船舶LNG双燃料动力系统改造论证.docx

长江船运主力船型清洁能源推进系统关键技术及示范应用长航集运 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单点喷射多点喷射特点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，可分别总管喷入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218%以上CO排放减少X▲ NO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=5235tB 级航区：吃水 5.1m，排水量 6430.4t ， DWT=6430.4-1056.4=5374t3.3 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)NO X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 CO排放，即选取主机工况点：600kW× 75%=450kW2（1）燃油与 LNG按低位热值换算，长航集运8303 轮 CO排放：2序号名称代 号单位计算公式或数据来源结果10#轻柴油低位热值LHV1MJ/KgGB/T3254.1-94 规定的标准环境状况42.72LNG低位热值LHV2MJ/Kg《规范》 1.1.3.149.53LNG密度ρkg/m3《规范》 1.1.3.14504每千克 0#轻柴油等效 LNG质量Mkg5每吨 0#轻柴油等效 LNG体积Vm36主机额定功率MCRkW设计选型6007评估基准点的主机功率PkWP=0.75MCR4508轻柴油 CO2转换系数CY《指南》表 2.2.13.1519LNG燃料的 CO2转换系数CQ《指南》表 2.2.12.75010LNG燃料替代率α%任务书70.0%11评估基准点的主机耗油率Gg/kw*h柴油机推进特性曲线图202.012燃油工况每小时 CO2排放量Q1g/hQ1=Cy*G*P28643013双燃料工况 LNG消耗率G1g/kw*hG1=α *G*M122.014双燃料工况轻柴油消耗率G2g/kw*hG2=（ 1- α） *G60.615双燃料工况每小时 CO2排放量Q2g/hQ2=(Cy*G2+Cq*G1)*P23687316CO2排放降低率?%(Q1-Q2)/Q1*100%17.3%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：序号名称代号单位计算公式或数据来源结果10#轻柴油低位热值LHV1MJ/kgGB/T3254.1-94 规定的标准状况42.74每千克 0#轻柴油等效 LNG质量Mkg6主机额定功率MCRkW设计选型6007评估基准点主机功率PkWP=0.75MCR4508轻柴油 CO2转换系数C《指南》表 2.2.13.15104Y9LNG燃料的 CO2转换系数C《指南》表 2.2.12.75000Q10LNG燃料替代率α%任务书70.0%11计算基准点主机耗油率Gg/kW*h柴油机推进特性曲线图202.012燃油工况每小时 CO2排放量Q1g/hQ1=Cy*G*P28643013双燃料工况 LNG消耗率G1g/kW*hG1=α*G*M128.214双燃料工况轻柴油消耗率G2g/kW*hG2=（1- α） *G60.615双燃料工况每小时 CO2排放量Q2。