雙燃料發動機在耙吸挖泥船上的應用探討

王顯力 于再紅 張英捷

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

雙燃料發動機在耙吸挖泥船上的應用探討

王顯力 于再紅 張英捷

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

我國大氣污染日趨嚴重。耙吸挖泥船作為一種重要的航道疏浚船舶，若采用雙燃料發動機驅動，將有效減少廢氣的危害。文章通過對雙燃料發動機運行特性、耙吸挖泥船的工況特點研究，探討雙燃料發動機在挖泥船上的應用可行性，提出基本設計理念，并通過對目標船的運營成本進行經濟性分析，論述雙燃料發動機機在耙吸挖泥船上應用前景。

雙燃料發動機；液化天然氣；耙吸挖泥船；節能減排

引 言

據國際海事組織（IMO）統計，船舶排放的二氧化碳量占每年全球總排放量的6%，硫氧化物占全球總排放量的20%，氮氧化物量更是占30%，顯然，要想改善世界環境，改善船舶尾氣對大氣和海洋的污染是重要的一步。因此，國際海事組織對船舶航運的能耗和船舶排放污染指標進行嚴格限制，以有效地減少船舶排放性污染中一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物、硫氧化物等污染物的排放，規定從2012 年起，世界范圍內船用燃料油的硫含量降低22%以上［1］。液化天然氣（LNG）作為清潔能源（燃料）的船用發動機廢氣排放量降低，環保性能提高，能夠滿足IMO Tier Ⅲ排放標準要求，在各類船舶得到廣泛應用［2-3］。

耙吸挖泥船是一種重要的疏浚工程施工船舶，在沿海和內河疏浚航道、吹填造地、疏通港口航道、改善水源等工程中起到了重要作用。但是，由于船舶需要在內河或沿海施工，其排放廢氣中的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物、硫氧化物等環境的破壞影響比遠洋船舶更加明顯。因此，解決耙吸挖泥船發動機排放問題更具深遠意義。船舶設計師及發動機研發工程師一直致力于天然氣在疏浚船舶上的應用研究。本文根據中國交通建設股份有限公司科技研發項目《新建綠色能源大型耙吸挖泥船關鍵技術研究》下達研究任務，針對雙燃料發動機在耙吸挖泥船上的應用進行分析研究。

1 LNG及雙燃料發動機簡介

1.1 LNG簡介

天然氣是一種產生于氣田或油田的天然氣體，其成分因產地不同而有所差異，主要成分為甲烷及微量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及其他雜質如硫化氫、水分、二氧化碳、氮氣等，一般甲烷占90%以上［4］。甲烷（CH4）的碳氫元素比為1 ∶ 4，是碳氫比最低的物質，每單位碳排放產生的能量最高。使用LNG替代傳統燃油，二氧化碳排放量可降低25%～30%。而且天然氣在液化之前的預處理，可以將其中摻雜的二氧化碳、水分、硫化氫和其他硫化物等雜質先凈化去除掉。因此，LNG中幾乎沒有硫，基本上不存在SOX的排放。在LNG的燃燒過程中，可通過采用“稀薄燃燒”技術使其NOX的排放也很低（可降低85%～90%），同時，噪聲污染、煙塵、廢油水排放也大大降低。

1.2 LNG-燃油雙燃料發動機簡介

LNG雙燃料發動機與普通的燃油發動機結構上是相同的，雙燃料發動機以天然氣和柴油為燃料，以雙燃料模式工作時，以少量的柴油作為引燃油點燃氣缸內的天然氣和空氣的混合氣體，只是將其燃料系統增加天然氣模塊，變成柴油-LNG雙燃料混合燃燒系統。LNG雙燃料發動機共有三種運行模式：燃氣模式、燃油模式和后備模式。

（1）燃氣模式是主要運行模式。使用燃氣作為燃料，用點火油點火。此時燃燒天然氣和極少一部分燃油，這部分燃油用量約為燃油模式的1%。

（2）采用燃油模式，可以使用重油HFO或船用柴油MDO，點火油工作。

（3）后備模式使用重油HFO或船用柴油MDO，點火油不工作。

無論是在燃氣模式還是燃油模式運行，雙燃料發動機都能提供幾乎相同的輸出功率，但0～15%負荷區域只允許使用燃油模式。在80%負荷以下的工況，當接到外部指令時，自動切換成燃氣模式運行，并保持發動機輸出功率和頻率穩定。

