双燃料发动机在耙吸挖泥船上的应用探讨

王显力 于再红 张英捷

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

双燃料发动机在耙吸挖泥船上的应用探讨

王显力 于再红 张英捷

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

我国大气污染日趋严重。耙吸挖泥船作为一种重要的航道疏浚船舶，若采用双燃料发动机驱动，将有效减少废气的危害。文章通过对双燃料发动机运行特性、耙吸挖泥船的工况特点研究，探讨双燃料发动机在挖泥船上的应用可行性，提出基本设计理念，并通过对目标船的运营成本进行经济性分析，论述双燃料发动机机在耙吸挖泥船上应用前景。

双燃料发动机；液化天然气；耙吸挖泥船；节能减排

引 言

据国际海事组织（IMO）统计，船舶排放的二氧化碳量占每年全球总排放量的6%，硫氧化物占全球总排放量的20%，氮氧化物量更是占30%，显然，要想改善世界环境，改善船舶尾气对大气和海洋的污染是重要的一步。因此，国际海事组织对船舶航运的能耗和船舶排放污染指标进行严格限制，以有效地减少船舶排放性污染中一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物等污染物的排放，规定从2012 年起，世界范围内船用燃料油的硫含量降低22%以上［1］。液化天然气（LNG）作为清洁能源（燃料）的船用发动机废气排放量降低，环保性能提高，能够满足IMO Tier Ⅲ排放标准要求，在各类船舶得到广泛应用［2-3］。

耙吸挖泥船是一种重要的疏浚工程施工船舶，在沿海和内河疏浚航道、吹填造地、疏通港口航道、改善水源等工程中起到了重要作用。但是，由于船舶需要在内河或沿海施工，其排放废气中的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物等环境的破坏影响比远洋船舶更加明显。因此，解决耙吸挖泥船发动机排放问题更具深远意义。船舶设计师及发动机研发工程师一直致力于天然气在疏浚船舶上的应用研究。本文根据中国交通建设股份有限公司科技研发项目《新建绿色能源大型耙吸挖泥船关键技术研究》下达研究任务，针对双燃料发动机在耙吸挖泥船上的应用进行分析研究。

1 LNG及双燃料发动机简介

1.1 LNG简介

天然气是一种产生于气田或油田的天然气体，其成分因产地不同而有所差异，主要成分为甲烷及微量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及其他杂质如硫化氢、水分、二氧化碳、氮气等，一般甲烷占90%以上［4］。甲烷（CH4）的碳氢元素比为1 ∶ 4，是碳氢比最低的物质，每单位碳排放产生的能量最高。使用LNG替代传统燃油，二氧化碳排放量可降低25%～30%。而且天然气在液化之前的预处理，可以将其中掺杂的二氧化碳、水分、硫化氢和其他硫化物等杂质先净化去除掉。因此，LNG中几乎没有硫，基本上不存在SOX的排放。在LNG的燃烧过程中，可通过采用“稀薄燃烧”技术使其NOX的排放也很低（可降低85%～90%），同时，噪声污染、烟尘、废油水排放也大大降低。

1.2 LNG-燃油双燃料发动机简介

LNG双燃料发动机与普通的燃油发动机结构上是相同的，双燃料发动机以天然气和柴油为燃料，以双燃料模式工作时，以少量的柴油作为引燃油点燃气缸内的天然气和空气的混合气体，只是将其燃料系统增加天然气模块，变成柴油-LNG双燃料混合燃烧系统。LNG双燃料发动机共有三种运行模式：燃气模式、燃油模式和后备模式。

（1）燃气模式是主要运行模式。使用燃气作为燃料，用点火油点火。此时燃烧天然气和极少一部分燃油，这部分燃油用量约为燃油模式的1%。

（2）采用燃油模式，可以使用重油HFO或船用柴油MDO，点火油工作。

（3）后备模式使用重油HFO或船用柴油MDO，点火油不工作。

无论是在燃气模式还是燃油模式运行，双燃料发动机都能提供几乎相同的输出功率，但0～15%负荷区域只允许使用燃油模式。在80%负荷以下的工况，当接到外部指令时，自动切换成燃气模式运行，并保持发动机输出功率和频率稳定。

