1 000 m3 LNG燃料加注船主機選型研究

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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)要適應國際造船新標準，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、供應方便、技術(shù)成熟的特點，在當前的技術(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)動機的發(fā)展現(xiàn)狀，從功率、船舶推進以及機艙布置等方面分析1 000 CBM LNG燃料加注船國產(chǎn)主機的選型。

1 國產(chǎn)LNG發(fā)動機發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)內(nèi)燃機廠家積極研發(fā)LNG燃料發(fā)動機，并取得了較大的進展，部分廠家產(chǎn)品已在試點船舶項目上開始試驗[2]。見表1[3]。

表1 國內(nèi)內(nèi)燃機廠家LNG發(fā)動機一覽表

目前國產(chǎn)雙燃料發(fā)動機均采用了柴油+LNG混合燃燒的模式：在原來柴油機的基礎(chǔ)上增加了一套燃油共軌系統(tǒng)，發(fā)動機在雙燃料模式下時利用LNG替代柴油燃燒。雙燃料控制系統(tǒng)不對原柴油系統(tǒng)進行任何改變。發(fā)動機可以仍然依靠數(shù)字式電調(diào)控制柴油來調(diào)速，燃氣控制系統(tǒng)只是控制燃氣的替代量，不參與調(diào)速，發(fā)動機的動態(tài)特性仍然為柴油機的特性。

國內(nèi)純氣體發(fā)動機與RR為代表的國外進口純氣體發(fā)動機燃燒模式類似，采用稀薄混合氣體燃燒技術(shù)，其能效指標符合國際上所有環(huán)保要求標準。該機型與傳統(tǒng)的發(fā)動機相比能達到更高的能源利用效率，同時能夠極大地降低氮氧化物的排放。

2 主機選型分析

2.1 主機功率

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時所需要主機推進功率約1 200 kW。通過對國內(nèi)LNG發(fā)動機調(diào)研發(fā)現(xiàn)：廣柴、南車玉柴等廠家LNG發(fā)動機可以滿足加注船采用單機單槳或雙機雙槳不同推進方式的功率需求。見表2。

表2 國內(nèi)LNG燃料發(fā)動機一覽表

2.2 調(diào)速特性

國產(chǎn)雙燃料發(fā)動機調(diào)速特性與北車雙燃料發(fā)動機類似，由于燃氣控制系統(tǒng)只是控制燃氣的替代量，不參與調(diào)速，發(fā)動機的動態(tài)特性仍然為柴油機的特性，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)動調(diào)距槳或定距槳。見表3、4。

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

表3 北車雙燃料發(fā)動機不同燃燒模式的動態(tài)響應時間

注：上述試驗數(shù)據(jù)由北車提供。

表4 天然氣發(fā)動機調(diào)速特性

2.3 機艙布置

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

表5 機艙分類

LNG動力船機艙布置型式主要取決于LNG燃料發(fā)動機，本質(zhì)安全機艙LNG發(fā)動機必須保證在任何情況下本質(zhì)安全。ESD機艙和增強型機艙由于LNG發(fā)動機本身的安全防護功能不完備，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)計和施工難度大，船舶營運經(jīng)濟性差。

目前，國產(chǎn)LNG發(fā)動機獲得CCS型式認可的廠家主要有廣柴、濟柴、淄柴以及濰柴，主要產(chǎn)品有：廣柴230SG系列純氣體發(fā)動機，濟柴C190系列雙燃料發(fā)動機，淄柴雙燃料發(fā)動機，濰柴純氣體發(fā)電機組。但以上產(chǎn)品適用于布置在ESD機艙和增強型機艙。

2.4 燃料逃逸

LNG燃料發(fā)動機在燃燒過程中存在燃氣不完全燃燒的狀況，致使一部分天然氣燃料通過排煙管逃逸到大氣當中。天然氣的主要成分為CH4，屬于溫室氣體，溫室效應能力是CO2的21倍左右[5]，因此國產(chǎn)LNG燃料發(fā)動機需要通過技術(shù)手段控制燃氣逃逸量。目前國內(nèi)LNG燃料發(fā)動機尚無關(guān)于CH4排放的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

2.5 應用

目前，國產(chǎn)LNG燃料發(fā)動機以改造為主，處于試點安裝階段，尚無新建LNG動力船舶案例，國內(nèi)新建LNG動力船舶以及運輸船多采用WARTSILA等進口發(fā)動機。

3 結(jié)論

從國產(chǎn)LNG燃料發(fā)動機功率、調(diào)速特性以及

機艙布置等方面綜合考慮，國產(chǎn)LNG燃料發(fā)動機用作1 000 CBM LNG燃料加注船主機是可行的，但是國產(chǎn)LNG燃料發(fā)動機適用于ESD機艙或增強安全型機艙布置型式，船舶總體安全性水平低，設(shè)計和施工難度大，且沒有新建船舶應用經(jīng)驗，存在一定的應用風險。

[1] 馬志超.船舶發(fā)動機天然氣應用的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[2] 王 峰，澲繼林.LNG動力船舶發(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運輸船舶主要設(shè)備現(xiàn)狀研究報告[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)境保護技術(shù)及裝備學術(shù)年會,北京，1983.