船用氣體燃料發(fā)動機技術(shù)對比及應用

王連佳，何金平，王炳軒，張 龍，徐漸晗

船用氣體燃料發(fā)動機技術(shù)對比及應用

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分公司，天津 300457；2. 中海油天津化工研究設計院有限公司，天津 300131）

對現(xiàn)有不同形式的船用氣體燃料發(fā)動機的技術(shù)性能以及安全性和可靠性進行對比分析，總結(jié)出現(xiàn)有各品牌氣體燃料船舶發(fā)動機的優(yōu)劣勢和應用情況。為船舶建造動力系統(tǒng)設計過程選擇合適型號的氣體燃料發(fā)動機提供借鑒。

天然氣 氣體燃料發(fā)動機 可靠性

0 引言

天然氣燃料作為一種清潔的能源，其在船舶海運領域的運用越來越受到的青睞。氣體燃料發(fā)動機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)的進步，已逐步被市場接受。首先在LNG運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。其中一個重要原因在于，新型的雙燃料動力系統(tǒng)往往可選的供應商少，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)濟性進行調(diào)研和評估。

1 氣體燃料發(fā)動機技術(shù)與發(fā)展現(xiàn)狀

按照發(fā)動機在氣體模式下運行的基本原理，氣體燃料發(fā)動機可分為低壓燃氣發(fā)動機和高壓燃氣發(fā)動機。低壓系統(tǒng)的發(fā)動機遵循奧托循環(huán)運行，高壓系統(tǒng)的發(fā)動機遵循柴油循環(huán)運行，這兩種不同循環(huán)的發(fā)動機有著不同性能特點?，F(xiàn)船用氣體燃料發(fā)動機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)動機制造商所壟斷，另外，還包括主推低壓單氣體燃料發(fā)動機的Rolls-Royce、低壓雙燃料系統(tǒng)的MAK及部分日韓的發(fā)動機制造廠。

1.1 低壓氣體燃料發(fā)動機

低壓氣體燃料發(fā)動機指燃氣進入發(fā)動機氣缸的壓力較低,對于中速的氣體燃料發(fā)動機來說通常為5 barg左右,而低速氣體燃料發(fā)動機的進氣壓力為16 barg左右。其進入氣缸的時間處于吸氣循環(huán)，與燃燒空氣按一定需要的比例一起混合后進入氣缸，通過進氣電磁閥的正時時間來控制燃氣進氣量，那么在接下來的壓縮循環(huán)時，壓縮的為燃氣和空氣的混合氣體，這個就是低壓燃氣發(fā)動機與常規(guī)柴油機和高壓燃氣發(fā)動機的最大區(qū)別，后者壓縮的僅僅為空氣，燃料是在壓縮循環(huán)的上止點瞬間噴入的。低壓燃氣發(fā)動機是按奧托循環(huán)運行的。如圖1、圖2、圖3：

圖1 低壓四沖程雙燃料發(fā)動機循環(huán)

圖2 低壓四沖程氣體單燃料發(fā)動機循環(huán)

圖3 低壓二沖程雙燃料發(fā)動機循環(huán)

對于按奧托循環(huán)運行的低壓燃氣發(fā)動機來說，其最關鍵的技術(shù)為在不同的負荷下精確的控制進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，就會進入爆燃區(qū)或不著火區(qū)域，這樣的話發(fā)動機就無法正常工作了，對于雙燃料發(fā)動機來說，其將自動切換至燃油模式運行，以保證發(fā)動機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)動機來說，其將會自動降低負荷，以保證發(fā)動機本身不至于損壞。在外界負荷瞬間變化時，保持快速的響應，對于現(xiàn)代高增壓高效率的發(fā)動機來說，增壓器的性能是至關重要的，另一關鍵技術(shù)是供氣系統(tǒng)的響應能力，要求其在外界負荷變化時，迅速的調(diào)整供氣壓力至需要的值。增壓器的響應能力直接決定了燃氣發(fā)動機的熱效率，較高響應能力的增壓器可以使發(fā)動機的平均有效壓力上升，以得到高的熱效率，其可以運行在圖中上部爆燃區(qū)和不著火區(qū)之間較狹窄區(qū)域，而不會由于外界負荷的變化而進入兩邊區(qū)域[1]。高的效率意味著較高的燃油經(jīng)濟性，較高的市場競爭力。由于低壓燃氣發(fā)動機按奧托循環(huán)運行，在實際運行發(fā)動機可以采用貧然技術(shù)，控制空氣量略大于燃氣正常燃燒所需空氣量，使氣缸內(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)動機運行圖

圖5 發(fā)動機燃燒溫度對比圖

采用奧托循環(huán)的燃氣發(fā)動機還有一個明顯的局限為對燃氣甲烷值的要求較高，按國際上主流雙燃料發(fā)動機制造廠的推薦，通常要求燃氣的甲烷值不小于80[3]，如果使用甲烷值較小的燃氣，那么必須降功率使用，否則將導致發(fā)動機的運行故障，如爆燃敲缸等故障。如圖6。

低壓燃氣發(fā)動機還有一個弱點是相對較低的加載能力[4]，主要還是因為奧托循環(huán)的發(fā)動機必須精確的控制空燃比，大于其能力的外界負荷加載，將導致增壓器無法及時跟進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)動機出現(xiàn)敲缸故障而無法正常工作。如圖7為燃氣發(fā)動機通常的加載能力。

