新闻

新型能源天然气在船舶工程的应用

作者:ManBetX体育官网 发布时间:2020-08-09 09:26 点击数:

  新型能源天然气在船舶工程的应用_中职中专_职业教育_教育专区。新型能源天然气在船舶工程的应用

  江苏省无锡交通高等职业技术学校 毕 业 论 文 新型能源天然气在船舶工程的应用 系部名称 专业名称 班 级 学 号 姓 名 指导教师 ______________________ ______________________ ______________________ ______________________ ______________________ ______________________ 二 0 一四年一月十八日 江苏省无锡市交通高等职业技术学校 专科毕业论文 摘 要 传统船舶主要以柴油或者汽油为燃料, 而柴油和汽油都是由石油炼 化出来的产物。众所周知,石油是一种不可再生的能源,人类的发展一 步步的消耗着有限的石油, 同时燃烧石油所产生的有毒气体夜以继日的 破坏着我们赖以生存的地球。所以随着石油价格飞涨和生态恶化,不少 船东把眼睛瞄到了天然气上面来, 把天然气作为船舶燃料的呼声也越来 越高。其技术的发展也越来越受到业界的重视。 本文主要论述了新型洁净能源天然气在船舶工程中的应用, 详细讲 解了天然气作为新型能源所具有的优缺点, 在船舶动力方面的具体应用 和在未来能源缺乏情况下的发展前景。 作为新型能源应用于船舶动力所 需要解决的问题及我国在气体燃料作为船舶动力的相关规定。 关键词:新型能源 天然气 船舶动力装置 规范 2 江苏省无锡市交通高等职业技术学校 专科毕业论文 目 录 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 3 江苏省无锡市交通高等职业技术学校 专科毕业论文 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/F Glutra”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 4 江苏省无锡市交通高等职业技术学校 专科毕业论文 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 5 江苏省无锡市交通高等职业技术学校 专科毕业论文 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 6 江苏省无锡市交通高等职业技术学校 专科毕业论文 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 7 江苏省无锡市交通高等职业技术学校 专科毕业论文 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 8 江苏省无锡市交通高等职业技术学校 专科毕业论文 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, MAN B&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。 9 江苏省无锡市交通高等职业技术学校 专科毕业论文 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。 10 江苏省无锡市交通高等职业技术学校 专科毕业论文 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线 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。 11 江苏省无锡市交通高等职业技术学校 专科毕业论文 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 12 江苏省无锡市交通高等职业技术学校 专科毕业论文 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。 13 江苏省无锡市交通高等职业技术学校 专科毕业论文 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。 14 江苏省无锡市交通高等职业技术学校 专科毕业论文 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。 15 江苏省无锡市交通高等职业技术学校 专科毕业论文 致 你感谢一下杜新宇就行了 谢 16 江苏省无锡市交通高等职业技术学校 专科毕业论文 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 17


ManBetX体育官网

@SHENZHEN ENERGY Corporation All Rights Reserved.

ManBetX体育官网