低速双燃料发动机技术分析

1、低速双燃料发动机技术分析随着全球油价持续走高以及越来越严格的排放限制，船东越来越重视船舶的经济性和清洁环保。虽然市场上也能看到燃料电池、氢燃料动力、混合动力等技术，但目前最为成熟和具有经济性的替代能源无疑仍然是天然气。国际气体动力船舶规则(IGFCode)的日趋成熟，使天然气燃料动力船越来越受关注，不仅在渡轮、拖轮等短程小船中得到应用，在国际航行的天然气运输船、集装箱船、油船、大型矿砂船等领域也得以推广。天然气作为船舶燃料起初主要用于沿海渡轮等小型船舶，这一方面是由于燃料舱尺寸限制了双燃料发动机在远洋船的使用，另一方面也是因为远洋船所用的电力推进效率低于低速柴油机，不具备经济性。随着油价和天然

2、气价格差扩大及排放限制，MANDiesel&Turbo已推出ME-GI系列低速双燃料发动机，Wartsila公司也推出Flex-DF低速发动机，两大垄断厂商的重磅产品的推出，将会在低速柴油机主宰的远洋船舶市场上取得明显的竞争优势，改变当前双燃料发动机的市场格局，使气体动力船走向远洋成为可能。本文介绍了气体燃料动力系统发展的趋势，以第三方视角，对比高低压低速双燃料发动机的特点和优劣，分析其经济性和应用前景，供船东选型参考。低速双燃料发动机前景1、天然气燃料的安全性和经济性安全性和经济性是决定清洁能源技术能否广为应用的最关键的两个方面。首先，气体燃料的使用已经有几十年的经验，人们不断摸索完善燃气在

3、船上安全应用的方案，各大船级社制定了自己的规范。IMO也在MSC285(86)临时导则的基础上修订了IGCCode，并将很快推出IGFCode，双燃料动力装置的安全性已得到认可。另一方面，风险分析和模拟技术的使用，使燃气动力系统得到了适当的简化，单一气体发动机也得以使用。但对于大型远洋船舶，风险分析表明动力系统的可靠性非常重要，在一定时期内，双燃料系统仍将是不可替代的。其次，在经济性方面，燃气和燃油的价格差是影响气体燃料动力装置经济性的关键因素。由于我国天然气价格和燃料油价格相差不大，普通船舶使用液化天然气代替燃料油目前还不具备经济性。但美国天然气价格不到我国的1/3，因此美国船东已开始建造气

4、体燃料的大型船舶。2006年至2014年能源价格走势表明，燃油价格上升快于天然气，可随着天然气的应用增加，这种趋势是否会持续并不确定。随着硫氧化物排放控制提高到0.1%的标准，通常只有MGO才能达到。即使天然气价格上涨，但和昂贵的低硫燃油相比仍有优势。影响天然气推广应用的另一个重要因素是排放控制区的多少。图1燃料价格走势2、低速双燃料发动机的竞争优势早期的大型天然气运输船多使用蒸气轮机推进装置，它可以直接使用蒸发的天然气作为燃料，但效率较低。再液化系统出现以后，人们开始使用传统的低速柴油机推进装置，并将天然气蒸发气再液化作为货物，但再液化系统价格昂贵而且消耗功率很大。目前LNG运输船使用最多的

5、是中速双燃料发动机加电力推进方案（DFDE）。由于低压四冲程双燃料发动机动态性能不好，只能采用推进电机间接驱动螺旋桨，整个系统包括发电机组、配电装置、变压器、调速器、电动机、控制及监测装置等。电力推进凭借其较高的总效率（约40%）成为替代传动蒸汽轮机推进LNG船的首选，但和低速柴油机直接驱动螺旋桨（约48%）的效率相比，效率仍显得不高，造价高昂。更适合配备大功率电力设备或低负荷工况较多的船舶。随着双燃料发动机的改进，瓦锡兰DF系列发动机已可以用来直接推进可调螺距桨，在小型船舶上可以达到较高的效率。但发动机功率和可调桨直径较小，限制了其使用。双燃料中速发动机电力推进的方案虽然在天然气运输船上广为

