鄭金龍，朱時茂

（中港疏浚有限公司，上?！?00136）

LNG耙吸船動力裝置的特性分析及發(fā)動機選用

鄭金龍，朱時茂

（中港疏浚有限公司，上海200136）

分析了船用動力裝置的基本類型及特點，總結(jié)了耙吸船動力裝置形式及運行模式，對柴油機、雙燃料發(fā)動機、純氣體發(fā)動機的特性進行了比對，根據(jù)氣體發(fā)動機技術(shù)特點展望了氣體發(fā)動機的發(fā)展趨勢。研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的LNG耙吸船是國家發(fā)展的需要，并可進一步提高企業(yè)的營運效益。

LNG；動力裝置；耙吸船；綠色發(fā)展

0　引言

目前傳統(tǒng)化石燃料的大量使用是造成大氣污染及氣候惡化的主要原因之一，減排已經(jīng)成為國際社會的共同責(zé)任。隨著傳統(tǒng)化石燃料的日趨枯竭以及全球性排放問題的日益嚴重，國內(nèi)外都在積極尋找及推廣更環(huán)保綠色清潔替代能源。

耙吸船主要承擔(dān)港口、航道疏浚及海岸維護等作業(yè)，其排放直接影響施工區(qū)域及緊鄰城市的大氣質(zhì)量。隨著疏浚業(yè)的競爭日趨激烈，降低船舶營運成本是企業(yè)的立足之本。研究以天然氣為燃料的船舶動力裝置，研發(fā)高效、節(jié)能、綠色環(huán)保的耙吸船，不僅順應(yīng)國家綠色發(fā)展的需要，同時也可以進一步降低企業(yè)的營運成本，提高企業(yè)的營運效益，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)裝備保障。

1　船用動力裝置的基本類型及特點

現(xiàn)代船舶動力裝置一般按其主發(fā)動機形式來分，有柴油機動力裝置、蒸汽輪機動力裝置、燃氣輪機動力裝置、聯(lián)合動力裝置和核動力裝置，評判船舶動力裝置的性能指標一般可分為技術(shù)指標、經(jīng)濟指標、性能指標。三指標是標志動力裝置基本性能的代表性參數(shù)，可用來比較不同類型船舶動力裝置的特征，也可對同類型動力裝置設(shè)計方案作出評判比較。表1為4種動力裝置的特點比較[1]，綜合各類型動力裝置的優(yōu)缺點及世界制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，到目前為止，柴油機動力裝置在船舶動力裝置仍占著最重要的地位和份額，據(jù)統(tǒng)計98%以上的船舶使用柴油機作為動力裝置，裝船總功率達到90%。今后隨著技術(shù)的進步及新能源的開發(fā)利用，LNG氣體機將成為主要動力裝置。

表1　4種動力裝置特點比較Table 1　Comparison of characteristics of four kinds of power units

2　耙吸船動力裝置形式及運行模式

耙吸船由于其功能特點，有別于常規(guī)的運輸船舶，在運行過程中，主要有以下幾種工況：滿載/輕載航行、低速挖泥裝艙、抽艙排岸。不同的運行工況，所需投入運行的設(shè)備不一樣，要求的總功率也不一樣，這就要求系統(tǒng)的動力配置必須合理兼顧三種不同的工況，使得全船所耗的總功率大體上接近，同時要求柴油機的調(diào)速特性既要滿足推進特性的要求，又要滿足驅(qū)動泥泵的特性要求。近10 a新造的耙吸船的動力系統(tǒng)都采用復(fù)合驅(qū)動技術(shù)，僅運行主機就可以滿足不同作業(yè)工況下對全船動力的需求，減少柴油機裝船臺數(shù)和裝船功率，優(yōu)化配置，便于操縱管理，既降低了能耗，也減少了初投資，更節(jié)省了營運成本，從而獲得更加明顯的經(jīng)濟效益。所謂“一拖三”復(fù)合驅(qū)動形式，即每臺主柴油機飛輪端通過高彈性聯(lián)軸節(jié)及1臺內(nèi)置摩擦離合器的推進齒輪箱驅(qū)動1套可調(diào)螺距螺旋槳裝置；推進齒輪箱的輸出端設(shè)有動力輸出軸（PTO）通過高彈性聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動主發(fā)電機；每臺主柴油機前輸出軸還通過泥泵齒輪箱（雙速比減速齒輪箱）驅(qū)動1臺泥泵[2]?！耙煌隙睆?fù)合驅(qū)動形式，基本上同“一拖三”，所不同是泥泵由變頻電機驅(qū)動。見圖1。

