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关键词:
新型能源天然气船舶动力装置规范
1.天然气动力船的起源………………………………………………………….4
2.天然气动力船的优点…………………………………………………………4
3.天然气动力船的缺点…………………………………………………………5
4.天然气动力装置……………………………………………………………….7
5.我国天然气动力船舶建造规范……………………………………………....9
6.天然气动力船舶在全球市场的现状………………………………………...10
7.天然气动力船舶在我国的发展概况………………………………………...11
8.天然气动力船舶在未来的发展前景………………………………………...12
9.天然气动力船舶发展面临的问题………………………………..…………14
结论……………………………………………………………..……………….15
致谢………………………………………………………………………………16
参考文献…………………………………………………………………………17
船舶新型能源------天然气
1.天然气动力船的起源
挪威作为LNG生产大国,为了提高挪威气体燃料技术和获得良好的环境效应,1996年挪威议会决定分别建造采用CNG和LNG作为燃料的两种类型车/客渡船。
2000年,世界首艘采用LNG为燃料的渡船“M/FGlutra”号由阿克尔船厂建造完工。
通过采用LNG燃料,该船可以减少80%的NOX排放量,总成本比采用柴油燃料的渡船高30%,但船厂和运营商认为由于属于新技术的首次应用,费用的提高在可接受范围内。
2.天然气动力船的优点
2.1天然气的环保性
目前,石油和煤炭是最大的船舶能源提供者,人类在使用燃料获得能量的同时,也向环境排放了大量的有毒气体,如:
二氧化碳、氧氮化物、硫氧化物等,其中氧氮化物和硫氧化物是酸雨的主要物质,而二氧化碳的大量排放也造成了日益严重的温室效应。
因此,减少能源系统中有害气体的排放已成为改善全球环境的关键问题。
目前,全国航行船舶每年排放近12亿吨的二氧化碳气体,约占全球排放量的百分之六。
氧氮化物和硫氧化物更是占了全球排放量的百分之二十和百分之三十,船用燃料燃料严重污染了海洋和大气。
且随着2008年十月召开的MEPC58通过了MARPOL公约附则V1的修正案,对船舶大气污染物的排放提出了进一步的要求。
经修订,从2012年1月1日起,对船舶燃油的含硫量从百分之4.5降低为百分之3.5,在2018年前估计可行,到2020年1月1日逐渐降低至百分之0.5。
而天然气的主要成分是甲烷,是目前自然界能存在的最低碳分子的燃料。
将天然降低到零下160度以下,其体积将缩小600倍以上,利于储存和市场供应。
天然气不含任何杂质,硫,混合物和芳烃,燃烧产物没有气味,不含微粒和残余成分,几乎没有污染。
因此,天然气是一种值得信赖的环保新型燃料。
2.2天然气动力船的经济性
2000年,国内柴油售价为2000元一吨,而到2012年上半年,柴油的价格则一跃跃到了9000元一吨,油价的飞涨大幅度提高了船东的运营成本。
这时,天然气作为一种低价环保的角色出现了。
天然气的市场价格远低于燃油价格,尤其是在美国和欧洲。
相同的热值输入下,天然气的价格相对于燃油价格的四分之一或者三分之一。
目前,国内由于定价机制的原因,天然气的价格和重油的价格相当,但随着中国成为世界第一大进口国,天然气的价格还会进一步降低。
2.3天然气动力船的安全性
天然气属于低温液体,即使发生泄漏事故时也会很快自然气化,其密度比空气轻,泄漏的气体会自动向上溢开,不会对水体产生污染,加入特殊嗅剂后,天然气泄漏可及时被发现。
天然气的燃点比汽柴油更高,瞬间着火比油慢,易扩散,不易达到爆炸极限。
从使用安全性上来讲,天然气也比燃油好很多。
3.天然气动力船的缺点
3.1天然气燃料系统体积大。
天然气储罐燃料系统所占空间大,重量重,影响载货量。
天然气储罐体积大,所占空间比传统的柴油燃料储存所占空间大4倍左右,重量也是后者的1.5倍。
3.2天然气燃料船的造价较高。
目前天然气燃料船的造价高于传统柴油燃料船5%-20%左右,会带来一定的成本压力。
3.3天然气燃料缺乏技术安全通用规则。
目前只有挪威船级社(DNV)对天然气燃料船做出了相关分类标准,但大部分国家还没有针对LNG船用燃料的技术标准规则等出台相关政府管制规定
