周蘭喜，馬小勇

(南通中遠(yuǎn)海運(yùn)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?xì)?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(guó)際海事組織(IMO)Tier III法規(guī)已在排放控制區(qū)實(shí)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(guān)注。在經(jīng)濟(jì)性方面，雙燃料船舶初始投資較高，運(yùn)行成本主要受燃?xì)夂腿加蛢r(jià)格的影響。盡管當(dāng)前油價(jià)持續(xù)低位，LNG相比低硫油仍有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。在安全性方面，氣體燃料已有數(shù)十年應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。目前IMO已發(fā)布IGF Code，各大船級(jí)社也制定了相關(guān)規(guī)范，形成了較完善的安全控制和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方案。作為整船動(dòng)力系統(tǒng)核心，采用雙燃料主機(jī)充分體現(xiàn)了“綠色航運(yùn)”和“綠色船舶”的環(huán)保節(jié)能理念，將是今后船舶動(dòng)力領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。

本文以雙燃料主機(jī)的燃燒原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)兩種燃燒循環(huán)主機(jī)的技術(shù)特征進(jìn)行了分析對(duì)比，為船東和船廠選擇合適的雙燃料主機(jī)提供了參考，將有利于促進(jìn)雙燃料船舶的應(yīng)用和發(fā)展。

1 雙燃料主機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)燃油主機(jī)相比，雙燃料主機(jī)設(shè)計(jì)變更較大，為此各主要廠商進(jìn)行了長(zhǎng)期的開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)。MDT(MAN Diesel & Turbo)公司率先向市場(chǎng)推出其低速雙燃料主機(jī)ME-GI。2015年9月，Nakilat公司的一艘266 000 m3LNG船“Rasheeda”號(hào)上的2臺(tái)7S70ME-C被改造成ME-GI主機(jī)，ME-GI主機(jī)首次投入實(shí)際運(yùn)營(yíng)。同年11月，裝有2臺(tái)8L70ME-GI主機(jī)的3 100標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船“Isla Bella”號(hào)投入使用。2016年9月，南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司為UECC公司建造的4 000車(chē)位汽車(chē)滾裝船“AUTO ECO”號(hào)的順利交船，成為世界上首條采用ME-GI主機(jī)營(yíng)運(yùn)的汽車(chē)滾裝船。至2016年10月MDT公司已獲得近150臺(tái)ME-GI主機(jī)訂單，此后將不斷有雙燃料主機(jī)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(jī)。2016年6月，第1臺(tái)RT-flex50DF主機(jī)在“Terntank”公司的15 000 t化學(xué)品船“Ternsund”號(hào)上投入運(yùn)營(yíng)。截止2016年6月，WinGD公司已獲得35臺(tái)雙燃料主機(jī)訂單。

三菱重工(MHI)公司于2012年宣布，正在開(kāi)發(fā)基于長(zhǎng)沖程UEC機(jī)型的雙燃料主機(jī)。2015年10月在釜山舉行的CIMAC(國(guó)際內(nèi)燃機(jī)委員會(huì))大會(huì)上，三菱重工公司宣布其開(kāi)發(fā)的UEC-LSGi雙燃料主機(jī)將于2017年投入商業(yè)化。

2 雙燃料主機(jī)技術(shù)

雙燃料主機(jī)燃燒原理示意圖如圖1所示。目前雙燃料主機(jī)的基本燃燒原理有兩種：一種是常規(guī)二沖程主機(jī)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(diǎn)火油燃點(diǎn)后，先噴入點(diǎn)火油引燃，再?lài)娙敫邏旱娜細(xì)?，燃?xì)庠诟變?nèi)發(fā)生擴(kuò)散燃燒；另一種是Otto循環(huán)，它是在活塞上行過(guò)程中噴入燃?xì)猓瑢⑷細(xì)夂涂諝饣旌喜⒁黄饓嚎s，然后在上止點(diǎn)附近噴入點(diǎn)火油點(diǎn)燃，屬于預(yù)混燃燒。

不同燃燒原理對(duì)于主機(jī)的性能、排放以及成本等因素有較大影響，最終主機(jī)專(zhuān)利廠商分成了兩個(gè)陣營(yíng)：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(shù)上做出合理的分析和判斷，將從環(huán)保性、主機(jī)性能和供氣系統(tǒng)三個(gè)方面對(duì)這兩種燃燒循環(huán)主機(jī)進(jìn)行說(shuō)明和比較。

