船用天然气发动机现状和未来趋势分析研究

方小明

福建船政交通职业学院 福建 福州350007

当前船舶在海上航行时燃用重油,机动航行时燃用柴油,但使用天然气作为原动机的燃料已经很久了,尼古拉斯·奥托在1876年发明的发动机是用煤气驱动的,如今船用柴油机还是靠奥拓循环来运转的。所有的原动机都可以使用液体燃料和气体燃料。柴油机以其相对低廉的成本和较高的燃油效率成为船舶应用的主要发动机技术。

1 船用天然气发动机应用现状

1.1 天然气发动机技术 内燃机以气体燃料为燃料的技术有三种:稀燃火花点火式纯天然气、双燃料柴油引燃和直喷柴油引燃。发动机技术也可分为发动机采用哪种热力循环,奥托循环还是柴油循环。两个循环的基本特征如下:1)奥托循环,燃油喷射在压缩开始之前,燃料与空气混合并进入气缸,燃烧由点火源开始,通常是电火花或喷射先导油。2)柴油循环,燃油喷射在压缩冲程结束时,燃料首先进入气缸,柴油燃烧通常由燃料自燃开始,也称为压燃。

运行中的所有使用天燃气作为燃料的船上的发动机都是纯燃气发动机或双燃料四冲程中速发动机。可用于海运市场的天燃气发动机技术见表1。

表1 天然气发动机技术

使用奥托循环运行的发动机使用预混合空气/燃油充注,这会导致以下两个问题,这是柴油循环燃气发动机所没有的:1)对气体质量的敏感性:甲烷值较低的燃料会增加爆震的敏感性。2)甲烷泄漏:不完全燃烧产生的未燃烧燃料将从排气中逸出,并释放到大气中,除非通过后处理去除。所有主要的发动机制造商都为天然气发动机提供不同的选择和尺寸,无论是纯天然气发动机还是双燃料发动机。

1.2 纯天然气发动机 该发动机可用于船舶市场,并已应用于许多现有的气体燃料船舶柴油电力和机械推进装置。燃气船上的大多数燃气发动机都是中速发动机。可用船用发动机的功率范围约为500 k W至近10000 k W,每缸功率高达近500 k W。

在船舶市场上使用纯天然气发动机的主要制造商有劳斯莱斯和三菱。

1.3 双燃料四冲程发动机 顾名思义,双燃料发动机既可以使用燃气,也可以使用柴油,或者使用柴油和燃气的某种组合。在现代双燃料发动机上,燃料之间的切换或更换被认为是无缝的,发动机的运行不应中断。可用船用发动机的功率范围约为500 k W至18000 k W,每缸功率高达1000 k W。MAN、瓦锡兰和卡特彼勒马克是船用双燃料四冲程发动机的主要制造商。

2 船用天然气发动机未来趋势分析

2.1 充足的页岩气资源将继续促进天然气(LNG)发动机的发展随着美国页岩气革命的成功及在其他国家的推广,目前已探明的页岩气储量已经和天然气储量相当,以甲烷为主要成分的页岩气和天然气能源储量已是原油的近两倍。天然气的开发成果也推动全球能源结构调整,全球能源消费结构中天然气消费占能源消费总量的24%,而我国仅有5.4%,表明我国未来的天然气消费需求还有很大上升空间。

2.2 环保压力将推动天然气(LNG)发动机的推广 在国际上,船用燃料已经成为对海洋和大气的污染的重要成因,国际海事组织(I MO)已出台规定对于船舶排放也分阶段计划制定了严格的标准,同时在相关海域设定排放控制区(ECA),严格控制硫氧化物、氮氧化物的排放,这些都对船舶废物排放提出严格要求。国内虽然没有设定排放限制法规,但随着近年来空气污染越来越严重 汽车、船舶等交通工具的减排问题也日益受到关注。作为清洁燃料的天然气(LNG)在这方面具备优势,据测算相同情况下使用LNG可以减少60%～70%氮氧化物、15%～20%的二氧化碳和几乎全部硫化物的排放,有效达到减排的目的。

2.3 经济性优势将提高天然气(L NG)发动机装船量 不论是在国际还是在国内能源市场上,LNG 相比于成品油燃料均有价格优势。根据国内LNG 动力船舶试点经验,按照当前柴油和LNG的价格,使用混合燃料模式行驶比全柴油模式燃料成本降低20%以上,且混合燃料模式延长了发动机使用寿命,机油消耗降低10%以上,发动机维护费用降低30%以上。以“苏宿货1260号”的经验数据,内河3000吨级船舶,改造成本大概22万元,按70%的替代率计算,燃料综合节约率为17.8 %,年节约燃料成本约10.5 万。目前世界主要柴油机厂商竞相开发天然气(LNG)发动机,船东在新造船舶时也在考虑选用天然气(LNG)发动机。因此,天然气(LNG)发动机具有广阔的前景。

4 LNG 基础设施将会不断完善,从而打消船东对LNG 船舶的后顾之忧

由于LNG 大量携带不方便,船舶尤其是大型远洋船舶如何进行LNG燃料补给是海事界十分关注的问题。目前海上供气装置的缺乏是制约海运行业推广使用LNG的一大瓶颈。但随着各国对LNG燃料的重视,LNG 基础设施会不断完善。此外,采用小型LNG船进行燃料补给,是目前较为可行的方案。根据目前挪威的一些成功案例,以LNG为燃料的船舶在靠泊,可通过岸上的管道补充燃料,而 当船舶在海上营运时 则可通过小型的LNG船来实现燃料补给。根据DNV等机构的预测 今后海上LNG补给装置也有望进一步增加。可以预计,在这些利好因素的推动下,未来LNG 燃料在海运业的应用范围将会得到不断拓展。

当然使用液化天然气作为燃料的船舶安全也面临挑战:火灾和爆炸风险;液化天然气处于液态或冷态时会产生严重的冷损伤;油箱容量大;船侧和船底防护(碰撞和搁浅)等。因此国际海事组织的临时指导方针和即将出台的IGF规范的重点是通过规定液化天然气燃料船舶和船上系统的设计要求来规定所需的屏障,以降低风险水平。船级社正在通过制定人员认证标准、推荐做法和培训课程来解决这一问题。船用燃气协会(SGM F)的成立,预计也将促进能力发展,因为其中一个目标是制定将液化天然气用作船用燃料的最佳做法。在美国,USCG已经发布了与LNG燃料船舶操作和加油相关人员的政策函草案(USCG 草案PL第01-13号)。以培训所有参与LNG 燃料运输的人员,从设计师到应急响应人员。为了促进液化天然气燃料航运的增长,必须优先考虑和支持能力发展、人员认证和培训计划,这才能确保安全航行。