船用LNG燃料发动机介绍

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1、船用LNG燃料发动机介绍1 概述航运业是传统行业，全球超过 90%的贸易都是通过海运完成的。在航运业数百年的发展历程 中，一直受到世界经济、政治等各种复杂因素变化的影响。绿色环保、节能减排是当今世界 以及航运业、造船业普遍关心的问题。只有顺应世界经济和行业发展的新变化、新趋势，顺 势而为，在快速变化的产业格局中找准自身定位，以新思维、新产品和新技术去抢占先机， 才能够把握住未来发展的主动权。当前，以“低能耗、低物耗、低排放、低污染”为主要特征的低碳经济已经成为世界经济发展 的一个重要趋势。如何顺应低碳经济发展潮流，变挑战为机遇，将是航运业和造船业共同面 临的长期课题。与传统的节能减排措施相比，

2、采用新能源作为船舶动力的主要来源，积极开 发新能源动力装置和新能源动力船舶是应对低碳经济发展趋势的中长期解决方案。天然气作为新型清洁能源近些年发展迅速，与石油和煤炭相比在营运成本、排放控制、技术 应用等方面拥有诸多优势，备受世界青睐。2004 年以来，国际原油价格大幅度上升，加上国 际法规对海运环保的要求越来越严格，LNG作为船用燃料的优势在逐步显现，为航运业发展 以天然气为主要燃料的船舶提供了可能。全球对 LNG 的需求快速增长， LNG 供求态势发生了深刻变化，市场由买方市场变成卖方市 场。2并且随着天然气液化技术的不断进步，液化成本不断降低，大大增加了液化天然气（LNG）的竞争力。2 天

3、然气简介 天然气是以碳氢化合物为主的气体混合物，无味、无色、无毒、无腐蚀性。纯天然气的组分 是以甲烷为主，其含量一般都在 90%以上，另外，还含有少量乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等低 碳烷烃以及二氧化碳、硫化氢、氮和微量的氦、氖、氩等稀有气体。其物理化学特性如下： 气态比重 0.680.75 kg/m3 液态比重 （LNG） 0.430.47 t/m3 低位热值 3550 MJ/Nm3 爆炸极限（和空气混合比） 515%天然气是清洁、方便、高效的优质能源，液化天然气（LNG）是由天然气经精练后液化得到的。世界上天然气资源丰富，常规天然气资源量估计为 400600 万亿 m3。 21 世纪天然气的产量

4、和消费量将会超过煤炭和石油，但目前开发利用的产量较低，只有2.2万亿m3,约为石 油年产量的 60%。从全球范围预测，天然气市场的前景更为乐观。LNG 燃料在减少大气排放，特别是 NOx、 CO2、 SOx 和颗粒物（烟尘）的排放方面优势十分 明显。与船用燃油（MDO）相比LNG燃料的减排效果与环保性能十分显著。与同类型传统 柴油主机相比，以LNG为燃料的船舶可以减排15%25%的二氧化碳以及85%90%的氮氧 化物，减排硫化物和颗粒物几乎可达 100%。不过， LNG 动力船舶的设计和建造技术要求也 相对较高。不仅如此，LNG燃料能够实现长期供给稳定。在技术层面，不仅新建船舶可以使用LNG，

5、在 航船舶也能够通过改装，使用LNG或者采用LNG/柴油双燃料。因此，未来510年间，以 LNG为燃料的船舶的数量将持续增加；预计10年后，以LNG为燃料的船舶所占的市场比例 有望达到 10%15%。3 船用 LNG 燃料发动机LNG船舶采用天然气作为燃料的技术已经相对成熟，但是非LNG船舶采用LNG作为燃料还 面临若干问题，如LNG燃料发动机技术的成熟、船舶天然气燃料储存供应技术的发展、船舶 LNG补给方式的完善、船舶LNG燃料系统安全保障等。从 LNG 燃料船舶本身的技术发展来看， LNG 储存、运输、补给、安全性等方面与普通柴油 船舶均有较大的变化，涉及的LNG储气罐、动力装置、燃料补给

