王連佳，何金平，王炳軒，張 龍，徐漸晗

船用氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)對(duì)比及應(yīng)用

王連佳1，何金平1，王炳軒1，張 龍1，徐漸晗2

（1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300457；2. 中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300131）

對(duì)現(xiàn)有不同形式的船用氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)性能以及安全性和可靠性進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)出現(xiàn)有各品牌氣體燃料船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)劣勢(shì)和應(yīng)用情況。為船舶建造動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程選擇合適型號(hào)的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)提供借鑒。

天然氣 氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī) 可靠性

0 引言

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(dòng)機(jī)作為船舶燃用天然氣的一種安全可靠和高效率的動(dòng)力裝置，隨著技術(shù)的進(jìn)步，已逐步被市場(chǎng)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(chǎng)已全面替代了原雙燃料鍋爐和蒸汽透平的動(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)雙燃料動(dòng)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(píng)估。

1 氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)與發(fā)展現(xiàn)狀

按照發(fā)動(dòng)機(jī)在氣體模式下運(yùn)行的基本原理，氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可分為低壓燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)和高壓燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)。低壓系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)遵循奧托循環(huán)運(yùn)行，高壓系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)遵循柴油循環(huán)運(yùn)行，這兩種不同循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)有著不同性能特點(diǎn)?，F(xiàn)船用氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的Rolls-Royce、低壓雙燃料系統(tǒng)的MAK及部分日韓的發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠。

1.1 低壓氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

低壓氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)指燃?xì)膺M(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的壓力較低,對(duì)于中速的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)來說通常為5 barg左右,而低速氣體燃料發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)與常規(guī)柴油機(jī)和高壓燃?xì)獍l(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)循環(huán)

圖2 低壓四沖程氣體單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)

圖3 低壓二沖程雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)

對(duì)于按奧托循環(huán)運(yùn)行的低壓燃?xì)獍l(fā)動(dòng)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。

圖中可以看出，一旦空燃比控制不好，就會(huì)進(jìn)入爆燃區(qū)或不著火區(qū)域，這樣的話發(fā)動(dòng)機(jī)就無法正常工作了，對(duì)于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)來說，其將自動(dòng)切換至燃油模式運(yùn)行，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率保持不變，確保船舶的安全。而對(duì)于單燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)來說，其將會(huì)自動(dòng)降低負(fù)荷，以保證發(fā)動(dòng)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(duì)于現(xiàn)代高增壓高效率的發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的熱效率，較高響應(yīng)能力的增壓器可以使發(fā)動(dòng)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(huì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。由于低壓燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)按奧托循環(huán)運(yùn)行，在實(shí)際運(yùn)行發(fā)動(dòng)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4 低壓雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行圖

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度對(duì)比圖

采用奧托循環(huán)的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)還有一個(gè)明顯的局限為對(duì)燃?xì)饧淄橹档囊筝^高，按國際上主流雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠的推薦，通常要求燃?xì)獾募淄橹挡恍∮?0[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(dòng)機(jī)的運(yùn)行故障，如爆燃敲缸等故障。如圖6。

低壓燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)還有一個(gè)弱點(diǎn)是相對(duì)較低的加載能力[4]，主要還是因?yàn)閵W托循環(huán)的發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)通常的加載能力。

圖6 低壓雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)降功率圖

圖7 低壓雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)加卸載能力圖

1.2 高壓氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

高壓燃?xì)獍l(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的兩個(gè)運(yùn)行模式均按柴油循環(huán)運(yùn)行。如圖8。

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(duì)于低壓燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)來說，由于采用柴油循環(huán)運(yùn)行燃?xì)饽Ｊ?，其排放?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]。

圖8 高壓二沖程雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)

2 不同設(shè)計(jì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)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(dòng)機(jī)主要特點(diǎn)對(duì)比見表1。

3 各主要發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠氣體發(fā)動(dòng)機(jī)

相對(duì)于國外主流船用發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠的技術(shù)，國內(nèi)船用發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠在燃?xì)獍l(fā)動(dòng)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]。國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠推出的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)還無法應(yīng)用到海洋船舶上面。線面將主要列舉國際上知名船用發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠推出的主流燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)其進(jìn)行對(duì)比。

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

表1 不同模式氣體發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比表

從表2可以得出，在中速機(jī)市場(chǎng)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(dòng)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(duì)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。

表2 氣體發(fā)動(dòng)機(jī)主要制造商

在低速機(jī)市場(chǎng)還是有傳統(tǒng)的兩大船用發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的技術(shù)和市場(chǎng)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)推出了采用低壓奧托循環(huán)的低速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。MAN基于自己在低速大功率柴油機(jī)的技術(shù)和市場(chǎng)壟斷地位，推出高壓柴油循環(huán)的低速雙燃料發(fā)動(dòng)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(duì)比各大制造廠家發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)對(duì)比如表3，低速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比如表4。

表3 （專題七）四沖程雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品對(duì)比表

表4 （專題七）二沖程雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品對(duì)比表

4 各類氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)用現(xiàn)狀

目前氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)正處于快速發(fā)展的初期。在中速機(jī)市場(chǎng)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(duì)比可以看出Wartsila在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)上是相對(duì)領(lǐng)先的，其市場(chǎng)占有率也說明了這一點(diǎn)。相對(duì)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(dòng)機(jī)的船舶運(yùn)用市場(chǎng)。

在中速低壓船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)，Wartsila為這個(gè)市場(chǎng)的技術(shù)探索和開發(fā)廠家，一直處在技術(shù)和市場(chǎng)的領(lǐng)先地位。MAN作為在船用柴油機(jī)市場(chǎng)上主要的競(jìng)爭(zhēng)者，其在低壓中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)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(chǎng)。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(jìng)爭(zhēng)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(dòng)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(jìng)爭(zhēng)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)品系列確定，但是作為市場(chǎng)的后來者，其技術(shù)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力還處于非常弱勢(shì)狀態(tài)。

低速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)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(tái)低速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，其被用于一條14000 m3的小型LNG運(yùn)輸船上，是否可靠還需時(shí)間與市場(chǎng)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。

5 結(jié)論

對(duì)于船舶來說，選擇一套適合的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是非常重要的。對(duì)于氣體燃料發(fā)動(dòng)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(duì)可靠性和安全性的需求。通過各類氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)原理、安全性、可靠性等方面的對(duì)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(shì)，為后續(xù)船舶建造氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)選型提供借鑒。鑒于船用氣體燃料發(fā)動(dòng)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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A Comparative Study and Application of Marine Dual Fuel Engines

Wang Lianjia1, He Jinping1, Wang Bingxuan1, Zhang Long1, Xu Jianhan2

(1.CNOOC Energy Technology &Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452； 2.CNOOC Tianjin Chemical Research and Design Institute Co., Ltd.）

U664.1

A

1003-4862（2021）06-0054-05

2021-04-21

王連佳（1988-），工程碩士，職稱工程師。研究方向：船舶機(jī)電設(shè)備管理。E-mail：wanglj60@cnooc.com.cn