LNG燃料动力船舶技术发展与应用

LNG燃料动力船舶技术发展与应用前言二十一世纪是人类追求美好生活、实现美丽梦想的伟大时代，也是面临诸多问题、迎接挑战的变革时代。虽然世界经济仍然在快速发展，科学技术也在飞速进步，但是人类面对的问题似乎也越来越多，如全球气候的不断恶化等环境问题、煤炭和石油等化石燃料的消耗殆尽等能源问题，这两个重大问题也是二十一世纪人类必须要解决的。因此，世界各国、各行各业都在研究和找寻有效的解决方法。对于世界船舶工业来说更是如此。我们知道，物流业是仅次于制造业的石油消费第二大行业，而船舶长期以来一直是物流行业的消耗和排放的“大户”。由于成品油价格不断上涨，国际污染公约日趋严格，使得整个船舶工业不得不寻求新的解决之道。船用LNG技术似乎给我们带来了希望，它不仅清洁，而且储量充沛，甚至比石油的储量还要丰富，如果应用LNG作为动力，似乎同时缓解了上述的两个问题。然而，对于现有的技术与政策而言，要实现全面的LNG化，我们还有相当长的路要走。下面我们对LNG燃料动力船舶技术的现状、发展和应用进行初步的探讨。一、发展LNG燃料动力船舶的优势LNG就是液化天然气（LiquefiedNaturalGas）的简称。将气田生产的天然气净化处理，再经超低温（-162℃）加压液化就形成液化天然气。”LNG主要成分是甲烷，它无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，重量仅为同体积水的45%左右，热值约为汽油的1.2倍。与传统的燃油相比，LNG具有以下优势：1.储量丰富。2009年已探明储量达188万亿立方米，可至少满足全世界需求150年以上。近几年科学家从深海中发现了“可燃冰”这种能源，它是一种“固态”型天然气，1体积“可燃冰”可分解成164体积的天然气和0.8体积水。据统计，地球上“可燃冰”所含能量相当于石油、天然气、煤总和的3倍。我国2008年底探明天然气储量达到63357亿立方米，具有广泛运用天然气的资源基础。2.经济性好。按照目前的油价和LNG价格水平（柴油8200元/吨，LNG5000元/吨），使用LNG比使用柴油节约40%—60%的燃料费用。按热值计算，LNG价格只有柴油的60%左右（1立方米天然气产生的能量相当于1.2升柴油产生的能量），且因为天然气燃烧彻底，不易积碳，减少维护费用逾50%。3.环保性好。首先，LNG在液化前灰尘、硫、水分等杂质已被排除，是一种洁净能源；其次，与其它化石燃料比，在相同的能量输出下，LNG的污染物排放最少，一般来说可以减少10%～20%的CO2排放量，90%的NOX排放量，100%的硫化物和颗粒物排放；最后，天然气燃烧时比较柔和，燃烧噪声小。4.安全性好。首先，天然气燃点为650℃（柴油为260℃，汽油为427℃）；其次，天然气发生爆炸的浓度区间是5-15%（柴油为0.5-4汽油为1-5%）；最后，天然气密度是空气的55%，泄漏后会直接扩散到空气中，如果加入嗅剂泄漏时可被及时发现，减少安全隐患。5.冷能利用。LNG在气化时产生大量的冷能（860～883kJ/kg）。在发动机设计或改装时可以给予考虑，持别船舶制冷和空调、渔船冷冻和冷藏等方面给予利用。LNG与CNG、LPG的区别：1.CNG是压缩天然气(CompressedNaturalGas)。目前在汽车上应用较多，技术也较成熟。它是天然气加压并以气态储存在容器中（20MPa），它与管道天然气的组分相同，CNG的体积能量密度约为汽油的26%。LNG的组成比CNG更纯净，不含水分，因而LNG的排放性能要优于CNG。2.LPG是液化石油气(LiquefiedPetroleumGas)。经常容易与LNG混淆，其实它们有明显区别。LPG的主要组分是丙烷（超过95%），还有少量的丁烷。LPG在适当的压力下以液态储存在储罐容器中，常被用作炊事燃料和车辆燃料。二、发展LNG燃料动力船舶的背景分析1.节能减排的要求。据统计，世界航运业每年要消耗20亿桶燃油。我国是一个人均占有资源相对贫乏的国家，节能减排责任重大。