船用天然氣發(fā)動機(jī)現(xiàn)狀和未來趨勢分析研究

方小明

福建船政交通職業(yè)學(xué)院 福建 福州350007

當(dāng)前船舶在海上航行時(shí)燃用重油,機(jī)動航行時(shí)燃用柴油,但使用天然氣作為原動機(jī)的燃料已經(jīng)很久了,尼古拉斯·奧托在1876年發(fā)明的發(fā)動機(jī)是用煤氣驅(qū)動的,如今船用柴油機(jī)還是靠奧拓循環(huán)來運(yùn)轉(zhuǎn)的。所有的原動機(jī)都可以使用液體燃料和氣體燃料。柴油機(jī)以其相對低廉的成本和較高的燃油效率成為船舶應(yīng)用的主要發(fā)動機(jī)技術(shù)。

1 船用天然氣發(fā)動機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 天然氣發(fā)動機(jī)技術(shù) 內(nèi)燃機(jī)以氣體燃料為燃料的技術(shù)有三種:稀燃火花點(diǎn)火式純天然氣、雙燃料柴油引燃和直噴柴油引燃。發(fā)動機(jī)技術(shù)也可分為發(fā)動機(jī)采用哪種熱力循環(huán),奧托循環(huán)還是柴油循環(huán)。兩個循環(huán)的基本特征如下:1)奧托循環(huán),燃油噴射在壓縮開始之前,燃料與空氣混合并進(jìn)入氣缸,燃燒由點(diǎn)火源開始,通常是電火花或噴射先導(dǎo)油。2)柴油循環(huán),燃油噴射在壓縮沖程結(jié)束時(shí),燃料首先進(jìn)入氣缸,柴油燃燒通常由燃料自燃開始,也稱為壓燃。

運(yùn)行中的所有使用天燃?xì)庾鳛槿剂系拇系陌l(fā)動機(jī)都是純?nèi)細(xì)獍l(fā)動機(jī)或雙燃料四沖程中速發(fā)動機(jī)。可用于海運(yùn)市場的天燃?xì)獍l(fā)動機(jī)技術(shù)見表1。

表1 天然氣發(fā)動機(jī)技術(shù)

使用奧托循環(huán)運(yùn)行的發(fā)動機(jī)使用預(yù)混合空氣/燃油充注,這會導(dǎo)致以下兩個問題,這是柴油循環(huán)燃?xì)獍l(fā)動機(jī)所沒有的:1)對氣體質(zhì)量的敏感性:甲烷值較低的燃料會增加爆震的敏感性。2)甲烷泄漏:不完全燃燒產(chǎn)生的未燃燒燃料將從排氣中逸出,并釋放到大氣中,除非通過后處理去除。所有主要的發(fā)動機(jī)制造商都為天然氣發(fā)動機(jī)提供不同的選擇和尺寸,無論是純天然氣發(fā)動機(jī)還是雙燃料發(fā)動機(jī)。

1.2 純天然氣發(fā)動機(jī) 該發(fā)動機(jī)可用于船舶市場,并已應(yīng)用于許多現(xiàn)有的氣體燃料船舶柴油電力和機(jī)械推進(jìn)裝置。燃?xì)獯系拇蠖鄶?shù)燃?xì)獍l(fā)動機(jī)都是中速發(fā)動機(jī)。可用船用發(fā)動機(jī)的功率范圍約為500 k W至近10000 k W,每缸功率高達(dá)近500 k W。

在船舶市場上使用純天然氣發(fā)動機(jī)的主要制造商有勞斯萊斯和三菱。

1.3 雙燃料四沖程發(fā)動機(jī) 顧名思義,雙燃料發(fā)動機(jī)既可以使用燃?xì)?也可以使用柴油,或者使用柴油和燃?xì)獾哪撤N組合。在現(xiàn)代雙燃料發(fā)動機(jī)上,燃料之間的切換或更換被認(rèn)為是無縫的,發(fā)動機(jī)的運(yùn)行不應(yīng)中斷。可用船用發(fā)動機(jī)的功率范圍約為500 k W至18000 k W,每缸功率高達(dá)1000 k W。MAN、瓦錫蘭和卡特彼勒馬克是船用雙燃料四沖程發(fā)動機(jī)的主要制造商。

2 船用天然氣發(fā)動機(jī)未來趨勢分析

2.1 充足的頁巖氣資源將繼續(xù)促進(jìn)天然氣(LNG)發(fā)動機(jī)的發(fā)展隨著美國頁巖氣革命的成功及在其他國家的推廣,目前已探明的頁巖氣儲量已經(jīng)和天然氣儲量相當(dāng),以甲烷為主要成分的頁巖氣和天然氣能源儲量已是原油的近兩倍。天然氣的開發(fā)成果也推動全球能源結(jié)構(gòu)調(diào)整,全球能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中天然氣消費(fèi)占能源消費(fèi)總量的24%,而我國僅有5.4%,表明我國未來的天然氣消費(fèi)需求還有很大上升空間。

