LNG耙吸船動力裝置的特性分析及發動機選用

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，總結了耙吸船動力裝置形式及運行模式，對柴油機、雙燃料發動機、純氣體發動機的特性進行了比對，根據氣體發動機技術特點展望了氣體發動機的發展趨勢。研發具有自主知識產權的LNG耙吸船是國家發展的需要，并可進一步提高企業的營運效益。

LNG；動力裝置；耙吸船；綠色發展

0　引言

目前傳統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，減排已經成為國際社會的共同責任。隨著傳統化石燃料的日趨枯竭以及全球性排放問題的日益嚴重，國內外都在積極尋找及推廣更環保綠色清潔替代能源。

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

1　船用動力裝置的基本類型及特點

現代船舶動力裝置一般按其主發動機形式來分，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指標、經濟指標、性能指標。三指標是標志動力裝置基本性能的代表性參數，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缺點及世界制造技術的發展現狀，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，據統計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%。今后隨著技術的進步及新能源的開發利用，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，所需投入運行的設備不一樣，要求的總功率也不一樣，這就要求系統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速特性既要滿足推進特性的要求，又要滿足驅動泥泵的特性要求。近10 a新造的耙吸船的動力系統都采用復合驅動技術，僅運行主機就可以滿足不同作業工況下對全船動力的需求，減少柴油機裝船臺數和裝船功率，優化配置，便于操縱管理，既降低了能耗，也減少了初投資，更節省了營運成本，從而獲得更加明顯的經濟效益。所謂“一拖三”復合驅動形式，即每臺主柴油機飛輪端通過高彈性聯軸節及1臺內置摩擦離合器的推進齒輪箱驅動1套可調螺距螺旋槳裝置；推進齒輪箱的輸出端設有動力輸出軸（PTO）通過高彈性聯軸節驅動主發電機；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）驅動1臺泥泵[2]?！耙煌隙睆秃向寗有问剑旧贤耙煌先?，所不同是泥泵由變頻電機驅動。見圖1。

圖1　“一拖三”復合驅動示意圖Fig.1　Schematic diagram of a compound drive system with one engine driving three separate devices

3　LNG耙吸船船用發動機的發展歷程及特性分析

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，但隨著技術的進步、綠色環保意識的增強，研發高效、節能、綠色環保的耙吸船是大勢所趨。但由于使用LNG燃料的發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、雙燃料發動機、純氣體發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“高效、節能、綠色環?！钡囊骩3]。

3.1柴油機、雙燃料發動機、純氣體發動機的特性比對

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

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

3.2氣體發動機技術特點

LNG氣體燃料發動機按其燃-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。單燃料純氣體發動機一般是采用火花塞點燃，而雙燃料發動機則是通過柴油引燃。目前成熟的主流大功率氣體發動機一般都采用了以下技術：

1）稀薄燃燒技術

船用發動機一般都有較高的增壓度，以提高發動機功率，但是較高的增壓度容易造成預混合氣爆燃，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動機上不能采用當量比燃燒，而應采用稀薄燃燒方式[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，這樣可以使氣缸內混合氣體的燃燒溫度降低，燃空混合氣發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）預燃室點火技術

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域內都是同一性質，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動機一般會將燃燒區域分割，形成預燃室和主燃室。在預燃室內采用稍濃的混合氣，當預燃室內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。

點火技術是實現主燃燒室混合氣正常燃燒的關鍵，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燃室火花塞點火技術；部分大缸徑天然氣發動機上，由于需要有足夠的引火能量，采用柴油微噴引燃點火技術（點火油）。

3）空燃比優化控制技術

氣體發動機與柴油機一樣，為了確保發動機良好的啟動、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速相對應的空燃比（過量空氣系數），以保證發動機在全部工況范圍內的可靠運行。按照各缸工作過程狀態分別實現對各缸天然氣的精確噴射控制，實現隨發動機負荷變化完成相應計量的天然氣噴射，確保各個工況點的可燃氣與空氣量滿足各個工況點相應數值的空燃比要求，實現全工況穩定運行。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氣體發動機的發展趨勢

氣體發動機經歷如表3的發展階段，發展趨勢為逐步向稀薄燃燒的純氣體機發展。

表3　氣體發動機的發展歷程Table 3　Development of gas engines

4　結語

雖然純氣體機在經濟性、響應特性等方面優于雙燃料發動機，但由于技術成熟度、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。雙燃料發動機是在普通柴油機的基礎上，對控制系統、進氣系統等主要系統及部件進行優化設計及選型，既保證發動機在正常負荷下以LNG為主要燃料，還能在純柴油狀態下正常運行，同時為了彌補雙燃料發動機動態性能這一缺點，目前采用先進的電子控制技術，故雙燃料發動機在具有氣體機靜態平穩性的同時，還具有柴油機的動態快速響應性能，它的動力性能好，尤其抗沖擊載荷能力強，運轉時純柴油和雙燃料之間切換非常之方便。

參考資料：

[1]徐筱欣.船舶動力裝置[M].上海：上海交通大學出版社，2007. XU Xiao-xin.Marine power plant[M].Shanghai:Shanghai Jiao Tong University Press,2007.

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[3]馮立巖.我國氣體燃料大型船用主機發展策略探討[J].柴油機，2011（5）：6-10. FENG Li-yan.Domestic development strategy of gas-fuelled large marine main engine[J].Diesel Engine,2011(5)：6-10.

[4]孫慧慧，王天又，張海巖.高壓縮比稀薄燃燒天然氣發動機的燃燒與排放特性[J].天然氣工業，2013（2）：90-94. SUN Hui-hui,WANG Tian-you,ZHANG Hai-yan.Combustion and emission characteristics of lean-burn natural gas engines with a high compression ratio[J].Natural Gas Industry,2013(2)：90-94.

[5]李斌.雙燃料發動機的工作原理及排放控制[J].世界海運，2012（5）：39-41. LI Bin.Working principle and emission control of dual fuel engine [J].World Shipping,2012(5):39-41.

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，主要從事船舶設備與港口航道工程技術管理工作。E-mail：zss@checd.com