

●天然气：c柴油—天然气双燃料发动机

——技术可行、法规规范成熟、监管明确，关键技术存疑 本项目研究

2.2柴油—天然气双燃料发动机

a进气总管预混合(增压器前、后预混)——单点喷射×试点多，不理想 b进气支管混合——多点喷射—国内技术前沿，本项目采用 c燃气直接喷入气缸—暂未闻国内柴油机厂展开实机试制

特点 单点喷射 总管喷入 多点喷射 控制各气缸什么时间喷入、喷入多少 可较准确控制空燃比，提高燃烧效率 优点 结构简单，维护方便，成本低 可避免气门重叠角期间燃气扫出，有效控制THC(Total hydrocarbons)排放 缺点 控制精准度差，响应慢，THC排喷射阀多，控制要求高，成本高 放高，燃料消耗率高 *供气管路满足本质安全机器处所要求比较困难 采用一个喷射阀将燃气从进气采用多个喷射阀将燃气从进气歧管喷入，可分别2.3本项目总体架构

立足于国内的技术发展现状，采用如下的清洁能源推进系统(双机双桨)：

特点：在现有技术水准和条件下最大限度地燃用天然气

●航行：推进——主要燃用天然气

发电——主机轴带，主要燃用天然气，不开柴油发电机

●停泊：10kW，天然气发动机发电（~3.5万）

【氢燃料电池发电,~35万（电堆12万、制氢15万、配套8万）】

*技术上可行，布置上有难度，系统设计方面需攻关

*增加该项试验性应用可成为项目亮点，但需要投入人力和资金 建议增加

●仅靠/离码头、应急：全柴油

3.约束性技术指标论证

3.1任务书的表述

在一艘7000t级散货船上做实船验证。实船验证效果如下:与传统主推进系统比，示范船——

▲主推进系统的CO2排放减少18%以上 ▲NOX排放减少30%以上 ▲降低燃料成本20%以上 ▲燃油替代率达到70%以上

▲示范7000t散货船比国际公约要求的能效设计提高10%以上 3.2验证船的船型符合性

验证船“长航集运8303”为集装箱、干散货两用船√

“吨级”一般指载重吨位。长航集运8303载重吨 稍小不影响技术适用性

A级航区：吃水5.0m，排水量6291.4t，DWT=6291.4-1056.4=5235t B级航区：吃水5.1m，排水量6430.4t，DWT=6430.4-1056.4=5374t

3.3对比采用的测试数据

对比是采用实船测试数据还是采用台架测试数据？

鉴于:(1)NOX排放等项目，要在实船上进行准确测量非常困难；

(2)实船环境、工况等随时在变化，而且，影响试验的因素繁杂； (3)交通部和CCS的相关评估认定办法和指南均采用台架试验数据。 建议：用台架试验数据进行对比 3.4对比对象

“长航集运8303”实船主机720kW×2，配置偏大，任务书讲“与传统主推进系统比”，该与哪档功率的系统比？

鉴于：近似吨位船舶较合理配置为600kW×2 建议：与600kW×2的传统主推进系统比

3.5对比的基准、工况点及技术指标能否达到要求的预评估 ▲主推进系统的CO2排放减少18%以上

参照《内河示范船技术评估和认定办法》[交水发（2014）144号]、《内河船舶能效设计指数（EEDI）评估指南（2012）》，建议比较主机在75%额定负荷时的CO2排放，即选取主机工况点：600kW×75%=450kW

