內(nèi)河船型LNG雙燃料發(fā)動機應(yīng)用探討

石 峰 虞 瑋

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)公司，天津300457；2.上海船舶研究設(shè)計院，上海201203）

0 前言

長江內(nèi)河流域包括武漢經(jīng)濟圈借助水路運輸優(yōu)勢，經(jīng)濟迅猛增長。國家已將內(nèi)河水運發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，明確提出了“利用10年左右的時間，建成暢通、高效、平安、綠色的現(xiàn)代化內(nèi)河水運體系”［1］。LNG新型能源在內(nèi)河運輸?shù)耐茝V應(yīng)用正逐步受到業(yè)界的高度重視。究其原因，首先是LNG作為動力燃料，排放更清潔，特別是在減少硫化物、二氧化碳和氮氧化物的排放方面優(yōu)勢明顯。國內(nèi)已改造的“蘇宿貨1260”航行試驗表明：硫化物排放量減少了100%，氮氧化物排放量減少了85%～90%，二氧化碳排放量減少了15%～20%［2］。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，長江水系2010 年底擁有船舶 11.54 萬艘［3］，航行過程中會排放大量溫室氣體和污染物。LNG利用技術(shù)的提升和內(nèi)河LNG燃料動力船的進一步發(fā)展，將對該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護提供可靠、安全、可持續(xù)的支持，對我國的環(huán)境保護起到積極促進作用。其次，燃料費用在船舶的營運成本中占有很大比例。以3 000噸級貨船為例，使用LNG比使用柴油節(jié)約近20%～30%的費用［3］。LNG燃料在內(nèi)河水運的充分利用，可提高天然氣在石化能源消費中的比重，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，降低燃料成本，大大提高船舶的盈利能力。據(jù)預(yù)測2015年，三大內(nèi)河水運氣代油較為現(xiàn)實的天然氣需求量約為6×108m3；到2020年若國家對船舶排放的硫化物要求嚴格，內(nèi)河三大水域及東部沿海船舶天然氣需求量約為40×108m3［3］。因此 LNG 的利用技術(shù)將是實現(xiàn)長江內(nèi)陸地區(qū)經(jīng)濟騰飛，促進航運經(jīng)濟、社會和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的又一新動力。

近年來，多家單位正在積極探索以提高發(fā)動機可靠性和效率為目標的雙燃料發(fā)動機技術(shù)，為LNG作為新型環(huán)保內(nèi)河船舶動力燃料的推廣進行著積極的探索。國際領(lǐng)先的品牌如瓦錫蘭、三菱重工等已在陸續(xù)開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，其中瓦錫蘭已有20DF、34DF、50DF等系列雙燃料發(fā)動機產(chǎn)品。國內(nèi)外多家船級社也投入力量進行LNG新型動力船舶建造和水上航行安全規(guī)范研究。中國船級社（CCS）2012年出臺相關(guān)指南，推出包括雙燃料機組在內(nèi)的《氣體燃料動力船檢驗指南2011》等。

在保證船舶安全性能基礎(chǔ)上，船舶動力配置應(yīng)具備良好的效能，這些效能包括使用技術(shù)性能、使用維護性能和經(jīng)濟性能，以綜合考慮營運、技術(shù)、經(jīng)濟等各項指標，在船舶設(shè)計中對其進行優(yōu)化。

1 雙燃料發(fā)動機的特點

雙燃料發(fā)動機是以傳統(tǒng)柴油機為原型機發(fā)展起來的裝置。成熟的雙燃料發(fā)動機在機組本身和控制系統(tǒng)部分已經(jīng)通過大量實驗驗證，并且獲得船級社證書。目前雙燃料發(fā)動機在燃氣模式下采用稀薄燃燒理論，即在汽缸中空氣與燃氣的混合物中混有超過完全燃燒所需要的空氣。天然氣燃燒質(zhì)量好，用其替代柴油，可有效降低柴油消耗量，同時又大量減少大氣排放物，對環(huán)境的影響較小。因更多使用潔凈的氣體燃料，燃料油導致的發(fā)動機故障和損壞率大大降低、設(shè)備具有更長使用壽命，并保持穩(wěn)定運行。該裝置配備有完善的安全保護系統(tǒng)，確保了船舶的安全性。該裝置可在不同燃料模式下運行，天然氣和船用柴油可在不同區(qū)域或不同航行模式下按需進行切換，以應(yīng)對各種復雜航行工況；并且在燃料切換操作過程中不需要停機過程，切換過程中也無功率和速度損失。

雙燃料發(fā)動機與傳統(tǒng)柴油機相比，在繼承了柴油機的可靠性、實用性特點之外，從本質(zhì)上還具備了環(huán)保節(jié)能、安全性和燃料使用靈活性的特點。