2.2 環(huán)保壓力將推動天然氣(LNG)發(fā)動機(jī)的推廣 在國際上,船用燃料已經(jīng)成為對海洋和大氣的污染的重要成因,國際海事組織(I MO)已出臺規(guī)定對于船舶排放也分階段計(jì)劃制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)在相關(guān)海域設(shè)定排放控制區(qū)(ECA),嚴(yán)格控制硫氧化物、氮氧化物的排放,這些都對船舶廢物排放提出嚴(yán)格要求。國內(nèi)雖然沒有設(shè)定排放限制法規(guī),但隨著近年來空氣污染越來越嚴(yán)重 汽車、船舶等交通工具的減排問題也日益受到關(guān)注。作為清潔燃料的天然氣(LNG)在這方面具備優(yōu)勢,據(jù)測算相同情況下使用LNG可以減少60%～70%氮氧化物、15%～20%的二氧化碳和幾乎全部硫化物的排放,有效達(dá)到減排的目的。

2.3 經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢將提高天然氣(L NG)發(fā)動機(jī)裝船量 不論是在國際還是在國內(nèi)能源市場上,LNG 相比于成品油燃料均有價(jià)格優(yōu)勢。根據(jù)國內(nèi)LNG 動力船舶試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn),按照當(dāng)前柴油和LNG的價(jià)格,使用混合燃料模式行駛比全柴油模式燃料成本降低20%以上,且混合燃料模式延長了發(fā)動機(jī)使用壽命,機(jī)油消耗降低10%以上,發(fā)動機(jī)維護(hù)費(fèi)用降低30%以上。以“蘇宿貨1260號”的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),內(nèi)河3000噸級船舶,改造成本大概22萬元,按70%的替代率計(jì)算,燃料綜合節(jié)約率為17.8 %,年節(jié)約燃料成本約10.5 萬。目前世界主要柴油機(jī)廠商競相開發(fā)天然氣(LNG)發(fā)動機(jī),船東在新造船舶時(shí)也在考慮選用天然氣(LNG)發(fā)動機(jī)。因此,天然氣(LNG)發(fā)動機(jī)具有廣闊的前景。

4 LNG 基礎(chǔ)設(shè)施將會不斷完善,從而打消船東對LNG 船舶的后顧之憂

由于LNG 大量攜帶不方便,船舶尤其是大型遠(yuǎn)洋船舶如何進(jìn)行LNG燃料補(bǔ)給是海事界十分關(guān)注的問題。目前海上供氣裝置的缺乏是制約海運(yùn)行業(yè)推廣使用LNG的一大瓶頸。但隨著各國對LNG燃料的重視,LNG 基礎(chǔ)設(shè)施會不斷完善。此外,采用小型LNG船進(jìn)行燃料補(bǔ)給,是目前較為可行的方案。根據(jù)目前挪威的一些成功案例,以LNG為燃料的船舶在靠泊,可通過岸上的管道補(bǔ)充燃料,而 當(dāng)船舶在海上營運(yùn)時(shí) 則可通過小型的LNG船來實(shí)現(xiàn)燃料補(bǔ)給。根據(jù)DNV等機(jī)構(gòu)的預(yù)測 今后海上LNG補(bǔ)給裝置也有望進(jìn)一步增加。可以預(yù)計(jì),在這些利好因素的推動下,未來LNG 燃料在海運(yùn)業(yè)的應(yīng)用范圍將會得到不斷拓展。

當(dāng)然使用液化天然氣作為燃料的船舶安全也面臨挑戰(zhàn):火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn);液化天然氣處于液態(tài)或冷態(tài)時(shí)會產(chǎn)生嚴(yán)重的冷損傷;油箱容量大;船側(cè)和船底防護(hù)(碰撞和擱淺)等。因此國際海事組織的臨時(shí)指導(dǎo)方針和即將出臺的IGF規(guī)范的重點(diǎn)是通過規(guī)定液化天然氣燃料船舶和船上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求來規(guī)定所需的屏障,以降低風(fēng)險(xiǎn)水平。船級社正在通過制定人員認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)、推薦做法和培訓(xùn)課程來解決這一問題。船用燃?xì)鈪f(xié)會(SGM F)的成立,預(yù)計(jì)也將促進(jìn)能力發(fā)展,因?yàn)槠渲幸粋€目標(biāo)是制定將液化天然氣用作船用燃料的最佳做法。在美國,USCG已經(jīng)發(fā)布了與LNG燃料船舶操作和加油相關(guān)人員的政策函草案(USCG 草案PL第01-13號)。以培訓(xùn)所有參與LNG 燃料運(yùn)輸?shù)娜藛T,從設(shè)計(jì)師到應(yīng)急響應(yīng)人員。為了促進(jìn)液化天然氣燃料航運(yùn)的增長,必須優(yōu)先考慮和支持能力發(fā)展、人員認(rèn)證和培訓(xùn)計(jì)劃,這才能確保安全航行。