導(dǎo)讀

　　天然氣燃料作為一種清潔的能源，其在船舶海運(yùn)領(lǐng)域的運(yùn)用越來越受到的青睞。

　　氣體燃料發(fā)動機(jī)作為船舶燃用天然氣的一種安全可靠和高效率的動力裝置，隨著技術(shù)的進(jìn)步，已逐步被市場接受。

　　首先在 LNG 運(yùn)輸船舶上面得到了廣泛的使用，在新造船市場已全面替代了原雙燃料鍋爐和蒸汽透平的動力系統(tǒng)。

　　天然氣作為船用燃料具有很好的環(huán)境友好性能，但是大部分的船東對采用天然氣作為船舶的主要燃料還持觀望態(tài)度。

　　其中一個(gè)重要原因在于，新型的雙燃料動力系統(tǒng)往往可選的供應(yīng)商少，初始投資高。

　　因此，有必要對雙燃料動力系統(tǒng)的安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行調(diào)研和評估。

　　一、氣體燃料發(fā)動機(jī)技術(shù)與發(fā)展現(xiàn)狀

　　按照發(fā)動機(jī)在氣體模式下運(yùn)行的基本原理，氣體燃料發(fā)動機(jī)可分為低壓燃?xì)獍l(fā)動機(jī)和高壓燃?xì)獍l(fā)動機(jī)。

　　低壓系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)遵循奧托循環(huán)運(yùn)行，高壓系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)遵循柴油循環(huán)運(yùn)行，這兩種不同循環(huán)的發(fā)動機(jī)有著不同性能特點(diǎn)。

　　現(xiàn)船用氣體燃料發(fā)動機(jī)的市場主要由以低壓系統(tǒng)為代表的 Wartsila 和以高壓系統(tǒng)為代表的 MAN 兩大傳統(tǒng)船用發(fā)動機(jī)制造商所壟斷，另外，還包括主推低壓單氣體燃料發(fā)動機(jī)的 Rolls-Royce、低壓雙燃料系統(tǒng)的 MAK 及部分日韓的發(fā)動機(jī)制造廠。

　　1、低壓氣體燃料發(fā)動機(jī)

　　低壓氣體燃料發(fā)動機(jī)指燃?xì)膺M(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸的壓力較低,對于中速的氣體燃料發(fā)動機(jī)來說通常為 5 barg 左右,而低速氣體燃料發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣壓力為 16 barg 左右。

　　其進(jìn)入氣缸的時(shí)間處于吸氣循環(huán)，與燃燒空氣按一定需要的比例一起混合后進(jìn)入氣缸，通過進(jìn)氣電磁閥的正時(shí)時(shí)間來控制燃?xì)膺M(jìn)氣量，那么在接下來的壓縮循環(huán)時(shí)，壓縮的為燃?xì)夂涂諝獾幕旌蠚怏w，這個(gè)就是低壓燃?xì)獍l(fā)動機(jī)與常規(guī)柴油機(jī)和高壓燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的最大區(qū)別，后者壓縮的僅僅為空氣，燃料是在壓縮循環(huán)的上止點(diǎn)瞬間噴入的。

　　低壓燃?xì)獍l(fā)動機(jī)是按奧托循環(huán)運(yùn)行的。

　　如圖 1、圖 2、圖 3：

　　

　　▲圖1 低壓四沖程雙燃料發(fā)動機(jī)循環(huán)

　　

▲圖2 低壓四沖程氣體單燃料發(fā)動機(jī)循環(huán)

　　

　　▲圖3 低壓二沖程雙燃料發(fā)動機(jī)循環(huán)

　　對于按奧托循環(huán)運(yùn)行的低壓燃?xì)獍l(fā)動機(jī)來說，其最關(guān)鍵的技術(shù)為在不同的負(fù)荷下精確的控制進(jìn)入氣缸的空氣和燃料比例，如圖 4。

　　