雙燃料發(fā)動機推進系統(tǒng)常規(guī)配置的簡易示意圖，見圖1。

以雙燃料發(fā)動機為動力的船舶，有完整獨立的燃氣供應(yīng)系統(tǒng)和安全控制系統(tǒng)，其中燃氣供應(yīng)系統(tǒng)一般包括：泵、乙二醇溶液為介質(zhì)的LNG氣化裝置、燃氣管系惰化設(shè)備、燃氣排放系統(tǒng)、燃氣調(diào)壓閥、閥站及其控制系統(tǒng)等。燃氣流程為LNG燃料儲罐系統(tǒng)→LNG氣化裝置→天然氣壓力調(diào)節(jié)單元→天然氣燃料閥站→供應(yīng)主機。另外因LNG燃氣的特性，對使用雙燃料發(fā)動機做動力的船舶在機艙通風、火焰及可燃氣體探測系統(tǒng)、應(yīng)急停車安全控制系統(tǒng)和加注/船岸連接裝置等方面也有特殊要求。

圖1 雙燃料發(fā)動機常規(guī)推進系統(tǒng)配置示意圖

2 雙燃料發(fā)動機在內(nèi)河船型應(yīng)用的技術(shù)特點分析

內(nèi)河船舶設(shè)計時，考慮其受到內(nèi)河航道、港口水深的限制，若船舶噸位較大，在內(nèi)河較淺的航道航行時還會產(chǎn)生淺水效應(yīng)，增加阻力，降低推進效率，通常設(shè)計吃水較淺。為使船舶在內(nèi)河航道航行時具有良好的回轉(zhuǎn)性，內(nèi)河船型船長也不宜過長。為了達到各航線經(jīng)濟的載重量，就需要靠增加船寬來彌補由于吃水、船長受限而損失的載重量。內(nèi)河船型屬于淺吃水肥大型船，其在內(nèi)河航道的操縱性能相對較差［4］。

內(nèi)河船舶長期需在擁擠港口航道、內(nèi)河狹窄水道航行，應(yīng)能適應(yīng)內(nèi)河航道的操縱性要求；同時其進出港口、靠離碼頭頻繁，應(yīng)具備較好的機動性和靠離港的能力。因此，內(nèi)河船型通常采用雙機、雙槳、雙舵的推進方式，使螺旋槳負荷減輕，有利于提高推進效率和改善操縱性能，以達到優(yōu)秀的港內(nèi)機動性，滿足自力靠離港的能力。

由低排放雙燃料發(fā)動機組成的內(nèi)河動力系統(tǒng)是一種比較先進的船舶推進方式，其在節(jié)能、環(huán)保、安全性等方面的特點符合船級社規(guī)范的要求，適合開發(fā)利用于內(nèi)河的中小型船舶，符合國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略。

雙燃料發(fā)動機在內(nèi)河船型上的應(yīng)用特點分析，以內(nèi)河運輸船為例。為了達到要求的船舶載貨量和貨艙容積，設(shè)計時根據(jù)排水量和航線定位，確定船舶的尺度參數(shù)、船體線型和推進功率，并對動力裝置的重量和外形尺寸、系統(tǒng)配置和布置提出相應(yīng)的要求。設(shè)計時通常要綜合考慮動力系統(tǒng)的冗余度、航行操縱性能、港內(nèi)機動性能、港內(nèi)安全性能、自力靠離泊能力、安裝工藝、機艙布置和使用維護保養(yǎng)要求等，以適應(yīng)復雜內(nèi)河航道，實現(xiàn)良好的機動性和變速航行。設(shè)計方案應(yīng)做到系統(tǒng)設(shè)備故障率少，總體造價低，根據(jù)客戶要求進行個性化設(shè)計，并通過CCS的認可。

3 雙燃料發(fā)動機在內(nèi)河船型動力配置方案對比

根據(jù)上述分析，以某內(nèi)河運輸船為例，雙燃料發(fā)動機在內(nèi)河船型動力配置具體可采用如下3種方案：

方案一：雙燃料雙軸系常規(guī)推進方案

方案二：雙燃料雙軸系電力推進方案

方案三：雙燃料雙舵槳電力推進方案

3.1 不同動力配置方案的配置

方案一：雙燃料雙軸系常規(guī)推進方案

主推進系統(tǒng)包括雙燃料主機、軸帶發(fā)電機、齒輪箱、柴油發(fā)電機、軸系、可調(diào)槳和舵系。該推進方案（見圖2）的具體配置如下：

1）雙燃料主機2臺套（包括配套氣閥單元）；

2）可調(diào)槳2臺套；

3）一進二出齒輪箱、軸帶發(fā)電機、軸系2臺套；

4）主配電板及電站管理系統(tǒng)各1臺套；

5）轉(zhuǎn)葉式舵機及高效舵系2臺套；

6）高速柴油發(fā)電機1臺套；

7）燃氣緩沖罐1臺套（可選）；

8）LNG燃料罐。

該方案通過兩臺雙燃料主機各自驅(qū)動一臺一進二出的齒輪箱，由齒輪箱驅(qū)動軸系和可調(diào)螺距螺旋槳，齒輪箱同時又可以驅(qū)動軸帶發(fā)電機，提供電源給全船的用電設(shè)備。

