船用氣體燃料發動機技術對比及應用

王連佳，何金平，王炳軒，張 龍，徐漸晗

船用氣體燃料發動機技術對比及應用

王連佳1，何金平1，王炳軒1，張 龍1，徐漸晗2

（1. 中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300457；2. 中海油天津化工研究設計院有限公司，天津 300131）

對現有不同形式的船用氣體燃料發動機的技術性能以及安全性和可靠性進行對比分析，總結出現有各品牌氣體燃料船舶發動機的優劣勢和應用情況。為船舶建造動力系統設計過程選擇合適型號的氣體燃料發動機提供借鑒。

天然氣 氣體燃料發動機 可靠性

0 引言

天然氣燃料作為一種清潔的能源，其在船舶海運領域的運用越來越受到的青睞。氣體燃料發動機作為船舶燃用天然氣的一種安全可靠和高效率的動力裝置，隨著技術的進步，已逐步被市場接受。首先在LNG運輸船舶上面得到了廣泛的使用，在新造船市場已全面替代了原雙燃料鍋爐和蒸汽透平的動力系統。

天然氣作為船用燃料具有很好的環境友好性能，但是大部分的船東對采用天然氣作為船舶的主要燃料還持觀望態度。其中一個重要原因在于，新型的雙燃料動力系統往往可選的供應商少，初始投資高。因此，有必要對雙燃料動力系統的安全性、可靠性及經濟性進行調研和評估。

1 氣體燃料發動機技術與發展現狀

按照發動機在氣體模式下運行的基本原理，氣體燃料發動機可分為低壓燃氣發動機和高壓燃氣發動機。低壓系統的發動機遵循奧托循環運行，高壓系統的發動機遵循柴油循環運行，這兩種不同循環的發動機有著不同性能特點。現船用氣體燃料發動機的市場主要由以低壓系統為代表的Wartsila和以高壓系統為代表的MAN兩大傳統船用發動機制造商所壟斷，另外，還包括主推低壓單氣體燃料發動機的Rolls-Royce、低壓雙燃料系統的MAK及部分日韓的發動機制造廠。

1.1 低壓氣體燃料發動機

低壓氣體燃料發動機指燃氣進入發動機氣缸的壓力較低,對于中速的氣體燃料發動機來說通常為5 barg左右,而低速氣體燃料發動機的進氣壓力為16 barg左右。其進入氣缸的時間處于吸氣循環，與燃燒空氣按一定需要的比例一起混合后進入氣缸，通過進氣電磁閥的正時時間來控制燃氣進氣量，那么在接下來的壓縮循環時，壓縮的為燃氣和空氣的混合氣體，這個就是低壓燃氣發動機與常規柴油機和高壓燃氣發動機的最大區別，后者壓縮的僅僅為空氣，燃料是在壓縮循環的上止點瞬間噴入的。低壓燃氣發動機是按奧托循環運行的。如圖1、圖2、圖3：

圖1 低壓四沖程雙燃料發動機循環

圖2 低壓四沖程氣體單燃料發動機循環

圖3 低壓二沖程雙燃料發動機循環

對于按奧托循環運行的低壓燃氣發動機來說，其最關鍵的技術為在不同的負荷下精確的控制進入氣缸的空氣和燃料比例，如圖4。

圖中可以看出，一旦空燃比控制不好，就會進入爆燃區或不著火區域，這樣的話發動機就無法正常工作了，對于雙燃料發動機來說，其將自動切換至燃油模式運行，以保證發動機輸出的功率保持不變，確保船舶的安全。而對于單燃料的發動機來說，其將會自動降低負荷，以保證發動機本身不至于損壞。在外界負荷瞬間變化時，保持快速的響應，對于現代高增壓高效率的發動機來說，增壓器的性能是至關重要的，另一關鍵技術是供氣系統的響應能力，要求其在外界負荷變化時，迅速的調整供氣壓力至需要的值。增壓器的響應能力直接決定了燃氣發動機的熱效率，較高響應能力的增壓器可以使發動機的平均有效壓力上升，以得到高的熱效率，其可以運行在圖中上部爆燃區和不著火區之間較狹窄區域，而不會由于外界負荷的變化而進入兩邊區域[1]。高的效率意味著較高的燃油經濟性，較高的市場競爭力。由于低壓燃氣發動機按奧托循環運行，在實際運行發動機可以采用貧然技術，控制空氣量略大于燃氣正常燃燒所需空氣量，使氣缸內混合氣體處于稀薄燃燒狀態，燃燒的最高溫度相較于柴油循環要較低很多，直接導致NOx的生成量大大的降低，可直接滿足IMO Tier III的排放要求[2]。如圖5。

