船用天然氣發動機現狀和未來趨勢分析研究

方小明

福建船政交通職業學院 福建 福州350007

當前船舶在海上航行時燃用重油,機動航行時燃用柴油,但使用天然氣作為原動機的燃料已經很久了,尼古拉斯·奧托在1876年發明的發動機是用煤氣驅動的,如今船用柴油機還是靠奧拓循環來運轉的。所有的原動機都可以使用液體燃料和氣體燃料。柴油機以其相對低廉的成本和較高的燃油效率成為船舶應用的主要發動機技術。

1 船用天然氣發動機應用現狀

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

運行中的所有使用天燃氣作為燃料的船上的發動機都是純燃氣發動機或雙燃料四沖程中速發動機?？捎糜诤＿\市場的天燃氣發動機技術見表1。

表1 天然氣發動機技術

使用奧托循環運行的發動機使用預混合空氣/燃油充注,這會導致以下兩個問題,這是柴油循環燃氣發動機所沒有的:1)對氣體質量的敏感性: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。所有主要的發動機制造商都為天然氣發動機提供不同的選擇和尺寸,無論是純天然氣發動機還是雙燃料發動機。

1.2 純天然氣發動機 該發動機可用于船舶市場,并已應用于許多現有的氣體燃料船舶柴油電力和機械推進裝置。燃氣船上的大多數燃氣發動機都是中速發動機?？捎么冒l動機的功率范圍約為500 k W至近10000 k W,每缸功率高達近500 k W。

在船舶市場上使用純天然氣發動機的主要制造商有勞斯萊斯和三菱。

1.3 雙燃料四沖程發動機 顧名思義,雙燃料發動機既可以使用燃氣,也可以使用柴油,或者使用柴油和燃氣的某種組合。在現代雙燃料發動機上,燃料之間的切換或更換被認為是無縫的,發動機的運行不應中斷?？捎么冒l動機的功率范圍約為500 k W至18000 k W,每缸功率高達1000 k W。MAN、瓦錫蘭和卡特彼勒馬克是船用雙燃料四沖程發動機的主要制造商。

2 船用天然氣發動機未來趨勢分析

2.1 充足的頁巖氣資源將繼續促進天然氣(LNG)發動機的發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和天然氣儲量相當,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。天然氣的開發成果也推動全球能源結構調整,全球能源消費結構中天然氣消費占能源消費總量的24%,而我國僅有5.4%,表明我國未來的天然氣消費需求還有很大上升空間。

2.2 環保壓力將推動天然氣(LNG)發動機的推廣 在國際上,船用燃料已經成為對海洋和大氣的污染的重要成因,國際海事組織(I MO)已出臺規定對于船舶排放也分階段計劃制定了嚴格的標準,同時在相關海域設定排放控制區(ECA),嚴格控制硫氧化物、氮氧化物的排放,這些都對船舶廢物排放提出嚴格要求。國內雖然沒有設定排放限制法規,但隨著近年來空氣污染越來越嚴重 汽車、船舶等交通工具的減排問題也日益受到關注。作為清潔燃料的天然氣(LNG)在這方面具備優勢,據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,有效達到減排的目的。

2.3 經濟性優勢將提高天然氣(L NG)發動機裝船量 不論是在國際還是在國內能源市場上,LNG 相比于成品油燃料均有價格優勢。根據國內LNG 動力船舶試點經驗,按照當前柴油和LNG的價格,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動機使用壽命,機油消耗降低10%以上,發動機維護費用降低30%以上。以“蘇宿貨1260號”的經驗數據,內河3000噸級船舶,改造成本大概22萬元,按70%的替代率計算,燃料綜合節約率為17.8 %,年節約燃料成本約10.5 萬。目前世界主要柴油機廠商競相開發天然氣(LNG)發動機,船東在新造船舶時也在考慮選用天然氣(LNG)發動機。因此,天然氣(LNG)發動機具有廣闊的前景。

4 LNG 基礎設施將會不斷完善,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,船舶尤其是大型遠洋船舶如何進行LNG燃料補給是海事界十分關注的問題。目前海上供氣裝置的缺乏是制約海運行業推廣使用LNG的一大瓶頸。但隨著各國對LNG燃料的重視,LNG 基礎設施會不斷完善。此外,采用小型LNG船進行燃料補給,是目前較為可行的方案。根據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充燃料,而 當船舶在海上營運時 則可通過小型的LNG船來實現燃料補給。根據DNV等機構的預測 今后海上LNG補給裝置也有望進一步增加?？梢灶A計,在這些利好因素的推動下,未來LNG 燃料在海運業的應用范圍將會得到不斷拓展。

當然使用液化天然氣作為燃料的船舶安全也面臨挑戰:火災和爆炸風險;液化天然氣處于液態或冷態時會產生嚴重的冷損傷;油箱容量大;船側和船底防護(碰撞和擱淺)等。因此國際海事組織的臨時指導方針和即將出臺的IGF規范的重點是通過規定液化天然氣燃料船舶和船上系統的設計要求來規定所需的屏障,以降低風險水平。船級社正在通過制定人員認證標準、推薦做法和培訓課程來解決這一問題。船用燃氣協會(SGM F)的成立,預計也將促進能力發展,因為其中一個目標是制定將液化天然氣用作船用燃料的最佳做法。在美國,USCG已經發布了與LNG燃料船舶操作和加油相關人員的政策函草案(USCG 草案PL第01-13號)。以培訓所有參與LNG 燃料運輸的人員,從設計師到應急響應人員。為了促進液化天然氣燃料航運的增長,必須優先考慮和支持能力發展、人員認證和培訓計劃,這才能確保安全航行。