0～15%負荷區域 系統起動時，總是使用燃油模式，在所有的氣缸工作都穩定后，啟用天然氣模式，以保證起動的安全和可靠。即使主機在氣體模式下起動，在15%負荷以下，2 min后仍會轉換到燃油模式。

15%～80%負荷區域 雙燃料發動機可以自動地從燃油模式轉換到天然氣模式運行，轉換時間約為1 min，天然氣逐漸替代燃油。

80%～100%負荷區域 系統可以燃氣模式或燃油模式運行，但只能從燃氣模式轉換為燃油模式，而無法逆向轉換。

在報警或接到外部指令的情況下，任何負荷工況都能自動瞬時（＜10 s）從燃氣運行模式切換成燃油運行模式，并保持發動機輸出功率和頻率穩定。

發生故障（天然氣供應中斷）時，雙燃料發動機可在任何負荷情況下立即自動從燃氣模式切換至燃油模式運行。

2 雙燃料發動機性能與耙吸挖泥船動力特性分析

耙吸挖泥船家族非常龐大，動力系統的配置也千差萬別，典型的動力系統配置有以下幾種：

（1）常規推進＋常規驅動；

（2）槳－主機－軸發“一拖二”型；

（3）槳/軸發－主機－泥泵“一拖三”復合驅動型式；

（4）全電動配置型。

各種船型都各有優缺點，設計中可根據施工的區域、初期投資、船員素質、及維護保養成本等方面進行選擇，本文不作過多比較。

相對于電力推進，發動機直接驅動泥泵對發動機的要求更高，由于泥泵工作的時候工況復雜引起泥漿的流量和濃度也不斷變化，泥泵在某一轉速下的特性，即流量與排壓、功率、效率的關系曲線構成泥泵的特性曲線（如圖1所示）。

圖1 典型泥泵特性曲線

泥泵在不同的轉速下有不同的特性曲線，但其變化規律相同。如果泥泵轉速變化范圍并不大，通常假定流量與轉速成正比，壓頭與轉速的平方成正比，功率與轉速的立方成正比，當轉速變化很小時，其效率考慮基本不變。因此，泥泵的特性曲線實際上是對應于不同轉速的一組曲線（如圖2所示）。

根據泥泵的特性，泥泵工作在最高效率范圍內時，其軸頭功率、扭矩和轉速間的關系見式（1）：

式中：P為發動機功率，kW；T為扭矩，Nm；n為發動機轉速，r/min。

圖2 不同轉速下的泥泵特性曲線

可見，隨著泥泵轉速的變化，泥泵可以在恒功率下工作也可以在恒扭矩下工作。雖然泥泵在恒功率條件下工作，其特性更平緩，生產效率更高；但如果驅動泥泵的發動機恒功率，就意味著當泥泵轉速下降則扭矩增加，曲軸受力過大，容易造成曲軸的損壞。因此，驅動泥泵的發動機需要具備恒扭矩特性，一般要求發動機80%～100%轉速范圍內有恒扭矩特性［5］，100%～110%轉速范圍內恒功率輸出（1 h/12 h）。

目前僅W?RTSIL? 34DF的雙燃料發動機直接驅動泥泵時在80%～100%轉速范圍內恒扭矩輸出在實船上得到了應用，其他無論是W?RTSIL? 46DF還是MAN 51DF或是其他雙燃料發動機，恒扭矩特性均未經過實船鑒定。故在目前技術條件下，宜采用“一拖二”驅動型式，即主機驅動可調螺距螺旋槳和軸帶發電機，電動機驅動泥泵，從而既能避免柴油機的恒扭矩需求，又可通過功率管理系統調整每臺發動機的突加負荷，有效解決雙燃料發動機在燃氣模式下加載特性“疲軟”的問題。雙燃料發動機的加載性能參見下頁圖3—圖5。

圖3 雙燃料發動機加載性能

圖4 雙燃料發動機燃油+氣體模式加載性能

圖5 雙燃料發動機燃氣模式加載性能

3 雙燃料發動機在耙吸挖泥船上的應用優勢

3.1 LNG氣罐及其加注站的布置

大型耙吸挖泥船現多采用“首樓”型式的總體布置，既可以提供良好的操作視線，也能有效減少機艙設備的振動對居住艙室及駕駛室各類儀器設備的影響，這樣LNG儲罐露天布置在船中部的泥艙甲板上，泥艙甲板與主甲板之間設開敞區域，從而使LNG儲罐與居住艙室、機器處所完全隔開，滿足《氣體燃料動力船檢驗指南》的要求。