0～15%负荷区域 系统起动时，总是使用燃油模式，在所有的气缸工作都稳定后，启用天然气模式，以保证起动的安全和可靠。即使主机在气体模式下起动，在15%负荷以下，2 min后仍会转换到燃油模式。

15%～80%负荷区域 双燃料发动机可以自动地从燃油模式转换到天然气模式运行，转换时间约为1 min，天然气逐渐替代燃油。

80%～100%负荷区域 系统可以燃气模式或燃油模式运行，但只能从燃气模式转换为燃油模式，而无法逆向转换。

在报警或接到外部指令的情况下，任何负荷工况都能自动瞬时（＜10 s）从燃气运行模式切换成燃油运行模式，并保持发动机输出功率和频率稳定。

发生故障（天然气供应中断）时，双燃料发动机可在任何负荷情况下立即自动从燃气模式切换至燃油模式运行。

2 双燃料发动机性能与耙吸挖泥船动力特性分析

耙吸挖泥船家族非常庞大，动力系统的配置也千差万别，典型的动力系统配置有以下几种：

（1）常规推进＋常规驱动；

（2）桨－主机－轴发“一拖二”型；

（3）桨/轴发－主机－泥泵“一拖三”复合驱动型式；

（4）全电动配置型。

各种船型都各有优缺点，设计中可根据施工的区域、初期投资、船员素质、及维护保养成本等方面进行选择，本文不作过多比较。

相对于电力推进，发动机直接驱动泥泵对发动机的要求更高，由于泥泵工作的时候工况复杂引起泥浆的流量和浓度也不断变化，泥泵在某一转速下的特性，即流量与排压、功率、效率的关系曲线构成泥泵的特性曲线（如图1所示）。

图1 典型泥泵特性曲线

泥泵在不同的转速下有不同的特性曲线，但其变化规律相同。如果泥泵转速变化范围并不大，通常假定流量与转速成正比，压头与转速的平方成正比，功率与转速的立方成正比，当转速变化很小时，其效率考虑基本不变。因此，泥泵的特性曲线实际上是对应于不同转速的一组曲线（如图2所示）。

根据泥泵的特性，泥泵工作在最高效率范围内时，其轴头功率、扭矩和转速间的关系见式（1）：

式中：P为发动机功率，kW；T为扭矩，Nm；n为发动机转速，r/min。

图2 不同转速下的泥泵特性曲线

可见，随着泥泵转速的变化，泥泵可以在恒功率下工作也可以在恒扭矩下工作。虽然泥泵在恒功率条件下工作，其特性更平缓，生产效率更高；但如果驱动泥泵的发动机恒功率，就意味着当泥泵转速下降则扭矩增加，曲轴受力过大，容易造成曲轴的损坏。因此，驱动泥泵的发动机需要具备恒扭矩特性，一般要求发动机80%～100%转速范围内有恒扭矩特性［5］，100%～110%转速范围内恒功率输出（1 h/12 h）。

目前仅WÄRTSILÄ 34DF的双燃料发动机直接驱动泥泵时在80%～100%转速范围内恒扭矩输出在实船上得到了应用，其他无论是WÄRTSILÄ 46DF还是MAN 51DF或是其他双燃料发动机，恒扭矩特性均未经过实船鉴定。故在目前技术条件下，宜采用“一拖二”驱动型式，即主机驱动可调螺距螺旋桨和轴带发电机，电动机驱动泥泵，从而既能避免柴油机的恒扭矩需求，又可通过功率管理系统调整每台发动机的突加负荷，有效解决双燃料发动机在燃气模式下加载特性“疲软”的问题。双燃料发动机的加载性能参见下页图3—图5。

图3 双燃料发动机加载性能

图4 双燃料发动机燃油+气体模式加载性能

图5 双燃料发动机燃气模式加载性能

3 双燃料发动机在耙吸挖泥船上的应用优势

3.1 LNG气罐及其加注站的布置

大型耙吸挖泥船现多采用“首楼”型式的总体布置，既可以提供良好的操作视线，也能有效减少机舱设备的振动对居住舱室及驾驶室各类仪器设备的影响，这样LNG储罐露天布置在船中部的泥舱甲板上，泥舱甲板与主甲板之间设开敞区域，从而使LNG储罐与居住舱室、机器处所完全隔开，满足《气体燃料动力船检验指南》的要求。

