環(huán)保船雙燃料主機選型分析

環(huán)保船雙燃料主機選型分析

丁長健,袁同軍

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

摘要：以法律法規(guī)為指導(dǎo)，對比雙燃料主機和常規(guī)柴油機的排放、年燃料成本、減排市值、各工況下燃氣模式利用率、主機選型對艙容布置的影響、船舶操作的可行性與便利性、方案投資以及相應(yīng)配套設(shè)施的健全性，結(jié)果表明：與常規(guī)柴油機相比，盡管初始投資增加了40%，但是雙燃料主機能夠降低排放污染物90%以上，節(jié)約年燃料成本約51%，全生命減排市值約4 585萬元；總體來說，如果解決了雙燃料主機燃氣利用率偏低，適當(dāng)加大船舶主尺度，提高船舶裝載能力，相應(yīng)配套設(shè)施和能力健全等問題后，雙燃料主機在環(huán)保船上具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：節(jié)能減排;雙燃料主機;環(huán)保工作船;排放;經(jīng)濟性

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.035

中圖分類號：U664.1

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0128-05

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一丁長健(1980-)，男，學(xué)士，工程師

Abstract:Based on laws and regulations, the dual-fuel main engine is compared with the conventional diesel engines from aspects of emission, annual fuel costs, emission reduction value, the utilization rate of gas under various operating modes, the layout of cabin space, the operability and convenience of vessels, initial investment and relevant auxiliary facility. The results show that though the initial investment is increased by 40%, the duel-fuel main engine can decrease more than 90% of emission and save about 51% of annual fuel costs and full lifecycle emission reduction value is about 45 850 000 yuan RMB. In general, dual-fuel main engine could be put into practice on the environmental vessels, provided that the problems of low gas utilization rate, small principal dimension and load capacity, and insufficiency of the relevant auxiliary facility are solved.

修回日期：2015-09-01

資助項目：工信部項目(20697-1130013)

研究方向:工程建造項目管理

E-mail:dingchj@cnooc.com.cn

相對于傳統(tǒng)燃油柴油機，以LNG作為燃料的純氣機或雙燃料混合動力機，其環(huán)保性具有明顯優(yōu)勢。國家新能源的大力推廣和各大石油公司新能源逐步發(fā)展，尤其是國內(nèi)沿海LNG項目快速推進，雙燃料主機在船舶上的應(yīng)用已具有一定的基礎(chǔ)。結(jié)合新建深水環(huán)保船具體情況，從以下幾方面進行論證選擇雙燃料主機的可行性。

1項目背景分析

分析項目運營階段的主要污染源和污染物，并估算污染物排放量；預(yù)測項目運營階段所排放的主要污染物及拖航、起拋錨、供應(yīng)等主要作業(yè)對環(huán)境影響的范圍和程度，提出船舶污染物排放總量控制目標(biāo)及作業(yè)對環(huán)境影響的建議；論證正常生產(chǎn)情況下污染物處理措施的可行性，分析本項目運營潛在的環(huán)境風(fēng)險，并針對各種風(fēng)險可能引發(fā)的溢油事故提出防范對策，從而為項目主管部門和環(huán)境保護主管部門提供決策參考，為作業(yè)實施完善的環(huán)境管理措施提供可操作依據(jù)。

1.1IMO對氮氧化物排放指標(biāo)和生效時間

2016年后將執(zhí)行Tier Ⅲ指標(biāo)，目前所有的常規(guī)柴油機都需要改造，改造成本高、技術(shù)難度大。

1.2IMO對硫化物排放指標(biāo)和生效時間

從2020年1月1日起，針對目前對含硫燃料油的上限從3.50%降到0.50%。

2法律、法規(guī)

