雙燃料發(fā)動機(jī)在耙吸挖泥船上的應(yīng)用探討

王顯力 于再紅 張英捷

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

雙燃料發(fā)動機(jī)在耙吸挖泥船上的應(yīng)用探討

王顯力 于再紅 張英捷

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

我國大氣污染日趨嚴(yán)重。耙吸挖泥船作為一種重要的航道疏浚船舶，若采用雙燃料發(fā)動機(jī)驅(qū)動，將有效減少廢氣的危害。文章通過對雙燃料發(fā)動機(jī)運(yùn)行特性、耙吸挖泥船的工況特點(diǎn)研究，探討雙燃料發(fā)動機(jī)在挖泥船上的應(yīng)用可行性，提出基本設(shè)計(jì)理念，并通過對目標(biāo)船的運(yùn)營成本進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，論述雙燃料發(fā)動機(jī)機(jī)在耙吸挖泥船上應(yīng)用前景。

雙燃料發(fā)動機(jī)；液化天然氣；耙吸挖泥船；節(jié)能減排

引 言

據(jù)國際海事組織（IMO）統(tǒng)計(jì)，船舶排放的二氧化碳量占每年全球總排放量的6%，硫氧化物占全球總排放量的20%，氮氧化物量更是占30%，顯然，要想改善世界環(huán)境，改善船舶尾氣對大氣和海洋的污染是重要的一步。因此，國際海事組織對船舶航運(yùn)的能耗和船舶排放污染指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格限制，以有效地減少船舶排放性污染中一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸?、硫氧化物等污染物的排放，?guī)定從2012 年起，世界范圍內(nèi)船用燃料油的硫含量降低22%以上［1］。液化天然氣（LNG）作為清潔能源（燃料）的船用發(fā)動機(jī)廢氣排放量降低，環(huán)保性能提高，能夠滿足IMO Tier Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)要求，在各類船舶得到廣泛應(yīng)用［2-3］。

耙吸挖泥船是一種重要的疏浚工程施工船舶，在沿海和內(nèi)河疏浚航道、吹填造地、疏通港口航道、改善水源等工程中起到了重要作用。但是，由于船舶需要在內(nèi)河或沿海施工，其排放廢氣中的一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化物、硫氧化物等環(huán)境的破壞影響比遠(yuǎn)洋船舶更加明顯。因此，解決耙吸挖泥船發(fā)動機(jī)排放問題更具深遠(yuǎn)意義。船舶設(shè)計(jì)師及發(fā)動機(jī)研發(fā)工程師一直致力于天然氣在疏浚船舶上的應(yīng)用研究。本文根據(jù)中國交通建設(shè)股份有限公司科技研發(fā)項(xiàng)目《新建綠色能源大型耙吸挖泥船關(guān)鍵技術(shù)研究》下達(dá)研究任務(wù)，針對雙燃料發(fā)動機(jī)在耙吸挖泥船上的應(yīng)用進(jìn)行分析研究。

1 LNG及雙燃料發(fā)動機(jī)簡介

1.1 LNG簡介

天然氣是一種產(chǎn)生于氣田或油田的天然氣體，其成分因產(chǎn)地不同而有所差異，主要成分為甲烷及微量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及其他雜質(zhì)如硫化氫、水分、二氧化碳、氮?dú)獾?，一般甲烷?0%以上［4］。甲烷（CH4）的碳?xì)湓乇葹? ∶ 4，是碳?xì)浔茸畹偷奈镔|(zhì)，每單位碳排放產(chǎn)生的能量最高。使用LNG替代傳統(tǒng)燃油，二氧化碳排放量可降低25%～30%。而且天然氣在液化之前的預(yù)處理，可以將其中摻雜的二氧化碳、水分、硫化氫和其他硫化物等雜質(zhì)先凈化去除掉。因此，LNG中幾乎沒有硫，基本上不存在SOX的排放。在LNG的燃燒過程中，可通過采用“稀薄燃燒”技術(shù)使其NOX的排放也很低（可降低85%～90%），同時(shí)，噪聲污染、煙塵、廢油水排放也大大降低。

1.2 LNG-燃油雙燃料發(fā)動機(jī)簡介

LNG雙燃料發(fā)動機(jī)與普通的燃油發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)上是相同的，雙燃料發(fā)動機(jī)以天然氣和柴油為燃料，以雙燃料模式工作時(shí)，以少量的柴油作為引燃油點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的天然氣和空氣的混合氣體，只是將其燃料系統(tǒng)增加天然氣模塊，變成柴油-LNG雙燃料混合燃燒系統(tǒng)。LNG雙燃料發(fā)動機(jī)共有三種運(yùn)行模式：燃?xì)饽Ｊ健⑷加湍Ｊ胶秃髠淠Ｊ健?/p>