3.4天然气船的初始成本较高。
据了解,一个LNG储存罐的费用就要几百万美元,如果船东只算建造成本这笔账,往往会望而却步。
不过,由于所在区域对船舶排放要求日益严格,丹麦、娜威等北欧国家目前已经不得不开始使用以LNG为燃料的渡船、滚装船、海岸警备船、LNG船和平台供应船。
3.5.天然气动力船的噪音
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。
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。
然而天然气动力船舶所使用的燃气轮机,在使用时噪音主要有三种形式:
进排气噪声、机体辐射噪声和结构噪声。
一般情况下,其机体辐射和结构噪声要比柴油机小,但由于它需要的空气量大,所以它的进排气噪声要比柴油机大。
4.天然气动力装置介绍
4.1蒸汽轮机
蒸汽轮机推进系统主要由锅炉、蒸汽轮机和齿轮减速传动装置组成。
其工作原理是锅炉产生的蒸汽通过蒸汽涡轮机将热能和压力势能转换成动能驱动涡轮转子转动,经减速装置减速后带动螺旋桨转动,从而推动船舶前进。
蒸汽轮机占据今天全球LNG船推进系统的主流,主要原因为:
LNG船舶的航速要求一般较高,蒸汽轮机输出功率大,可以满足LNG船对大功率推进系统的要求;
同时系统功率裕量较大、可靠性较高,可以满足交货时效性的要求;
在蒸汽轮机系统中LNG蒸发汽或重油均可用作锅炉的燃料,也可以采用一定比例混合燃烧方式,LNG蒸发汽可以得到很好的利用;
在只燃烧蒸发汽时排出的排放物也较为清洁;
维护不是很频繁且费用也相对较低;
主锅炉和蒸汽透平结合的主推进系统有效地解决了蒸发汽的安全利用问题;
LNG的应用技术在相当长的时期内只被少数几个发达国家所掌握,同时市场长期处于供过于求的状态,LNG价格较低,蒸汽轮机系统的整体经济性较好。
而其他主推进系统方案相对地都或多或少存在一些技术瓶颈,成了作为LNG船主推进系统的障碍。
经过几十年的发展,蒸汽轮机系统在某种程度上说已成为LNG船的标准主动力系统。
4.2燃气轮机
在LNG船上采用燃气轮机推进装置,可采用机械式或电力式。
燃气轮机重量较轻,无振动、并且可以使用双燃料(使用重油作为备用燃料)。
它的低效率某种程度上可通过联合循环系统来弥补然而,燃气轮机对电站和气体压力的要求较高,这会使安装更复杂,费用更为昂贵。
4.3复合涡轮机组
复合涡轮机组(即燃气轮机发动机十蒸汽轮机发动机),是在用燃气轮机燃烧蒸发汽的同时,利用废气能量产生蒸汽,驱动蒸汽轮机。
这种发动机的燃料效率较一般的蒸汽轮机好,而且排放的废气与汽轮发动机相同,是比较清洁的。
缺点是需要高质量的石油燃料,并且不能与蒸发汽混合燃烧。
将来还可能考虑与电力推进装置相结合。
从环保因素考虑将来有可能会采用此种方案的推进系统。
4.4双燃料电力推进
双燃料发动机(燃油和蒸发气)的发展己经使有效利用蒸发气成为可能,双燃料发动机是从重油柴油机发展而来。
因此双燃料发动机推进装置也是现代LNG船一个具有强有力竞争力的选择。
双燃料发动机是一种经过特殊改造的可直接燃烧LNG蒸发汽和燃油的内燃机,有高压型和低压型两种。
高压型双燃料内燃机在喷射少量的点火柴油后,即可将船上蒸发的LNG气体高压喷射进入燃烧室燃烧;
低压型双燃料柴油机可将船上蒸发的LNG气体以较低的压力(约4bar/cm2)喷射进入燃烧室,在轻油点火下燃烧。
前者使用高压LNG管路有泄漏的危险,后者则需要额外配置点火装置。
据有关资料,在挪威近海项目中,在小型LNG船上推进系统有直接采用了双燃料发动机作为主推进装置,但此系统需要和蒸发汽氧化装置配套使用。
与常规动力装置相比,使用这种双燃料发动机不但最大限度地利用了蒸发汽燃料,而且大大降低了燃油的消耗和运营成本,可节约燃料20%~30%,提高发动机的效率。
在一艘13.5万立方米LNG船上,MANB&W柴油机公司对烧重油的蒸汽轮机与烧重油和天然气的双燃料发动机进行了比较,后者每年可为船东节约250万美元左右的费用。
同时,双燃料发动机具有很低的排放,其氮氧化物的排放量只相当于普通柴油机的1/10,二氧化碳的排放也相当低。
由于双燃料发动机可以在气体燃料和液体燃料两种模式下交替工作,而且两种模式是自动切换,在停止气体燃料供应时,发动机不会停止运行,而是自动切换到液体燃料模式。
