新燃料動力設備能效評估技術研究

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年左右實現凈零排放，戰略還指出到2030年零/近零排放技術、燃料和/或能源的應用，在國際航運中的占比至少達到 5% ，并力爭達到 10% 。戰略進一步催化了新燃料主機在航運領域的應用，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。

能效監測是指對耗能設備的能量輸入輸出進行監測，通過各種傳感器采集能效數據并進行相應計算，以實現對能效的實時監控、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，包括自動化系統、船舶管理和控制系統，可以對船舶操作性能進行優化，提升能源的利用效率，提高船舶設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年聯合研發了船舶燃油監控系統，對油耗產生異常情況的原因進行分析，制定科學合理的調整方案，促進船舶節能減排[2]。在船舶燃油監控系統的基礎上，雙方進一步開發了海運企業能效管理信息

系統，并通過了挪威船級社的系統認證[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電機和燃油鍋爐的能量分布情況，繪制了發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，中遠海運集團開發設計了一種船舶智能能效管理系統，對主機、發電機等關鍵能耗設備功率參數進行監測，基于狀態評估算法開展系統的節能潛力評估與實際節能效率計算。武漢理工大學在一艘內河船舶上安裝了一套能效監測系統，采集船舶油耗、軸轉速與扭矩等能耗數據，以及風速、風向、水深、水流速度等通航環境數據，設計了數據庫對采集到的各類數據進行了存儲，并對采集到的數據進行了分析，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，包括燃油管理、遠程監控、性能分析等功能。冰島Marorka公司研發了一套能效管理系統，并在一艘集裝箱船上進行了試驗，經過連續2年的監測表明，該系統可以起到船舶節省燃油的作用[8]。

目前，國內外主要針對船舶的能效開展監測與評估研究，國際標準化組織船舶與海上技術委員會正在編制船用設備能效標準（ISO8933），涉及5類船用設備組件與功能系統，但尚未有針對船舶主機的能效監測與評估。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測評估有助于準確衡量新燃料動力設備熱效率，對提升新燃料船舶動力設備能量轉化效率提供重要理論和技術支撐。

1新燃料主機及其輔助設備能效評估方法

1.1熱平衡分析方法

發動機的熱平衡主要研究其熱力循環工作過程中的“能流”分布及散失問題，由發動機工作原理可知燃料在氣缸內燃燒之后釋放出熱量，其中一部分轉變為推動曲軸的做功能量，一部分通過發動機的冷卻系統散失掉，還有一部分由發動機排氣排出，發動機進氣壓縮過程的空氣冷卻也是發動機燃料熱量流失的一部分。總的來說，發動機做功、冷卻系統吸收的熱量（來自發動機摩擦、氣缸冷卻、增壓空氣冷卻等）、排氣組成了發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。經過一系列的變化，燃料的化學能最終變成發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缸內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標準發動機與EGR發動機的熱分布

建立發動機熱平衡模型有以下假設：

（1）發動機氣缸內任一瞬時的工質都是均勻的，且工質為理想氣體，工質的物性參數不隨發動機的運行工況改變，沒有工質損失，即無泄漏；

（2）發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）發動機缸內燃燒為準維燃燒模型。

發動機熱平衡能量守恒方程式為：

式中， Q_p 是燃料燃燒產生的熱量； Q_f 是引燃油燃燒產生的熱量； Q_e 是發動機輸出的有效功； 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 是發動機排氣質量流量； c_exp 是發動機排氣平均定壓比熱； t_ex 是發動機排氣溫度； t_in 是發動機進氣溫度。

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 是發動機空冷器空氣質量流量； t_out 是空氣定壓比熱； t_out，t_kin 分別是發動機空冷器排氣、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 是發動機缸套水進水質量流量； c_pgl 是水的定壓比熱； t_gout ， t_gin 分別是發動機缸套排水、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 是發動機潤滑油質量流量； c_pyl 是空氣定壓比熱；

t_yout，t_yin 分別是發動機滑油排口、進口溫度。

發動機EGR冷卻所帶走的熱量為：

Q_EGR=m_EGRc_exp（t_EGRout-t_EGRin）

式中， m_EGR 是發動機潤滑油質量流量； c_exp 是空氣定壓比熱；

t_EGRout ， t_EGRin 分別是發動機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燃氣對活塞所作功為基礎的指標，反映了氣缸內部工作過程及進行的完善程度。

發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的支持，其燃料供給和尾氣處理系統較常規燃料主機耗費更多的能量，因次需要考慮主要輔助設備的能耗情況，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 是泵類設備電壓； I_p 是泵類設備電流；cos是功率因子。