6、等都属于LNG燃料船舶设 计的重点考虑因素，此外还包括蒸发气、气阀和管路系统、控制系统等内容。2003年以后，双燃料发动机作为一种新型主推进装置出现。Wartsila公司已经推出用于液化 天然气船的DF(Dual Fuel)型四冲程双燃料发动机，采用液化天然气、重油或船用柴油为燃料。2004 年 MAN B&W 公司推出用于液化天然气船主推进装置的二冲程柴油机， 2005 年推出 ME-GI 二冲程电控喷射双燃料发动机，燃料为液化天然气、重油，单机单螺旋桨或双机双螺 旋桨直接传动。与传统的发动机相比，双燃料发动机在运行经济性、废气排放、冗余度、可 靠性等方面都有较大改善。目前正在运营和在建的L

7、NG燃料船舶的配置大部分船舶都为近海运营，因此LNG储气罐容 积基本在250m3以下。从储气罐的类型来看，基本上都采用C型储气罐，主要优点是设计独 立、压力灵活、便于安装、无气体泄漏、无需维护费用，缺点是需要大量空间。从采用的发 动机来看，主要由Wartsila、MAN B&W、Rolls-Royce等几家公司供应，其中Wartsila和MAN B&W以双燃料发动机为主，而Rolls-Royce以气体发动机为主。3.1Wartsila DF 发动机Wartsila DF 双燃料发动机采用奥托循环，以液化天然气作为主要燃料，以重油或船用柴油作 为启动和备用燃料。发动机采用高压缩比和优化的喷射定时

8、，具有热效率高、排放污染小的 突出优点。DF双燃料发动机汽缸内空气和天然气的混合物很少，即汽缸内存在比完全燃烧所 要求的更多空气量，这意味着燃烧室内燃烧温度降低。很少的引燃燃油所形成的少的空气和 燃油可燃混合气着火后成为高能量热源。每个汽缸由控制系统单独控制正确的空燃比和引燃 燃油喷射量及喷射定时，保证稳定和可控燃烧以降低燃烧窒部件热负荷和机械负荷。决定内 燃机汽缸内NOx形成速率的主要因素是反应温度和反应时间。汽缸内空气量越多，空燃比就 越高；空燃比越高，汽缸内温度就越低， NOx 排放量就越少。在标定负荷运行时，低于 1 全负荷燃油喷射量的燃油作为引燃燃油喷入汽缸，因而其 NOx 的排放仅

9、有同功率柴油机的 10。Wartsila DF双燃料发动机燃油供应系统有两套，一套用于天然气运行模式，另一套用于柴油 运行模式，这两套系统独立工作。在两种模式下发动机都能启动。天然气运行模式启动时只往汽缸内喷射引燃燃油，汽缸内稳定燃烧后才能激发天然气供给， 从而保证安全和可靠启动。燃油系统分为两路，一路用于发动机柴油运行模式的喷射燃油， 另一路用于发动机天然气运行模式的引燃燃油。专设的引燃燃油泵将燃油压力泵至100 MPa， 然后经共轨油管到喷油器。引燃燃油喷射量及喷射定时为电控模式。柴油运行模式的喷射燃 油先供给到凸轮轴驱动的喷油泵，加压后再到液压启阀式喷油器。双燃料发动机喷油器为双 喷嘴结

10、构，大喷嘴用于发动机柴油运行模式时喷射燃油，小喷嘴用于发动机天然气运行模式 时喷射引燃燃油。发动机天然气运行模式时，天然气经滤器、调压器、速闭阀、放气阀后到 汽缸盖上的共轨管，然后到达天然气进气阀。调压器以发动机负荷调整天然气压力。天然气 进气阀位于空气进气阀的上方，为电动控制阀，由控制系统对每个缸单独控制以保证每缸正 确的天然气供给量。发动机各种负荷的空燃比大小由控制系统控制的废气旁通阀进行调整。通过废气旁通方式控制废气涡轮增压器转速，进而控制增压空气压力，因此空燃比大小与发 动机负荷相适应。由此可见双燃料发动机天然气运行模式每缸燃烧过程可控，以保证发动机运行性能，避免突 然停车、敲缸和熄火

11、故障。Wartsila DF双燃料发动机能够有效降低燃油消耗量，降低运输成 本，使船舶适应性得到增强。3.2 MAN B&W ME-GI 发动机 MAN B&W公司研制的ME-GI双燃料发动机是其ME电控喷射二冲程柴油机的清洁燃料应用 替代方案，能够利用高压天然气附加引燃燃油稳定运行。这种方案与以重油为燃料的二冲程 柴油机方案相比，其运行经济性更好，排放污染更小。由于二冲程柴油机热效率较高，在相同转速下基于二冲程柴油机的双燃料发动机正常工作所 需求的能量与传统发动机相比要小。ME-GI双燃料发动机与ME电控喷射柴油机在柴油机性 能各方面完全相同，因此所有的ME电控喷射柴油机都可改作为ME-GI