圖1 雙燃料主機(jī)燃燒原理示意圖

2.1 環(huán)保性

2.1.1溫室效應(yīng)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?xì)庵鳈C(jī)氣缸內(nèi)未燃的碳?xì)浠衔锟赡軙?huì)隨廢氣排出，造成甲烷逃逸。甲烷會(huì)帶來(lái)溫室效應(yīng)。據(jù)美國(guó)環(huán)保署研究，甲烷對(duì)全球變暖的影響約為CO2的25倍。Diesel循環(huán)主機(jī)氣缸內(nèi)的甲烷幾乎完全燃燒，在20%～100%負(fù)荷下，ME-GI主機(jī)甲烷逃逸只有0.2 g/kWh。Otto循環(huán)主機(jī)的空燃預(yù)混合設(shè)計(jì)使得在掃氣過(guò)程中燃?xì)夂芸赡苤苯犹右荩瑫r(shí)還可能有部分空燃混合氣過(guò)于稀薄而未參與燃燒，最終隨廢氣排出，導(dǎo)致總的甲烷逃逸較高，這給Otto循環(huán)主機(jī)的環(huán)保性帶來(lái)一些負(fù)面影響。根據(jù)WinGD公司最近公布的信息，通過(guò)優(yōu)化氣門(mén)正時(shí)等措施，使主機(jī)在空燃混合氣逃逸前完成掃氣并關(guān)閉排氣閥，可有效避免甲烷的直接逃逸。目前X-DF主機(jī)在任意負(fù)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(jī)，都要比傳統(tǒng)燃油主機(jī)更有利于減少溫室效應(yīng)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(jī)NOx排放不能超過(guò)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(duì)于Diesel循環(huán)主機(jī)，其燃?xì)饨?jīng)高壓噴射并點(diǎn)燃，燃燒發(fā)生在非常狹小的空間內(nèi)，導(dǎo)致溫度較高，達(dá)到2 600 K。而Otto循環(huán)則相反，由于點(diǎn)燃時(shí)缸內(nèi)的燃?xì)夂涂諝庖殉浞只旌希紵齾^(qū)域更大，使得Otto循環(huán)的燃燒溫度峰值會(huì)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(dǎo)致了主機(jī)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(jī)，采用Otto循環(huán)的雙燃料主機(jī)燃燒LNG時(shí)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(jī)在燃?xì)饽Ｊ较碌腘Ox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(dá)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(jī)，在燃?xì)饽Ｊ较履軌蛑苯訚M足NOxTier III排放要求，無(wú)需安裝昂貴的后處理設(shè)備。

2.1.3SOx排放

LNG燃料中不含硫，燃?xì)膺\(yùn)行時(shí)的SOx排放僅來(lái)自于微量的點(diǎn)火油，因此完全能夠滿足0.1%SOx排放要求。近年來(lái)，相關(guān)海事組織及各國(guó)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(huì)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(qiáng)制實(shí)施，屆時(shí)傳統(tǒng)燃油船舶只能選用體積龐大的除硫塔或者價(jià)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(shì)。

2.2 主機(jī)性能

2.2.1輸出功率

Otto循環(huán)主機(jī)的燃?xì)馀c空氣在壓縮過(guò)程中便開(kāi)始混合，在壓縮終點(diǎn)被引燃后，混合氣中一些過(guò)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(lái)防止爆燃。目前X-DF主機(jī)燃?xì)鈺r(shí)的最大允許平均有效壓力為1.73 MPa，低于常規(guī)柴油機(jī)的2.1 MPa，因此最大輸出功率相對(duì)有所降低。X-DF兩個(gè)型號(hào)主機(jī)的額定功率對(duì)比如圖3所示。圖3中，以6RT-flex50-B主機(jī)為例，其最大輸出功率為10 470 kW，而尺寸相似的雙燃料主機(jī)6RT-flex50-DF在燃?xì)饽Ｊ较伦畲筝敵龉β蕿? 640 kW[2]，比前者降低了約17%。為達(dá)到所需功率，X-DF主機(jī)選型時(shí)甚至有可能要比傳統(tǒng)燃油主機(jī)增加一個(gè)氣缸。

Diesel循環(huán)主機(jī)壓縮過(guò)程中只壓縮空氣，在上止點(diǎn)噴入點(diǎn)火油和燃?xì)?，發(fā)生的是擴(kuò)散燃燒，不存在爆燃風(fēng)險(xiǎn)，可采用與普通柴油機(jī)相同的壓縮比，故燃?xì)饽Ｊ较翫iesel循環(huán)主機(jī)的輸出功率不會(huì)降低，這與Otto循環(huán)主機(jī)相比有明顯優(yōu)勢(shì)。

R1，R2，R3，R4—功率點(diǎn)。

2.2.2運(yùn)行區(qū)域

對(duì)于Otto循環(huán)主機(jī)，空氣與燃料混合氣中一些過(guò)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(huì)帶來(lái)點(diǎn)火失敗的風(fēng)險(xiǎn)，因此Otto循環(huán)主機(jī)需要更精確的控制。對(duì)此，X-DF主機(jī)的解決方法是將氣缸內(nèi)的空燃比精確控制在一個(gè)“運(yùn)行區(qū)域”(如圖4所示)內(nèi)，主要通過(guò)調(diào)節(jié)增壓器的旁通閥和排氣閥關(guān)閉定時(shí)等方法控制掃氣來(lái)實(shí)現(xiàn)。掃氣壓力的目標(biāo)值是由X-DF主機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定，控制系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)發(fā)火壓力等參數(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)主機(jī)是否在目標(biāo)范圍內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)配備爆燃傳感器作為額外的安全保障。