　　▲圖4 低壓雙燃料發(fā)動機(jī)運(yùn)行圖

　　圖中可以看出，一旦空燃比控制不好，就會進(jìn)入爆燃區(qū)或不著火區(qū)域，這樣的話發(fā)動機(jī)就無法正常工作了，對于雙燃料發(fā)動機(jī)來說，其將自動切換至燃油模式運(yùn)行，以保證發(fā)動機(jī)輸出的功率保持不變，確保船舶的安全。

　　而對于單燃料的發(fā)動機(jī)來說，其將會自動降低負(fù)荷，以保證發(fā)動機(jī)本身不至于損壞。

　　在外界負(fù)荷瞬間變化時(shí)，保持快速的響應(yīng)，對于現(xiàn)代高增壓高效率的發(fā)動機(jī)來說，增壓器的性能是至關(guān)重要的，另一關(guān)鍵技術(shù)是供氣系統(tǒng)的響應(yīng)能力，要求其在外界負(fù)荷變化時(shí)，迅速的調(diào)整供氣壓力至需要的值。

　　增壓器的響應(yīng)能力直接決定了燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的熱效率，較高響應(yīng)能力的增壓器可以使發(fā)動機(jī)的平均有效壓力上升，以得到高的熱效率，其可以運(yùn)行在圖中上部爆燃區(qū)和不著火區(qū)之間較狹窄區(qū)域，而不會由于外界負(fù)荷的變化而進(jìn)入兩邊區(qū)域[1]。

　　高的效率意味著較高的燃油經(jīng)濟(jì)性，較高的市場競爭力。

　　由于低壓燃?xì)獍l(fā)動機(jī)按奧托循環(huán)運(yùn)行，在實(shí)際運(yùn)行發(fā)動機(jī)可以采用貧然技術(shù)，控制空氣量略大于燃?xì)庹Ｈ紵杩諝饬?，使氣缸?nèi)混合氣體處于稀薄燃燒狀態(tài)，燃燒的最高溫度相較于柴油循環(huán)要較低很多，直接導(dǎo)致 NOx 的生成量大大的降低，可直接滿足 IMO Tier III 的排放要求[2]。如圖5。

　　

　　▲圖5 發(fā)動機(jī)燃燒溫度對比圖

　　采用奧托循環(huán)的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)還有一個(gè)明顯的局限為對燃?xì)饧淄橹档囊筝^高，按國際上主流雙燃料發(fā)動機(jī)制造廠的推薦，通常要求燃?xì)獾募淄橹挡恍∮?80[3]，如果使用甲烷值較小的燃?xì)?，那么必須降功率使用，否則將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的運(yùn)行故障，如爆燃敲缸等故障。如圖 6。

　　

　　▲圖6 低壓雙燃料發(fā)動機(jī)降功率圖

　　低壓燃?xì)獍l(fā)動機(jī)還有一個(gè)弱點(diǎn)是相對較低的加載能力[4]，主要還是因?yàn)閵W托循環(huán)的發(fā)動機(jī)必須精確的控制空燃比，大于其能力的外界負(fù)荷加載，將導(dǎo)致增壓器無法及時(shí)跟進(jìn)來提供足夠的燃燒空氣，從而使空燃比落入爆燃區(qū)域，使發(fā)動機(jī)出現(xiàn)敲缸故障而無法正常工作。

　　如圖7為燃?xì)獍l(fā)動機(jī)通常的加載能力。

　　

　　▲圖7 低壓雙燃料發(fā)動機(jī)加卸載能力圖

　　2、高壓氣體燃料發(fā)動機(jī)

　　高壓燃?xì)獍l(fā)動機(jī)特指有德國 MAN 公司開發(fā)推出的高壓雙燃料低速柴油機(jī)，燃?xì)膺M(jìn)氣壓力高達(dá)300barg[5]。

　　發(fā)動機(jī)的兩個(gè)運(yùn)行模式均按柴油循環(huán)運(yùn)行。如圖8。

　　