6、使用，但由于其经济性、造价及维护保养的不足，不能很好的满足普通远洋船的需求MAN公司经过多年技术改进，在一台8S70ME-GI发动机上正式完成了高压低速双燃料发动机型式试验，它标志着低速双燃料发动机正式走向市场。该机具有低速柴油机全部优点，燃气和燃油模式都采用狄塞尔循环，可以顺滑切换，具有良好的经济性。它克服了低压双燃料发动机动态性能不好的缺点，满足恶劣海况的使用需求。瓦锡兰公司也发布了低速双燃料发动机，将在2015年进行型式试验。这些新机型和远洋船舶常用的低速柴油机的应用生态环境非常接近，原有的船型和配套产业链都不需要做过多调整，只需解决好液化天然气储备及气体供应问题，即可凭借低速柴油机在远

7、洋船舶上的成熟应用取得优势，改变当前中速双燃料发动机主导的市场格局。3、经济性和应用前景决定低速双燃料发动机能否推广应用，取决于技术经济分析的结果。技术的可行性、环保效益、改造难度也可计入技术经济分析模型中。我们采用传统的净现值法（NPV）进行分析。其中，t-现金流发生时间n-项目总运营期r-折现率，或预期收益率Ct-t时间发生的现金流C0-初投资上述分析中初投资成本及运营成本的估算来源于中国船级社（CCS）对几家公司的调研。我们尽可能考虑了各种新增的营运成本和收益，例如燃料成本、维护保养成本、船员工资增加、载货量的减少、环保设备及再液化设备的需求变化。我们对比分析了多种方案在不同应用场景下的

8、经济性：对比的动力系统包括中速机电力推进、中速机可调桨、低速双燃料发动机、低速柴油机；进行了初投资成本、天然气价格的敏感性分析；船型考虑了集装箱船和天然气运输船；分析了使用低速双燃料发动机替代低硫燃油及排气清洗系统（EGC）的可行性。通过不同方案的经济性分析对比，我们得到以下结论：天然气运输船上使用双燃料发动机，由于不用增加燃料罐及供气系统投资，各种气体动力方案都比燃油方案具有突出优势；各气体动力装置中，低速双燃料发动机方案具备优势；由于燃料罐限制，对于固定航线的集装箱船、油轮、矿砂船较具可行性；由于气体动力装置的造价较高，在排放控制区偶尔使用天然气代替低硫油的经济上不可行；不同市场天然气和燃

9、油的相对价格是决定LNG动力装置应用的最敏感参数。LNG罐子大小决定续航力，也是影响初投资的关键因素。美国市场天然气价格低，多数船型都具备经济性；在欧盟等排放控制区内长期航行的船舶，使用天然气替代低硫燃油或EGC具备可行性，经济性取决于在排放控制区域内航行的时间；中国天然气价格水平决定，在国内天然气替代普通燃料油不可行，使用天然气替代柴油具备经济性。LNQ心细粒扯墟肛也蚪件去営帆曹買鶴UI轴叭阳刖如5入桩料帯粘仙券tri.屈.托也哝创咖GbW可厅tt图2净现值分析结果示例主流机型的特点比较低速双燃料发动机目前主要有MAN的高压发动机和Wartsila的低压发动机,二者各有优劣势。三菱重工的二冲

10、程双燃料发动机尚在研发中。1、发动机技术来源ME-GI高压双燃料电控发动机是MANDiesel&TurboSE公司在保留成熟的ME主机基础上研制的新型发动机，采用add-on模块化设计，增加了天然气供给、共轨喷射系统、监测控制安保等系统。为保证燃气的安全使用，还增加了安全辅助系统，例如密封油系统、惰气系统等。它可以加装于L系列、S系列、G系列等各种电控发动机，其主要零部件，除气缸盖、排气阀外均可与ME柴油机通用。占据市场主导地位的ME系列柴油机的长期可靠使用经历保证了发动机的可靠性。Flex-DF发动机是瓦锡兰公司在成熟的Flex主机基础上,利用其多年在四冲程双燃料发动机上的领先技术推出的新产

11、品。他的燃气模块仍然采用了和四冲程发动机同样的设计理念，预混合稀薄燃烧技术保证了发动机满足TierIII排放标准。它采用了低压缸内直喷技术，奥托循环，为避免爆震，发动机标定功率所有降低。发动机主要零部件和原Flex机可通用。2、热力循环ME-GI双燃料发动机采用和原柴油机相同的Diesel循环，在活塞接近上止点位置时向燃烧室喷入点火油（轻质燃油或重油），紧跟着喷入300bar的高压燃气完成燃烧过程。Flex-DF发动机采用了Otto循环，它在压缩过程向气缸喷入16bar的低压燃气（相对于ME-GI称为低压，但也属于高压燃气系统），混合气在气缸内被压缩但不会点燃，在活塞接近上止点位置喷入点火油引