國際海事組織(IMO)編制了IGC規(guī)則、IGF規(guī)則；國際石油與天然氣行業(yè)的許多組織團體(SIGTTO, OCIMF等)也頒布了相關(guān)技術(shù)要求與標(biāo)準(zhǔn)；中國船級社已出版《氣體燃料動力船檢驗指南》(2011年)；《天然氣燃料動力規(guī)范》于2013年9月正式生效實施。這些技術(shù)規(guī)范與要求都對本項目有一定的指導(dǎo)意義與參考的價值[1]。

本項目環(huán)境影響評價主要依據(jù)還有如下法律、法規(guī)。

1)《中華人民共和國環(huán)境保護法》。

2)《中華人民共和國海洋環(huán)境保護法》。

3)《中華人民共和國防止船舶污染海域管理條例》。

4)《中華人民共和國漁業(yè)法》。

5)《化學(xué)危險物品安全管理條例》。

6)《建設(shè)項目環(huán)境影響評價證書管理辦法》。

7)《中華人民共和國防止船舶污染海域管理條例》。

8)《中華人民共和國環(huán)境影響評價法》。

9)《MARPOL 73/78》及其修正案。

10)《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》。

11)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》。

12)《中華人民共和國海上交通安全法》。

13)《國務(wù)院關(guān)于加強環(huán)境保護若干問題的決定》。

14)《中華人民共和國水上水下施工作業(yè)通航安全管理規(guī)定》[2-4]。

3污染控制目標(biāo)

船舶產(chǎn)生的主要污染物為大氣排放物及少量的生活污水、生活廢水、生活垃圾、工業(yè)垃圾及機艙含油污水等。

1)船舶向大氣排放的污染物主要包括 NOx、SOx、CO、炭粒及臭氧消耗物質(zhì)等。最高允許排放應(yīng)符合表1所列的標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

2)船舶排放的艙底污水的含油量，最高允許排放質(zhì)量濃度應(yīng)符合如下標(biāo)準(zhǔn)：

3)船舶排放的生活污水最高排放質(zhì)量濃度應(yīng)符合表3所列標(biāo)準(zhǔn)。

表1　船舶向大氣排放的污染物允許標(biāo)志

表2　船舶排放的艙底污水的允許標(biāo)準(zhǔn)表

表3　船舶垃圾排放的生活污水允許標(biāo)準(zhǔn)表

4)船舶垃圾排放應(yīng)符合表4所列標(biāo)準(zhǔn)。

表4　船舶垃圾排放允許標(biāo)準(zhǔn)表

4雙燃料機和常規(guī)柴油機的排放對比

LNG燃料和柴油在排放上的對比見圖1。

圖1　LNG燃料和柴油排放對比

由圖1可見，CO2排放降低約22%，NOx排放降低92%,SOx排放降低約98%～100%，顆粒物排放降低98%。

使用LNG燃料的雙燃料柴油機能夠滿足2016年生效的IMO TIER III標(biāo)準(zhǔn)，滿足Sox的最高排放要求。通過對比，LNG燃料在排放上的優(yōu)越性非常明顯。

5燃料成本分析

1)主機機型。雙燃料主機參照WARTSILA 6L34DF 雙燃料船用發(fā)動機計算，2臺主機，單臺主機最大輸出功率為2 700 kW，

LNG消耗率總能耗(100%MCR)為8 130 +5% kJ/(kW·h)；

總能耗為8 233 + 5% kJ/(kW·h)，85%MCR。

最大功率(100%MCR)折合耗能約145 g/(kW·h)；常規(guī)燃油型主機參照洋馬主機計算，2臺主機，單臺主機最大輸出功率為2 700 kW，柴油消耗率為200 g/(kW·h)。

2)分析依據(jù)：

每年50個航次，每航次45 h。

每年溢油應(yīng)急作業(yè)時間約30 h。

每航次航行作業(yè)時間25 h(主機～90%MCR)，護航作業(yè)時間12 h(～主機50%MCR)，值守作業(yè)時間6 h(主機～30%MCR)，動復(fù)員時間2 h(主機0% MCR)。