（1）燃?xì)饽Ｊ绞侵饕\(yùn)行模式。使用燃?xì)庾鳛槿剂?，用點(diǎn)火油點(diǎn)火。此時(shí)燃燒天然氣和極少一部分燃油，這部分燃油用量約為燃油模式的1%。

（2）采用燃油模式，可以使用重油HFO或船用柴油MDO，點(diǎn)火油工作。

（3）后備模式使用重油HFO或船用柴油MDO，點(diǎn)火油不工作。

無論是在燃?xì)饽Ｊ竭€是燃油模式運(yùn)行，雙燃料發(fā)動機(jī)都能提供幾乎相同的輸出功率，但0～15%負(fù)荷區(qū)域只允許使用燃油模式。在80%負(fù)荷以下的工況，當(dāng)接到外部指令時(shí)，自動切換成燃?xì)饽Ｊ竭\(yùn)行，并保持發(fā)動機(jī)輸出功率和頻率穩(wěn)定。

0～15%負(fù)荷區(qū)域 系統(tǒng)起動時(shí)，總是使用燃油模式，在所有的氣缸工作都穩(wěn)定后，啟用天然氣模式，以保證起動的安全和可靠。即使主機(jī)在氣體模式下起動，在15%負(fù)荷以下，2 min后仍會轉(zhuǎn)換到燃油模式。

15%～80%負(fù)荷區(qū)域 雙燃料發(fā)動機(jī)可以自動地從燃油模式轉(zhuǎn)換到天然氣模式運(yùn)行，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為1 min，天然氣逐漸替代燃油。

80%～100%負(fù)荷區(qū)域 系統(tǒng)可以燃?xì)饽Ｊ交蛉加湍Ｊ竭\(yùn)行，但只能從燃?xì)饽Ｊ睫D(zhuǎn)換為燃油模式，而無法逆向轉(zhuǎn)換。

在報(bào)警或接到外部指令的情況下，任何負(fù)荷工況都能自動瞬時(shí)（＜10 s）從燃?xì)膺\(yùn)行模式切換成燃油運(yùn)行模式，并保持發(fā)動機(jī)輸出功率和頻率穩(wěn)定。

發(fā)生故障（天然氣供應(yīng)中斷）時(shí)，雙燃料發(fā)動機(jī)可在任何負(fù)荷情況下立即自動從燃?xì)饽Ｊ角袚Q至燃油模式運(yùn)行。

2 雙燃料發(fā)動機(jī)性能與耙吸挖泥船動力特性分析

耙吸挖泥船家族非常龐大，動力系統(tǒng)的配置也千差萬別，典型的動力系統(tǒng)配置有以下幾種：

（1）常規(guī)推進(jìn)＋常規(guī)驅(qū)動；

（2）槳－主機(jī)－軸發(fā)“一拖二”型；

（3）槳/軸發(fā)－主機(jī)－泥泵“一拖三”復(fù)合驅(qū)動型式；

（4）全電動配置型。

各種船型都各有優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)中可根據(jù)施工的區(qū)域、初期投資、船員素質(zhì)、及維護(hù)保養(yǎng)成本等方面進(jìn)行選擇，本文不作過多比較。

相對于電力推進(jìn)，發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動泥泵對發(fā)動機(jī)的要求更高，由于泥泵工作的時(shí)候工況復(fù)雜引起泥漿的流量和濃度也不斷變化，泥泵在某一轉(zhuǎn)速下的特性，即流量與排壓、功率、效率的關(guān)系曲線構(gòu)成泥泵的特性曲線（如圖1所示）。

圖1 典型泥泵特性曲線

泥泵在不同的轉(zhuǎn)速下有不同的特性曲線，但其變化規(guī)律相同。如果泥泵轉(zhuǎn)速變化范圍并不大，通常假定流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓頭與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化很小時(shí)，其效率考慮基本不變。因此，泥泵的特性曲線實(shí)際上是對應(yīng)于不同轉(zhuǎn)速的一組曲線（如圖2所示）。