（1）燃油与LNG按低位热值换算，长航集运8303轮CO2排放：

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 名 称 0#轻柴油低位热值 LNG低位热值 LNG密度 每千克0#轻柴油等效LNG质量 每吨0#轻柴油等效LNG体积 主机额定功率 评估基准点的主机功率 轻柴油CO2转换系数 LNG燃料的CO2转换系数 代 号 单位 LHV1 LHV2 ρ M V MCR P CY CQ 计算公式或数据来源 结果 42.7 49.5 450 600 450 3.151 2.750 MJ/Kg GB/T3254.1-94规定的标准环境状况 MJ/Kg 《规范》1.1.3.1 kg/m3 《规范》1.1.3.1 kg m3 kW kW 设计选型 P=0.75MCR 《指南》表2.2.1 《指南》表2.2.1 10 LNG燃料替代率 11 评估基准点的主机耗油率 12 燃油工况每小时CO2排放量 13 双燃料工况LNG消耗率 14 双燃料工况轻柴油消耗率 15 双燃料工况每小时CO2排放量 16 CO2排放降低率 α G Q1 G1 G2 Q2 ƒ % g/h 任务书 Q1=Cy*G*P 70.0% 202.0 286430 122.0 60.6 236873 17.3% g/kw*h 柴油机推进特性曲线图 g/kw*h G1=α*G*M g/kw*h G2=（1-α）*G g/h % Q2=(Cy*G2+Cq*G1)*P (Q1-Q2)/Q1*100% 任务书要求CO2排放降低>18%，当燃油替代率α=70%时不能达到目标，需提高至α=73% （2）燃油与LNG按做功效能换算，长航集运8303轮CO2排放：

序号 1 4 6 7 8 9 名 称 0#轻柴油低位热值 每千克0#轻柴油等效LNG质量 主机额定功率 评估基准点主机功率 轻柴油CO2转换系数 LNG燃料的CO2转换系数 代 号 LHV1 M MCR P CY CQ α 单位 kg kW kW % 设计选型 P=0.75MCR 《指南》表2.2.1 《指南》表2.2.1 任务书 计算公式或数据来源 结果 42.7 600 450 3.15104 2.75000 70.0% MJ/kg GB/T3254.1-94规定的标准状况 10 LNG燃料替代率 11 计算基准点主机耗油率 12 燃油工况每小时CO2排放量 13 双燃料工况LNG消耗率 14 双燃料工况轻柴油消耗率 15 双燃料工况每小时CO2排放量 16 CO2排放降低率 G Q1 G1 G2 Q2 ƒ g/kW*h 柴油机推进特性曲线图 g/h Q1=Cy*G*P g/kW*h G1=α*G*M g/kW*h G2=（1-α）*G g/h % Q2=(Cy*G2+Cq*G1)*P (Q1-Q2)/Q1*100% 202.0 286430 128.2 60.6 244638 14.59% 任务书要求CO2排放降低>18%，燃油替代率需提高至α=86.4% ★建议：对主机改造，要求在75%额定负荷时，燃油替代率达到73% ▲NOX排放减少30%以上

根据CCS《船用柴油机氮氧化物排放试验及检验指南》、《内河示范船技术评估和认定办法》[交水发（2014）144号]，按主机额定功率25%、50%、75%、100%工况的排放值进行加权计算。

经过调研，目前双燃料发动机无法依靠发动机技术达到NOX减排30%，只能采用排气后处理等措施实现。因此建议采用技术较为成熟可靠的选择性催化还原(SCR)系统，与SCR生产厂签订合同，保证NOx减排率>30%。

长航集运8303轮上、下水航行的NOX排放情况：

实测数据估算27g/kWh，降30%→18.9。法规要求：45.0n(-0.2)=10.5g/kWh

★建议：以纯柴油模式台架试验数据为基准，采用SCR处理降低30%

▲降低燃料成本20%以上

按项目申报(2013.9)时价格、主机75%负荷时燃油替代率70%计算

【数据来源：国家发展改革委2013年9月13日“发改电[2013]184号”、《ICIS C1中国LNG市场周评（2013-9-16）》】

0号柴油价格：8355元/t

LNG在西南、华东、华南三区平均价：5590元/t 燃油替代率70%，降低燃油成本：

1-(30%×8355+70%×——×5590)/8355=27.5%

若0号柴油5300元/t、LNG价4600元/t，燃油替代率70% 则降低燃油成本：1-(30%×5300+70%×——×4600)/5300=14.9%

常用工况燃油替代率50%，近期0号柴油5300元/t、LNG价4600元/t 降低燃油成本：1-(50%×5300+50%×——×4600)/5300=10.6%

