船用低速LNG雙燃料主機技術分析

周蘭喜，馬小勇

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引言

隨著環(huán)保要求的提高，液化燃氣(LNG)、甲醇和乙烷等清潔能源日益為人們所推崇。使用LNG替代柴油作為燃料，不僅可以極大地減少硫化物排放，而且還可以明顯降低溫室氣體和氮化物排放。目前，國際海事組織(IMO)Tier III法規(guī)已在排放控制區(qū)實施，能夠有效降低硫化物和氮化物排放的雙燃料船舶必將引起更大的關注。在經(jīng)濟性方面，雙燃料船舶初始投資較高，運行成本主要受燃氣和燃油價格的影響。盡管當前油價持續(xù)低位，LNG相比低硫油仍有價格優(yōu)勢。在安全性方面，氣體燃料已有數(shù)十年應用經(jīng)驗。目前IMO已發(fā)布IGF Code，各大船級社也制定了相關規(guī)范，形成了較完善的安全控制和風險評估方案。作為整船動力系統(tǒng)核心，采用雙燃料主機充分體現(xiàn)了“綠色航運”和“綠色船舶”的環(huán)保節(jié)能理念，將是今后船舶動力領域的一個重要發(fā)展方向。

本文以雙燃料主機的燃燒原理和系統(tǒng)設計為出發(fā)點，對兩種燃燒循環(huán)主機的技術特征進行了分析對比，為船東和船廠選擇合適的雙燃料主機提供了參考，將有利于促進雙燃料船舶的應用和發(fā)展。

1 雙燃料主機開發(fā)與應用現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)燃油主機相比，雙燃料主機設計變更較大，為此各主要廠商進行了長期的開發(fā)和試驗。MDT(MAN Diesel & Turbo)公司率先向市場推出其低速雙燃料主機ME-GI。2015年9月，Nakilat公司的一艘266 000 m3LNG船“Rasheeda”號上的2臺7S70ME-C被改造成ME-GI主機，ME-GI主機首次投入實際運營。同年11月，裝有2臺8L70ME-GI主機的3 100標準箱集裝箱船“Isla Bella”號投入使用。2016年9月，南通中遠川崎船舶工程有限公司為UECC公司建造的4 000車位汽車滾裝船“AUTO ECO”號的順利交船，成為世界上首條采用ME-GI主機營運的汽車滾裝船。至2016年10月MDT公司已獲得近150臺ME-GI主機訂單，此后將不斷有雙燃料主機交付。

WinGD(Winterthur Gas & Diesel)公司隨后推出了RT-flex50DF和X-DF系列低速雙燃料主機。2016年6月，第1臺RT-flex50DF主機在“Terntank”公司的15 000 t化學品船“Ternsund”號上投入運營。截止2016年6月，WinGD公司已獲得35臺雙燃料主機訂單。

三菱重工(MHI)公司于2012年宣布，正在開發(fā)基于長沖程UEC機型的雙燃料主機。2015年10月在釜山舉行的CIMAC(國際內(nèi)燃機委員會)大會上，三菱重工公司宣布其開發(fā)的UEC-LSGi雙燃料主機將于2017年投入商業(yè)化。

2 雙燃料主機技術

雙燃料主機燃燒原理示意圖如圖1所示。目前雙燃料主機的基本燃燒原理有兩種：一種是常規(guī)二沖程主機使用的Diesel循環(huán)，其原理是將氣缸內(nèi)空氣壓縮至溫度高于點火油燃點后，先噴入點火油引燃，再噴入高壓的燃氣，燃氣在缸內(nèi)發(fā)生擴散燃燒；另一種是Otto循環(huán)，它是在活塞上行過程中噴入燃氣，將燃氣和空氣混合并一起壓縮，然后在上止點附近噴入點火油點燃，屬于預混燃燒。

不同燃燒原理對于主機的性能、排放以及成本等因素有較大影響，最終主機專利廠商分成了兩個陣營：MDT公司和MHI公司采用了Diesel循環(huán)，WinGD公司則選擇了Otto循環(huán)。為了便于船東和船廠從技術上做出合理的分析和判斷，將從環(huán)保性、主機性能和供氣系統(tǒng)三個方面對這兩種燃燒循環(huán)主機進行說明和比較。

