馬義平， 曾向明， 魏海軍， 趙 睿， 王忠誠， 許樂平

(上海海事大學 商船學院， 上海 201306)

國內(nèi)外船用LNG動力發(fā)動機發(fā)展現(xiàn)狀

馬義平， 曾向明， 魏海軍， 趙 睿， 王忠誠， 許樂平

(上海海事大學 商船學院， 上海 201306)

為加深對船用液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)發(fā)動機各廠家、各機型的了解，為將來國內(nèi)船舶排放控制區(qū)內(nèi)船舶機型選擇及LNG發(fā)動機發(fā)展提供參考，在純氣體機、雙燃料機和混燒機分類的基礎(chǔ)上，從缸內(nèi)直噴、支管進氣及總管進氣等不同進氣方式出發(fā)，對不同廠家的LNG發(fā)動機進行分析，并從動力性、經(jīng)濟型、燃氣替代率、NOx排放及甲烷逃逸量等方面對各機型進行比較。結(jié)果表明：氣體機能耗都較柴油機大；雙燃料發(fā)動機的燃氣模式能耗約比燃油模式降低10%；國外發(fā)動機NOx排放大部分滿足Tier Ⅲ，且都對甲烷逃逸量有控制；而國內(nèi)LNG發(fā)動機與國外相比在技術(shù)、功率、價格及尾氣排放上都有較大差距；國內(nèi)發(fā)動機普遍采用總管進氣，總體性能較差，且純氣體機功率部分范圍斷擋。研究顯示：LNG發(fā)動機進氣方式宜采用支管多點噴射或缸內(nèi)高壓直噴；發(fā)動機類型適合采用“微引燃”式雙燃料機或高性能純氣體機。

液化天然氣(LNG)； 發(fā)動機； 純氣體； 雙燃料； 混燒

Abstract: To deeply understand the marine Liquefied Natural Gas (LNG) fueled engines of different manufacturers’ various engines, and provide references for ship’s engine model selection in China’s future emission restricted area and for development of China’s LNG fueled engines, the marine LNG fueled engines of different manufacturers are analyzed according to the fuel types and different ways of LNG gas inlet; in addition, the comparison is carried out from the angle of power performance, economy, gas replacement rate, NOxemission and methane escape. The results of the study indicate: Energy consumption of pure gas engine is larger than that of diesel engine; Compared to oil mode, the energy consumption of dual-fuel engine at gas mode reduces by 10%; NOxemission of most foreign LNG engines meet Tier Ⅲ, and methane escape of engines are controlled well; There is a large gap on technology, power, price and flue gas emission between domestic and foreign engines. Gas inlet in header pipe applied in most engines, poor overall performance and narrow power range are the main phenomenon of domestic LNG fueled engines. The study shows: gas intake adopting manifold multi-point injection or high pressure direct injection in cylinder, and engine model adopting “micro ignition” dual-fuel engine or high-performance pure gas engine, are best for the LNG fueled engine.

Keywords: LNG; engine; pure gas; dual-fuel; mixed burning

我國交通運輸部印發(fā)的《船舶與港口污染防治專項行動實施方案(2015—2020年)》[1]提出：到2020年，珠三角、長三角及環(huán)渤海水域船舶的硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)排放量與2015年相比分別下降65%,20%及30%。該方案提出的11項主要任務中的第6項為積極推進液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)燃料應用。

自國家提出“氣化長江”戰(zhàn)略以來，對部分內(nèi)河船舶試點進行了柴油機的LNG動力改造，同時新建了一批LNG動力船。船舶發(fā)動機使用LNG作為動力燃料可大量減少污染氣體排放,但LNG動力發(fā)動機因燃料選擇和進氣方式不同而使得其動力性、經(jīng)濟性及尾氣排放有很大差異。同時，國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，在技術(shù)上與國外相比有較大差距。

這里對國內(nèi)外LNG動力發(fā)動機的技術(shù)現(xiàn)狀進行比較和分析，在為將來我國相關(guān)排放控制區(qū)內(nèi)船舶機型的選擇提供參考的同時，為我國LNG動力發(fā)動機的發(fā)展提供相關(guān)思路。

1 LNG動力發(fā)動機的分類

LNG動力發(fā)動機的簡單分類[2]見圖1。

圖1 LNG動力發(fā)動機的簡單分類

2 各廠家LNG動力發(fā)動機

2.1單一氣體燃料發(fā)動機

2.1.1Rolls-Royce(羅爾斯·羅伊斯)