圖4 Otto循環(huán)主機(jī)運(yùn)行區(qū)域

Diesel循環(huán)主機(jī)則不存在爆燃的風(fēng)險(xiǎn)，因此對(duì)燃?xì)饣旌铣潭炔幻舾小２徽撊細(xì)饽Ｊ竭€是燃油模式，Diesel循環(huán)主機(jī)都是通過(guò)燃料噴射量和噴射時(shí)間來(lái)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(jiǎn)單，主機(jī)負(fù)荷的響應(yīng)速度更快，使得ME-GI主機(jī)在燃油和燃?xì)鈨煞N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(qiáng)制蒸發(fā)天然氣的品質(zhì)會(huì)有較大變化：自然蒸發(fā)的天然氣主要為甲烷和氮?dú)獾幕旌衔?，甲烷值?00左右；而強(qiáng)制蒸發(fā)的天然氣由于含乙烷和丙烷等重碳?xì)浠衔镙^多，甲烷值通常為70～80。而且世界各地不同供應(yīng)商提供的LNG品質(zhì)也可能有變化，因此雙燃料主機(jī)對(duì)LNG燃料品質(zhì)的要求也是船東非常關(guān)注的一個(gè)性能指標(biāo)。

甲烷值是用來(lái)衡量氣體燃料抗爆燃性的指標(biāo)，甲烷值越高說(shuō)明抗爆燃性越好，反之越差。Otto循環(huán)主機(jī)容易發(fā)生爆燃，因此對(duì)燃?xì)獾目贡夹砸筝^高。X-DF主機(jī)限定了燃?xì)獾募淄橹挡荒艿陀?0，否則要降功率運(yùn)行，甲烷值過(guò)低時(shí)主機(jī)會(huì)自動(dòng)切換為燃油模式。Diesel循環(huán)主機(jī)運(yùn)行則不受燃?xì)饧淄橹档募s束，低甲烷值也能夠維持恒定的主機(jī)功率和熱效率。但在實(shí)際運(yùn)行中為減少油耗，低速機(jī)的NCR(正常持續(xù)功率)點(diǎn)負(fù)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?xì)饧淄橹禐?5即可滿足X-DF主機(jī)85%負(fù)荷運(yùn)行。鑒于目前全球90%以上的LNG甲烷值都超過(guò)70，故燃?xì)饧淄橹祵?duì)X-DF主機(jī)的適用限制影響較小。

2.2.4點(diǎn)火油

由于LNG的十六烷值較低，導(dǎo)致發(fā)火性能較差，氣缸內(nèi)的壓力和溫度不足以將其點(diǎn)燃，因此燃?xì)膺\(yùn)行時(shí)需要使用點(diǎn)火油。ME-GI主機(jī)的點(diǎn)火油與主燃油共用噴射系統(tǒng)，這樣設(shè)計(jì)可使主機(jī)輔助設(shè)備盡量簡(jiǎn)化，但是同一噴射系統(tǒng)既要在燃油模式時(shí)噴射足夠容量的主燃油，又要在燃?xì)饽Ｊ綍r(shí)準(zhǔn)確噴入微量的點(diǎn)火油，在技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)兩種模式下皆達(dá)到最優(yōu)噴射效果。與常規(guī)電噴主機(jī)相比，ME-GI主機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)變化不大，燃油模式和燃?xì)饽Ｊ较氯加蛧娚淞康牟顒e主要通過(guò)控制噴射時(shí)間實(shí)現(xiàn)。為了降低點(diǎn)火油量，必須縮短噴射時(shí)間，點(diǎn)火油噴射時(shí)燃油噴嘴應(yīng)快速啟閉，但會(huì)導(dǎo)致噴嘴上的截止閥桿所承受負(fù)荷過(guò)大，為此MDT公司對(duì)該截止閥桿的結(jié)構(gòu)做了相應(yīng)改善。目前，ME-GI主機(jī)的點(diǎn)火油消耗量約為總油耗的3%～5%。據(jù)MDT公司解釋?zhuān)绻麅H僅是為了確保燃?xì)饽鼙话踩狞c(diǎn)燃，并不需要這么多點(diǎn)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(diǎn)火油消耗量難以進(jìn)一步降低[4]。