圖1 雙燃料主機燃燒原理示意圖

2.1 環(huán)保性

2.1.1溫室效應氣體排放

由于LNG燃料本身較高的氫碳比，相比燃油可直接降低約25%的二氧化碳(CO2)排放。但是燃氣主機氣缸內(nèi)未燃的碳氫化合物可能會隨廢氣排出，造成甲烷逃逸。甲烷會帶來溫室效應。據(jù)美國環(huán)保署研究，甲烷對全球變暖的影響約為CO2的25倍。Diesel循環(huán)主機氣缸內(nèi)的甲烷幾乎完全燃燒，在20%～100%負荷下，ME-GI主機甲烷逃逸只有0.2 g/kWh。Otto循環(huán)主機的空燃預混合設計使得在掃氣過程中燃氣很可能直接逃逸，同時還可能有部分空燃混合氣過于稀薄而未參與燃燒，最終隨廢氣排出，導致總的甲烷逃逸較高，這給Otto循環(huán)主機的環(huán)保性帶來一些負面影響。根據(jù)WinGD公司最近公布的信息，通過優(yōu)化氣門正時等措施，使主機在空燃混合氣逃逸前完成掃氣并關閉排氣閥，可有效避免甲烷的直接逃逸。目前X-DF主機在任意負荷下甲烷逃逸量均小于4 g/kWh[1]。

由于降低了CO2排放量，即使有甲烷逃逸的影響，Diesel循環(huán)和Otto循環(huán)的雙燃料主機，都要比傳統(tǒng)燃油主機更有利于減少溫室效應氣體的排放。

2.1.2NOx排放

2016年1月1日起，IMO NOxTier III法規(guī)在北美和加勒比排放控制區(qū)生效，要求航行于控制區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)速低于130 r/min的主機NOx排放不能超過3.4 g/kWh，與Tier II要求的14.4 g/kWh相比，NOx排放要再降低約80%。

對于Diesel循環(huán)主機，其燃氣經(jīng)高壓噴射并點燃，燃燒發(fā)生在非常狹小的空間內(nèi)，導致溫度較高，達到2 600 K。而Otto循環(huán)則相反，由于點燃時缸內(nèi)的燃氣和空氣已充分混合，燃燒區(qū)域更大，使得Otto循環(huán)的燃燒溫度峰值會更低，約為2 300 K。兩種燃燒循環(huán)下缸內(nèi)的溫度差異情況如圖2所示。從圖中看出，溫度差導致了主機NOx生成量的不同。

圖2 Diesel循環(huán)與Otto循環(huán)燃燒溫度

相比于燃燒HFO的普通主機，采用Otto循環(huán)的雙燃料主機燃燒LNG時能夠降低85%的NOx排放，而采用Diesel循環(huán)只能降低25%。ME-GI主機在燃氣模式下的NOx的生成量比燃油模式要低一些，兩種模式都滿足Tier II的NOx排放限制，但要達到Tier III要求還需采取一些NOx后處理措施，如選擇性催化還原或廢氣再循環(huán)；而如果船東采用Otto循環(huán)雙燃料主機，在燃氣模式下能夠直接滿足NOxTier III排放要求，無需安裝昂貴的后處理設備。

2.1.3SOx排放

LNG燃料中不含硫，燃氣運行時的SOx排放僅來自于微量的點火油，因此完全能夠滿足0.1%SOx排放要求。近年來，相關海事組織及各國政府都在逐步降低船舶SOx排放限值，特別是2016年10月的MEPC70次會議上，全球一般海域內(nèi)0.5%SOx排放及限排海域內(nèi)0.1%SOx排放規(guī)則的強制實施，屆時傳統(tǒng)燃油船舶只能選用體積龐大的除硫塔或者價格較高的低硫油。因而，能夠顯著降低硫化物排放的雙燃料船舶有著較大的優(yōu)勢。

2.2 主機性能

2.2.1輸出功率

Otto循環(huán)主機的燃氣與空氣在壓縮過程中便開始混合，在壓縮終點被引燃后，混合氣中一些過量的富余部分易發(fā)生自燃，引發(fā)缸內(nèi)爆燃，所以必須降低平均有效壓力來防止爆燃。目前X-DF主機燃氣時的最大允許平均有效壓力為1.73 MPa，低于常規(guī)柴油機的2.1 MPa，因此最大輸出功率相對有所降低。X-DF兩個型號主機的額定功率對比如圖3所示。圖3中，以6RT-flex50-B主機為例，其最大輸出功率為10 470 kW，而尺寸相似的雙燃料主機6RT-flex50-DF在燃氣模式下最大輸出功率為8 640 kW[2]，比前者降低了約17%。為達到所需功率，X-DF主機選型時甚至有可能要比傳統(tǒng)燃油主機增加一個氣缸。