方案二：雙燃料雙軸系電力推進方案

主推進系統(tǒng)包括雙燃料主發(fā)電機、減速齒輪箱、電推系統(tǒng)、軸系、定距槳和舵系。該推進方案（見圖3）的具體配置如下：

1）雙燃料主發(fā)電機3臺套（包括配套氣閥單元）；

2）定距槳2臺套；

3）減速齒輪箱、軸系各2臺套；

4）電推系統(tǒng)2臺套（包括變壓器、變頻器、主推進電機）；

5）主配電板及電站管理系統(tǒng)各1臺套；

6）轉(zhuǎn)葉式舵機及高效舵系2臺套；

7）燃氣緩沖罐1臺套（可選）；

8）LNG燃料罐。

該方案通過雙燃料主發(fā)電機提供電源給主配電板，主配電板通過主推進變壓器和主推進變頻器饋電給主推進電機，由兩臺主推進電機各自驅(qū)動一臺減速齒輪箱、軸系和定距螺旋槳。

方案三：雙燃料雙舵槳電力推進方案

主推進系統(tǒng)包括雙燃料主發(fā)電機、電推系統(tǒng)和舵槳。該推進方案（見圖4）的具體配置如下：

1）雙燃料主發(fā)電機3臺套（包括配套氣閥單元）；

圖2 雙燃料雙軸系常規(guī)推進方案配置示意圖

圖3 雙燃料雙軸系電力推進方案配置示意圖

圖4 雙燃料雙舵槳電力推進方案配置示意圖

2）全回轉(zhuǎn)舵槳2臺套；

3）電推系統(tǒng)2臺套（包括變壓器、變頻器、主推進電機）；

4）主配電板及電站管理系統(tǒng)各1臺套；

5）燃料氣緩沖罐1臺套（可選）；

6）LNG燃料罐。

該方案通過雙燃料主發(fā)電機組提供電源給主配電板，主配電板通過主推進變壓器和主推進變頻器饋電給兩臺主推進電機，由兩臺主推進電機各自驅(qū)動一套全回轉(zhuǎn)舵槳裝置。

舵槳是靠機械軸系傳動的全回轉(zhuǎn)推進器，廣泛運用在全回轉(zhuǎn)拖輪和有動力定位要求的海洋工程船舶上。根據(jù)推進電機軸系的布置，可以分為“L”驅(qū)動型和“Z”驅(qū)動型。其中“Z”型驅(qū)動，采用推式定距槳加導流罩，其特點是推力大，一般認為該類舵槳適用于航速小于15Kn的船舶，內(nèi)河航行船舶較適合。

3.2 操縱性能分析

常規(guī)海船的操縱性能指的是IMOMSC.137（76）船舶操縱性能標準的一些要求。該標準為通用標準，所有船舶均應(yīng)滿足，是海上避讓保證安全性的重要標準。內(nèi)河船舶除保證常規(guī)操縱性各項指標外，更應(yīng)關(guān)注的是復雜航道或港內(nèi)的機動性能，如低航速下的操縱性能。雙槳雙舵船舶利用自身的操縱設(shè)備，可實現(xiàn)船舶自身的橫向運動，具備自力靠離碼頭能力，但效率較低，操縱難度較大。與其相比，全回轉(zhuǎn)推進器（包括舵槳和吊艙）可以在水平面360°內(nèi)自由回轉(zhuǎn)，推進螺旋槳兼作動力舵，體現(xiàn)出了優(yōu)異的操縱性能，具備較好的零航速掉頭能力、最低航速穩(wěn)定航行能力、水平橫移能力。

3.3 投資成本分析

以3 000 kW左右裝機功率的某內(nèi)河運輸船為例，其投資成本見表1。

表1 三種配置方案的成本比較（以人民幣計算）

由此可見，無論是主推進成本還是船舶總造價，雙燃料雙軸系常規(guī)推進方案的造價成本最低；雙燃料雙軸系電力推進方案的造價成本較高；雙燃料雙舵槳電力推進方案的造價成本最高。