Rolls-Royce純氣體機采用支管進氣，排放滿足Tier Ⅲ標準。與柴油機相比，其Bergen B系列發(fā)動機的CO2排放量每功率單位約減少17%，NOx約減少90%，且?guī)缀鯚oSOx排放。Rolls-Royce宣稱：船舶主機大部分時間是在50%～70%負荷下運行的，該范圍內(nèi)Rolls-Royce氣體機燃料消耗要比雙燃料機低15%～20%。[3]

2.1.2濰柴、廣柴、玉柴、淄柴及濟柴

(1) 濰柴LNG純氣機采用增壓后總管進氣，是在相應型號濰柴柴油機的基礎(chǔ)上改制而成的，機型壓縮比設(shè)計為10.5～11.5；采用美國WOODWARD單點噴射系統(tǒng)，正常空燃比為 1.11～1.54。純氣體機機型有WP6C136NG，WP10C280NG和WP12C350NG，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min或2 000 r/min，功率為120 ～350 kW，NOx排放滿足Tier Ⅱ標準。

(2) 廣柴6230SG(660 kW或635 kW，750 r/min或720 r/min)和8230SG(880 kW或845 kW，750 r/min或720 r/min)純氣體機采用支管進氣，NOx排放為2.0 g/(kW·h)(滿足Tier Ⅲ標準)，總碳化物排放為483 g/(kW·h)。[4]

(3) 玉柴藍鯨NK系列氣體機采用增壓后總管進氣，有從YC6K295LN-C20到Y(jié)C6K420LN-C20共5款機型，功率為218～309 kW，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min或1 800 r/min，尾氣排放滿足Tier Ⅱ標準。[5]

(4) 淄柴Z6170ZLCZ/T氣體機(1 000 r/min～1 500 r/min，165～350 kW)采用增壓前總管進氣。

(5) 濟柴190系列氣體機中的12缸V型(1 000 r/min或1 300 r/min，552 kW或680 kW)和16缸V型(1 000 r/min或1 200 r/min，1 300 kW或1 600 kW)氣體機采用增壓前總管進氣，NOx排放滿足Tier Ⅱ標準。

2.2雙燃料發(fā)動機

2.2.1MAN(曼恩)

(1) 缸內(nèi)高壓直噴：MAN缸內(nèi)高壓直噴雙燃料發(fā)動機(又稱ME-GI)的缸蓋上安裝有2 個或3個燃油噴射閥、2個或3個燃氣噴射閥。燃油噴射閥在純?nèi)加湍Ｊ较掠米髦鲊娪推鳎谌細饽Ｊ较录孀鲆紘娪推?。[6]ME-GI通過燃油噴射閥噴入引燃油后，引燃油壓燃，然后才噴入高壓天然氣。柴油和重油皆可作為引燃油，MAN引燃油量最少可為3%。ME-GI是在壓縮沖程末端噴入燃氣的，燃氣噴射壓力一般約30 MPa，燃氣溫度為45oC±10oC。在10%負荷以下，采用燃氣模式不能穩(wěn)定燃燒，發(fā)動機必須切換到純?nèi)加湍Ｊ?；?0%～100%負荷下，發(fā)動機可采用燃氣模式。ME-GI功率范圍為2 000～80 000 kW。表1為不同負荷下S50ME-GI8與S50ME的排放值比較。由該表可知，CO2和NOx分別降低約15%和12%，SOx大幅度降低，但碳氫(HC)約增加1倍。

(2) 支管進氣：機型有L23/30DF和L28/32DF，功率分別為625～1 200 kW及1 000～1 800 kW。稀薄燃燒，空燃比為1.95～2.2。燃氣進機壓力為0.4～0.6 MPa，溫度約60 ℃，燃氣中甲烷值>80，空氣進機溫度<45 ℃，只能用柴油引燃。在20%負荷以下，發(fā)動機工作于純柴油模式；在20%～85%負荷下，引燃油量恒定為7%左右，燃氣供應量隨負荷的增加而增加；在85%～100%負荷下，燃氣量不變(約80%)，柴油量隨負荷的增加而增加。ME-GI和ME機型的排放和能耗數(shù)據(jù)見表1。

2.2.2Wartsila(瓦錫蘭)