Diesel循環(huán)主機壓縮過程中只壓縮空氣，在上止點噴入點火油和燃氣，發(fā)生的是擴散燃燒，不存在爆燃風險，可采用與普通柴油機相同的壓縮比，故燃氣模式下Diesel循環(huán)主機的輸出功率不會降低，這與Otto循環(huán)主機相比有明顯優(yōu)勢。

R1，R2，R3，R4—功率點。

2.2.2運行區(qū)域

對于Otto循環(huán)主機，空氣與燃料混合氣中一些過量的富余部分可能造成爆燃，即所謂的“敲缸”，而混合氣稀薄則會帶來點火失敗的風險，因此Otto循環(huán)主機需要更精確的控制。對此，X-DF主機的解決方法是將氣缸內(nèi)的空燃比精確控制在一個“運行區(qū)域”(如圖4所示)內(nèi)，主要通過調(diào)節(jié)增壓器的旁通閥和排氣閥關閉定時等方法控制掃氣來實現(xiàn)。掃氣壓力的目標值是由X-DF主機控制系統(tǒng)自動設定，控制系統(tǒng)還會根據(jù)發(fā)火壓力等參數(shù)來監(jiān)測主機是否在目標范圍內(nèi)運行，同時配備爆燃傳感器作為額外的安全保障。

圖4 Otto循環(huán)主機運行區(qū)域

Diesel循環(huán)主機則不存在爆燃的風險，因此對燃氣混合程度不敏感。不論燃氣模式還是燃油模式，Diesel循環(huán)主機都是通過燃料噴射量和噴射時間來控制燃燒的。相較于控制缸內(nèi)的空燃比，這種控制方式更為簡單，主機負荷的響應速度更快，使得ME-GI主機在燃油和燃氣兩種模式下的性能非常接近[3]。

2.2.3LNG燃料品質(zhì)要求

自然蒸發(fā)天然氣和強制蒸發(fā)天然氣的品質(zhì)會有較大變化：自然蒸發(fā)的天然氣主要為甲烷和氮氣的混合物，甲烷值為100左右；而強制蒸發(fā)的天然氣由于含乙烷和丙烷等重碳氫化合物較多，甲烷值通常為70～80。而且世界各地不同供應商提供的LNG品質(zhì)也可能有變化，因此雙燃料主機對LNG燃料品質(zhì)的要求也是船東非常關注的一個性能指標。

甲烷值是用來衡量氣體燃料抗爆燃性的指標，甲烷值越高說明抗爆燃性越好，反之越差。Otto循環(huán)主機容易發(fā)生爆燃，因此對燃氣的抗爆燃性要求較高。X-DF主機限定了燃氣的甲烷值不能低于80，否則要降功率運行，甲烷值過低時主機會自動切換為燃油模式。Diesel循環(huán)主機運行則不受燃氣甲烷值的約束，低甲烷值也能夠維持恒定的主機功率和熱效率。但在實際運行中為減少油耗，低速機的NCR(正常持續(xù)功率)點負荷一般都不高于85%。從圖5中的甲烷值-輸出功率曲線可以看出，燃氣甲烷值為65即可滿足X-DF主機85%負荷運行。鑒于目前全球90%以上的LNG甲烷值都超過70，故燃氣甲烷值對X-DF主機的適用限制影響較小。

2.2.4點火油

由于LNG的十六烷值較低，導致發(fā)火性能較差，氣缸內(nèi)的壓力和溫度不足以將其點燃，因此燃氣運行時需要使用點火油。ME-GI主機的點火油與主燃油共用噴射系統(tǒng)，這樣設計可使主機輔助設備盡量簡化，但是同一噴射系統(tǒng)既要在燃油模式時噴射足夠容量的主燃油，又要在燃氣模式時準確噴入微量的點火油，在技術上很難實現(xiàn)兩種模式下皆達到最優(yōu)噴射效果。與常規(guī)電噴主機相比，ME-GI主機的燃油噴射系統(tǒng)變化不大，燃油模式和燃氣模式下燃油噴射量的差別主要通過控制噴射時間實現(xiàn)。為了降低點火油量，必須縮短噴射時間，點火油噴射時燃油噴嘴應快速啟閉，但會導致噴嘴上的截止閥桿所承受負荷過大，為此MDT公司對該截止閥桿的結(jié)構(gòu)做了相應改善。目前，ME-GI主機的點火油消耗量約為總油耗的3%～5%。據(jù)MDT公司解釋，如果僅僅是為了確保燃氣能被安全的點燃，并不需要這么多點火油，但受到噴射系統(tǒng)能夠穩(wěn)定噴射的最小燃油量的限制，點火油消耗量難以進一步降低[4]。