3.4 安裝和維護保養(yǎng)分析

常規(guī)軸系的機械傳動裝置包括了齒輪箱，軸承，尾密封等。推進軸系安裝是整個造船工藝中難度較高的工作，再加上舵系的安裝工作，整個工作量較大。日常維護保養(yǎng)的設(shè)備和系統(tǒng)比較多，監(jiān)測點包括齒輪箱的滑油壓力/溫度、冷卻水壓力/溫度、中間軸承的溫度、尾軸管溫度/密封滑油液位、舵機液壓系統(tǒng)等。塢修拆檢工作量也比較大。舵槳的傳動機構(gòu)較為復雜，由曲折軸系，上下齒輪組，若干軸承及尾密封等組成。曲折軸系的安裝工藝是個難點。由于舵槳的模塊集成化程度很高，使安裝工藝得到了簡化。管理相對簡單，日常維護保養(yǎng)的設(shè)備較少，塢修拆檢安裝的工作量較少。

4 結(jié)論

雙燃料電力推進和雙燃料常規(guī)機械推進有著各自不同的優(yōu)缺點。

雙燃料電力推進體現(xiàn)在：

1）全船的電力統(tǒng)一管理；

2）裝機的總功率可以減小，啟動的電機可以在較理想的功率范圍內(nèi)工作；

3）機艙布置更加靈活；

4）推進系統(tǒng)的冗余度高；

5）在LNG船上的實際應(yīng)用廣泛；

6）航行期間的推進系統(tǒng)效率低于雙燃料常規(guī)機械推進；

7）初始投資要高于雙燃料常規(guī)機械推進。

雙燃料常規(guī)機械推進體現(xiàn)在：

1）初始投資要低于雙燃料電力推進；

2）航行期間的推進系統(tǒng)效率高于雙燃料電力推進；

3）系統(tǒng)還缺少實際的使用反饋。

內(nèi)河船舶總裝機功率小，電站規(guī)模小，推進功率也小。在動力配置上，如果采用雙燃料電力推進方案，在主發(fā)電機組的選擇上和雙燃料常規(guī)機械推進方案的主機相差不多，但是由于多了變壓設(shè)備、變頻設(shè)備和主推進電動機，在機艙布置上不一定比雙燃料常規(guī)機械推進方案簡潔靈活。在總裝機數(shù)量上，雙燃料常規(guī)機械推進方案采用了2臺主機配2臺軸發(fā)，再加1臺輔發(fā)電機。由于輔發(fā)電機在正常工況下僅作為備用，因此可以配1臺柴油機，又可以降低造價。如果采用雙燃料電力推進方案的話，總裝機數(shù)量不會少于3臺，并且都是雙燃料機，在數(shù)量和投資費用上都沒有優(yōu)勢。

在造價方面，雙燃料常規(guī)機械推進方案造價低于雙燃料電力推進方案，由于排水量、航速的限制，造價對船舶經(jīng)濟性的影響愈發(fā)突出。

內(nèi)河船舶吃水較淺，一般配置雙機雙槳，因此在推進系統(tǒng)冗余度方面有一定保障。如果在功率輸出裝置（PTO）基礎(chǔ)上增加功力輸入系統(tǒng)，則任意一臺主機故障情況下，另一臺主機都能向兩個螺旋槳提供足夠的功率。

雙燃料常規(guī)機械推進方案的不足之處在于兩臺軸帶發(fā)電機不能并網(wǎng)使用，全船電網(wǎng)需分兩段運行。這一問題可以由通過增加變頻裝置，或者采用雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)兩個途徑來解決。但是對于這兩個途徑來講，前者會增加投資，后者在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初步階段，缺少工程業(yè)績支撐。

舵槳方案的操縱性能比雙槳方案的操縱性能更優(yōu)。

三種動力配置方案存在差異，不同方案對船體布置和設(shè)計也有不同的影響，各個方案在以下性能方面有所不同，見表2。

表2 三種動力配置方案性能的不同之處

對于上述三種動力配置方案的綜合評價，見表3。

綜上所述，上述三種動力配置方案中可靠性最高的是方案二和方案三，方案一的初始投資最小，方案三的操縱性最佳。

表3 三種動力配置方案綜合評價表

［1］國務(wù)院關(guān)于加快關(guān)于加快長江等內(nèi)河水運發(fā)展的意見，國發(fā)［2011］2 號.中國政府網(wǎng).

［2］王世榮.我國內(nèi)河柴油-LNG雙燃料動力船舶的現(xiàn)狀分析與建議［J］.中國水運，2011（07）：10-13

［3］周淑惠，沈鑫，劉曉娟，等.LNG在我國內(nèi)河水運領(lǐng)域的應(yīng)用探討［J］.天然氣工業(yè)，2013（02）：88-96

［4］吳光林，嚴謹，李芳成.江海直達船船型特征及設(shè)計要點探討［J］.船海工程，2008（06）：64-67