2010年我国原油消耗达到4.55亿吨，需进口2亿吨才能满足要求，约为总需求的45%；预计2020年，原油消耗将达5.6亿吨，石油对外依存度将提高到60%。巨大的原油消费又会促使原油价格保持高位，提升船舶运营成本。因此，原油短缺会制约我国经济的发展，还会严重威胁国家的能源安全。随着原油的消耗，随之带来的就是排放污染。据统计，世界航运业每年要排放超过12亿吨二氧化碳，约占全球总排放量6%。为应对世界气候变化出台的环保法规，规定了船舶污染防治、减少排放的标准和时限。近年来，国际海事组织（IMO）加强了对海上船舶排放的强制性规定，如果各国都执行IMO的排放强制性规定的话，5-10年后世界上用于近海贸易的船只大多数都会使用LNG作为船用燃料。在我国物流业是仅次于制造业的石油消费第二大行业，全行业石油制品消耗占全国的34%左右，二氧化碳排放量占18.9%，并且这一比例仍逐年上升。而船舶长期以来一直是我国物流行业的消耗和排放“大户”，以我国内河为例，目前内河船舶柴油机每年产生的NOX、SOX和颗粒等污染物约100万吨，占港口区域总量的50%以上。因此，以技术创新为先导，大力提升船舶动力装置的节能减排能力，走绿色船舶动力发展之路已成为贯彻落实科学发展观、建设节能型社会的必然选择。2.降低噪声的要求。船员长期工作和生活在船上，强烈的噪音使船员精神疲劳，工作效率下降，严重时影响身心健康，危及航行安全。20世纪80年代，由于航运业的蓬勃发展，国际社会普遍关注船舶舱室的噪音问题，相关研究较多，也促使了我国一系列规范的出台。之后一段时间，随着造船技术的成熟，舱室噪音得到一定控制，关注度逐渐降低，国内相关研究也日趋减少。然而，目前的船舶动力装置普遍采用的是高噪音的柴油机，而且随着人们对工作、生活环境舒适度的要求日益提高，作为影响船员生活质量和工作质量的主要因素之一，噪音问题不容忽视。大型远洋船舶的技术标准和相关规范要求较高，且在机舱均设置隔音效果很好的集控室，一般能够满足我国《运输船舶舱室噪音标准》及《运输船舶舱室噪音测量方法》的要求。而内河小型船舶多采用高噪音的中、高速柴油机作为动力装置，且有很多小船根本没有集控室，轮机人员长期暴露在高噪音的冲击之下，长此以往，听力严重受损，身心健康无法保障。现代船用柴油机普遍采用高增压，其增压器转速可达20000rpm以上，对气流的作用可产生剧烈的高频噪音，是柴油机最大的噪音源；而柴油机气缸内的剧烈燃烧(爆压可高达20MPa)，亦会发出强烈噪音；四冲程柴油机进、排气阀周期性的启闭，也会发出刺耳的敲击声。3.国家高度重视。国家“十二五”发展规划把节能减排作为重要战略目标之一，各行各业提出了严格的节能减排目标。同时，温家宝总理在哥本哈根全球气候大会上向世界承诺—到2020年前CO2排放量比2005年减少40%-45%。船舶燃料作为耗能和碳排放大户，必然会成为改造重点。2011年1月国务院正式颁布《关于加快长江等内河水运发展的意见》，将内河水运发展上升为国家战略，提出了我国内河水运的发展目标，明确要求利用10年左右的时间，建成畅通、高效、平安、绿色的现代化内河水运体系。国家船检总局也表示，国家船检总局和地方各级船检部门将一如既往地支持和关注LNG船舶的实践和推广。同年3月，交通部发布关于贯彻《国务院关于加快长江等内河水运发展的意见》的实施意见，明确指出要着力构建绿色内河水运体系。各地市也纷纷推出贯彻《国务院关于加快长江等内河水运发展的意见》的实施意见，都把利用绿色能源作为以后发展的重点。根据交通运输部规划，“十二五”期间，我国新节能减排技术的应用试点将逐步增加，内河柴油和LNG混合动力船舶技术正是其中的试点新技术之一。2012年1月，海事局又专门下发通知，对LNG燃料动力船舶改造试点工作进行明确。在渔业领域，根据农业部渔业船舶检验局的发展规划，“十二五”期间，我国将全力提升渔船装备技术水平，推动渔业船舶向现代安全、节能、环保、经济型方向发展转变。