关于漓江旅游客船LNG混合动力改造的可行性研究

金龙

【摘 要】随着国家提出加快建成畅通、高效、平安、绿色的现代化内河水运体系的战略目标，LNG作为柴油的替代能源在桂林漓江旅游客船上应用势在必行。

【关键词】漓江；LNG；改造

1 漓江旅游客船的动力系统现状

1.1 漓江现有船舶动力分析

漓江现有船舶动力来源主要是柴油，即柴油发动机。柴油发动机的工作过程与汽油发动机有许多相似之处，每个工作循环都经历进气、压缩、做功、排气四个行程。但由于柴油机用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸发，而其自燃温度却较汽油低，因此，可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。由于漓江上使用的柴油机功率小、转速高（>1000r/min），属高速机，所以目前漓江游船柴油机的点火方式基本是以电动马达带动柴油机曲轴转动压缩混合气体使其达到自然燃点，即“压燃”来实现的。

1.2 柴油发动机的不足

尽管柴油发动机有功率大、二氧化碳排放低等方面的优势，但柴油机工作压力大，对各有关零件有较高的结构强度和刚度要求，特别是其喷油泵与喷嘴制造精度要求严格，故成本较高。另外，柴油机还存在振动噪声大、喷黑烟、油污不易蒸发、冬季冷车启动困难等弊端。

2 LNG混合动力系统

2.1 LNG及LNG混合动力的概念

LNG即液化天然气，主要成分为甲烷，气化后比空气轻，一旦泄露会很快扩散。空气中天然气浓度达到15%以上时，可以正常燃烧；浓度为5%-15%时，遇到明火即可发生爆炸，这个浓度范围即为天然气的爆炸极限，爆炸瞬间产生高温、高压，其破坏力和危险性都很大。

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-LNG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。

2.2 LNG混合动力系统组成

2.2.1 主机。为比较双燃料发动机和单一气体燃料发动机的不同，应对双主机中的一台进行柴油—天然气双燃料改造，即在现有的柴油机上加装LNG燃料供给系统，将单一的柴油发动机转化为双燃料发动机。柴油变成用于点燃压缩状态下天然气的引燃燃料。全柴油模式時，天然气气源切断，发动机工作模式与原柴油机相同。天燃气喷射量和柴油供油量通过中央控制单元（ECU）根据发动机工况来控制。将另一主机采用全新的天然气单一燃料发动机。

2.2.2 供气系统。LNG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。如果在漓江旅游客船上安装储罐位置选应选择在面向开敞甲板处所，这样有利于可燃气体的散发。储罐按照《气体燃料动力船检验指南》的要求，安装有安全阀，储罐压力高于最大工作压力的时候，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。气化过程即气罐内的液化天然气经过水浴式气化器，利用发动机的外循环热水进行气化，气化后的天然气经过稳压调压器、电子切断阀、过滤器及二级减压阀进入发动机。稳压调压器和二级减压阀应分别稳定主体管道气体压力和将进入发动机的气体压力降至要求的范围内。燃气管路主体管路采用不锈钢无缝管，机舱内通往发动机的气体管路全程采用全熔透对接焊接头。为方便连接和减少震动对管接头的影响，主体管路与发动机之间采用金属软管连接。

2.2.3 安全监控系统。在正常情况下可能出现爆炸性气体环境的区域，我们称“气罐处所”。一旦LNG气体在该区域发生泄漏，整个机舱将变成危险区域。作为后备安全措施，机舱所有灯具、开关、风机、警铃、警灯都应为满足要求的合格防爆型，并且机舱的任何位置都保证有两套相互独立的固定式气体探测器有效覆盖。当机舱出现可燃气体泄漏时，这些防爆设备还应继续工作，以保证基本的船舶安全。室外危险区域一律采用防爆电气设备，包括灯具和开关，安装时严格要求穿钢管敷设。比如漓江旅游客船尾部的尾灯等。如果机舱内有电动舵机，则应选用乙丙绝缘氯丁内套铜丝编织铠装船用电力电缆，要求电缆的铠装一定要在设备内部良好接地，且保证进线处的密封，设备的外壳亦良好接地。气罐处所及每台主机的上方均应配备有可燃气体探测器，并配备气体报警控制器1台、联动控制柜1台、及防爆轴流风机2台。当探测到天然气浓度达到爆炸下限的20%时，控制器发出报警声；达到爆炸下限50%时，控制器自动切断天热气气源，并启动风机强制排风。