風機耗功可由下式計算：

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

綜合考慮輔助設備能耗情況，能效可采用輔助設備的能耗比發動機輸出功率：

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

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，該機型的運行參數見表1，該機型及本文中涉及的機型數據均來源于MANamp;Turbo的CEAS數據庫[0]。

表16S50ME甲醇機運行數據

主機功率計算結果對比如圖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果，紅色曲線是MAN數據庫中提供的結果。考慮MAN數據庫本身存在不超過 15% 的誤差，采用熱平衡法的計算結果和MAN數據庫趨勢一致，結果接近，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果

2.2甲醇雙燃料主機及輔助設備能效計算

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狀態下的運行數據以及對應的燃料泵、EGR風機功率的計算結果分別見表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下的運行數據

表312G95ME甲醇機在TierIII下的運行數據

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在 65% 負荷處，對應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備能效計算（高壓噴射發動機）

針對高壓天然氣噴射發動機，選用6G95MANME-GI天然氣發動機的TierⅡI模式作為研究對象，發動機的數據見表4。

表46G95ME天然氣發動機TierII模式的運行數據及燃料泵耗功

高壓噴射天然氣發動機在TierⅡI的本體功率、有效輸出功率以及熱效率，如圖5所示。高壓噴射天然氣發動機的熱效率最大值出現在 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動機功率輸出的比例非常小。高壓噴射天然氣發動機的燃料供給系統需要將天然氣壓縮至 300bar 的壓力，高壓天然氣發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高壓噴射天然氣發動機指標

2.4LNG雙燃料主機及輔助設備能效計算（低壓噴射發動機）

對于低壓天然氣噴射發動機，選用了6G70ME-GA系列天然氣發動機作為研究對象，發動機的數據見表5。

表56G70ME天然氣發動機運行數據及燃料泵、EGR風機耗功

低壓噴射天然氣發動機的本體功率、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動機能夠實現較低的燃燒溫度和較低的NOx排放，為了降低甲烷逃逸量，EGR系統也是必不可少的。

低壓噴射天然氣發動機的熱效率遠低于高壓噴射天然氣發動機，最大值出現在 75% 負荷處，為 47.3% 。相比于高壓噴射天然氣發動機，發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動機較高的EGR風機耗功導致的。

圖6低壓噴射天然氣發動機指標

3總結

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，對新燃料主機及其包含燃料供給泵、SCR尿素噴淋泵以及EGR風機的輔助設備開展能效評估技術分析，主要結論如下：

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，與傳統柴油機相比，新燃料主機的燃料供給等輔助系統需要消耗一定的能量，新燃料主機的熱效率略低于傳統柴油機。

3）通過對比新燃料主機供給系統的差異，新燃料動力設備能效需要綜合主機和輔助設備總體評估，盡管高壓噴射天然氣發動機在供給系統消耗了更多的能量，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動機。

參考文獻

[1]ABB贏得STX芬蘭船舶自動化系統訂單[].自動化應 用，2012，（10）： 8.

[2]蔡德清，張燃，鄭士君，等．中遠集運船舶燃油監控系 統[J].航海技術，2008，（05）：57-9.

[3]鄭士君，黃愛平，岳躍申，等.中遠集運能效管理信息 系統與碳排放計算器[J].中國海事，2011，（01）：40-2.

[4]曾勤陽．“育鯤”輪船舶能耗分布及能效評價研究[D]. 遼寧：大連海事大學，2012.

[5]趙科，丁琦．船舶智能能效管理系統設計[].艦船科學 技術，2020，42（11）：143-147.

[6]Fan A，Yan X，Yin Q.A Multisource Information System for Monitoring and Improving Ship Energy EffciencyU]. Journal of CoastalResearch，2016，32（5）：1235-45.

[7]自帶 i-ship（E） 標志的集裝箱船交付[].船舶與配套， 2018， （08）：88.

[8] COSCO signs energy management fleet contract with Marorka[J].Marine electronics amp; communications，2017， 11（1）：39.

[9]Feng Y，Du Z， Shreka M，et al. Thermodynamic analysis and performance optimization of the supercritical carbon dioxide Brayton cycle combined with the Kalina cycle for waste heat recovery from a marine low-speed diesel engine[J]. Energy Conversion and Management， 2020，206：112483.

[10]MAN Energy Solutions. CEAS engine calculations. （2020- 01-01）[2024-01-26]. https：//www.man-es.com/marine/ products/ planning-tools- and-downloads/ceas-enginecalculations[EB/OL].

作者簡介：

陳超，博士，工程師，研究方向：船舶綠色低碳技術應用研究