根据防火区域划分的要求，LNG加注站应为1类危险区域，可以将其布置在宽大的泥舱甲板上，即能靠近LNG储罐，减少加注管线的距离，又能将加注站的通风系统与LNG储罐的透气系统一起延伸至安全保护区。

3.2 LNG加注

由于LNG需要超低温（-164℃）保存，LNG的气罐主要有以下几种：

（1）薄膜型。容易晃荡受伤，装载量大。其蒸发率为0.14～0.2%/天。

（2）MOSS（球罐）型。不易晃荡，蒸发率为0.14～0.2%/天。

（3）B 型罐。不易晃荡，低压，设计压力为0.7 bar（0.07 MPa）。蒸发率为0.14～0.2%/天。

（4）TGE C型罐单叶或双叶罐，不易晃荡，设计压力为4 bar（0.4 MPa）。蒸发率为0.21～0.23%/天。

可见，每种气罐都有一定的蒸发率，且随着气罐内部温度的上升，蒸发率会逐渐加大。因此，一般不会选择很大的储存罐，尽可能在1～2周内加注新的LNG来保证罐内的低温特性。而用于航道疏浚的耙吸式挖泥船作业点一般离岸较近，可较便捷地靠近码头加注燃料，这比其他远洋船舶具有得天独厚的优势。

3.3 应用情况

双燃料发动机在各类船舶上已取得广泛应用，在拖轮、货轮、驳船、邮轮、小型客船、LNG船、海工生产平台等各类船舶上均获得广泛应用。荷兰皇家IHC船厂为DEME设计建造的世界首艘双燃料耙吸挖泥船也即将投入运营，双燃料发动机在耙吸挖泥船上的应用条件已经非常成熟。相信通过我们不断地努力，在不久的将来，国内自主研发设计建造的双燃料耙吸挖泥船也将亮丽呈现。

4 经济性分析

双燃料发动机与传统燃油发动机之间的本质区别在于燃料的不同，下面以瓦锡兰12V34DF双燃料发动机作为研究对象进行经济性分析。表1—表4分别为发动机主要参数、年使用成本（100%燃油模式）、年使用成本（双燃料模式）以及目标船运营经济性对比。

表1 发动机主要参数

表2 年使用成本（100%燃油模式）

表3 年使用成本（双燃料模式）

表4 目标船运营经济性对比

从表1—表4可以看出，每台发动机在80%替代率下，目标船的年运营燃料费可节约30%以上，经济效应可观。

由此可见，每台发动机在80%替代率下,目标船的年运营燃料费可节约30%以上，经济效应十分可观。

5 双燃料动力船规范规则

随着天然气作为燃料越来越多的在船上应用，SOLAS公约（国际海上人民安全公约）也修订了禁止船舶使用天然气、乙醇、丙烷、丁烷等闪电低于60℃的燃料的规定，完善了天然气燃料使用部分的相关要求，并修订了相关规定。国外的船级社如挪威船级社也研究完善了各自的LNG燃料动力船标准，主要有挪威船级社（DNV）《气体燃料动力装置》、美国船级社（ABS）《气体燃料动力船推进和辅助系统》、法国船级社（BV）《低压气体双燃料发动机设计与安装》以及日本船级社（NK）《气体燃料动力船指南》。

中国船级社（CCS）近年来也迅速完善LNG燃料动力规范规则，制定了一系列技术文件：诸如《天然气动力船规范》、《双燃料发动机动力系统及设计安装指南（2017）》、《气体燃料动力船法定检验补充规定》、《民用LNG储气罐设图原则》、《LNG/柴油双燃料动力穿试点的技术要求》、《双燃料动力船检验验船师须知（2011）》等。因此，目前为配合LNG燃料动力船的规范规则已经初步形成，能够全面指导船舶的设计、建造及检验，相信随着双燃料船舶的不断建造，相关的规范规则会日趋完善，耙吸挖泥船作为一种特殊工程船舶，也能有完整的针对性规范规则指导具体的设计与建造。

