船舶LNG双燃料动力系统改造论证

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总管喷入采用多个喷射阀将燃气从进气歧管喷入，可分别控制各气缸什么时间喷入、喷入多少优点结构简单，维护方便，成本低可较准确控制空燃比，提高燃烧效率可避免气门重叠角期间燃气扫出，有效控制THC(Totalhydrocarbons)排放缺点控制精准度差，响应慢，THC排放高，燃料消耗率高喷射阀多，控制要求高，成本高*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=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)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ƒ%(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CY《指南》表2.2.13.151049LNG燃料的CO2转换系数CQ《指南》表2.2.12.7500010LNG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Q2g/hQ2=(Cy*G2+Cq*G1)*P24463816CO2排放降低率ƒ%(Q1-Q2)/Q1*100%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”、《ICISC1中国LNG市场周评（2013-9-16）》】0号柴油价格：8355元/tLNG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集装箱船散货船航区ABCABC排水量t6291.46431.44934.46291.46431.44934.475%MCR时航速18.4618.3719.4818.4618.3719.48能效设计指数基线值RLV18.60818.31922.23413.5028.5639.875达到的能效设计指数EEDI14.73314.41918.86610.31310.09313.206EEDI/RLV0.7920.7870.8490.7641.1791.3374.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，13