X-DF主機(jī)采用的是獨(dú)立的共軌式點(diǎn)火油系統(tǒng)，只需一臺(tái)點(diǎn)火油泵即可滿足所有氣缸的運(yùn)行要求，每缸各增加兩個(gè)點(diǎn)火油噴射器，噴嘴內(nèi)應(yīng)用了預(yù)燃室技術(shù)。根據(jù)WinGD的設(shè)計(jì)理念，預(yù)燃室可以使點(diǎn)火油的能量集中，溫度將高于主燃燒室，使點(diǎn)火油更容易被點(diǎn)燃，同時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓火焰也能夠很好地進(jìn)入主燃燒室內(nèi)，從而降低點(diǎn)火油量。得益于獨(dú)立的點(diǎn)火油系統(tǒng)和預(yù)燃室設(shè)計(jì)，X-DF主機(jī)在所有負(fù)荷下點(diǎn)火油消耗量約為總油耗的1%，比ME-GI主機(jī)要低一些。

2.3 供氣系統(tǒng)

如前所述，Otto循環(huán)是燃?xì)馀c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?xì)猓枰淖畲蠊鈮毫s為1.6 MPa；而Diesel循環(huán)使用的為高壓燃?xì)?，根?jù)主機(jī)負(fù)荷變化其燃?xì)鈮毫s為25～30 MPa。

圖6為高壓供氣系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。自然蒸發(fā)氣體經(jīng)高壓壓氣機(jī)壓縮以滿足約30 MPa的進(jìn)機(jī)壓力。如以強(qiáng)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(guò)高壓蒸發(fā)器變成氣態(tài)天然氣。高壓供氣系統(tǒng)因?yàn)閴毫^高，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)備及管路的密封性等要求更嚴(yán)格。在高壓條件下高壓泵或壓氣機(jī)及加熱系統(tǒng)也必須能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，這導(dǎo)致了可供選擇的高壓燃?xì)庀到y(tǒng)的供應(yīng)商有限。

圖7為低壓供氣系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。自然蒸發(fā)的天然氣通過(guò)壓縮機(jī)增壓達(dá)到約1.6 MPa的進(jìn)機(jī)壓力。LNG燃料艙內(nèi)部配置了嵌液式泵，可將液態(tài)LNG駁運(yùn)至低壓蒸發(fā)器，強(qiáng)制蒸發(fā)的天然氣是在低壓蒸發(fā)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)從液態(tài)到氣態(tài)的轉(zhuǎn)變。低壓供氣系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單可靠，無(wú)需高壓泵或壓氣機(jī)。另外，低壓燃?xì)庀到y(tǒng)的部件與四沖程雙燃料主機(jī)類(lèi)似，而四沖程雙燃料主機(jī)已得到長(zhǎng)期的實(shí)際運(yùn)用，所以低壓燃?xì)庀到y(tǒng)可選供應(yīng)商較多。

3 Diesel循環(huán)與Otto循環(huán)主機(jī)對(duì)比

根據(jù)Diesel循環(huán)與Otto循環(huán)雙燃料主機(jī)的基本的燃燒原理，Otto循環(huán)主機(jī)的優(yōu)勢(shì)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(jī)在性能方面更為突出。故單從技術(shù)上來(lái)說(shuō)兩者在不同方面各有優(yōu)劣，無(wú)法簡(jiǎn)單判定孰好孰壞，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)的可行性和經(jīng)濟(jì)性分析，才能做出最適當(dāng)?shù)倪x擇。

圖6 高壓供氣系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖7 低壓供氣系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1)目前二沖程雙燃料主機(jī)技術(shù)已基本成熟，正處于一個(gè)持續(xù)完善階段，各主機(jī)廠商都在不斷更新技術(shù)以追求更優(yōu)的性能和更低的成本，從而提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。伴隨著越來(lái)越多的雙燃料主機(jī)交付并使用，相關(guān)主機(jī)廠商、船廠和船東在設(shè)計(jì)、安裝和使用方面都將積累一定的經(jīng)驗(yàn)，必將極大地促進(jìn)雙燃料主機(jī)的發(fā)展。

(2)Otto循環(huán)主機(jī)通過(guò)預(yù)混燃燒，降低了缸內(nèi)燃燒溫度峰值，能有效抑制NOx生成，燃?xì)饽Ｊ较驴芍苯訚M足Tier III規(guī)范要求。

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

參考文獻(xiàn)：

[1] 李永鵬，陳愛(ài)玲，汪洋.新型LNG船舶采用雙燃料電力推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)分析[J].青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(4):21-23.

[2] 薛云.電控氣體雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究[D].杭州：浙江大學(xué),2006.

[3] 段長(zhǎng)曉 .LNG船主推進(jìn)裝置的選擇和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)型研究[D].上海：上海海事大學(xué)，2007.

[4] 袁銀南，朱磊，楊鯤，等.全電控LPG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和性能研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2006，24(5):440-448.