　　▲圖8 高壓二沖程雙燃料發(fā)動機(jī)循環(huán)

　　由于燃?xì)饽Ｊ较碌倪\(yùn)行采用的依然是燃油模式運(yùn)行的柴油循環(huán)，其燃?xì)饽Ｊ竭\(yùn)行的特性與燃油模式一致，包括熱效率、加載能力等。

　　而主要的缺點(diǎn)為超高的供氣壓力，給外部供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來很大的挑戰(zhàn)，而高壓的供氣系統(tǒng)也將消耗一定能量，而導(dǎo)致全船整體燃油消耗增加。

　　相對于低壓燃?xì)獍l(fā)動機(jī)來說，由于采用柴油循環(huán)運(yùn)行燃?xì)饽Ｊ剑渑欧艠?biāo)準(zhǔn)依然只能滿足 IMO Tier II 的要求，需要加設(shè)后處理裝置才能滿足 Tier III 的要求[6]。

　　二、不同設(shè)計(jì)氣體燃料發(fā)動機(jī)的對比

　　通過以上技術(shù)原理，不同設(shè)計(jì)型式的氣體燃料發(fā)動機(jī)主要特點(diǎn)對比見表1。

　　

　　三、各主要發(fā)動機(jī)制造廠氣體發(fā)動機(jī)

　　相對于國外主流船用發(fā)動機(jī)制造廠的技術(shù)，國內(nèi)船用發(fā)動機(jī)制造廠在燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的技術(shù)上還處于較落后狀態(tài)，主要反應(yīng)在安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面[7]。

　　當(dāng)前，國內(nèi)發(fā)動機(jī)制造廠推出的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)還無法應(yīng)用到海洋船舶上面。

　　下面將主要列舉國際上知名船用發(fā)動機(jī)制造廠推出的主流燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，對其進(jìn)行對比。

　　目前，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的制造廠家及其主推產(chǎn)品如:表2。

　　

　　從表 2 可以得出，在中速機(jī)市場各大制造廠均采用了按奧托循環(huán)工作的低壓技術(shù)，其主要區(qū)別在于各自熱效率不同，代表了其是否處于技術(shù)領(lǐng)先位置。

　　需要特別指出的是僅 Rolls-Royce 采用單燃料氣體發(fā)動機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是單一燃料下增壓器效率可以僅按氣體燃料模式優(yōu)化，可以使熱效率達(dá)到最大化，而缺點(diǎn)是無冗余度，對于海洋運(yùn)輸船來說，能夠有足夠的冗余度是大洋航行的安全保證。

　　在低速機(jī)市場還是有傳統(tǒng)的兩大船用發(fā)動機(jī)機(jī)制造廠壟斷，Wartsila 基于自己在中速低壓雙燃料發(fā)動機(jī)的技術(shù)和市場領(lǐng)先優(yōu)勢推出了采用低壓奧托循環(huán)的低速雙燃料發(fā)動機(jī)。

　　MAN 基于自己在低速大功率柴油機(jī)的技術(shù)和市場壟斷地位，推出高壓柴油循環(huán)的低速雙燃料發(fā)動機(jī)，技術(shù)根植于其船用低速機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是此技術(shù)可改造老船上低速柴油機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)船舶使用低價(jià)格的LNG 燃料，以節(jié)省船東費(fèi)用。

　　下面按中速低壓技術(shù)和低速高低壓技術(shù)對比各大制造廠家發(fā)動機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　中速低壓技術(shù)發(fā)動機(jī)對比如表3，低速雙燃料發(fā)動機(jī)對比如表4。

　　

　　

　　