2.3 漓江旅游客船LNG混合动力系统改造的优势与存在的困难

2.3.1 漓江旅游客船LNG混合动力改造的优势

优化漓江生态环境，实现节能减排，促进科学保护漓江是桂林市政府在漓江旅游资源开发、保护工作方面的重要目标和指向，对漓江旅游船发动机进行液化天然气（LNG）改造是其中一个重要举措。相较传统能源，LNG混合动力优势明显，体现在动力保障和设备使用寿命、节能减排效用、游船安全卫生运营、防止河流污染等方面。经测算，船舶采用LNG混合动力后，柴油的平均替代率达到60%至70%，可实现硫氧化合物减排85%-90%，二氧化碳减排15%-20%，同时，噪声污染、烟尘、废油水排放也大大降低。使用混合动力后，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足以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。另据测算，假设漓江旅游客船船舶全部进行改造、使用LNG混合动力后，每年可减排硫氧化合物200多吨、氮氧化合物220吨，减排二氧化碳2千吨以上。同时，船员的工作生活环境将得到很大改善。由于装备了智能化的安全监测与处置系统，一旦有可燃气体泄露，船舶能自动报警，自动切断天然气管路，启动防爆通风机，隔开储罐与舱室和机舱，确保船舶运营安全和船员生命安全。此外，采用LNG混合燃料，即使船舶发生沉没事故，也不会出现由于单纯使用柴油燃料导致大面积水域污染的现象。

2.3.2 漓江旅游客船LNG混合动力改造存在的困难

目前，LNG混合动力属于船舶行业的新生事物，还处于摸索完善阶段。漓江旅游客船在混合动力改造、普及推广方面还存在一些不足和条件上的限制。

（1）不符合相关指南的要求。按照CCS《气体燃料动力船检验指南》的要求，漓江旅游客船混合动力改造还存在一些问题。如只有一个机舱，主机和发电机组均在一个舱内；面向位于开敞甲板的储气罐的舱壁达不到A-60级防火分隔等。

（2）在操作培训和实际维护上面存在一定难度。船舶动力设备的规范操作、使用以及日常维护，都需要具有一定专业知识、技能的人才，目前桂林航区在LNG动力船舶方面尚缺乏相关方面的人才储备，开展教育、培训和人才引进仍需要一定的时间。

（3）初投资。LNG混合动力需由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。据估算，每艘船舶进行改造需要至少15万人民币的费用，这对于漓江旅游客船目前的运营收入水平来说存在一定困难。

（4）漓江沿线油气站布置问题。漓江航道水浅、滩多，地形条件复杂，沿线布置油气站需要兼顾景区旅游质量不受影响、船舶加注燃料的便利性以及管理和使用的安全性，还要充分考虑设施建设和维护费用等问题，是一个内容繁复的系统工程，仍待有关部门组织调研、论证。

目前，虽然尚未有适用于客船的LNG混合动力船舶检验规范，但根据部海事局“内河船舶气体燃料动力改造和检验工作研讨会会议纪要”的精神，漓江旅游客船LNG混合动力改造项目符合国家能源产业政策和节能减排要求，具有较好的经济效益和广阔的市场前景，通过试点来加强对船舶LNG混合动力改造和检验工作的研究是很有必要的。船舶检验、海事及航管部门应继续给予必要的支持和帮扶。

[责任编辑：周娜]