圖4 低壓雙燃料發動機運行圖

圖5 發動機燃燒溫度對比圖

采用奧托循環的燃氣發動機還有一個明顯的局限為對燃氣甲烷值的要求較高，按國際上主流雙燃料發動機制造廠的推薦，通常要求燃氣的甲烷值不小于80[3]，如果使用甲烷值較小的燃氣，那么必須降功率使用，否則將導致發動機的運行故障，如爆燃敲缸等故障。如圖6。

低壓燃氣發動機還有一個弱點是相對較低的加載能力[4]，主要還是因為奧托循環的發動機必須精確的控制空燃比，大于其能力的外界負荷加載，將導致增壓器無法及時跟進來提供足夠的燃燒空氣，從而使空燃比落入爆燃區域，使發動機出現敲缸故障而無法正常工作。如圖7為燃氣發動機通常的加載能力。

圖6 低壓雙燃料發動機降功率圖

圖7 低壓雙燃料發動機加卸載能力圖

1.2 高壓氣體燃料發動機

高壓燃氣發動機特指有德國MAN公司開發推出的高壓雙燃料低速柴油機，燃氣進氣壓力高達300barg[5]。發動機的兩個運行模式均按柴油循環運行。如圖8。

由于燃氣模式下的運行采用的依然是燃油模式運行的柴油循環，其燃氣模式運行的特性與燃油模式一致，包括熱效率、加載能力等。而主要的缺點為超高的供氣壓力，給外部供氣系統的設計帶來很大的挑戰，而高壓的供氣系統也將消耗一定能量，而導致全船整體燃油消耗增加。相對于低壓燃氣發動機來說，由于采用柴油循環運行燃氣模式，其排放標準依然只能滿足IMO Tier II的要求，需要加設后處理裝置才能滿足Tier III的要求[6]。

圖8 高壓二沖程雙燃料發動機循環

2 不同設計氣體燃料發動機的對比

通過以上技術原理，不同設計型式的氣體燃料發動機主要特點對比見表1。

3 各主要發動機制造廠氣體發動機

相對于國外主流船用發動機制造廠的技術，國內船用發動機制造廠在燃氣發動機的技術上還處于較落后狀態，主要反應在安全性、可靠性和經濟性方面[7]。國內發動機制造廠推出的燃氣發動機還無法應用到海洋船舶上面。線面將主要列舉國際上知名船用發動機制造廠推出的主流燃氣發動機，對其進行對比。

目前，燃氣發動機的制造廠家及其主推產品如:表2。

表1 不同模式氣體發動機性能對比表

從表2可以得出，在中速機市場各大制造廠均采用了按奧托循環工作的低壓技術，其主要區別在于各自熱效率不同，代表了其是否處于技術領先位置。需要特別指出的是僅Rolls-Royce采用單燃料氣體發動機，其優點是單一燃料下增壓器效率可以僅按氣體燃料模式優化，可以使熱效率達到最大化，而缺點是無冗余度，對于海洋運輸船來說，能夠有足夠的冗余度是大洋航行的安全保證。