随着船舶动力装置的不断发展,双燃料发动机以其可使用两种燃料、重量轻、制造成本较低等优点将成为今后LNG船主推进装置的一个重要选择。
5.我国天然气燃料动力船舶规范
随着船舶越来越广泛的使用天然气,发布了《天然气燃料动力船舶规范》。
它是在CCS《气体燃料动力船检验指南》(2011)的基础上,依据CCS“天然气燃料动力船关键技术研究”、“船用LNG燃料罐结构关键技术研究”等课题的研究成果和大量实践调研成果,按照目标型标准(GBS)和风险评估理念而制定的针对以天然气燃料作动力的钢质船舶规范。
相对于2011版“指南”本规范的主要变动是:
(1)在“指南’基础上,从使用方便性的角度,对规范结构进行调整,并新增气罐、气体燃料发动机、电子控制系统、热交换器4大关键产品的技术要求,作为4个附录。
(2)对原指南中部分内容进行修订,增加气罐连接处所、管系试验,气体阀件单元处所、半围蔽处所内的储存、供气管路阀件布置图等方面的要求,对气罐处所、机舱内供气系统、气体燃料发动机的功能性要求等内容进行了调整。
(3)新增气体燃料充装、天然气标准充装接头的相关技术要求。
(4)将风险分析理念贯穿规范始终,新增故障模式及影响分析(FMEA)的要求。
6.天然气动力船舶在全球市场的现状
在全球船用天然气发展现状方面,现在,天然气作为船用燃料在全球范围内普及程度较低,只有零星几个国家在为数不多的轮渡、游轮等进行定点运输的船舶上用了天然气作为船用燃料,全球大部分船用天然气应用集中在挪威。
天然气运载船多采用柴油和BOG双动力系统,其推进系统毫无例外都是蒸汽涡轮动力装置。
目前全世界有300多艘LNGCs,BOG几乎都作为蒸汽涡轮装置的燃料来用。
然而,LNG燃料经济性优势正在推动船用LNG的发展。
国家原油供应紧张,油价维持在高价位,而国际LNG价格则在2009年以后大幅回落,油价与天然气价格之间的落差越来越大,从燃料成本等经济效益考虑,烧LNG比烧柴油合算。
同时,国际船舶排放标准将促使船用LNG快速发展。
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。
未来LNG船用燃料国际市场发展重点区域是波罗的海地区、北海和地中海地区。
目前,国际上LNG燃料船动力系统主要由瓦锡兰、MAN、罗尔斯·
罗伊斯和三菱重工四家公司供应,其中瓦锡兰和MAN以双燃料发动机为主,而罗尔斯·
罗伊斯和三菱重工以气体发动机为主。
LNG船体制造方面,日本韩国为主要产地。
三菱重工是多艘LNG燃料船舶主机的供应商,日本商船三井于2009年公布了采用LNG燃料的“ISHIN-II”号环保渡船的设计构想,大宇造船与海洋公司目前正在开发采用LNG燃料的大型集装箱船,该公司与MAN公司正在共同开发应用于14000TEU集装箱船的ME-GI发动机和DSME高压低温燃料供应系统。
7.天然气动力船舶在我国的发展概况
目前,国内船用天然气利用基本处于空白领域,我国内河航运燃料以柴油动力为主,尚未将LNG燃料应用于船用领域,但近两年LNG行业内一些技术领先公司已经尝试将LNG船用燃料作为LNG行业未来发展的一个重要方向,已有多种型号的船舶主流柴油机已经进行台架测试,并通过了国家相关部门组织的鉴定验收,证明了技术和经济上的可行性。
此外在政府“节能减排”政策指引下,内河船改装LNG燃料将成为重点发展领域。
从发展趋势来看,一方面,未来我国内河LNG船数量会快速增长。
我国内河航运资源丰富,拥有大、小天然河流5800多条,河流总长43万公里,对内河船舶的需求量巨大。
而在节能减排大背景下,在LNG接收站不断增加的基础上,发展内河LNG船舶对防治船舶污染,对保护江河水域环境,具有十分重要的现实意义。
预计未来3年总共会有5万多艘轮机船进行改装,直接带动能源设备价值高达260亿元人民币的市场增量。
另一方面,国家加大资金投入推进内河航运发展,对LNG船发展构成有力支持。
交通运输部副部长徐祖远透露,“十二五”期间,中央将安排450亿元财政资金,加大航道、支持保障系统和中西部地区港口等的资金投入,同时安排50亿元财政引导资金,推进内河船型标准化和运力结构调整。
这意味着“十二五”内河航运投资将比“十一五”期间增加2.7倍,增幅创造历史新高。
8.天然气动力船舶在未来的发展前景
德国劳氏船级社(GL)目前正在研究以液化天然气(LNG)为船用燃料的可行性。
GL一名董事会成员表示,考虑到所需的LNG储罐的体积,大型远洋集装箱船以LNG为燃料的可能性不大,但对于在波罗的海区域运营的小型支线船舶来说,以LNG为燃料却较为可行。