若长航集运8303年耗油400t，则节省燃油费：400×5300×10.6%=224,720元

▲燃油替代率达到70%以上

根据《内河示范船技术评估和认定办法》[交水发（2014）144号]，主机燃油替代率在75%额定功率考核。

替代率Td=(纯柴油模式油耗量Bc-双燃料模式油耗量Bo)/Bc×100% ★没有考虑LNG的热值与做功效能问题，即未考虑耗气的多少 ★完成CO2排放指标，要求主机在75%额定功率时，燃油替代率达到73%。

超过任务书规定的燃油替代率指标(70%)。

柴油机厂、发动机改造服务商均表示：可保证完成燃油替代率指标

★根据船舶实际营运情况，建议主机只在80%负荷以下燃用LNG，在80%负荷以上全用柴油；主机双燃料最佳工况向40—50%负荷区域调整。

▲示范7000t散货船比国际公约要求的能效设计提高10%以上

按《内河船舶能效设计指数（EEDI）评估指南（2012）》计算，与《内河绿色船舶规范(2013)》规定的能效设计指数基线值进行比较。

经双燃料动力系统改造后的估算结果 船 型 航 区 排 水 量 t 75%MCR时航速 能效设计指数基线值RLV 达到的能效设计指数EEDI EEDI/RLV

集装箱船 A B C A 散货船 B C 6291.4 6431.4 4934.4 6291.4 6431.4 4934.4 18.46 18.37 19.48 18.46 18.37 8.563 19.48 9.875 18.608 18.319 22.234 13.502 14.733 14.419 18.866 10.313 10.093 13.206 0.792 0.787 0.849 0.764 1.179 1.337 4.长航集运8303轮改造方案

4.1验证船“长航集运8303”基本情况【总吨4068t（五层，250+12=262箱，13t/箱）】

总长：90.00m 设计水线长：87.80m 垂线间长：86.00m 型宽：16.16m 型深：6.00m

设计吃水：A：5.00m（排水量6291.4t,载货量5130t）

B：5.10m（排水量6431.4t，载货量5270t） J2：4.00m（排水量4934.4t，载重量3773t）

设计静深水航速：18km/h（吃水4.00m，主机541kW×2时） 船员：8人

主机：8190ZLC1×2台

持续功率（MCR）：720kW@1450r/min 齿轮箱减速比：5:1 螺旋桨直径：2.16m

4.2 主要改造内容

（1）将原柴油机推进系统改造为LNG—柴油双燃料动力推进系统 （2）进行机桨匹配优化 （3）加装轴带发电机系统 （4）加装脱硝装置 （5）加装能效管理系统

4.3 本船双燃料动力系统改造特点

（1）按机桨匹配优化 调整主机：720kW@1450r/min→600kW@1200r/min

且要求双燃料最佳工况向低负荷区优化 （2）主机改造采用多点喷射技术

（3）采用带气罐连接处所的双层真空绝热LNG储罐，按半围蔽处所布置 （4）机舱布置按本质安全型机器处所设计 （5）LNG气化采用主机内循环冷却水

4.4 改造总体布置

4.5机—桨匹配优化

机—浆匹配优化——任务书的直接要求；

——增加轴带发电机，须对原匹配点进行复核和优化； ——完成EEDI指标的途径之一。

实船现状：

▲桨重，不能开到额定转速1450r/min

——若增加轴带发电机，则会更重 ▲燃油消耗较高，直接推高EEDI指数 优化方法：

根据航行试验数据进行技术分析，寻求最佳匹配点 研究螺旋桨负载轻重对主机燃油消耗率的影响

长航集运8303轮的特性曲线：

4.5.1主机功率配置核算 （1）实船测试数据

测试条件：艏吃水4.60m，舯吃水4.70m，艉吃水4.80 m，排水量5877.7t

静水航速km/h 上水主机总功率kW 下水主机总功率kW 平均主机总功率kW 7.94 64.8 67.7 66.25 10.37 83.4 87.4 85.4 12.54 225.6 222.0 223.8 14.95 457.9 457.5 457.7 16.66 689.4 709.2 699.3 18.58 843.1 830.5 836.8 依据实船测试曲线，静水航速为18km/h时，主机总功率为792kW。