④柴油價格?！? 000 元/t，LNG價格：～5 400 元/t。

⑤LNG密度。0.47 t/ m3。

3)燃料消耗計算。

①以LNG為單一燃料，單航次耗氣量。

航行作業(yè)耗氣量為 17.62 t。

護航作業(yè)耗氣量為4.70 t。

值守作業(yè)耗氣量為1.41 t。

動復(fù)員耗氣量。主機處于停車狀態(tài)，無燃氣消耗。

第一，如果所學(xué)內(nèi)容涉及到運算律，但授課的時間在學(xué)運算律之前，例如“湊十法”本質(zhì)上是加法結(jié)合律，老師們不能使用運算律的知識，但在講運算律的時候，前面的知識可以作為使用運算律的例子，讓學(xué)生充分感受到運算律的應(yīng)用是十分普遍的.

②LNG為單一燃料單航次耗氣量為23.73 t。

③柴油為單一燃料，單航次耗油量為24.30 t。

護航作業(yè)耗油量為6.48 t。

值守作業(yè)耗油量為1.94 t。

動復(fù)員耗油量：主機處于停車狀態(tài)，沒有燃油消耗。

以柴油為單一燃料的單航次耗油量為32.72 t。

④1年燃料成本對比。以不同燃料為單一能源，每航次節(jié)省的費用：13.37萬元

4)減排市值分析。

①測算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。見表5。

②年服務(wù)50航次減排測算。見表6。

③全生命周期減排測算。環(huán)保船采用LNG雙燃料綜合每年減排市值為183.40萬元。

LNG燃料主機與常規(guī)船用柴油機相比，每艘船舶在25年的全生命周期內(nèi)，每艘船舶的減排市值可達到4 585萬元。

表5　測算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

表6　年服務(wù)50航次減排測算

6建造可行分析

6.1雙燃料利用率

環(huán)保工作船的平臺供應(yīng)、巡航守護均在主機低負荷情況下進行，并且這些工況的作業(yè)時間將占到環(huán)保工作船總航行時間的45%以上。另外東海、南海海況復(fù)雜，隨時需要變換主機工況及負荷，這就需要主機較短的響應(yīng)時間；雙燃料主機在低負荷情況下需燃用輕柴油模式，環(huán)保工作船雙燃料主機在此作業(yè)工況下利用率會稍低。

6.2艙容布置

采用雙燃料主機推進方案，需另外增加一套燃氣系統(tǒng)。參照IGC CODE 《國際散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》及修正案、CCS關(guān)于《液化天然氣運輸船檢驗指南》2011和后續(xù)公布正式實施的《天然氣動力船舶檢驗規(guī)范》、《雙燃料發(fā)動機系統(tǒng)設(shè)計與安裝指南》；考慮燃氣營運安全等方面的因素，要求危險區(qū)域和安全區(qū)域進行有效分隔。按照已建成的環(huán)保工作船的動力配置和作業(yè)特點，經(jīng)過初步估算，以功率5 920 kW(8 000 HP)環(huán)保船為例，平均運行耗氣量約為65 m3/d，若按照滿足本船續(xù)航力8 000 n mile計算，總共需要液化天然氣容積約為750 m3，從而造成原有環(huán)保船溢油回收艙、測試井液回收、鉆井水供應(yīng)等艙容會相應(yīng)縮減，環(huán)保溢油回收功能弱化。另外，本船作為供應(yīng)船需滿足部分供應(yīng)功能，至少還需要具有300 m3燃油艙以滿足給海上石油平臺提供燃料，不少于400 m3淡水供應(yīng)的要求。這就意味著如采用雙燃料主機，在滿足船舶作業(yè)功能情況下，船舶主尺度就會比燃油主機船型大許多，在相同功率情況下，船舶工作機動性將受到較大影響，作業(yè)裝載能力將會明顯降低，造成運營效益相對較低。