圖1　“一拖三”復(fù)合驅(qū)動示意圖Fig.1　Schematic diagram of a compound drive system with one engine driving three separate devices

3　LNG耙吸船船用發(fā)動機的發(fā)展歷程及特性分析

目前除了在建的耙吸船，所有耙吸船的動力都是使用化石燃料的柴油機，但隨著技術(shù)的進步、綠色環(huán)保意識的增強，研發(fā)高效、節(jié)能、綠色環(huán)保的耙吸船是大勢所趨。但由于使用LNG燃料的發(fā)動機的動力特性不同于使用化石燃料的柴油機的動力特性，故有必要對柴油機、雙燃料發(fā)動機、純氣體發(fā)動機的性能進行對比分析以獲得最佳的動力配置，既滿足耙吸船固有的特性要求，同時也能實現(xiàn)“高效、節(jié)能、綠色環(huán)?！钡囊骩3]。

3.1柴油機、雙燃料發(fā)動機、純氣體發(fā)動機的特性比對

LNG燃料發(fā)動機在經(jīng)濟性和社會效益等方面與柴油機相比具有較明顯的優(yōu)勢：近幾年來，世界主要船用柴油機廠商相繼研發(fā)了LNG氣體燃料動力發(fā)動機，Wartsila、MAN、Rolls-Royce（R-R）、Caterpillar等公司在氣體發(fā)動機的研制與開發(fā)上取得了很大進步。船用氣體發(fā)動機主要有單燃料和雙燃料兩種，綜合各廠商研發(fā)的發(fā)動機性能，為選擇合適的動力裝置提供決策依據(jù)，見表2。

表2　柴油機、雙燃料發(fā)動機、純氣體發(fā)動機的特性對比Table 2　The comparison of characteristics of diesel engine，dual fuel engine，pure gas engine

3.2氣體發(fā)動機技術(shù)特點

LNG氣體燃料發(fā)動機按其燃-空混合氣的著火方式主要可分為點燃式和柴油引燃式兩種。單燃料純氣體發(fā)動機一般是采用火花塞點燃，而雙燃料發(fā)動機則是通過柴油引燃。目前成熟的主流大功率氣體發(fā)動機一般都采用了以下技術(shù)：

1）稀薄燃燒技術(shù)

船用發(fā)動機一般都有較高的增壓度，以提高發(fā)動機功率，但是較高的增壓度容易造成預(yù)混合氣爆燃，因為氣體燃料的抗爆性能比柴油差。因此，在大功率的氣體燃料船用發(fā)動機上不能采用當量比燃燒，而應(yīng)采用稀薄燃燒方式[4]。

稀薄燃燒就是供給過量的空氣，增大混合氣空燃比。燃氣燃燒釋放的一部分熱量用來加熱多余的空氣，這樣可以使氣缸內(nèi)混合氣體的燃燒溫度降低，燃空混合氣發(fā)生遠端自燃的可能性也降低，抑制了爆燃的傾向性，也減少了氮氧化物排放，有條件在采用較高的增壓比時仍保持發(fā)動機較大的壓縮比，從而保持較高的熱效率。圖2為稀薄燃燒工作示意圖。

圖2　稀薄燃燒工作示意圖Fig.2　Schematic diagram of combustion with Lean-gas

2）預(yù)燃室點火技術(shù)

氣體燃料抗爆性比柴油機差，而著火溫度反而比柴油要高，這決定了單一燃料純氣體發(fā)動機不能再采用壓縮燃燒的方式工作，而一般采用點火的方式。

然而如果燃空混合氣在整個燃燒區(qū)域內(nèi)都是同一性質(zhì)，火焰的傳播速度就較慢、燃燒過程長、后燃嚴重、熱負荷和排溫較高。所以，單燃料船用純氣體發(fā)動機一般會將燃燒區(qū)域分割，形成預(yù)燃室和主燃室。在預(yù)燃室內(nèi)采用稍濃的混合氣，當預(yù)燃室內(nèi)的混合氣體被點燃后，高溫高壓的燃氣高速進入主燃室，為其提供較大的點火能量，并形成強烈的紊流，迅速點燃主燃室。