根據(jù)泥泵的特性，泥泵工作在最高效率范圍內(nèi)時(shí)，其軸頭功率、扭矩和轉(zhuǎn)速間的關(guān)系見式（1）：

式中：P為發(fā)動機(jī)功率，kW；T為扭矩，Nm；n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下的泥泵特性曲線

可見，隨著泥泵轉(zhuǎn)速的變化，泥泵可以在恒功率下工作也可以在恒扭矩下工作。雖然泥泵在恒功率條件下工作，其特性更平緩，生產(chǎn)效率更高；但如果驅(qū)動泥泵的發(fā)動機(jī)恒功率，就意味著當(dāng)泥泵轉(zhuǎn)速下降則扭矩增加，曲軸受力過大，容易造成曲軸的損壞。因此，驅(qū)動泥泵的發(fā)動機(jī)需要具備恒扭矩特性，一般要求發(fā)動機(jī)80%～100%轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有恒扭矩特性［5］，100%～110%轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)恒功率輸出（1 h/12 h）。

目前僅W?RTSIL? 34DF的雙燃料發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動泥泵時(shí)在80%～100%轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)恒扭矩輸出在實(shí)船上得到了應(yīng)用，其他無論是W?RTSIL? 46DF還是MAN 51DF或是其他雙燃料發(fā)動機(jī)，恒扭矩特性均未經(jīng)過實(shí)船鑒定。故在目前技術(shù)條件下，宜采用“一拖二”驅(qū)動型式，即主機(jī)驅(qū)動可調(diào)螺距螺旋槳和軸帶發(fā)電機(jī)，電動機(jī)驅(qū)動泥泵，從而既能避免柴油機(jī)的恒扭矩需求，又可通過功率管理系統(tǒng)調(diào)整每臺發(fā)動機(jī)的突加負(fù)荷，有效解決雙燃料發(fā)動機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较录虞d特性“疲軟”的問題。雙燃料發(fā)動機(jī)的加載性能參見下頁圖3—圖5。

圖3 雙燃料發(fā)動機(jī)加載性能

圖4 雙燃料發(fā)動機(jī)燃油+氣體模式加載性能

圖5 雙燃料發(fā)動機(jī)燃?xì)饽Ｊ郊虞d性能

3 雙燃料發(fā)動機(jī)在耙吸挖泥船上的應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 LNG氣罐及其加注站的布置

大型耙吸挖泥船現(xiàn)多采用“首樓”型式的總體布置，既可以提供良好的操作視線，也能有效減少機(jī)艙設(shè)備的振動對居住艙室及駕駛室各類儀器設(shè)備的影響，這樣LNG儲罐露天布置在船中部的泥艙甲板上，泥艙甲板與主甲板之間設(shè)開敞區(qū)域，從而使LNG儲罐與居住艙室、機(jī)器處所完全隔開，滿足《氣體燃料動力船檢驗(yàn)指南》的要求。

根據(jù)防火區(qū)域劃分的要求，LNG加注站應(yīng)為1類危險(xiǎn)區(qū)域，可以將其布置在寬大的泥艙甲板上，即能靠近LNG儲罐，減少加注管線的距離，又能將加注站的通風(fēng)系統(tǒng)與LNG儲罐的透氣系統(tǒng)一起延伸至安全保護(hù)區(qū)。

3.2 LNG加注

由于LNG需要超低溫（-164℃）保存，LNG的氣罐主要有以下幾種：

（1）薄膜型。容易晃蕩受傷，裝載量大。其蒸發(fā)率為0.14～0.2%/天。

（2）MOSS（球罐）型。不易晃蕩，蒸發(fā)率為0.14～0.2%/天。

（3）B 型罐。不易晃蕩，低壓，設(shè)計(jì)壓力為0.7 bar（0.07 MPa）。蒸發(fā)率為0.14～0.2%/天。

（4）TGE C型罐單葉或雙葉罐，不易晃蕩，設(shè)計(jì)壓力為4 bar（0.4 MPa）。蒸發(fā)率為0.21～0.23%/天。

可見，每種氣罐都有一定的蒸發(fā)率，且隨著氣罐內(nèi)部溫度的上升，蒸發(fā)率會逐漸加大。因此，一般不會選擇很大的儲存罐，盡可能在1～2周內(nèi)加注新的LNG來保證罐內(nèi)的低溫特性。而用于航道疏浚的耙吸式挖泥船作業(yè)點(diǎn)一般離岸較近，可較便捷地靠近碼頭加注燃料，這比其他遠(yuǎn)洋船舶具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。