12、双燃料发动机。它有 3 种运行模式：燃油运行模式（100燃油），最小燃油运行模式（58引燃燃油+天然气）， 定量天然气运行模式（引燃燃油+定量天然气）。当按燃油运行模式工作时 ME-GI 双燃料发动机 便成为ME电控喷射柴油机。当ME-GI双燃料发动机按其他两种运行模式运行时，如果天然 气系统出现故障，天然气将被控制系统中断，发动机将转成燃油运行模式。由于发动机使用 以上三种运行模式运行时其燃料的硫分不同，因此不同运行模式应使用不同碱总值的汽缸油。 为了保证燃用天然气运行时发动机的热效率，发动机 100%负荷时要求将天然气加至最大压力 25 MPa，较低负荷运行时要求天然气压力降至不低于15

13、MPa。天然气压力由高压压缩机保证。 天然气由主压缩机供给，供给压力为15.026.5 MPa。主空压机装有容量控制系统以保证天然 气压力与发动机负荷相一致。汽缸盖上有两个天然气喷射阀和两个喷油器。一定压力的天然 气经管路供到汽缸盖上的蓄压器，后经速闭阀到天然气喷射阀。天然气喷射期间蓄压器压力 随时监测以保证压降不超过2.03.0MPa。压降过大意味着天然气泄漏，安全系统检测到以后 会将速闭阀关闭，发动机转为燃油运行模式。天然气喷射阀内有控制油和密封油。控制油控 制开启针阀保证汽缸内天然气供应。针阀与阀体之间由密封油密封以防止高压天然气上行进 入控制油。发动机上的天然气管路都是双层壁设计，发动

14、机正常工作时内管介质为高压天然 气，外管介质为通风机强制通风空气。管路设置碳氢化合物监测器以监测外管内强制通风空 气中碳氢化合物含量。一旦碳氢化合物监测器监测通风空气中碳氢化合物含量过高，主空压 机出气截止阀和汽缸盖天然气速闭阀立即关闭，残余管路内天然气将通过泄放阀泄放到大气， 随后内管充以惰性气体。对于 ME-Gl 柴油机来说，从0天然气、100燃油到 95天然气、5燃油之间。天然气和 燃油以任何比率都能在 25负荷以上使用。经济型性灵活性高，井且废气排放量低，具有 ME 型柴油机所有的功能。在 LNG 船市场具有广阔的前景。3.3 Rolls-Royce Bergen 气体发动机及其 HS

15、G 推进系统Rolls-Royce Bergen 燃气发动机组是一套清洁、高效的稀混合气动力系统，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。目前，该系统的单缸输出功率可达200kW，能源利用率达到46%。 相对于当前的国际海事组织（IMO）标准，Bergen燃气发动机能把氮氧化物排放降低90%，提 前达到了国际海事组织在2016年才生效的IMO Tier III排放控制标准。Bergen燃气发动机采 用 Rolls-Royce 公司的稀薄燃烧技术，达到极高的热效率，同时能保持良好的负载和速度控制。 2012 年

16、 1 月 Rolls-Royce 已经签署合同，为全球首艘 LNG 燃料拖船提供 2 台气体发动机和 1 套LNG燃料舱系统。此类LNG动力系统的应用预计能实现30%的二氧化碳减排目标。2009 年， Rolls-Royce 提出一种基于 HSG（Hybrid Shaft Generator, 混合动力轴带发电机）概 念的新型动力系统。传统的轴带发电机为 PTO（Power Take Out, 动力输出）模式，动力系统 有两大局限性：轴带发电机正常运行时主机转速要求恒定；轴带发电机不能与辅机（发电机） 并车，只能分区供电。 HSG 概念的提出，通过应用双向变频装置，使整个动力系统实现了下 述特点：轴发可以以两种不同模式（发电机模式和电动机模式）运行； 轴发向配电板的供电频率固定（允许主机转速发生变化）； 轴发能够和发电机并车运行； 能够实现推进系统的动力优化；在多种运行模式下降低油耗；减少了 C02、NO