新燃料動力設(shè)備能效評估技術(shù)研究

中圖分類號：U664.12 文獻標志碼：A

0引言

IMOMEPC80次會議通過了《2023年IMO船舶溫室氣體減排戰(zhàn)略》，進一步收緊了國際航運溫室氣體減排要求，提出了在2050年或2050年左右實現(xiàn)凈零排放，戰(zhàn)略還指出到2030年零/近零排放技術(shù)、燃料和/或能源的應(yīng)用，在國際航運中的占比至少達到 5% ，并力爭達到 10% 。戰(zhàn)略進一步催化了新燃料主機在航運領(lǐng)域的應(yīng)用，越來越多的船東在新造船上選擇以甲醇為代表的雙燃料主機。

能效監(jiān)測是指對耗能設(shè)備的能量輸入輸出進行監(jiān)測，通過各種傳感器采集能效數(shù)據(jù)并進行相應(yīng)計算，以實現(xiàn)對能效的實時監(jiān)控、評估、管理等。ABB集團在芬蘭一艘豪華郵輪上安裝了船舶能效管理系統(tǒng)，包括自動化系統(tǒng)、船舶管理和控制系統(tǒng)，可以對船舶操作性能進行優(yōu)化，提升能源的利用效率，提高船舶設(shè)備的可靠性和操作安全性[1]。中遠海運集裝箱運輸有限公司和上海海事大學于2005年聯(lián)合研發(fā)了船舶燃油監(jiān)控系統(tǒng)，對油耗產(chǎn)生異常情況的原因進行分析，制定科學合理的調(diào)整方案，促進船舶節(jié)能減排[2]。在船舶燃油監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，雙方進一步開發(fā)了海運企業(yè)能效管理信息

系統(tǒng)，并通過了挪威船級社的系統(tǒng)認證[3。大連海事大學以“育鯤”輪為目標船，以能耗為主線，分析了在錨泊工況下發(fā)電機和燃油鍋爐的能量分布情況，繪制了發(fā)電機的能量流動圖譜，詳細分析了船舶在航行工況下的能耗分布和有效能利用情況[4。利用能效管理計劃方法，中遠海運集團開發(fā)設(shè)計了一種船舶智能能效管理系統(tǒng)，對主機、發(fā)電機等關(guān)鍵能耗設(shè)備功率參數(shù)進行監(jiān)測，基于狀態(tài)評估算法開展系統(tǒng)的節(jié)能潛力評估與實際節(jié)能效率計算。武漢理工大學在一艘內(nèi)河船舶上安裝了一套能效監(jiān)測系統(tǒng)，采集船舶油耗、軸轉(zhuǎn)速與扭矩等能耗數(shù)據(jù)，以及風速、風向、水深、水流速度等通航環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)計了數(shù)據(jù)庫對采集到的各類數(shù)據(jù)進行了存儲，并對采集到的數(shù)據(jù)進行了分析，為船舶能效進一步提升方法的研究提供理論支撐{。南通中遠海運川崎船舶工程有限公司為一艘13360TEU集裝箱船安裝了的智能船舶能效系統(tǒng)，包括燃油管理、遠程監(jiān)控、性能分析等功能。冰島Marorka公司研發(fā)了一套能效管理系統(tǒng)，并在一艘集裝箱船上進行了試驗，經(jīng)過連續(xù)2年的監(jiān)測表明，該系統(tǒng)可以起到船舶節(jié)省燃油的作用[8]。

目前，國內(nèi)外主要針對船舶的能效開展監(jiān)測與評估研究，國際標準化組織船舶與海上技術(shù)委員會正在編制船用設(shè)備能效標準（ISO8933），涉及5類船用設(shè)備組件與功能系統(tǒng)，但尚未有針對船舶主機的能效監(jiān)測與評估。以甲醇、液氨為代表的新燃料熱值均低于相同重量或者體積的燃料油，新燃料動力系統(tǒng)還需要較高的供給壓力，這也將帶來更多的能量消耗，針對性地開展能效監(jiān)測評估有助于準確衡量新燃料動力設(shè)備熱效率，對提升新燃料船舶動力設(shè)備能量轉(zhuǎn)化效率提供重要理論和技術(shù)支撐。