圖6 低壓雙燃料發(fā)動機降功率圖

圖7 低壓雙燃料發(fā)動機加卸載能力圖

1.2 高壓氣體燃料發(fā)動機

高壓燃氣發(fā)動機特指有德國MAN公司開發(fā)推出的高壓雙燃料低速柴油機，燃氣進氣壓力高達300barg[5]。發(fā)動機的兩個運行模式均按柴油循環(huán)運行。如圖8。

由于燃氣模式下的運行采用的依然是燃油模式運行的柴油循環(huán)，其燃氣模式運行的特性與燃油模式一致，包括熱效率、加載能力等。而主要的缺點為超高的供氣壓力，給外部供氣系統(tǒng)的設計帶來很大的挑戰(zhàn)，而高壓的供氣系統(tǒng)也將消耗一定能量，而導致全船整體燃油消耗增加。相對于低壓燃氣發(fā)動機來說，由于采用柴油循環(huán)運行燃氣模式，其排放標準依然只能滿足IMO Tier II的要求，需要加設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)動機循環(huán)

2 不同設計氣體燃料發(fā)動機的對比

通過以上技術(shù)原理，不同設計型式的氣體燃料發(fā)動機主要特點對比見表1。

3 各主要發(fā)動機制造廠氣體發(fā)動機

相對于國外主流船用發(fā)動機制造廠的技術(shù)，國內(nèi)船用發(fā)動機制造廠在燃氣發(fā)動機的技術(shù)上還處于較落后狀態(tài)，主要反應在安全性、可靠性和經(jīng)濟性方面[7]。國內(nèi)發(fā)動機制造廠推出的燃氣發(fā)動機還無法應用到海洋船舶上面。線面將主要列舉國際上知名船用發(fā)動機制造廠推出的主流燃氣發(fā)動機，對其進行對比。

目前，燃氣發(fā)動機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)動機性能對比表

從表2可以得出，在中速機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，其優(yōu)點是單一燃料下增壓器效率可以僅按氣體燃料模式優(yōu)化，可以使熱效率達到最大化，而缺點是無冗余度，對于海洋運輸船來說，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)動機主要制造商

在低速機市場還是有傳統(tǒng)的兩大船用發(fā)動機機制造廠壟斷，Wartsila基于自己在中速低壓雙燃料發(fā)動機的技術(shù)和市場領先優(yōu)勢推出了采用低壓奧托循環(huán)的低速雙燃料發(fā)動機。MAN基于自己在低速大功率柴油機的技術(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，技術(shù)根植于其船用低速機的先進技術(shù)，有一個優(yōu)點是此技術(shù)可改造老船上低速柴油機，從而實現(xiàn)船舶使用低價格的LNG燃料，以節(jié)省船東費用。

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)動機的各項指標的優(yōu)缺點。中速低壓技術(shù)發(fā)動機對比如表3，低速雙燃料發(fā)動機對比如表4。

表3 （專題七）四沖程雙燃料發(fā)動機產(chǎn)品對比表

表4 （專題七）二沖程雙燃料發(fā)動機產(chǎn)品對比表

4 各類氣體發(fā)動機的運用現(xiàn)狀

目前氣體燃料發(fā)動機市場正處于快速發(fā)展的初期。在中速機市場主要還是被技術(shù)先行的Wartsila和MAN兩個巨頭掌握。

從上述對比可以看出Wartsila在雙燃料發(fā)動機技術(shù)上是相對領先的，其市場占有率也說明了這一點。相對其它制造廠的優(yōu)點主要體現(xiàn)在如下兩個方面：

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，在各個功率段都有其產(chǎn)品，基本覆蓋了氣體燃料發(fā)動機的船舶運用市場。

在中速低壓船用雙燃料發(fā)動機市場，Wartsila為這個市場的技術(shù)探索和開發(fā)廠家，一直處在技術(shù)和市場的領先地位。MAN作為在船用柴油機市場上主要的競爭者，其在低壓中速雙燃料發(fā)動機市場上的主要產(chǎn)品為51/60DF，憑借這一機型，其在采用DFDE（雙燃料電力推進系統(tǒng)）的大型LNG運輸船上已占領大部分市場。MAN的主要缺點為產(chǎn)品系列太單一化，僅在大功率的中速機上才能與Wartsila有一點競爭能力，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)動機技術(shù)，Rolls-Royce的產(chǎn)品由于缺乏一定的冗余度，在遠洋海運船舶上基本無競爭力，其產(chǎn)品主要運用在短途運輸和作業(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，其被用于一條14000 m3的小型LNG運輸船上，是否可靠還需時間與市場來檢驗。MAN的高壓技術(shù)一直由于其高大300barg的供氣管路進入機艙而讓設計人員和船東所忌憚，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

對于船舶來說，選擇一套適合的氣體燃料發(fā)動機是非常重要的。對于氣體燃料發(fā)動機的選擇在考慮設備技術(shù)特點和性能指標的同時，還需要結(jié)合船舶自身所需的推進功率和用電功率、機艙布置、推進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)動機選型提供借鑒。鑒于船用氣體燃料發(fā)動機技術(shù)的諸多優(yōu)點，今后將在更多船舶上得到應用。

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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：船舶機電設備管理。E-mail：wanglj60@cnooc.com.cn