内河船型LNG双燃料发动机应用探讨

2013-12-04石峰虞玮

船舶设计通讯 2013年2期

石峰虞玮

（1.中海油能源发展股份有限公司采油服务公司，天津300457；2.上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

长江内河流域包括武汉经济圈借助水路运输优势，经济迅猛增长。国家已将内河水运发展上升为国家战略，明确提出了“利用10年左右的时间，建成畅通、高效、平安、绿色的现代化内河水运体系”［1］。LNG新型能源在内河运输的推广应用正逐步受到业界的高度重视。究其原因，首先是LNG作为动力燃料，排放更清洁，特别是在减少硫化物、二氧化碳和氮氧化物的排放方面优势明显。国内已改造的“苏宿货1260”航行试验表明：硫化物排放量减少了100%，氮氧化物排放量减少了85%～90%，二氧化碳排放量减少了15%～20%［2］。据数据统计，长江水系2010 年底拥有船舶 11.54 万艘［3］，航行过程中会排放大量温室气体和污染物。LNG利用技术的提升和内河LNG燃料动力船的进一步发展，将对该区域的生态环境保护提供可靠、安全、可持续的支持，对我国的环境保护起到积极促进作用。其次，燃料费用在船舶的营运成本中占有很大比例。以3 000吨级货船为例，使用LNG比使用柴油节约近20%～30%的费用［3］。LNG燃料在内河水运的充分利用，可提高天然气在石化能源消费中的比重，优化能源结构，降低燃料成本，大大提高船舶的盈利能力。据预测2015年，三大内河水运气代油较为现实的天然气需求量约为6×108m3；到2020年若国家对船舶排放的硫化物要求严格，内河三大水域及东部沿海船舶天然气需求量约为40×108m3［3］。因此 LNG 的利用技术将是实现长江内陆地区经济腾飞，促进航运经济、社会和环境协调发展的又一新动力。

近年来，多家单位正在积极探索以提高发动机可靠性和效率为目标的双燃料发动机技术，为LNG作为新型环保内河船舶动力燃料的推广进行着积极的探索。国际领先的品牌如瓦锡兰、三菱重工等已在陆续开发相关产品，其中瓦锡兰已有20DF、34DF、50DF等系列双燃料发动机产品。国内外多家船级社也投入力量进行LNG新型动力船舶建造和水上航行安全规范研究。中国船级社（CCS）2012年出台相关指南，推出包括双燃料机组在内的《气体燃料动力船检验指南2011》等。

在保证船舶安全性能基础上，船舶动力配置应具备良好的效能，这些效能包括使用技术性能、使用维护性能和经济性能，以综合考虑营运、技术、经济等各项指标，在船舶设计中对其进行优化。

1 双燃料发动机的特点

双燃料发动机是以传统柴油机为原型机发展起来的装置。成熟的双燃料发动机在机组本身和控制系统部分已经通过大量实验验证，并且获得船级社证书。目前双燃料发动机在燃气模式下采用稀薄燃烧理论，即在汽缸中空气与燃气的混合物中混有超过完全燃烧所需要的空气。天然气燃烧质量好，用其替代柴油，可有效降低柴油消耗量，同时又大量减少大气排放物，对环境的影响较小。因更多使用洁净的气体燃料，燃料油导致的发动机故障和损坏率大大降低、设备具有更长使用寿命，并保持稳定运行。该装置配备有完善的安全保护系统，确保了船舶的安全性。该装置可在不同燃料模式下运行，天然气和船用柴油可在不同区域或不同航行模式下按需进行切换，以应对各种复杂航行工况；并且在燃料切换操作过程中不需要停机过程，切换过程中也无功率和速度损失。

双燃料发动机与传统柴油机相比，在继承了柴油机的可靠性、实用性特点之外，从本质上还具备了环保节能、安全性和燃料使用灵活性的特点。

双燃料发动机推进系统常规配置的简易示意图，见图1。

以双燃料发动机为动力的船舶，有完整独立的燃气供应系统和安全控制系统，其中燃气供应系统一般包括：泵、乙二醇溶液为介质的LNG气化装置、燃气管系惰化设备、燃气排放系统、燃气调压阀、阀站及其控制系统等。燃气流程为LNG燃料储罐系统→LNG气化装置→天然气压力调节单元→天然气燃料阀站→供应主机。另外因LNG燃气的特性，对使用双燃料发动机做动力的船舶在机舱通风、火焰及可燃气体探测系统、应急停车安全控制系统和加注/船岸连接装置等方面也有特殊要求。