虽然采用这种新燃料的集装箱船将比用常规燃料的集装箱船昂贵,但前者的燃料成本更低,废气排放量更少。
法国船级社曾指出“天然气动力推进系统将成为今后绿色航运的主要贡献因素之一。
”该社船舶部门总经理Bernard.Anne说,“采用天然气为船舶动力具有减少污染排放等诸多的优势。
天然气供应充足丰富,与低硫含量燃料相比还具有价格优势。
我们已经在研究改装现有船只的可能性。
”据GL预计,两艘分别以LNG与重油为燃料的1500TEU集装箱船,前者每年为船东带来的收入将比后者低20万美元。
这是因为LNG储罐的体积较大,导致前者的载货量比后者少3%左右。
然而,随着船舶减排的法规日益严格,后者因排放二氧化碳而需缴纳的有关费用更多。
据此测算,对船东来说,采用上述两种燃料的船舶的运营收益基本相当。
基于上述分析,GL预测,到2012年,在对船舶排放控制很严的波罗的海区域将出现以LNG为燃料的集装箱船。
在一届于北欧举办的世界天然气论坛上,该公司得知,根据相关公约,为保护海洋环境,北欧将推广使用LNG船用燃料系统。
汉姆沃斯公司负责人表示,LNG燃料系统能提高船舶的经济性和环保性,降低其运营成本和储运成本。
到2015年,北欧地区将有近千艘船舶停止使用柴油,改以天然气为燃料,且此后这一海域运营的各型新建船舶也将安装LNG燃料系统。
据预测,北欧市场对该系统的需求量每年将达到数百台。
邬品芳介绍说,船舶采用天然气取代柴油后,其燃料成本有望降低1/3左右。
DNV(挪威船级社)执行副总裁Remi.Eriksen日前也公开表示:
“全球航运界到2030年有潜力实现减排30%,这其中最有效的措施就是使用LNG作为燃料。
由于所在区域对船舶排放要求日益严格,丹麦、挪威等北欧国家已经开始使用以LNG为燃料的渡船、滚装船、海岸警备船、LNG船和平台供应船。
这说明,随着全球范围内对气体排放要求越来越高。
9.天然气动力船发展面临的问题
9.1改建现有船队和天然气储存基础设施缺乏
首先最大的障碍是配套的基础设施的建设,由于大部分港口天然气补给设施不配套,尽管天然气补给并不困难,但是港口方面却没有建立起完备且实用的配套体系,正如当前汽车加气站匾乏制约了燃气汽车普及,天然气在船舶上的运用也收到了制约。
天然气配套基础设施的建设涉及港口的规划布局,需要政府企业的规划以及企业与政府机构的密切沟通和配合。
9.2天然气燃料船的续航能力还较弱
目前,以天然气为燃料的船舶最高续航能力较低,研究表明,天然气动力船的最高续航能力仅为22天,达不到远洋长途运输的要求。
究其原因,船舶的燃油舱体积虽大,但可以在船上见缝插针随意安放,而天然气储存罐体积虽小,却系统复杂,布局难,安装圆筒形天然气储罐也会损失部分运输的空间,这为船舶的设计和改建带来了很大的难度。
9.3“油改气”的技术现在还并不是非常成熟,难以快速普及;
9.4天然气运输转移等都没有汽油柴油方便;
9.5天然气技术现在还没有统一的标准,各个船级社之间存在着差异。
针对这些问题,首先,我们应该加大“油改气”的力度,争取更快的普及这项技术;
其次,更快的研发“注趸船”等新型技术,进行船对船加气;
最后,政府需要加大LNG基础设施建设,加大对这方面的投资。
结论
从天然气燃料船舶本身的技术发展来看,LNG储存、运输、补给、安全性等方面与普通柴油船舶均有较大的变化,涉及的LNG储气罐、动力装置、燃料补给等都属于LNG燃料船舶设计的重点考虑因素,此外还包括蒸发气、气阀和管路系统、控制系统等内容。
LNG产业可谓是具有极大发展潜力并伴随较大不确定性的新兴产业,现阶段尚未实现大范围的推广和应用。
目前,影响LNG燃料船舶快速发展的主要因素包括基础设施的缺乏、船舶技术的约束、规范发展的滞后、天然气价格相比于石油价格的优势不够明显、各国政府态度的不同以及公众对于天然气认识的不足等等,因此未来需要多方面的共同努力才能解决。
致谢
你感谢一下杜新宇就行了
参考文献
[1]贺永德天然气应用技术手册化学工业出版社2010
[2]钱伯章石油和天然气技术与引用科学出版社2010
[3]中国船级社天然气燃料动力船舶规范人民交通出版社2013
[4]中国船级社气体燃料动力船检验指南人民交通出版社2010
[5]王祖温中国航运大讲坛(第一集)大连海事大学出版社2011
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