表1 在不同負荷下S50ME-GI8與S50ME的排放值比較

(1) 缸內(nèi)低壓直噴：Wartsila二沖程機缸內(nèi)低壓直噴(又稱2-S DF)除了主燃油噴油器之外，每缸還設(shè)有單獨的引燃油噴油器，采用的是“微引燃”和“預燃室”技術(shù)。點火油在100%功率時約為2 g/(kW·h),在30%功率時約為8 g/(kW·h)，引燃油量為1%～5%，輕油和重油都可作為引燃油。Wartsila 2-S DF在壓縮沖程中間行程噴入燃氣，燃氣噴射壓力一般約為1.6 MPa，溫度為0～60 ℃,功率范圍為5 000～65 000 kW。

(2) 支管進氣：采用雙噴嘴噴油器[7]，引燃油壓力約為900 bar,有20DF，34DF，46DF和50DF等機型，功率范圍為1 100～17 550 kW。進機燃氣有一定數(shù)值要求，如：低熱值為28～36 MJ/m3(m3指的是標準狀態(tài)下的體積)，GVU前燃氣壓力為0.5～0.55 MPa，甲烷值≥80，燃氣溫度為0～60 ℃等?？紤]到CH4的溫室效應是CO2的25倍，且CH4含量約占總HC的75%，在燃氣模式下總HC排放折合成CO2當量排放計算；與燃油模式相比，CO2總排放數(shù)值減小約18.5%(見表2)。

表2 34DF雙燃料發(fā)動機燃氣/燃油模式下的污染物對比

2.3混燒機

2.3.1濟柴

目前濟柴已取得C6190，C8190和L8190等3個族系產(chǎn)品中國船級社(China Classification Society, CCS)證書，功率范圍為300～1 000 kW。

(1) 增壓前總管進氣：較多采用增壓前總管進氣，與原柴油機相比燃燒室結(jié)構(gòu)、各氣閥定時和噴油定時等均未作任何改動。燃氣替代率一般為70%。

(2) 支管進氣：燃氣常溫進機，燃氣進機壓力一般<0.4 MPa。燃氣替代率隨負荷的增加而增加，在75%以上負荷時，燃氣替代率約為80%。

2.3.2淄柴

目前淄柴已開發(fā)Z150，Z170及Z210系列船用LNG動力發(fā)動機，并已取得CCS認可證書。

(1) 增壓前總管進氣：淄柴Z6170采用增壓前總管進氣,燃氣進機壓力為零壓(或負壓)，燃氣溫度在20 ℃之內(nèi)，5～15 ℃最好。其采用德國海茵茨曼控制技術(shù)，通過廢氣旁通控制和氧傳感器實現(xiàn)空燃比閉環(huán)控制。在標定工況下燃氣替代率>70%，實際應用中，在25%負荷以下時全柴油運行，在50%～75%負荷時燃氣替代效果較好，燃氣替代率隨負荷的增加而增加。

(2) 支管進氣：淄柴Z8170采用電液聯(lián)控多點噴射技術(shù)，綜合最高燃油替代率可達80%以上。噴射單元中每缸燃氣噴射閥4個，燃氣進機壓力一般為0.4～0.6 MPa。

2.3.3玉柴

玉柴藍鯨SK系列混燒機采用增壓后總管進氣，有YC6K295LN-C21到Y(jié)C6K450LN-C21共6款機型，功率范圍為218～331 kW，轉(zhuǎn)速為1500 r/min或1 800 r/min，尾氣排放滿足Tier Ⅱ標準。

3 國外LNG動力發(fā)動機技術(shù)現(xiàn)狀

3.1雙燃料和純氣體機齊頭并進

在船用LNG動力發(fā)動機上， MAN和Wartsila僅推廣雙燃料發(fā)動機，Rolls-Royce推廣純氣體機。

3.2低速二沖程采用缸內(nèi)直噴“微引燃”雙燃料發(fā)動機

盡管各LNG動力發(fā)動機的動力性、尾氣排放和經(jīng)濟性表現(xiàn)略有不同(見表3)，但“微引燃”低速二沖程雙燃料發(fā)動機的總體性能較好。二沖程機主要由MAN和Wartsila制造。

表3 國外LNG動力發(fā)動機的技術(shù)表現(xiàn)

1) MAN采用缸內(nèi)高壓直噴(燃氣壓力約為30 MPa)，燃燒過程為迪塞爾循環(huán)，可實現(xiàn)與柴油機相當?shù)膭恿π约盁嵝?，動態(tài)特性好、燃料適應性強，避免爆燃，沒有CH4逃逸，NOx排放滿足Tier Ⅱ標準；但燃氣壓力為30 MPa，管路強度和密封性要求較高，系統(tǒng)復雜，成本高昂。