图1 双燃料发动机常规推进系统配置示意图

2 双燃料发动机在内河船型应用的技术特点分析

内河船舶设计时，考虑其受到内河航道、港口水深的限制，若船舶吨位较大，在内河较浅的航道航行时还会产生浅水效应，增加阻力，降低推进效率，通常设计吃水较浅。为使船舶在内河航道航行时具有良好的回转性，内河船型船长也不宜过长。为了达到各航线经济的载重量，就需要靠增加船宽来弥补由于吃水、船长受限而损失的载重量。内河船型属于浅吃水肥大型船，其在内河航道的操纵性能相对较差［4］。

内河船舶长期需在拥挤港口航道、内河狭窄水道航行，应能适应内河航道的操纵性要求；同时其进出港口、靠离码头频繁，应具备较好的机动性和靠离港的能力。因此，内河船型通常采用双机、双桨、双舵的推进方式，使螺旋桨负荷减轻，有利于提高推进效率和改善操纵性能，以达到优秀的港内机动性，满足自力靠离港的能力。

由低排放双燃料发动机组成的内河动力系统是一种比较先进的船舶推进方式，其在节能、环保、安全性等方面的特点符合船级社规范的要求，适合开发利用于内河的中小型船舶，符合国家节能减排的战略。

双燃料发动机在内河船型上的应用特点分析，以内河运输船为例。为了达到要求的船舶载货量和货舱容积，设计时根据排水量和航线定位，确定船舶的尺度参数、船体线型和推进功率，并对动力装置的重量和外形尺寸、系统配置和布置提出相应的要求。设计时通常要综合考虑动力系统的冗余度、航行操纵性能、港内机动性能、港内安全性能、自力靠离泊能力、安装工艺、机舱布置和使用维护保养要求等，以适应复杂内河航道，实现良好的机动性和变速航行。设计方案应做到系统设备故障率少，总体造价低，根据客户要求进行个性化设计，并通过CCS的认可。

3 双燃料发动机在内河船型动力配置方案对比

根据上述分析，以某内河运输船为例，双燃料发动机在内河船型动力配置具体可采用如下3种方案：

方案一：双燃料双轴系常规推进方案

方案二：双燃料双轴系电力推进方案

方案三：双燃料双舵桨电力推进方案

3.1 不同动力配置方案的配置

方案一：双燃料双轴系常规推进方案

主推进系统包括双燃料主机、轴带发电机、齿轮箱、柴油发电机、轴系、可调桨和舵系。该推进方案（见图2）的具体配置如下：

1）双燃料主机2台套（包括配套气阀单元）；

2）可调桨2台套；

3）一进二出齿轮箱、轴带发电机、轴系2台套；

4）主配电板及电站管理系统各1台套；

5）转叶式舵机及高效舵系2台套；

6）高速柴油发电机1台套；

7）燃气缓冲罐1台套（可选）；

8）LNG燃料罐。

该方案通过两台双燃料主机各自驱动一台一进二出的齿轮箱，由齿轮箱驱动轴系和可调螺距螺旋桨，齿轮箱同时又可以驱动轴带发电机，提供电源给全船的用电设备。

方案二：双燃料双轴系电力推进方案

主推进系统包括双燃料主发电机、减速齿轮箱、电推系统、轴系、定距桨和舵系。该推进方案（见图3）的具体配置如下：

1）双燃料主发电机3台套（包括配套气阀单元）；

2）定距桨2台套；

3）减速齿轮箱、轴系各2台套；

4）电推系统2台套（包括变压器、变频器、主推进电机）；

5）主配电板及电站管理系统各1台套；

6）转叶式舵机及高效舵系2台套；

7）燃气缓冲罐1台套（可选）；

8）LNG燃料罐。

该方案通过双燃料主发电机提供电源给主配电板，主配电板通过主推进变压器和主推进变频器馈电给主推进电机，由两台主推进电机各自驱动一台减速齿轮箱、轴系和定距螺旋桨。

方案三：双燃料双舵桨电力推进方案

主推进系统包括双燃料主发电机、电推系统和舵桨。该推进方案（见图4）的具体配置如下：

1）双燃料主发电机3台套（包括配套气阀单元）；

图2 双燃料双轴系常规推进方案配置示意图

图3 双燃料双轴系电力推进方案配置示意图

图4 双燃料双舵桨电力推进方案配置示意图

2）全回转舵桨2台套；

3）电推系统2台套（包括变压器、变频器、主推进电机）；

4）主配电板及电站管理系统各1台套；

5）燃料气缓冲罐1台套（可选）；

6）LNG燃料罐。

该方案通过双燃料主发电机组提供电源给主配电板，主配电板通过主推进变压器和主推进变频器馈电给两台主推进电机，由两台主推进电机各自驱动一套全回转舵桨装置。

舵桨是靠机械轴系传动的全回转推进器，广泛运用在全回转拖轮和有动力定位要求的海洋工程船舶上。根据推进电机轴系的布置，可以分为“L”驱动型和“Z”驱动型。其中“Z”型驱动，采用推式定距桨加导流罩，其特点是推力大，一般认为该类舵桨适用于航速小于15Kn的船舶，内河航行船舶较适合。