X-DF主機采用的是獨立的共軌式點火油系統(tǒng)，只需一臺點火油泵即可滿足所有氣缸的運行要求，每缸各增加兩個點火油噴射器，噴嘴內(nèi)應用了預燃室技術。根據(jù)WinGD的設計理念，預燃室可以使點火油的能量集中，溫度將高于主燃燒室，使點火油更容易被點燃，同時產(chǎn)生的高溫高壓火焰也能夠很好地進入主燃燒室內(nèi)，從而降低點火油量。得益于獨立的點火油系統(tǒng)和預燃室設計，X-DF主機在所有負荷下點火油消耗量約為總油耗的1%，比ME-GI主機要低一些。

2.3 供氣系統(tǒng)

如前所述，Otto循環(huán)是燃氣與空氣混合后再壓縮燃燒，而Diesel循環(huán)是將空氣壓縮后再直接噴射燃料，因此，Otto循環(huán)中使用的是低壓燃氣，需要的最大供氣壓力約為1.6 MPa；而Diesel循環(huán)使用的為高壓燃氣，根據(jù)主機負荷變化其燃氣壓力約為25～30 MPa。

圖6為高壓供氣系統(tǒng)簡圖。自然蒸發(fā)氣體經(jīng)高壓壓氣機壓縮以滿足約30 MPa的進機壓力。如以強制蒸發(fā)的天然氣為燃料，液態(tài)LNG用高壓泵增壓到所需壓力。然后通過高壓蒸發(fā)器變成氣態(tài)天然氣。高壓供氣系統(tǒng)因為壓力較高，對系統(tǒng)的設備及管路的密封性等要求更嚴格。在高壓條件下高壓泵或壓氣機及加熱系統(tǒng)也必須能夠穩(wěn)定可靠地運行，這導致了可供選擇的高壓燃氣系統(tǒng)的供應商有限。

圖7為低壓供氣系統(tǒng)簡圖。自然蒸發(fā)的天然氣通過壓縮機增壓達到約1.6 MPa的進機壓力。LNG燃料艙內(nèi)部配置了嵌液式泵，可將液態(tài)LNG駁運至低壓蒸發(fā)器，強制蒸發(fā)的天然氣是在低壓蒸發(fā)器內(nèi)實現(xiàn)從液態(tài)到氣態(tài)的轉(zhuǎn)變。低壓供氣系統(tǒng)相對簡單可靠，無需高壓泵或壓氣機。另外，低壓燃氣系統(tǒng)的部件與四沖程雙燃料主機類似，而四沖程雙燃料主機已得到長期的實際運用，所以低壓燃氣系統(tǒng)可選供應商較多。

3 Diesel循環(huán)與Otto循環(huán)主機對比

根據(jù)Diesel循環(huán)與Otto循環(huán)雙燃料主機的基本的燃燒原理，Otto循環(huán)主機的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在環(huán)保性(NOx排放)和供氣系統(tǒng)上，而Diesel循環(huán)主機在性能方面更為突出。故單從技術上來說兩者在不同方面各有優(yōu)劣，無法簡單判定孰好孰壞，應根據(jù)實際情況進行詳細的可行性和經(jīng)濟性分析，才能做出最適當?shù)倪x擇。

圖6 高壓供氣系統(tǒng)簡圖

圖7 低壓供氣系統(tǒng)簡圖

4 結(jié)語

(1)目前二沖程雙燃料主機技術已基本成熟，正處于一個持續(xù)完善階段，各主機廠商都在不斷更新技術以追求更優(yōu)的性能和更低的成本，從而提高市場競爭力。伴隨著越來越多的雙燃料主機交付并使用，相關主機廠商、船廠和船東在設計、安裝和使用方面都將積累一定的經(jīng)驗，必將極大地促進雙燃料主機的發(fā)展。

(2)Otto循環(huán)主機通過預混燃燒，降低了缸內(nèi)燃燒溫度峰值，能有效抑制NOx生成，燃氣模式下可直接滿足Tier III規(guī)范要求。

(3)由于Diesel循環(huán)主機不存在爆燃的風險，受到的限制較少，因此在主機性能上相對Otto循環(huán)更優(yōu)。

參考文獻：

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