3.3 應(yīng)用情況

雙燃料發(fā)動機(jī)在各類船舶上已取得廣泛應(yīng)用，在拖輪、貨輪、駁船、郵輪、小型客船、LNG船、海工生產(chǎn)平臺等各類船舶上均獲得廣泛應(yīng)用。荷蘭皇家IHC船廠為DEME設(shè)計(jì)建造的世界首艘雙燃料耙吸挖泥船也即將投入運(yùn)營，雙燃料發(fā)動機(jī)在耙吸挖泥船上的應(yīng)用條件已經(jīng)非常成熟。相信通過我們不斷地努力，在不久的將來，國內(nèi)自主研發(fā)設(shè)計(jì)建造的雙燃料耙吸挖泥船也將亮麗呈現(xiàn)。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

雙燃料發(fā)動機(jī)與傳統(tǒng)燃油發(fā)動機(jī)之間的本質(zhì)區(qū)別在于燃料的不同，下面以瓦錫蘭12V34DF雙燃料發(fā)動機(jī)作為研究對象進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。表1—表4分別為發(fā)動機(jī)主要參數(shù)、年使用成本（100%燃油模式）、年使用成本（雙燃料模式）以及目標(biāo)船運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性對比。

表1 發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

表2 年使用成本（100%燃油模式）

表3 年使用成本（雙燃料模式）

表4 目標(biāo)船運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性對比

從表1—表4可以看出，每臺發(fā)動機(jī)在80%替代率下，目標(biāo)船的年運(yùn)營燃料費(fèi)可節(jié)約30%以上，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)可觀。

由此可見，每臺發(fā)動機(jī)在80%替代率下,目標(biāo)船的年運(yùn)營燃料費(fèi)可節(jié)約30%以上，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)十分可觀。

5 雙燃料動力船規(guī)范規(guī)則

隨著天然氣作為燃料越來越多的在船上應(yīng)用，SOLAS公約（國際海上人民安全公約）也修訂了禁止船舶使用天然氣、乙醇、丙烷、丁烷等閃電低于60℃的燃料的規(guī)定，完善了天然氣燃料使用部分的相關(guān)要求，并修訂了相關(guān)規(guī)定。國外的船級社如挪威船級社也研究完善了各自的LNG燃料動力船標(biāo)準(zhǔn)，主要有挪威船級社（DNV）《氣體燃料動力裝置》、美國船級社（ABS）《氣體燃料動力船推進(jìn)和輔助系統(tǒng)》、法國船級社（BV）《低壓氣體雙燃料發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)與安裝》以及日本船級社（NK）《氣體燃料動力船指南》。

中國船級社（CCS）近年來也迅速完善LNG燃料動力規(guī)范規(guī)則，制定了一系列技術(shù)文件：諸如《天然氣動力船規(guī)范》、《雙燃料發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)及設(shè)計(jì)安裝指南（2017）》、《氣體燃料動力船法定檢驗(yàn)補(bǔ)充規(guī)定》、《民用LNG儲氣罐設(shè)圖原則》、《LNG/柴油雙燃料動力穿試點(diǎn)的技術(shù)要求》、《雙燃料動力船檢驗(yàn)驗(yàn)船師須知（2011）》等。因此，目前為配合LNG燃料動力船的規(guī)范規(guī)則已經(jīng)初步形成，能夠全面指導(dǎo)船舶的設(shè)計(jì)、建造及檢驗(yàn)，相信隨著雙燃料船舶的不斷建造，相關(guān)的規(guī)范規(guī)則會日趨完善，耙吸挖泥船作為一種特殊工程船舶，也能有完整的針對性規(guī)范規(guī)則指導(dǎo)具體的設(shè)計(jì)與建造。

6 雙燃料發(fā)動機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

6.1 優(yōu) 點(diǎn)

6.1.1 維護(hù)性

使用雙燃料時(shí)發(fā)動機(jī)以天然氣為主要燃料，其主要成分為甲烷，甲烷燃燒的煙度幾乎為零，此時(shí)排氣煙度主要由引燃柴油產(chǎn)生，比燃油發(fā)動機(jī)大為降低，從而減少氣缸內(nèi)的積碳和氣缸與活塞之間的磨損，大大延長了發(fā)動機(jī)的使用壽命及維修周期。

6.1.2 舒適性

雙燃料發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的爆炸壓力較低，振動和噪聲性能相比普通發(fā)動機(jī)要好，能夠?yàn)榇瑔T提供相對舒適的環(huán)境，符合以人為本的設(shè)計(jì)理念。