表2 氣體發動機主要制造商

在低速機市場還是有傳統的兩大船用發動機機制造廠壟斷，Wartsila基于自己在中速低壓雙燃料發動機的技術和市場領先優勢推出了采用低壓奧托循環的低速雙燃料發動機。MAN基于自己在低速大功率柴油機的技術和市場壟斷地位，推出高壓柴油循環的低速雙燃料發動機，技術根植于其船用低速機的先進技術，有一個優點是此技術可改造老船上低速柴油機，從而實現船舶使用低價格的LNG燃料，以節省船東費用。

下面按中速低壓技術和低速高低壓技術對比各大制造廠家發動機的各項指標的優缺點。中速低壓技術發動機對比如表3，低速雙燃料發動機對比如表4。

表3 （專題七）四沖程雙燃料發動機產品對比表

表4 （專題七）二沖程雙燃料發動機產品對比表

4 各類氣體發動機的運用現狀

目前氣體燃料發動機市場正處于快速發展的初期。在中速機市場主要還是被技術先行的Wartsila和MAN兩個巨頭掌握。

從上述對比可以看出Wartsila在雙燃料發動機技術上是相對領先的，其市場占有率也說明了這一點。相對其它制造廠的優點主要體現在如下兩個方面：

1）熱效率較高。由于采用了較高的壓縮比，其平均有效壓力普遍要比競爭對手高，直接的效果是單位能耗較低，熱效率高。燃料經濟性要普遍高出其它廠家的產品。

2）產品的覆蓋面廣，在各個功率段都有其產品，基本覆蓋了氣體燃料發動機的船舶運用市場。

在中速低壓船用雙燃料發動機市場，Wartsila為這個市場的技術探索和開發廠家，一直處在技術和市場的領先地位。MAN作為在船用柴油機市場上主要的競爭者，其在低壓中速雙燃料發動機市場上的主要產品為51/60DF，憑借這一機型，其在采用DFDE（雙燃料電力推進系統）的大型LNG運輸船上已占領大部分市場。MAN的主要缺點為產品系列太單一化，僅在大功率的中速機上才能與Wartsila有一點競爭能力，在小功率范圍內基本無成熟的產品。

由于采用的是單燃料氣體發動機技術，Rolls-Royce的產品由于缺乏一定的冗余度，在遠洋海運船舶上基本無競爭力，其產品主要運用在短途運輸和作業的渡輪或港作拖輪上。

Cat MAK的產品基本按Wartsila的產品系列確定，但是作為市場的后來者，其技術和市場競爭力還處于非常弱勢狀態。

低速雙燃料發動機的市場還是處于待開發狀態，兩大制造廠均在基于自己的技術優點大力推廣自己產品。Wartsila已在2015.05正式交付了首臺低速雙燃料發動機，其被用于一條14000 m3的小型LNG運輸船上，是否可靠還需時間與市場來檢驗。MAN的高壓技術一直由于其高大300barg的供氣管路進入機艙而讓設計人員和船東所忌憚，但是隨著IGF規格的完善并通過，將在規范上保證高壓系統的安全性。

5 結論

對于船舶來說，選擇一套適合的氣體燃料發動機是非常重要的。對于氣體燃料發動機的選擇在考慮設備技術特點和性能指標的同時，還需要結合船舶自身所需的推進功率和用電功率、機艙布置、推進型式以及對可靠性和安全性的需求。通過各類氣體燃料發動機的技術原理、安全性、可靠性等方面的對比分析，結合各廠家現有機型的技術參數，找到了各品牌產品的優劣勢，為后續船舶建造氣體燃料發動機選型提供借鑒。鑒于船用氣體燃料發動機技術的諸多優點，今后將在更多船舶上得到應用。

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A Comparative Study and Application of Marine Dual Fuel Engines

Wang Lianjia1, He Jinping1, Wang Bingxuan1, Zhang Long1, Xu Jianhan2

(1.CNOOC Energy Technology &Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452； 2.CNOOC Tianjin Chemical Research and Design Institute Co., Ltd.）

U664.1

A

1003-4862（2021）06-0054-05

2021-04-21

王連佳（1988-），工程碩士，職稱工程師。研究方向：船舶機電設備管理。E-mail：wanglj60@cnooc.com.cn