6 双燃料发动机的优缺点

6.1 优 点

6.1.1 维护性

使用双燃料时发动机以天然气为主要燃料，其主要成分为甲烷，甲烷燃烧的烟度几乎为零，此时排气烟度主要由引燃柴油产生，比燃油发动机大为降低，从而减少气缸内的积碳和气缸与活塞之间的磨损，大大延长了发动机的使用寿命及维修周期。

6.1.2 舒适性

双燃料发动机气缸内的爆炸压力较低，振动和噪声性能相比普通发动机要好，能够为船员提供相对舒适的环境，符合以人为本的设计理念。

6.1.3 环保性

MARPOL公约附则VI规定，2016年1月1日及以后安装的船舶柴油机在设定的氮氧化物排放控制区内必须遵循更为严格的“三级”标准。在排放控制区内，燃油的硫含量（以质量之比%为单位）必须低于0.10% m/m，而双燃料发动机在燃气模式下不需要任何处理即能满足公约的要求。

图6 双燃料发动机相比柴油发动机的排放指标对比

6.2 缺 点

6.2.1 系统配置较复杂

与传统燃油发动机相比，双燃料发动机除了配置常规的燃油系统，还需要配置相应的燃气系统，包括储气罐、气化装置、燃气阀单元、双壁燃气管路等装置，对通风、排气、防爆安全系统以及操作管理等方面也有更多要求。

6.2.2 加载能力较弱

燃气模式下发动机的加载速度明显低于燃油模式，也就是说，在燃气模式下运行时，机组对于突加载荷的承受能力较弱，尤其是在发动机直接驱动泥泵的情况下恒扭矩特性还需要不断优化。

6.2.3 初投资较高

由于船舶需要设计燃油和LNG两套燃料供应系统，以及配套LNG系统引起船舶系统的设计要求升级，故初期投资明显高于常规发动机。

7 结 论

耙吸挖泥船是各类航道及疏浚工程的主要工具，而储量巨大的天然气又是一种清洁能源。两者的完美结合既能满足工程需求，又能够满足海上排放控制规则及减少温室气体减排。我们深信：在不久的将来，各类船舶将不再排放滚滚浓烟，双燃料发动机会在各类船舶上推广应用；在我们改造世界的同时，留给未来一个碧海蓝天！

［1］刘西全，颜士芹，许文媛.节能减排环保背景下的船用双燃料柴油机发展研究［J］.船舶工程，2014（1）：10-13.

［2］周志贤，杨令康，吴海荣.LNG 双燃料动力船舶设计探讨［J］.船海工程，2014（2）：154-156.

［3］孙小潍.双燃料发电机在FLNG上的应用［J］.船舶，2015（3）：67-73.

［4］李斌.LNG作为船舶代用燃料的应用分析［J］.船舶机电技术，2012（1）：14-16.

［5］候晓明，朱荣，黄伟明.现代耙吸挖泥船节能减排技术的发展与应用［J］.水运工程，2013（1）：39-44.

Application of dual-fuel engine on trailing suction hopper dredgers

WANG Xian-li YU Zai-hong ZHANG Ying-jie
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The environmental pollution becomes increasingly serious in China.As an important waterway dredging ship, the trailing suction hopper dredger will effectively reduce the exhaust gas while it is powered by dual-fuel engine.This paper discusses the feasibility of the application of the dual-fuel engine on dredgers and proposes the basic design concept by the investigation of the running characteristics of the dual-fuel engine and the operation conditions of the trailing suction hopper dredgers.From the economic analysis of the target ship, it also presents the prospects of the dual fuel engine applied on the trailing suction hopper dredgers.

dual-fuel engine liquefied natural gas; trailing suction hopper dredger; energy saving and emission reduction

U664.1

A

1001-9855（2016）06-0050-06

2016-07-12；

2016-08-15

王显力（1982-），男，工程师，研究方向：轮机设计研究。于再红（1976-），女，研究员，研究方向：轮机设计研究。张英捷（1986-），男，工程师，研究方向：轮机设计研究。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.050