根據防火區域劃分的要求，LNG加注站應為1類危險區域，可以將其布置在寬大的泥艙甲板上，即能靠近LNG儲罐，減少加注管線的距離，又能將加注站的通風系統與LNG儲罐的透氣系統一起延伸至安全保護區。

3.2 LNG加注

由于LNG需要超低溫（-164℃）保存，LNG的氣罐主要有以下幾種：

（1）薄膜型。容易晃蕩受傷，裝載量大。其蒸發率為0.14～0.2%/天。

（2）MOSS（球罐）型。不易晃蕩，蒸發率為0.14～0.2%/天。

（3）B 型罐。不易晃蕩，低壓，設計壓力為0.7 bar（0.07 MPa）。蒸發率為0.14～0.2%/天。

（4）TGE C型罐單葉或雙葉罐，不易晃蕩，設計壓力為4 bar（0.4 MPa）。蒸發率為0.21～0.23%/天。

可見，每種氣罐都有一定的蒸發率，且隨著氣罐內部溫度的上升，蒸發率會逐漸加大。因此，一般不會選擇很大的儲存罐，盡可能在1～2周內加注新的LNG來保證罐內的低溫特性。而用于航道疏浚的耙吸式挖泥船作業點一般離岸較近，可較便捷地靠近碼頭加注燃料，這比其他遠洋船舶具有得天獨厚的優勢。

3.3 應用情況

雙燃料發動機在各類船舶上已取得廣泛應用，在拖輪、貨輪、駁船、郵輪、小型客船、LNG船、海工生產平臺等各類船舶上均獲得廣泛應用。荷蘭皇家IHC船廠為DEME設計建造的世界首艘雙燃料耙吸挖泥船也即將投入運營，雙燃料發動機在耙吸挖泥船上的應用條件已經非常成熟。相信通過我們不斷地努力，在不久的將來，國內自主研發設計建造的雙燃料耙吸挖泥船也將亮麗呈現。

4 經濟性分析

雙燃料發動機與傳統燃油發動機之間的本質區別在于燃料的不同，下面以瓦錫蘭12V34DF雙燃料發動機作為研究對象進行經濟性分析。表1—表4分別為發動機主要參數、年使用成本（100%燃油模式）、年使用成本（雙燃料模式）以及目標船運營經濟性對比。

表1 發動機主要參數

表2 年使用成本（100%燃油模式）

表3 年使用成本（雙燃料模式）

表4 目標船運營經濟性對比

從表1—表4可以看出，每臺發動機在80%替代率下，目標船的年運營燃料費可節約30%以上，經濟效應可觀。

由此可見，每臺發動機在80%替代率下,目標船的年運營燃料費可節約30%以上，經濟效應十分可觀。

5 雙燃料動力船規范規則

隨著天然氣作為燃料越來越多的在船上應用，SOLAS公約（國際海上人民安全公約）也修訂了禁止船舶使用天然氣、乙醇、丙烷、丁烷等閃電低于60℃的燃料的規定，完善了天然氣燃料使用部分的相關要求，并修訂了相關規定。國外的船級社如挪威船級社也研究完善了各自的LNG燃料動力船標準，主要有挪威船級社（DNV）《氣體燃料動力裝置》、美國船級社（ABS）《氣體燃料動力船推進和輔助系統》、法國船級社（BV）《低壓氣體雙燃料發動機設計與安裝》以及日本船級社（NK）《氣體燃料動力船指南》。

中國船級社（CCS）近年來也迅速完善LNG燃料動力規范規則，制定了一系列技術文件：諸如《天然氣動力船規范》、《雙燃料發動機動力系統及設計安裝指南（2017）》、《氣體燃料動力船法定檢驗補充規定》、《民用LNG儲氣罐設圖原則》、《LNG/柴油雙燃料動力穿試點的技術要求》、《雙燃料動力船檢驗驗船師須知（2011）》等。因此，目前為配合LNG燃料動力船的規范規則已經初步形成，能夠全面指導船舶的設計、建造及檢驗，相信隨著雙燃料船舶的不斷建造，相關的規范規則會日趨完善，耙吸挖泥船作為一種特殊工程船舶，也能有完整的針對性規范規則指導具體的設計與建造。