6.3操作性

在船靠泊平臺碼頭、平臺守護、裝卸貨作業(yè)、機動航行、溢油回收應(yīng)急作業(yè)及對外消防等工況下，船舶機動航行，需要主機頻繁突加突卸大功率負荷變化，要求主機反應(yīng)速度須有較快響應(yīng)，主機燃油模式可滿足快速反應(yīng)要求，在主機燃用LNG氣特性不能完全滿足快速反應(yīng)使用要求，雙燃料主機特性要求在20%負荷以下，只能使用燃油模式，靠離平臺碼頭、守護作業(yè)、巡航、對外消防等作業(yè)模式下，LNG燃氣都不能使用；航行工況時，反應(yīng)速度較常規(guī)動力，突加突減時，主機負荷反應(yīng)時間由0～100%加負荷反應(yīng)時間為200 s(3.5 min)，與常規(guī)動力主機比較反應(yīng)速度相差較大，會嚴(yán)重影響船舶的操縱靈活性及響應(yīng)機動性。就目前技術(shù)條件使用雙燃料主機作為環(huán)保船的主推進動力系統(tǒng)還不太成熟。

6.4投資費用

經(jīng)過對雙燃料主機設(shè)備供應(yīng)商的初步調(diào)研，全球目前僅有兩家能夠生產(chǎn)，其中一家還未定型。其初始投資總造價要較傳統(tǒng)燃油主機增加40%以上，相近品牌質(zhì)量的傳統(tǒng)主機3 000 kW 2 價格大約170萬歐元，加增值稅及關(guān)稅折合人民幣約1 800萬元,雙燃料主機相同功率段價格約650萬歐元，加稅折合人民幣約6 900萬元。主機費用增加5 100多萬元人民幣，還有為調(diào)節(jié)供氣的LNG系統(tǒng)單元和儲存液態(tài)LNG儲罐等費用還需增加約900多萬元人民幣， 如環(huán)保船推進系統(tǒng)采用雙燃料主機，主推進系統(tǒng)費用約增加6 000萬元。在目前海油內(nèi)部市場基本確定情況下，更換動力配置增大建造運營成本，將大大延長投資回報時間。

6.5節(jié)能

6.5.1主機機型

參照WARTSILA 類似功率雙燃料船用發(fā)動機計算，2臺主機，單臺主機的最大輸出功率為2 700 kW，總能耗(85%MCR)8 233 + 5% kJ/(kW·h)。LNG折合消耗率約為160 g/(kW·h)；常規(guī)燃油型主機參照mak主機計算，2臺主機，單臺主機最大輸出功率為2 740 kW，柴油消耗率為190 g/(kW·h)。

6.5.2分析依據(jù)

以同類型船舶海洋石油255和海洋石油256兩艘環(huán)保工作船為參照，海洋石油255投入運行以來，2011年1～6月份單臺主機月平均工作時間為274.1 h，截至6月底單臺主機累計正常運行時間在1 600 h左右。發(fā)電機月平均工作時間為422 h，累計工作時間達3 600 h以上。其他主要設(shè)備工作正常。

海洋石油256前兩個季度月單臺主機平均工作297 h，截至6月底單臺主機累計正常工作時間均在2 200 h以上。發(fā)電機月平均工作時間為348 h，累計工作時間達3 400 h以上。其他各主要機械系統(tǒng)運行一切正常，如舵機、錨機、主空壓機、收油設(shè)備、艏艉側(cè)推系統(tǒng)等。

按當(dāng)前0#柴油國標(biāo)價格8 000元/t，

按當(dāng)前到岸平均LNG價格5 400元/t；

LNG密度0.47 t/ m3；

低熱值(供氣壓力為500 kPa)

min.34 MJ/(N·m3);

甲烷值 (MN)min. 80；

甲烷含量min. 70%；

燃氣溫度0 ～60 。

兩船平均月主機使用取平均值285.5 h，正常航行每月6～8航次,機動低負荷航行占總運行時間15%～20%。實際高負荷運行約220 h。機動航行65.5 h,靠泊按7航次共7天時間168 h，主機停車狀態(tài),只開柴油發(fā)電機運行供電.。另守護巡航狀態(tài)及測試井液回收備車狀態(tài)共計266 h。

