1 000 m3 LNG燃料加注船主機(jī)選型研究

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(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司,天津 300457)

國家“十二五”規(guī)劃明確要求船舶行業(yè)要適應(yīng)國際造船新標(biāo)準(zhǔn)，降低船舶對大氣、海洋生態(tài)環(huán)境的污染[1]。LNG具備清潔環(huán)保、使用安全、成本經(jīng)濟(jì)、供應(yīng)方便、技術(shù)成熟的特點(diǎn)，在當(dāng)前的技術(shù)條件和市場條件下，是最可行、最理想的船舶替代燃料。本文結(jié)合國產(chǎn)LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，從功率、船舶推進(jìn)以及機(jī)艙布置等方面分析1 000 CBM LNG燃料加注船國產(chǎn)主機(jī)的選型。

1 國產(chǎn)LNG發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)內(nèi)燃機(jī)廠家積極研發(fā)LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，并取得了較大的進(jìn)展，部分廠家產(chǎn)品已在試點(diǎn)船舶項(xiàng)目上開始試驗(yàn)[2]。見表1[3]。

表1 國內(nèi)內(nèi)燃機(jī)廠家LNG發(fā)動(dòng)機(jī)一覽表

目前國產(chǎn)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)均采用了柴油+LNG混合燃燒的模式：在原來柴油機(jī)的基礎(chǔ)上增加了一套燃油共軌系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)在雙燃料模式下時(shí)利用LNG替代柴油燃燒。雙燃料控制系統(tǒng)不對原柴油系統(tǒng)進(jìn)行任何改變。發(fā)動(dòng)機(jī)可以仍然依靠數(shù)字式電調(diào)控制柴油來調(diào)速，燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)只是控制燃?xì)獾奶娲?，不參與調(diào)速，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性仍然為柴油機(jī)的特性。

國內(nèi)純氣體發(fā)動(dòng)機(jī)與RR為代表的國外進(jìn)口純氣體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模式類似，采用稀薄混合氣體燃燒技術(shù)，其能效指標(biāo)符合國際上所有環(huán)保要求標(biāo)準(zhǔn)。該機(jī)型與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)相比能達(dá)到更高的能源利用效率，同時(shí)能夠極大地降低氮氧化物的排放。

2 主機(jī)選型分析

2.1 主機(jī)功率

根據(jù)1 000 CBM LNG燃料加注船航速估算書，加注船在航速12 kn時(shí)所需要主機(jī)推進(jìn)功率約1 200 kW。通過對國內(nèi)LNG發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：廣柴、南車玉柴等廠家LNG發(fā)動(dòng)機(jī)可以滿足加注船采用單機(jī)單槳或雙機(jī)雙槳不同推進(jìn)方式的功率需求。見表2。

表2 國內(nèi)LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)一覽表

2.2 調(diào)速特性

國產(chǎn)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性與北車雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)類似，由于燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)只是控制燃?xì)獾奶娲?，不參與調(diào)速，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性仍然為柴油機(jī)的特性，雙燃料模式與柴油模式調(diào)速特性相差不大，調(diào)速特性性能優(yōu)良，可以驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳或定距槳。見表3、4。

國產(chǎn)廣柴純氣體機(jī)調(diào)速特性不及國產(chǎn)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性，不建議采用直接驅(qū)動(dòng)定距螺旋槳的推進(jìn)方式，可以滿足其他機(jī)械推進(jìn)方式(采用全回轉(zhuǎn)螺旋槳)以及電力推進(jìn)方式的要求。目前南車玉柴和濰柴純氣體發(fā)動(dòng)機(jī)則存在調(diào)速問題，容易引起發(fā)動(dòng)機(jī)的敲缸，不能采用機(jī)械推進(jìn)方式。

表3 北車雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同燃燒模式的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間

注：上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)由北車提供。

表4 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性

2.3 機(jī)艙布置

CCS《天然氣燃料動(dòng)力船規(guī)范》對含有天然氣燃料動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)艙進(jìn)行了分類：本質(zhì)安全機(jī)艙、ESD機(jī)艙以及增強(qiáng)安全型機(jī)艙見表5[4]。

表5 機(jī)艙分類

LNG動(dòng)力船機(jī)艙布置型式主要取決于LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，本質(zhì)安全機(jī)艙LNG發(fā)動(dòng)機(jī)必須保證在任何情況下本質(zhì)安全。ESD機(jī)艙和增強(qiáng)型機(jī)艙由于LNG發(fā)動(dòng)機(jī)本身的安全防護(hù)功能不完備，通過其他技術(shù)手段，滿足船舶安全性的原則要求，但是船舶總體安全性水平不高，設(shè)計(jì)和施工難度大，船舶營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性差。

目前，國產(chǎn)LNG發(fā)動(dòng)機(jī)獲得CCS型式認(rèn)可的廠家主要有廣柴、濟(jì)柴、淄柴以及濰柴，主要產(chǎn)品有：廣柴230SG系列純氣體發(fā)動(dòng)機(jī)，濟(jì)柴C190系列雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，淄柴雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，濰柴純氣體發(fā)電機(jī)組。但以上產(chǎn)品適用于布置在ESD機(jī)艙和增強(qiáng)型機(jī)艙。

2.4 燃料逃逸

LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒過程中存在燃?xì)獠煌耆紵臓顩r，致使一部分天然氣燃料通過排煙管逃逸到大氣當(dāng)中。天然氣的主要成分為CH4，屬于溫室氣體，溫室效應(yīng)能力是CO2的21倍左右[5]，因此國產(chǎn)LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)需要通過技術(shù)手段控制燃?xì)馓右萘俊Ｄ壳皣鴥?nèi)LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)尚無關(guān)于CH4排放的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

2.5 應(yīng)用

目前，國產(chǎn)LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)以改造為主，處于試點(diǎn)安裝階段，尚無新建LNG動(dòng)力船舶案例，國內(nèi)新建LNG動(dòng)力船舶以及運(yùn)輸船多采用WARTSILA等進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)。

3 結(jié)論

從國產(chǎn)LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)功率、調(diào)速特性以及

機(jī)艙布置等方面綜合考慮，國產(chǎn)LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)用作1 000 CBM LNG燃料加注船主機(jī)是可行的，但是國產(chǎn)LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)適用于ESD機(jī)艙或增強(qiáng)安全型機(jī)艙布置型式，船舶總體安全性水平低，設(shè)計(jì)和施工難度大，且沒有新建船舶應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，存在一定的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 馬志超.船舶發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[2] 王 峰，澲繼林.LNG動(dòng)力船舶發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].江蘇船舶，2011，28(5)：16-18.

[3] 中海油.國內(nèi)LNG運(yùn)輸船舶主要設(shè)備現(xiàn)狀研究報(bào)告[R].北京：中國海洋石油總公司，2013.

[4] 中國船級社.天然氣燃料動(dòng)力船規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2013.

[5] 周名華，母俊生.大氣中的甲烷溫室氣體[C]∥第二屆環(huán)境保護(hù)技術(shù)及裝備學(xué)術(shù)年會(huì),北京，1983.