1 000 m3 LNG燃料加注船主机选型研究
2014-06-27,,
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(中海油能源发展采油服务公司,天津 300457)
国家“十二五”规划明确要求船舶行业要适应国际造船新标准，降低船舶对大气、海洋生态环境的污染[1]。LNG具备清洁环保、使用安全、成本经济、供应方便、技术成熟的特点，在当前的技术条件和市场条件下，是最可行、最理想的船舶替代燃料。本文结合国产LNG发动机的发展现状，从功率、船舶推进以及机舱布置等方面分析1 000 CBM LNG燃料加注船国产主机的选型。
1 国产LNG发动机发展现状
近年来，国内内燃机厂家积极研发LNG燃料发动机，并取得了较大的进展，部分厂家产品已在试点船舶项目上开始试验[2]。见表1[3]。
表1 国内内燃机厂家LNG发动机一览表
目前国产双燃料发动机均采用了柴油+LNG混合燃烧的模式：在原来柴油机的基础上增加了一套燃油共轨系统，发动机在双燃料模式下时利用LNG替代柴油燃烧。双燃料控制系统不对原柴油系统进行任何改变。发动机可以仍然依靠数字式电调控制柴油来调速，燃气控制系统只是控制燃气的替代量，不参与调速，发动机的动态特性仍然为柴油机的特性。
国内纯气体发动机与RR为代表的国外进口纯气体发动机燃烧模式类似，采用稀薄混合气体燃烧技术，其能效指标符合国际上所有环保要求标准。该机型与传统的发动机相比能达到更高的能源利用效率，同时能够极大地降低氮氧化物的排放。
2 主机选型分析
2.1 主机功率
根据1 000 CBM LNG燃料加注船航速估算书，加注船在航速12 kn时所需要主机推进功率约1 200 kW。通过对国内LNG发动机调研发现：广柴、南车玉柴等厂家LNG发动机可以满足加注船采用单机单桨或双机双桨不同推进方式的功率需求。见表2。
表2 国内LNG燃料发动机一览表
2.2 调速特性
国产双燃料发动机调速特性与北车双燃料发动机类似，由于燃气控制系统只是控制燃气的替代量，不参与调速，发动机的动态特性仍然为柴油机的特性，双燃料模式与柴油模式调速特性相差不大，调速特性性能优良，可以驱动调距桨或定距桨。见表3、4。
国产广柴纯气体机调速特性不及国产双燃料发动机调速特性，不建议采用直接驱动定距螺旋桨的推进方式，可以满足其他机械推进方式(采用全回转螺旋桨)以及电力推进方式的要求。目前南车玉柴和潍柴纯气体发动机则存在调速问题，容易引起发动机的敲缸，不能采用机械推进方式。
表3 北车双燃料发动机不同燃烧模式的动态响应时间
注：上述试验数据由北车提供。
表4 天然气发动机调速特性
2.3 机舱布置
CCS《天然气燃料动力船规范》对含有天然气燃料动力系统的机舱进行了分类：本质安全机舱、ESD机舱以及增强安全型机舱见表5[4]。
表5 机舱分类
LNG动力船机舱布置型式主要取决于LNG燃料发动机，本质安全机舱LNG发动机必须保证在任何情况下本质安全。ESD机舱和增强型机舱由于LNG发动机本身的安全防护功能不完备，通过其他技术手段，满足船舶安全性的原则要求，但是船舶总体安全性水平不高，设计和施工难度大，船舶营运经济性差。
目前，国产LNG发动机获得CCS型式认可的厂家主要有广柴、济柴、淄柴以及潍柴，主要产品有：广柴230SG系列纯气体发动机，济柴C190系列双燃料发动机，淄柴双燃料发动机，潍柴纯气体发电机组。但以上产品适用于布置在ESD机舱和增强型机舱。
2.4 燃料逃逸
LNG燃料发动机在燃烧过程中存在燃气不完全燃烧的状况，致使一部分天然气燃料通过排烟管逃逸到大气当中。天然气的主要成分为CH4，属于温室气体，温室效应能力是CO2的21倍左右[5]，因此国产LNG燃料发动机需要通过技术手段控制燃气逃逸量。目前国内LNG燃料发动机尚无关于CH4排放的相关数据统计。
2.5 应用
目前，国产LNG燃料发动机以改造为主，处于试点安装阶段，尚无新建LNG动力船舶案例，国内新建LNG动力船舶以及运输船多采用WARTSILA等进口发动机。
3 结论
从国产LNG燃料发动机功率、调速特性以及
机舱布置等方面综合考虑，国产LNG燃料发动机用作1 000 CBM LNG燃料加注船主机是可行的，但是国产LNG燃料发动机适用于ESD机舱或增强安全型机舱布置型式，船舶总体安全性水平低，设计和施工难度大，且没有新建船舶应用经验，存在一定的应用风险。
[1] 马志超.船舶发动机天然气应用的关键技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.
[2] 王 峰，澲继林.LNG动力船舶发展现状与趋势[J].江苏船舶，2011，28(5)：16-18.
[3] 中海油.国内LNG运输船舶主要设备现状研究报告[R].北京：中国海洋石油总公司，2013.
[4] 中国船级社.天然气燃料动力船规范[S].北京：人民交通出版社，2013.
[5] 周名华，母俊生.大气中的甲烷温室气体[C]∥第二届环境保护技术及装备学术年会,北京，1983.