點火技術(shù)是實現(xiàn)主燃燒室混合氣正常燃燒的關(guān)鍵，特別是當混合氣中的可燃氣比較稀薄時。目前使用最為普遍的是采用預(yù)燃室火花塞點火技術(shù)；部分大缸徑天然氣發(fā)動機上，由于需要有足夠的引火能量，采用柴油微噴引燃點火技術(shù)（點火油）。

3）空燃比優(yōu)化控制技術(shù)

氣體發(fā)動機與柴油機一樣，為了確保發(fā)動機良好的啟動、部分負荷和額定工況性能，LNG純氣體機在各種工況下需要采用與負荷和轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的空燃比（過量空氣系數(shù)），以保證發(fā)動機在全部工況范圍內(nèi)的可靠運行。按照各缸工作過程狀態(tài)分別實現(xiàn)對各缸天然氣的精確噴射控制，實現(xiàn)隨發(fā)動機負荷變化完成相應(yīng)計量的天然氣噴射，確保各個工況點的可燃氣與空氣量滿足各個工況點相應(yīng)數(shù)值的空燃比要求，實現(xiàn)全工況穩(wěn)定運行。圖3為W?RTSIL?DF機型的燃氣、點火油噴射控制原理圖[5]。

圖3　燃氣、點火油噴射控制原理圖Fig.3　Schematic diagram of control of gas and ignition oil injection

3.3氣體發(fā)動機的發(fā)展趨勢

氣體發(fā)動機經(jīng)歷如表3的發(fā)展階段，發(fā)展趨勢為逐步向稀薄燃燒的純氣體機發(fā)展。

表3　氣體發(fā)動機的發(fā)展歷程Table 3　Development of gas engines

4　結(jié)語

雖然純氣體機在經(jīng)濟性、響應(yīng)特性等方面優(yōu)于雙燃料發(fā)動機，但由于技術(shù)成熟度、認知度及配套加氣站等因素的影響，目前選用雙燃料機居多，但隨著時間的推移，純氣體機必將是今后的主流。雙燃料發(fā)動機是在普通柴油機的基礎(chǔ)上，對控制系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)等主要系統(tǒng)及部件進行優(yōu)化設(shè)計及選型，既保證發(fā)動機在正常負荷下以LNG為主要燃料，還能在純柴油狀態(tài)下正常運行，同時為了彌補雙燃料發(fā)動機動態(tài)性能這一缺點，目前采用先進的電子控制技術(shù)，故雙燃料發(fā)動機在具有氣體機靜態(tài)平穩(wěn)性的同時，還具有柴油機的動態(tài)快速響應(yīng)性能，它的動力性能好，尤其抗沖擊載荷能力強，運轉(zhuǎn)時純柴油和雙燃料之間切換非常之方便。

參考資料：

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Characteristic analysis of power unit for LNG-fueled trailing suction hopper dredger and discussion on selection of engine

ZHENG Jin-long，ZHU Shi-mao
（CHEC Dredging Co.,Ltd.,Shanghai 200136,China）

The basic types and features of power units for ships are analyzed with a summary of the types and operation modes of power units for trailing suction hopper dredgers and a comparison of the characteristics of diesel engines,dual fuel engines and full-gas engines.The development trend of gas fueled engines is predicted and discussed according to the technical characteristics of gas fueled engines.Development of LNG-fueled trailing suction hopper dredgers with independent intellectual property rights conforms to the demand of national development,and further improves the operational efficiency and benefits of dredging enterprises.

LNG;power unit;trailing suction hopper dredger;green development

U615.351.2

A

2095-7874（2016）09-0069-04

10.7640/zggwjs201609017

2016-02-25

中國交通建設(shè)股份有限公司重大科研項目（2014-ZJKJ-04）

鄭金龍（1963— ），男，浙江臺州人，高級工程師，主要從事船舶設(shè)備與港口航道工程技術(shù)管理工作。E-mail：zss@checd.com