1新燃料主機及其輔助設(shè)備能效評估方法

1.1熱平衡分析方法

發(fā)動機的熱平衡主要研究其熱力循環(huán)工作過程中的“能流”分布及散失問題，由發(fā)動機工作原理可知燃料在氣缸內(nèi)燃燒之后釋放出熱量，其中一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿忧S的做功能量，一部分通過發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)散失掉，還有一部分由發(fā)動機排氣排出，發(fā)動機進氣壓縮過程的空氣冷卻也是發(fā)動機燃料熱量流失的一部分。總的來說，發(fā)動機做功、冷卻系統(tǒng)吸收的熱量（來自發(fā)動機摩擦、氣缸冷卻、增壓空氣冷卻等）、排氣組成了發(fā)動機的熱平衡模型的各部分熱量[9]。

熱平衡法遵循熱力學第一定律，對發(fā)動機整體輸入輸出的能量進行計算。輸入能量主要包括燃料的物理化學能以及空氣的物理能，燃料和空氣的物理能相比于化學能非常小，因此在計算過程中可以忽略不計。經(jīng)過一系列的變化，燃料的化學能最終變成發(fā)動機輸出的有效功以及熱，氣缸以及增壓器等運動部件的摩擦、部分燃燒過程產(chǎn)生的能量會以熱量的形式散失掉。此外，熱量損失還包括排氣熱以及高溫空氣冷卻熱損失。對于標準和安裝EGR冷卻器的發(fā)動機，能量流動如圖1所示。其中，潤滑油冷卻損失以及缸套水冷卻損失能夠體現(xiàn)缸內(nèi)高溫燃燒氣體的散熱損失以及所有摩擦引起的熱損失。

圖1標準發(fā)動機與EGR發(fā)動機的熱分布

建立發(fā)動機熱平衡模型有以下假設(shè)：

（1）發(fā)動機氣缸內(nèi)任一瞬時的工質(zhì)都是均勻的，且工質(zhì)為理想氣體，工質(zhì)的物性參數(shù)不隨發(fā)動機的運行工況改變，沒有工質(zhì)損失，即無泄漏；

（2）發(fā)動機除了熱輻射之外沒有其他傳熱損失，包括缸套水的傳熱、潤滑油的傳熱；

（3）發(fā)動機缸內(nèi)燃燒為準維燃燒模型。

發(fā)動機熱平衡能量守恒方程式為：

式中， Q_p 是燃料燃燒產(chǎn)生的熱量； Q_f 是引燃油燃燒產(chǎn)生的熱量； Q_e 是發(fā)動機輸出的有效功； Q_xp 是排氣中含有的熱量；Q_xl 是冷卻系統(tǒng)帶走的熱量，包括缸套水、空冷器和潤滑油帶走的熱量等； 是熱輻射等其他熱量損失，包含輔助機械損失等； Q_EGR 是EGR冷卻所帶走的熱量。

發(fā)動機曲軸輸出功率為：

P_e=Q_p+Q_f-（Q_xp+Q_xl+Q_u+Q_EGR）

單位時間發(fā)動機排氣帶走的熱量為：

Q_xp=m_xpc_exp（t_ex-t_in）

式中， m_xp 是發(fā)動機排氣質(zhì)量流量； c_exp 是發(fā)動機排氣平均定壓比熱； t_ex 是發(fā)動機排氣溫度； t_in 是發(fā)動機進氣溫度。

單位時間空冷器所帶走的熱量為：

Q_kl=m_klc_pkl（t_out-t_kin）

式中， m_kl 是發(fā)動機空冷器空氣質(zhì)量流量； t_out 是空氣定壓比熱； t_out，t_kin 分別是發(fā)動機空冷器排氣、進氣溫度。

單位時間缸套水所帶走的熱量為：

Q_gl=m_glc_pgl（t_gout-t_gin）

式中， m_gl 是發(fā)動機缸套水進水質(zhì)量流量； c_pgl 是水的定壓比熱； t_gout ， t_gin 分別是發(fā)動機缸套排水、進水溫度。