守護值守作業(yè)時，主機處于機動備車狀態(tài),低負荷運行，LNG無法使用。

溢油監(jiān)測: 主機處于機動備車狀態(tài),低負荷運行，LNG無法使用,沒有燃氣消耗。

供應(yīng)回收測試井液主機處于機動備車狀態(tài),低負荷運行，LNG無法使用,沒有燃氣消耗。

對外消防模式，主機突加突卸，LNG無法使用,沒有燃氣消耗。

6.5.3油耗和氣耗費用測算

1)以LNG為主燃料，單月耗量。

正常航行作業(yè)耗氣量161.57 t。

機動航行作業(yè)耗油量33.60 t。

守護機動作業(yè)耗油量68.22 t。

柴油發(fā)電機耗油量83.28 t。

2)以柴油為燃料，單月耗量。

正常航行作業(yè)耗油量191.86 t。

機動航行作業(yè)耗油量33.60 t。

守護機動作業(yè)耗油量68.22 t。

柴油發(fā)電機耗油量83.28 t。

3)以不同燃料為能源，每月使用的燃耗油費用為燃氣87.25萬元，燃油153.49萬元，機動其他148.05萬元。

4)總油耗費用。

LNG機型235.30 萬元。

燃油機型301.54 萬元。

對比可知，以LNG作為燃料比柴油要經(jīng)濟，每艘船舶每月可節(jié)省燃料費用約66.24萬元，對比采用雙燃料主推進系統(tǒng)增加初始購置費用為6 000萬元，依照燃料節(jié)省計算需要10年可收回增加部分投資。

6.6配套設(shè)施

隨著海油沿海LNG產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，加氣補給工作站會逐漸增多。但由于船舶受潮漲、潮退影響，無法固定船舶停泊位置，而LNG輸送管道均為低溫壓力管道，不易延展與伸縮，因此，船舶加氣也是一個不容忽視的問題。新建環(huán)保工作船目標(biāo)服務(wù)油田已基本確定，故其停泊碼頭也已確定。該碼頭目前LNG液化氣相關(guān)配套設(shè)備尚不完善，僅能依靠槽罐車進行加氣。目前國內(nèi)船廠缺乏同類船舶的建造經(jīng)驗，需要實施一系列高標(biāo)準(zhǔn)的建造工藝與質(zhì)量控制措施。比如LNG燃氣系統(tǒng)的管路需要雙層管路設(shè)置，材料用耐低溫304以上材質(zhì)，需要全焊透對接并100%探傷等，這對船廠的生產(chǎn)能力和質(zhì)量控制要求較高。

7結(jié)論

如果雙燃料主機應(yīng)用于環(huán)保船，將增加初始成本和船舶系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時相應(yīng)增加設(shè)備的維護成本。結(jié)合新建環(huán)保船的具體用途及功能配置，雙燃料主機的優(yōu)勢和缺點同樣明顯，從整體經(jīng)濟性以全周期角度分析，雙燃料主機具有明顯的優(yōu)點，結(jié)合目前國家層面和各大石油公司的LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度，雙燃料主機應(yīng)用于環(huán)保工作船具有良好的前景。

參考文獻

[1] 馮西橋.LBB分析[R].北京:清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計院，1997.

[2] 中國船級社.天然氣燃料動力船規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，1992.

[3] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2012.

[4] 國際海事組織海上安全委員會.國際散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則[s].海安會,2002.

Analysis on Selection of Dual-fuel

Main Engine for the Environmental Vessels

DING Chang-jian, YUAN Tong-jun

(CNOOC Energy Technology & Services Limited-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

Key words: energy conservation and emission reduction; dual-fuel main engine; environmental vessel; emission; economy