（2）满载航速18km/h所需主机总功率【海军常数法】

A级航区满载状态为：吃水5.00m，排水量6291.4t。

所需主机总功率：792kW*（6291.4t/5877.7t）^(2/3)=829kW B级航区满载状态为：吃水5.10m，排水量6431.4t。

所需主机总功率：792kW*（6431.4t/5877.7t）^(2/3)=841kW

（3）主机装机功率

按B级航区满载，最大静深水航速18km/h配机 单台主机功率=裕度1.1*总功率841kW/2台=463kW

增加50kW轴带发电机，主机装机功率需增加50kW/0.8=63kW

主机装机功率(每台)=463kW+63kW=526kW

（4）主机功率调整建议

鉴于现有主机为8190型720kW，调整到540kW左右没有可供参考的技术资料，建议调整至其基本型状态：600kW@1200/min。

4.5.2螺旋桨匹配优化

从测试数据分析，实船螺旋桨的额定设计点为420kW@1200r/min，加轴带发电机后，与600kW@1200r/min的主机匹配良好，不须调整。

但从降低燃油消耗考虑，可作进一步优化……

4.6 LNG燃料储罐选型

（1）气罐型式

LNG燃料储罐有薄膜型气罐、半薄膜型气罐、独立气罐（A型独立气罐、B型独立气罐、C型独立气罐）等。

本项目选用绝热性能好、商业化程度较高、安全性可靠、便于本船布置安装的卧式真空缠绕双层绝热C型独立气罐（带气罐连接处所）。 （2）气罐压力

考虑供气系统中各设备和器件的压力匹配、蒸发气体的储存，气罐设计压力定为1.2MPa。

（3）气罐容量

①常用工况燃油消耗量：

工况 静水航速 主机功率 耗油率 航时h(水流5km/h， 主机耗 主机每航次 km/h kW 408 203 g/kWh 吴淞—阳逻1014km) 油量t 耗油量t 230 267 106.0 58.6 9.95 3.18 13.13 上水950r/min 14.57 下水750r/min 12.29 辅机每航次耗油：18kW/0.8*220*(106.0+58.6)*1.2/1000=978kg

其中上水：18kW/0.8*220*106.0*1.2/1000=630kg

下水：18kW/0.8*220*58.6*1.2/1000=348kg

燃油消耗总量：13.13+0.978=14.11t/航次 ②0#轻柴油与LNG换算

按低位热值换算； 按做功能效换算（采用）

③按每航次加注一次燃料、燃油替代率70%计算：

LNG罐容量=裕度1.1×14.11t×70%×2.015m/t/装载率90%=24.3m ④按单程上水到港后加注燃料、燃油替代率70%计算：

LNG罐容量=裕度1.1×(9.95+0.63)t×70%×2.015m/t/装载率90%=18.2m ★气罐容量建议：综合考虑船舶上储罐布置空间、加注作业对营运的影响、加注LNG对安全监管的影响，建议选用20mLNG燃料储罐。

3

333

3

4.7 LNG储罐布置

★按半围蔽处所布置（机舱上面）

《天然气燃料动力船舶规范(2013)》

★气罐布置在机舱上方的唯一措施：加900mm隔离舱 加隔离舱方案：（1）在机舱之上

（2）在机舱以内

（3）在机舱之上和机舱以内各加一部分

机舱内加900隔离舱(强结构400)：

★无论是在机舱之上还是在机舱以内加900mm高隔离舱都不现实 ★在机舱以内加420mm高隔离舱可行

★气罐布置在机舱上方时，要求加隔离舱的目的是为了防火隔热，而隔离舱的空腔距离对隔热效果的影响并不大，因此，建议仅在机舱内加420mm高隔离舱，在机舱内和甲板上敷设A60防火绝热层。