用LNG代替柴油作船舶燃料，符合国家“十二五”发展规划和科学发展观的总体要求，且能带来经济效益，必将成为国家大力支持的产业项目。可以预见，以天然气为主导的中国绿色海运时代即将开启。4.渔船领域需求。我国是世界上渔船最多的国家，现拥有渔船达106万艘以上，约为全世界渔船总量的25%，渔船功率总和超过1600万kw，而海洋渔船总能耗约占整个渔业能耗的70%，渔船燃料的费用约占渔业捕捞成本的75%。近年来，尽管国家出台的柴油补贴政策对渔船补贴进入常态化，但高起的油价和高油耗，使得渔民们难以接受，造成渔船被迫停港现象非常普遍，渔民生产生活也面临较大困难。与此同时，燃油的大量消耗，带来的污染物的排放较高。作为绿色能源的天然气，具有储量丰富，价格低廉，运输方便，使用安全等优点，替代柴油在渔船等领域推广使用，将推进渔船节能减排，促进渔民持续增收，对促进渔船的现代化发展将会起到重要的作用。农业部渔业船舶检验局与中海石油气电集团公司签署“绿色能源框架协议”。根据协议要求，中海油改造了天津北塘渔港的20条渔船，并与2012年11月13日对拥有“柴油-LNG”双动力的津塘渔03808和津塘渔03820渔船进行了试航，这是国内首批接受“油改气”改造的渔船。下一批30艘渔船的改造施工即将在北塘渔港进行，预计2012年内改造完成。农业部渔业船舶检验局2012年确定的渔船液化天然气（LNG）动力改造计划提出，到2020年，要使适用于LNG动力的渔船柴油消耗量中的70%被LNG代替。5.LNG动力船舶改造相关规范要求。任何产业的发展离不开政策规范的指导和约束，由于LNG动力船舶产业发展时间短，因此目前与LNG动力船舶制造、改造和检验的相关政策、规范不多，但国际海事组织、船级社和国内海事部门仍制定了相关的规范来促进该产业的健康快速发展，相关规范见表1。表1LNG动力船舶相关规范序号规范名称颁布时间颁布单位1《双燃料发动机系统设计与安装指南》2007中国船级社CCS2《气体燃料动力船检验指南》2010中国船级社CCS3《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》2005中国船级社CCS4《内河散装运输液化气体船舶构造与设备规范》2008中国船级社CCS5《有关船上天然气燃料发动机装置安全性的临时指南》2009IMO海事安全委员会MSC6《LNG燃料动力试点船舶关键设备技术要求》2012中国海事局7《LNG燃料动力试点船舶技术要求》2012中国海事局8《LNG燃料动力船舶应用安全研究项目组织与实施方案》2012中国海事局气体燃料动力船舶除满足以上技术要求外，尚应满足《国内航行海船法定检验技术规则》（2011）或《内河船舶法定检验技术规则》（2011）的相关要求。三、双燃料动力船舶的发展1.低速双燃料发动机的发展目前，全球推出的低速双燃料发动机仅有瓦锡兰的RTX5型和曼恩（MAN）的ME-GI型发动机，处于试验测试阶段。另外，日本三菱重工（MHI）和韩国现代重工（HHI）也开始启动这一技术。早在1973年，在被瓦锡兰兼并之前的著名低速机供应商-瑞士苏尔寿公司就已为LNG船“维纳托尔”号配备了一台低速双燃料7RNMD90型发动机。2010年秋季瓦锡兰正式启动低速双燃料发动机研制，2011年2月进行RTX5新型低速双燃料发动机的测试工作。早在1994年，作为占有全球80%低速机市场份额的巨头曼恩就开始低速双燃料发动机的研发工作。2011年5月18日，曼恩在哥本哈根举行了ME-GI型双燃料发动机的发布仪式。宣称，新型主机可较传统柴油机减少23%的二氧化碳排放，而NOX、SOX排放分别能减少80%和90%。2012年4月，曼恩在哥本哈根又举行第二次ME-GI型发动机测试展示会，宣称，韩国现代重工和日本三井造船将分别生产该机型的原型机，此举意味着ME-GI型发动机向商业化方面迈进了重要一步。预计2012年11月，韩国现代重工将生产1台8S70ME-GI型机，而三井造船则将在2013年下半年生产1台6S70ME-GI型机。2012年6月，日本三菱重工