3.2 操纵性能分析

常规海船的操纵性能指的是IMOMSC.137（76）船舶操纵性能标准的一些要求。该标准为通用标准，所有船舶均应满足，是海上避让保证安全性的重要标准。内河船舶除保证常规操纵性各项指标外，更应关注的是复杂航道或港内的机动性能，如低航速下的操纵性能。双桨双舵船舶利用自身的操纵设备，可实现船舶自身的横向运动，具备自力靠离码头能力，但效率较低，操纵难度较大。与其相比，全回转推进器（包括舵桨和吊舱）可以在水平面360°内自由回转，推进螺旋桨兼作动力舵，体现出了优异的操纵性能，具备较好的零航速掉头能力、最低航速稳定航行能力、水平横移能力。

3.3 投资成本分析

以3 000 kW左右装机功率的某内河运输船为例，其投资成本见表1。

表1 三种配置方案的成本比较（以人民币计算）

由此可见，无论是主推进成本还是船舶总造价，双燃料双轴系常规推进方案的造价成本最低；双燃料双轴系电力推进方案的造价成本较高；双燃料双舵桨电力推进方案的造价成本最高。

3.4 安装和维护保养分析

常规轴系的机械传动装置包括了齿轮箱，轴承，尾密封等。推进轴系安装是整个造船工艺中难度较高的工作，再加上舵系的安装工作，整个工作量较大。日常维护保养的设备和系统比较多，监测点包括齿轮箱的滑油压力/温度、冷却水压力/温度、中间轴承的温度、尾轴管温度/密封滑油液位、舵机液压系统等。坞修拆检工作量也比较大。舵桨的传动机构较为复杂，由曲折轴系，上下齿轮组，若干轴承及尾密封等组成。曲折轴系的安装工艺是个难点。由于舵桨的模块集成化程度很高，使安装工艺得到了简化。管理相对简单，日常维护保养的设备较少，坞修拆检安装的工作量较少。

4 结论

双燃料电力推进和双燃料常规机械推进有着各自不同的优缺点。

双燃料电力推进体现在：

1）全船的电力统一管理；

2）装机的总功率可以减小，启动的电机可以在较理想的功率范围内工作；

3）机舱布置更加灵活；

4）推进系统的冗余度高；

5）在LNG船上的实际应用广泛；

6）航行期间的推进系统效率低于双燃料常规机械推进；

7）初始投资要高于双燃料常规机械推进。

双燃料常规机械推进体现在：

1）初始投资要低于双燃料电力推进；

2）航行期间的推进系统效率高于双燃料电力推进；

3）系统还缺少实际的使用反馈。

内河船舶总装机功率小，电站规模小，推进功率也小。在动力配置上，如果采用双燃料电力推进方案，在主发电机组的选择上和双燃料常规机械推进方案的主机相差不多，但是由于多了变压设备、变频设备和主推进电动机，在机舱布置上不一定比双燃料常规机械推进方案简洁灵活。在总装机数量上，双燃料常规机械推进方案采用了2台主机配2台轴发，再加1台辅发电机。由于辅发电机在正常工况下仅作为备用，因此可以配1台柴油机，又可以降低造价。如果采用双燃料电力推进方案的话，总装机数量不会少于3台，并且都是双燃料机，在数量和投资费用上都没有优势。

在造价方面，双燃料常规机械推进方案造价低于双燃料电力推进方案，由于排水量、航速的限制，造价对船舶经济性的影响愈发突出。

内河船舶吃水较浅，一般配置双机双桨，因此在推进系统冗余度方面有一定保障。如果在功率输出装置（PTO）基础上增加功力输入系统，则任意一台主机故障情况下，另一台主机都能向两个螺旋桨提供足够的功率。

双燃料常规机械推进方案的不足之处在于两台轴带发电机不能并网使用，全船电网需分两段运行。这一问题可以由通过增加变频装置，或者采用双馈异步发电机系统两个途径来解决。但是对于这两个途径来讲，前者会增加投资，后者在船舶领域的应用还处于初步阶段，缺少工程业绩支撑。

舵桨方案的操纵性能比双桨方案的操纵性能更优。

三种动力配置方案存在差异，不同方案对船体布置和设计也有不同的影响，各个方案在以下性能方面有所不同，见表2。