6 雙燃料發動機的優缺點

6.1 優 點

6.1.1 維護性

使用雙燃料時發動機以天然氣為主要燃料，其主要成分為甲烷，甲烷燃燒的煙度幾乎為零，此時排氣煙度主要由引燃柴油產生，比燃油發動機大為降低，從而減少氣缸內的積碳和氣缸與活塞之間的磨損，大大延長了發動機的使用壽命及維修周期。

6.1.2 舒適性

雙燃料發動機氣缸內的爆炸壓力較低，振動和噪聲性能相比普通發動機要好，能夠為船員提供相對舒適的環境，符合以人為本的設計理念。

6.1.3 環保性

MARPOL公約附則VI規定，2016年1月1日及以后安裝的船舶柴油機在設定的氮氧化物排放控制區內必須遵循更為嚴格的“三級”標準。在排放控制區內，燃油的硫含量（以質量之比%為單位）必須低于0.10% m/m，而雙燃料發動機在燃氣模式下不需要任何處理即能滿足公約的要求。

圖6 雙燃料發動機相比柴油發動機的排放指標對比

6.2 缺 點

6.2.1 系統配置較復雜

與傳統燃油發動機相比，雙燃料發動機除了配置常規的燃油系統，還需要配置相應的燃氣系統，包括儲氣罐、氣化裝置、燃氣閥單元、雙壁燃氣管路等裝置，對通風、排氣、防爆安全系統以及操作管理等方面也有更多要求。

6.2.2 加載能力較弱

燃氣模式下發動機的加載速度明顯低于燃油模式，也就是說，在燃氣模式下運行時，機組對于突加載荷的承受能力較弱，尤其是在發動機直接驅動泥泵的情況下恒扭矩特性還需要不斷優化。

6.2.3 初投資較高

由于船舶需要設計燃油和LNG兩套燃料供應系統，以及配套LNG系統引起船舶系統的設計要求升級，故初期投資明顯高于常規發動機。

7 結 論

耙吸挖泥船是各類航道及疏浚工程的主要工具，而儲量巨大的天然氣又是一種清潔能源。兩者的完美結合既能滿足工程需求，又能夠滿足海上排放控制規則及減少溫室氣體減排。我們深信：在不久的將來，各類船舶將不再排放滾滾濃煙，雙燃料發動機會在各類船舶上推廣應用；在我們改造世界的同時，留給未來一個碧海藍天！

［1］劉西全，顏士芹，許文媛.節能減排環保背景下的船用雙燃料柴油機發展研究［J］.船舶工程，2014（1）：10-13.

［2］周志賢，楊令康，吳海榮.LNG 雙燃料動力船舶設計探討［J］.船海工程，2014（2）：154-156.

［3］孫小濰.雙燃料發電機在FLNG上的應用［J］.船舶，2015（3）：67-73.

［4］李斌.LNG作為船舶代用燃料的應用分析［J］.船舶機電技術，2012（1）：14-16.

［5］候曉明，朱榮，黃偉明.現代耙吸挖泥船節能減排技術的發展與應用［J］.水運工程，2013（1）：39-44.

Application of dual-fuel engine on trailing suction hopper dredgers

WANG Xian-li YU Zai-hong ZHANG Ying-jie
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The environmental pollution becomes increasingly serious in China.As an important waterway dredging ship, the trailing suction hopper dredger will effectively reduce the exhaust gas while it is powered by dual-fuel engine.This paper discusses the feasibility of the application of the dual-fuel engine on dredgers and proposes the basic design concept by the investigation of the running characteristics of the dual-fuel engine and the operation conditions of the trailing suction hopper dredgers.From the economic analysis of the target ship, it also presents the prospects of the dual fuel engine applied on the trailing suction hopper dredgers.

dual-fuel engine liquefied natural gas; trailing suction hopper dredger; energy saving and emission reduction

U664.1

A

1001-9855（2016）06-0050-06

2016-07-12；

2016-08-15

王顯力（1982-），男，工程師，研究方向：輪機設計研究。于再紅（1976-），女，研究員，研究方向：輪機設計研究。張英捷（1986-），男，工程師，研究方向：輪機設計研究。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.050