　　四、各類氣體發(fā)動機(jī)的運(yùn)用現(xiàn)狀

　　目前氣體燃料發(fā)動機(jī)市場正處于快速發(fā)展的初期。

　　在中速機(jī)市場主要還是被技術(shù)先行的 Wartsila和 MAN 兩個(gè)巨頭掌握。

　　從上述對比可以看出 Wartsila 在雙燃料發(fā)動機(jī)技術(shù)上是相對領(lǐng)先的，其市場占有率也說明了這一點(diǎn)。

　　相對其它制造廠的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：

　　1)熱效率較高。

　　由于采用了較高的壓縮比，其平均有效壓力普遍要比競爭對手高，直接的效果是單位能耗較低，熱效率高。

　　燃料經(jīng)濟(jì)性要普遍高出其它廠家的產(chǎn)品。

　　2)產(chǎn)品的覆蓋面廣，在各個(gè)功率段都有其產(chǎn)

　　品，基本覆蓋了氣體燃料發(fā)動機(jī)的船舶運(yùn)用市場。

　　在中速低壓船用雙燃料發(fā)動機(jī)市場，Wartsila為這個(gè)市場的技術(shù)探索和開發(fā)廠家，一直處在技術(shù)和市場的領(lǐng)先地位。

　　MAN 作為在船用柴油機(jī)市場上主要的競爭者，其在低壓中速雙燃料發(fā)動機(jī)市場上的主要產(chǎn)品為 51/60DF，憑借這一機(jī)型，其在采用 DFDE(雙燃料電力推進(jìn)系統(tǒng))的大型 LNG 運(yùn)輸船上已占領(lǐng)大部分市場。

　　MAN 的主要缺點(diǎn)為產(chǎn)品系列太單一化，僅在大功率的中速機(jī)上才能與Wartsila 有一點(diǎn)競爭能力，在小功率范圍內(nèi)基本無成熟的產(chǎn)品。

　　由于采用的是單燃料氣體發(fā)動機(jī)技術(shù)，Rolls-Royce 的產(chǎn)品由于缺乏一定的冗余度，在遠(yuǎn)洋海運(yùn)船舶上基本無競爭力，其產(chǎn)品主要運(yùn)用在短途運(yùn)輸和作業(yè)的渡輪或港作拖輪上。

　　Cat MAK 的產(chǎn)品基本按 Wartsila 的產(chǎn)品系***定，但是作為市場的后來者，其技術(shù)和市場競爭力還處于非常弱勢狀態(tài)。

　　低速雙燃料發(fā)動機(jī)的市場還是處于待開發(fā)狀態(tài)，兩大制造廠均在基于自己的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)大力推廣自己產(chǎn)品。

　　Wartsila 已在 2015.05 正式交付了首臺低速雙燃料發(fā)動機(jī)，其被用于一條14000m³ 的小型LNG 運(yùn)輸船上，是否可靠還需時(shí)間與市場來檢驗(yàn)。

　　MAN的高壓技術(shù)一直由于其高大300barg的供氣管路進(jìn)入機(jī)艙而讓設(shè)計(jì)人員和船東所忌憚，但是隨著IGF規(guī)格的完善并通過，將在規(guī)范上保證高壓系統(tǒng)的安全性。

　　五、結(jié) 論

　　對于船舶來說，選擇一套適合的氣體燃料發(fā)動機(jī)是非常重要的。

　　對于氣體燃料發(fā)動機(jī)的選擇在考慮設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)和性能指標(biāo)的同時(shí)，還需要結(jié)合船舶自身所需的推進(jìn)功率和用電功率、機(jī)艙布置、推進(jìn)型式以及對可靠性和安全性的需求。

　　通過各類氣體燃料發(fā)動機(jī)的技術(shù)原理、安全性、可靠性等方面的對比分析，結(jié)合各廠家現(xiàn)有機(jī)型的技術(shù)參數(shù)，找到了各品牌產(chǎn)品的優(yōu)劣勢，為后續(xù)船舶建造氣體燃料發(fā)動機(jī)選型提供借鑒。

　　鑒于船用氣體燃料發(fā)動機(jī)技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，今后將在更多船舶上得到應(yīng)用。

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　　原創(chuàng)作者系：

　　1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司

　　王連佳、何金平、王炳軒、張 龍

　　2.中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司

　　徐漸晗