單位時間潤滑油所帶走的熱量為：

Q_yl=m_ylc_pyl（t_yout-t_yin）

式中， m_yl 是發(fā)動機潤滑油質(zhì)量流量； c_pyl 是空氣定壓比熱；

t_yout，t_yin 分別是發(fā)動機滑油排口、進口溫度。

發(fā)動機EGR冷卻所帶走的熱量為：

Q_EGR=m_EGRc_exp（t_EGRout-t_EGRin）

式中， m_EGR 是發(fā)動機潤滑油質(zhì)量流量； c_exp 是空氣定壓比熱；

t_EGRout ， t_EGRin 分別是發(fā)動機EGR氣體排口、進口溫度。

1.2船舶主機功率計算方法

評價主機的能效通常借助經(jīng)濟性指標指示熱效率和有效功率輸出熱效率，指示熱效率是以氣缸內(nèi)燃氣對活塞所作功為基礎(chǔ)的指標，反映了氣缸內(nèi)部工作過程及進行的完善程度。

發(fā)動機熱效率可由下式計算：

式中， m_f 是主燃料流量； LHV_f 是主燃料低熱值； m_p 是引燃油流量； LHV_p 是引燃油低熱值。

1.3新燃料主機輔助設(shè)備能效計算

新燃料主機運行需要燃料供給、尾氣后處理等多個輔助系統(tǒng)的支持，其燃料供給和尾氣處理系統(tǒng)較常規(guī)燃料主機耗費更多的能量，因次需要考慮主要輔助設(shè)備的能耗情況，進一步針對新燃料主機的燃料供給泵、SCR尿素泵、EGR風機開展能效評估。

燃料供給泵、SCR尿素泵耗功可由下式計算：

式中， U_p 是泵類設(shè)備電壓； I_p 是泵類設(shè)備電流；cos是功率因子。

風機耗功可由下式計算：

式中， U_B 是風機設(shè)備電壓； I_B 是風機設(shè)備電流；cosφ是功率因子。

綜合考慮輔助設(shè)備能耗情況，能效可采用輔助設(shè)備的能耗比發(fā)動機輸出功率：

式中， P_Anti，i 是輔助設(shè)備i（泵類、風機等）的功率； P_e 是發(fā)動機輸出功率。

2能效評估案例分析

2.1甲醇雙燃料主機功率計算

以6S50ME-C9.6-LGIM甲醇雙燃料主機為例，開展雙燃料主機功率計算，該機型的運行參數(shù)見表1，該機型及本文中涉及的機型數(shù)據(jù)均來源于MANamp;Turbo的CEAS數(shù)據(jù)庫[0]。

表16S50ME甲醇機運行數(shù)據(jù)

主機功率計算結(jié)果對比如圖2所示。黑色線條代表的是采用熱平衡法計算的主機功率結(jié)果，紅色曲線是MAN數(shù)據(jù)庫中提供的結(jié)果。考慮MAN數(shù)據(jù)庫本身存在不超過 15% 的誤差，采用熱平衡法的計算結(jié)果和MAN數(shù)據(jù)庫趨勢一致，結(jié)果接近，可以證明采用熱平衡法能夠有效地計算主機功率。

圖2熱平衡法功率計算結(jié)果

2.2甲醇雙燃料主機及輔助設(shè)備能效計算

以12G95ME-C10.5-LGIM甲醇雙燃料主機為例，進行熱效率以及有效輸出熱效率開展計算，該型甲醇機在TierⅡI和TierIII狀態(tài)下的運行數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的燃料泵、EGR風機功率的計算結(jié)果分別見表2和表3。該工況下假定甲醇供給壓力為 10bar 。

表212G95ME甲醇機在TierII下的運行數(shù)據(jù)

表312G95ME甲醇機在TierIII下的運行數(shù)據(jù)

甲醇主機以及柴油機的有效輸出功率對比如圖3所示，柴油機在TierIII的有效輸出功率要高于甲醇發(fā)動機在TierIⅢ的有效輸出功率。這是因為將甲醇增壓至 10bar 與甲醇發(fā)動機中EGR風機所需的能量和要高于柴油機。甲醇主機在TierⅡI模式下的有效輸出功率略高于TierIII模式。有效輸出功率在TierⅡI和TierIII之間的差距比熱效率的差距小的原因在于TierⅡI下沒有EGR風機的耗能，但是TierIII下燃料消耗率較高，導致較高的燃料供給泵耗功。