6.1.3 環(huán)保性

MARPOL公約附則VI規(guī)定，2016年1月1日及以后安裝的船舶柴油機(jī)在設(shè)定的氮氧化物排放控制區(qū)內(nèi)必須遵循更為嚴(yán)格的“三級”標(biāo)準(zhǔn)。在排放控制區(qū)內(nèi)，燃油的硫含量（以質(zhì)量之比%為單位）必須低于0.10% m/m，而雙燃料發(fā)動機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较虏恍枰魏翁幚砑茨軡M足公約的要求。

圖6 雙燃料發(fā)動機(jī)相比柴油發(fā)動機(jī)的排放指標(biāo)對比

6.2 缺 點(diǎn)

6.2.1 系統(tǒng)配置較復(fù)雜

與傳統(tǒng)燃油發(fā)動機(jī)相比，雙燃料發(fā)動機(jī)除了配置常規(guī)的燃油系統(tǒng)，還需要配置相應(yīng)的燃?xì)庀到y(tǒng)，包括儲氣罐、氣化裝置、燃?xì)忾y單元、雙壁燃?xì)夤苈返妊b置，對通風(fēng)、排氣、防爆安全系統(tǒng)以及操作管理等方面也有更多要求。

6.2.2 加載能力較弱

燃?xì)饽Ｊ较掳l(fā)動機(jī)的加載速度明顯低于燃油模式，也就是說，在燃?xì)饽Ｊ较逻\(yùn)行時(shí)，機(jī)組對于突加載荷的承受能力較弱，尤其是在發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動泥泵的情況下恒扭矩特性還需要不斷優(yōu)化。

6.2.3 初投資較高

由于船舶需要設(shè)計(jì)燃油和LNG兩套燃料供應(yīng)系統(tǒng)，以及配套LNG系統(tǒng)引起船舶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求升級，故初期投資明顯高于常規(guī)發(fā)動機(jī)。

7 結(jié) 論

耙吸挖泥船是各類航道及疏浚工程的主要工具，而儲量巨大的天然氣又是一種清潔能源。兩者的完美結(jié)合既能滿足工程需求，又能夠滿足海上排放控制規(guī)則及減少溫室氣體減排。我們深信：在不久的將來，各類船舶將不再排放滾滾濃煙，雙燃料發(fā)動機(jī)會在各類船舶上推廣應(yīng)用；在我們改造世界的同時(shí)，留給未來一個(gè)碧海藍(lán)天！

［1］劉西全，顏士芹，許文媛.節(jié)能減排環(huán)保背景下的船用雙燃料柴油機(jī)發(fā)展研究［J］.船舶工程，2014（1）：10-13.

［2］周志賢，楊令康，吳海榮.LNG 雙燃料動力船舶設(shè)計(jì)探討［J］.船海工程，2014（2）：154-156.

［3］孫小濰.雙燃料發(fā)電機(jī)在FLNG上的應(yīng)用［J］.船舶，2015（3）：67-73.

［4］李斌.LNG作為船舶代用燃料的應(yīng)用分析［J］.船舶機(jī)電技術(shù)，2012（1）：14-16.

［5］候曉明，朱榮，黃偉明.現(xiàn)代耙吸挖泥船節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.水運(yùn)工程，2013（1）：39-44.

Application of dual-fuel engine on trailing suction hopper dredgers

WANG Xian-li YU Zai-hong ZHANG Ying-jie
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The environmental pollution becomes increasingly serious in China.As an important waterway dredging ship, the trailing suction hopper dredger will effectively reduce the exhaust gas while it is powered by dual-fuel engine.This paper discusses the feasibility of the application of the dual-fuel engine on dredgers and proposes the basic design concept by the investigation of the running characteristics of the dual-fuel engine and the operation conditions of the trailing suction hopper dredgers.From the economic analysis of the target ship, it also presents the prospects of the dual fuel engine applied on the trailing suction hopper dredgers.

dual-fuel engine liquefied natural gas; trailing suction hopper dredger; energy saving and emission reduction

U664.1

A

1001-9855（2016）06-0050-06

2016-07-12；

2016-08-15

王顯力（1982-），男，工程師，研究方向：輪機(jī)設(shè)計(jì)研究。于再紅（1976-），女，研究員，研究方向：輪機(jī)設(shè)計(jì)研究。張英捷（1986-），男，工程師，研究方向：輪機(jī)設(shè)計(jì)研究。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.050