2) Wartsila 采用缸內(nèi)低壓直噴(燃氣壓力約為1.6 MPa)，燃燒過程為奧拓循環(huán)，同時采用“預燃室”和“微引燃”技術(shù)，整個負載范圍內(nèi)都可在燃氣模式下運行，NOx排放滿足Tier Ⅲ標準，CH4排放也較四沖程少。

3.3支管進氣四沖程機尾氣排放性能較好

對于四沖程機，Rolls-Royce純氣體機、Wartsila和MAN雙燃料機等都采用支管進氣。支管進氣能精確控制燃氣噴射，較好地控制CH4逃逸；各機型CO2，SOx和PM的減少量如表3所示，各數(shù)值差異不大；但在NOx減排上，MAN僅滿足Tier Ⅱ標準，而Rolls-Royce和Wartsila可滿足Tier Ⅲ標準。在動態(tài)響應上，Rolls-Royce采用可變截面渦輪增壓系統(tǒng)，動態(tài)響應特性較好；而Wartsila和MAN采用廢氣旁通控制空燃比，動態(tài)響應特性稍差。

4 國內(nèi)LNG動力發(fā)動機主要問題

4.1普遍采用總管進氣

國內(nèi)LNG發(fā)動機普遍采用總管進氣，結(jié)構(gòu)簡單，只需增加一套燃氣供應系統(tǒng)(混燒機可完全保留柴油機的燃油噴射系統(tǒng))，但總管及增壓器存在爆炸危險[8]，缸內(nèi)存在爆燃危險。

4.2尾氣排放性能差

混燒機總管進氣，空燃比只能整機調(diào)節(jié)，不能單缸控制；發(fā)動機未經(jīng)優(yōu)化，不能發(fā)揮氣體燃料的優(yōu)勢,NOx減排效果不明顯，氣閥重疊角期間天然氣直接逃逸，CH4逃逸現(xiàn)象嚴重，CO排放大幅升高。純氣體機總管進氣，CH4逃逸現(xiàn)象較混燒機明顯改善，但NOx排放也只能滿足Tier II標準。

支管進氣結(jié)構(gòu)復雜，可實現(xiàn)單缸燃氣精確控制，避免或減少氣閥重疊角期間的CH4逃逸，尾氣排放總體效果要好于總管進氣，部分機型(如廣柴純氣體機6230SG)NOx排放滿足Tier Ⅲ標準。

4.3經(jīng)濟性較差

國內(nèi)混燒機實際應用時在額定工況下的燃氣替代率一般約為70%,但在長江航行的船舶受下水順流的影響、在京杭運河航行的船舶受需經(jīng)常過閘的影響，在很多情況下主機都在較低的負荷下運行，此時燃氣替代率一般約為50%。此外，國內(nèi)混燒機CH4逃逸現(xiàn)象較嚴重，據(jù)相關(guān)專家介紹，總管進氣混燒機的CH4逃逸量要比支管多點噴射混燒機增加20%左右。因此，考慮到CH4逃逸及主機輕負荷運行的影響，國內(nèi)混燒機的經(jīng)濟性較差。

4.4純氣體機功率部分范圍斷擋

國內(nèi)LNG純氣體機功率部分范圍斷擋，致使某些噸位內(nèi)河船的主機選型較困難。內(nèi)河船舶噸位與主機功率選配見表4。1 000 kW以下各功率，國內(nèi)混燒機可選機型較多，基本能覆蓋整個功率范圍；而純氣體機可選機型較少，功率在350 kW以下，濰柴、淄柴和玉柴有幾款機型；功率在350～1 000 kW，有濟柴12V190ZDT(552 kW /680 kW)，廣柴6230SG(660kW/635kW)和8230SG(880kW/845kW)等幾款定功率機型，功率斷檔較多。

表4 內(nèi)河船舶噸位與主機功率選配

5 國內(nèi)外LNG動力發(fā)動機比較

5.1國內(nèi)與國外約有20a的技術(shù)差距

船舶氣體機的發(fā)展歷程[9]見圖2,可看出國內(nèi)正處在油氣混燒階段，與國外約有20 a的技術(shù)差距。技術(shù)比較結(jié)果見表5。