气罐需要布置在机舱上方的情况比较常见，问题带有一定的普遍性，请CCS规范所进行技术评估。

防火分隔：

4.8 主机双燃料系统改造

（1）换新机与旧机改造

通过对国内双燃料发动机的调研，了解到新造机与旧机改造相比，在技术上并无实质性差别，且其燃料经济性、燃油替代率、排放指标等，并无显著优势，因此，确定长航集运8303轮采取旧机改造的方式实现清洁能源推进。

（2）额定功率调整

装船主机为720kW@1450r/min×2台，通过分析论证和实船测试，认为有必要将主机的额定工况点进行调整。

（3）机舱布置型式

机舱布置型式有：本质安全机器处所、ESD防护式机器处所、增强安全机器处所。

从安全的可靠性、改造的可行性、技术的成熟度、施工的难度等方面综合考虑，建议采用本质安全机器处所布置型式。

4.9 LNG供气系统

（1）供气压力

根据主机燃气需要，采用低压供气系统，供气压力0.5—0.6MPa。 （2）供气流量

按主机额定功率时燃油替代率70%进行配置。

供气流量=600kW×2台×210g/kWh×70%×10×2.015m/t×620×1.2=264 m/h ★设计选取气化器容量300m/h。 （3）气化加热

考虑到空温式汽化器在长江流域的冬季不能满足燃气加热温度的要求，采用水浴式汽化器。

气化系统热源采用热品质高、清洁、温度波动小的主机高温淡水。 由于本船有两台主机，两台主机的高温淡水不宜混在一起，且考虑到保持两台主机的热负荷平衡（两台都提供加热水），因此设置二次回路换热系统。主机的高温淡水通过中间换热器加热乙二醇，乙二醇再进入气化器气化LNG并

3

-633加热至5℃以上。

采用乙二醇作换热介质可避免冻结。

（4）供气管路形式

供气管路采用双壁管。具体形式为：供气管路安装在通风导管内，供气管路和通风导管之间的空间安装独立的机械式抽风机通风。

4.10 LNG蒸发气处理

LNG蒸发气体释放或逃逸对大气环境的破坏作用更大，必须妥善处理。处理方式有：

①蒸汽再液化； ②设置BOG储存罐； ③设置气体燃料燃烧装置。

目前技术上和经济上均较为可行的方式是设置气体燃料燃烧装置。 本船设置10kW天然气发电机组，用于燃烧LNG蒸发气体，发出的电能用于生活用电和给蓄电池充电。

4.11 脱硝装置

现有技术，解决双燃料发动机NOX排放减少30%的难度极大，比较现实可行的办法是在排气系统中增设脱硝装置。

脱硝装置生产厂已经对示范船舶“长航集运8303”的烟气进行了测试和分析，并开展了针对性的相关研究和试验工作。

4.12 轴带无刷双馈交流发电机系统

考虑到本示范项目技术推广的广泛适应性，本船按CCS对主电源装置的要求，设置50kW轴带无刷双馈交流发电机系统。

无刷双馈轴带发电机的稳压稳频及其与柴油发电机组的智能转换及逻辑控制由其自带的控制系统完成。

4.13 安保系统

通过开展保障LNG/柴油双燃料发动机安全运行的参数监控研究、全船燃

气泄露点分析研究、LNG供气系统监控内容、参数的研究，制订安全保障具体策略；通过船舶轴带发电机监控内容和参数研究，制订船舶电站安全保障具体策略。

安全保障系统牵涉面较广，将在技术设计中逐步深化细化。 重点工作是安全保障系统的逻辑控制及可靠性研究、防静电措施。 4.14 其他

消防系统、通风系统、安保系统、防静电措施等，均按CCS规范要求进行。

5.对后续工作的建议

（1）请CCS武汉规范所对机舱内加420mm厚隔离舱进行技术评估； （2）主机功率调整由济柴完成，明确双燃料发动机改造方； （3）立即启动设备订货及技术谈判；

（4）所有新增设备上船前必须经过联调联试； （5）设备送审图纸和试验大纲应经科研所认可； （6）设备试验至少须有科研所、上海公司参加。