甲醇主機在不同負荷下的熱效率變化如圖4所示，TierⅡI的熱效率要遠高于在TierIII的熱效率，2種模式下的最高熱效率出現(xiàn)在 65% 負荷處，對應(yīng)TierⅡ模式下熱效率為55.5% ，TierIⅢI模式下熱效率為 53% 。

圖3甲醇主機以及柴油機的有效輸出功率對比

圖4甲醇主機在不同負荷下的熱效率變化曲線

2.3LNG雙燃料主機及輔助設(shè)備能效計算（高壓噴射發(fā)動機）

針對高壓天然氣噴射發(fā)動機，選用6G95MANME-GI天然氣發(fā)動機的TierⅡI模式作為研究對象，發(fā)動機的數(shù)據(jù)見表4。

表46G95ME天然氣發(fā)動機TierII模式的運行數(shù)據(jù)及燃料泵耗功

高壓噴射天然氣發(fā)動機在TierⅡI的本體功率、有效輸出功率以及熱效率，如圖5所示。高壓噴射天然氣發(fā)動機的熱效率最大值出現(xiàn)在 70% 負荷處，為 52.4% 。其中，有效輸出功率略小于熱效率，這是因為燃料供給泵的耗能占發(fā)動機功率輸出的比例非常小。高壓噴射天然氣發(fā)動機的燃料供給系統(tǒng)需要將天然氣壓縮至 300bar 的壓力，高壓天然氣發(fā)動機的燃料供給泵的能耗要遠高于甲醇以及柴油機的能耗。

圖5高壓噴射天然氣發(fā)動機指標

2.4LNG雙燃料主機及輔助設(shè)備能效計算（低壓噴射發(fā)動機）

對于低壓天然氣噴射發(fā)動機，選用了6G70ME-GA系列天然氣發(fā)動機作為研究對象，發(fā)動機的數(shù)據(jù)見表5。

表56G70ME天然氣發(fā)動機運行數(shù)據(jù)及燃料泵、EGR風機耗功

低壓噴射天然氣發(fā)動機的本體功率、有效輸出功率以及熱效率，如圖6所示。其中，低壓噴射天然氣發(fā)動機的燃料供給泵耗功可以忽略不計。雖然低壓噴射天然氣發(fā)動機能夠?qū)崿F(xiàn)較低的燃燒溫度和較低的NOx排放，為了降低甲烷逃逸量，EGR系統(tǒng)也是必不可少的。

低壓噴射天然氣發(fā)動機的熱效率遠低于高壓噴射天然氣發(fā)動機，最大值出現(xiàn)在 75% 負荷處，為 47.3% 。相比于高壓噴射天然氣發(fā)動機，發(fā)動機的有效輸出功率與本體功率差異較大，這主要是因為低壓噴射天然氣發(fā)動機較高的EGR風機耗功導致的。

圖6低壓噴射天然氣發(fā)動機指標

3總結(jié)

本文詳細介紹了基于熱平衡分析方法的主機功率的計算方法，以甲醇和LNG為例，計算了新燃料主機的能效情況，從能量利用的角度出發(fā)，對新燃料主機及其包含燃料供給泵、SCR尿素噴淋泵以及EGR風機的輔助設(shè)備開展能效評估技術(shù)分析，主要結(jié)論如下：

1）基于熱平衡分析方法，建立了主機能效評估模型，以6S50ME-C9.6甲醇主機為例，驗證了熱平衡分析方法在計算主機能效方面的準確性。2）通過對比新燃料主機與柴油機差異性，提取燃料特性帶來不同的性能參數(shù)，與傳統(tǒng)柴油機相比，新燃料主機的燃料供給等輔助系統(tǒng)需要消耗一定的能量，新燃料主機的熱效率略低于傳統(tǒng)柴油機。

3）通過對比新燃料主機供給系統(tǒng)的差異，新燃料動力設(shè)備能效需要綜合主機和輔助設(shè)備總體評估，盡管高壓噴射天然氣發(fā)動機在供給系統(tǒng)消耗了更多的能量，但較低的EGR風機功耗使其總體能效水平高于低壓噴射天然氣發(fā)動機。

參考文獻

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作者簡介：

陳超，博士，工程師，研究方向：船舶綠色低碳技術(shù)應(yīng)用研究