圖2 船舶氣體機的發(fā)展歷程

表5 國內(nèi)外各機型技術(shù)比較

5.2國內(nèi)與國外價格及功率都差別較大

國外LNG發(fā)動機價格昂貴，國內(nèi)較便宜。功率相同時，國外發(fā)動機的價格約是國內(nèi)的3～5倍。[10]除整機外，備件差價更大。國外發(fā)動機功率都較大(一般>1 000 kW)，一般為中低速機；國內(nèi)發(fā)動機功率較小(一般<2 000 kW)，一般為中高速機。

5.3國內(nèi)混燒機燃氣替代率較低

國外雙燃料機的替代率>92%，最高可達99%(Wartsila)；國內(nèi)混燒機的替代率一般約為70%。

5.4國內(nèi)LNG動力發(fā)動機尾氣排放較國外差

國內(nèi)氣體發(fā)動機尾氣排放總體表現(xiàn)較差，大部分僅滿足Tier Ⅱ標準(廣柴6230SG，Tier Ⅲ)，CH4逃逸控制較差，或未進行過數(shù)據(jù)測量；國外氣體機大部分滿足Tier Ⅲ標準，且CH4逃逸量都較少。

5.5LNG動力發(fā)動機能耗較柴油機能耗大

單一燃料氣體機、雙燃料機(缸內(nèi)高壓直噴除外)和混燒機的能耗都較柴油機能耗大。純氣體機采用奧拓循環(huán)，能耗大于柴油機(迪塞爾循環(huán))，Rolls-Royce純氣體機的熱效率約為50%；缸內(nèi)高壓直噴雙燃料機采用迪塞爾循環(huán)，熱效率與普通柴油機基本上一樣；其他雙燃料機采用奧拓循環(huán)，熱效率減小，且所有雙燃料機在燃油模式下的能耗比燃氣模式能耗增加10%左右；國內(nèi)混燒機因存在CH4逃逸現(xiàn)象而使得熱效率也有所下降。

6 結(jié)束語

6.1進氣方式宜采用支管多點噴射和缸內(nèi)高壓直噴

與總管進氣方式相比，支管多點噴射不僅能更精確地控制燃氣供應量，有利于實現(xiàn)對空燃比的精確控制，提高發(fā)動機的熱效率，降低NOx排放,同時還能避免天然氣在氣門疊開期間直接逃逸，控制HC排放。缸內(nèi)高壓直噴發(fā)動機具有與柴油機相當?shù)膭恿π院蜔嵝?，且基本無CH4逃逸。發(fā)動機動態(tài)特性較好，燃料適應性強，避免爆燃。因此，這2種進氣方式應成為我國船用LNG動力發(fā)動機今后的重點推廣方向。

6.2發(fā)動機類型適合采用“微引燃”式雙燃料機和高性能純氣體機

混燒機因采用燃油與氣體混合燃燒的模式而使得發(fā)動機的設(shè)計在一定程度上處于“兩難”的境地，要兼顧2種燃料的燃燒優(yōu)化?！拔⒁肌笔诫p燃料機在雙燃料模式下僅用微量柴油引燃，可專門針對氣體燃料進行燃燒優(yōu)化，改善NOx排放和燃油經(jīng)濟性；同時，因柴油使用量大幅降低，可有利于減少SOx排放。[14]純氣體機的研發(fā)完全不用考慮燃油模式，可針對氣體燃料的特點對發(fā)動機進行全新設(shè)計和優(yōu)化，取得最大的節(jié)能和減排效益。

[1] 中華人民共和國交通運輸部. 關(guān)于印發(fā)船舶與港口污染防治專項行動實施方案(2015—2020年)的通知[EB/OL].[2015-08-27](2015-08-31).http://www.moc.gov.cn/zfxxgk/bnssj/syj/201508/t20150831_1871478.html.

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CurrentDevelopmentSituationofMarineLNGFueled
EnginesBothatHomeandAbroad

MAYiping,ZENGXiangming,WEIHaijun,ZHAORui,WANGZhongcheng,XULeping

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

U664.12

A

2016-04-29

馬義平(1977—)，男，安徽無為人，輪機長，講師，博士，研究方向為船舶動力裝置有害排放控制、現(xiàn)代輪機管理與安全技術(shù)。 E-mail: mayiping168@163.com

許樂平(1957—)，男，河北衡水人，輪機長，教授，博士生導師，研究方向為船舶污染物控制及海洋環(huán)境保護。 E-mail: lpxu@shmtu.edu.cn

1000-4653(2016)03-0020-06