12、燃已充分混合的燃气，完成燃烧过程。我们对两种循环比较见图3。ME-GI几乎具有和低速柴油机完全相同的工作特点，但必须在燃烧过程的高压状态下喷入燃料，不得不使用高压气体系统，通常无法利用低温稀薄燃烧理论，氮氧化物排放不能直接满足TierIII。而Flex-DF的Otto循环则必须面对混合气易爆燃的问题，爆燃限制了压缩比和平均燃烧温度的进一步提高，需要精确控制空燃比。爆燃限制了发动机效率和功率密度的提升，爆燃的危险还使发动机对燃料比较挑剔。压缩过程喷入混合气，还增加了燃气泄漏的可能性和容易产生甲烷逃逸。当然Otto循环也带来了排放的降低，从而不必安装昂贵的SCR或EGR设备。f同低述緊油机）(Ot

13、to)Fiex-DF(Otto)奨托樂环零容燃如只用稀溥燃烧規制卓益但曲于懒斛使吐紺比得以捉甌闹協醍制.压缩比热效罩离.单缸功低境动机效率低率襲眼制我峑尔循坏等*划傘压和髯容虑烧烧m循环妁奴車丰的浣合傢压缩图3热力循环特点比较3、两种发动机的关键技术和安全性研究CCS和大连海事大学共同采用FMEA分析方法对ME-GI发动机进行了系统的风险分析，一方面分析了该发动机的安全性，另一方面也针对国际船级社协会M59统一要求的适用性进行了评估。M59已推出十几年，部分规定已不能适合当今工业界发展的水平。CCS和大连船用柴油机公司共同对ME-GI关键技术进行了识别和研究，该机新增了燃气喷射阀、燃气阀块、双

14、壁管燃气管路及其通风和气体探测系统、密封油系统、燃气控制系统，并修改了缸盖、排气总管的设计。该机为防止高压燃气泄漏，增设了窗口阀和燃气阀块并随时监测气体泄漏；该机设置了完善的燃烧监测算法，可在一个循环内检测到燃烧故障。该机燃气控制模块的控制功能和安全功能保持相互独立。限于技术保密要求，在此不做具体介绍。公约规范并没有强制要求设置这些安全措施，但要求通过风险分析证明能够达到柴油机等效的安全水平，上述部分设备的配备就是为降低风险而采取的措施。我们越来越认识到，对于气体发动机及气体供应系统及控制系统等新产品，由于设计方案的多样性，规范往往无法完全识别存在的风险从而制定相应条文。风险分析的主体资格和评

15、估质量应该受到控制。Flex-DF发动机新推出不久，尚未进行型式试验，我们尚没有全面研究该机的技术细节。该机沿用了低压中速双燃料发动机所采用的稀薄燃烧、均质燃烧技术有效地将排放降低至TierIII标准，尚不清楚排放性能提高至TierIII是否需要以经济性为代价。为防止敲缸，该机控制空燃比，并将发动机最大持续功率功率被调低至82.5%左右。通常低压中速双燃料发动机的动态性能不好，需使用电力推进或可调桨推进。本机允许直接驱动固定螺距桨，尚不清楚其动态性能改进的机理。为保证进气量并减少甲烷逃逸，将设计压力提高至16bar，严格说已经不能称为低压发动机，但仅仅6bar的压力差会带来多大的风险还需要评测

16、。该机的燃气控制及安全系统同样采用和四冲程双燃料发动机类似的系统，整个系统将控制、报警、安全集成在一个控制箱内，该系统的安全功能应和控制功能相独立。4、特点对比从以下对比可知，ME-GI的燃料使用范围广，功率密度高，油耗低，低转速可带来更高的桨效率，技术成熟度较高，但只能达到TierII排放。而Flex-DF直接达到TierIII，并可使用低成本的低压供气系统，发动机动态性能也比中速机大大优化并可驱动固定桨，对船东吸引力很大，只待使用经验证明技术的成熟度。目前，低速双燃料发动机已经在国外很多个项目上使用，首套发动机和高压气体系统已经交货。大型概念船船型研究几乎都采用了低速双燃料发动机并配大型燃料舱，可供船舶在太平洋