船用气体燃料发动机技术对比及应用

王连佳，何金平，王炳轩，张 龙，徐渐晗

船用气体燃料发动机技术对比及应用

王连佳1，何金平1，王炳轩1，张 龙1，徐渐晗2

（1. 中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300457；2. 中海油天津化工研究设计院有限公司，天津 300131）

对现有不同形式的船用气体燃料发动机的技术性能以及安全性和可靠性进行对比分析，总结出现有各品牌气体燃料船舶发动机的优劣势和应用情况。为船舶建造动力系统设计过程选择合适型号的气体燃料发动机提供借鉴。

天然气 气体燃料发动机 可靠性

0 引言

天然气燃料作为一种清洁的能源，其在船舶海运领域的运用越来越受到的青睐。气体燃料发动机作为船舶燃用天然气的一种安全可靠和高效率的动力装置，随着技术的进步，已逐步被市场接受。首先在LNG运输船舶上面得到了广泛的使用，在新造船市场已全面替代了原双燃料锅炉和蒸汽透平的动力系统。

天然气作为船用燃料具有很好的环境友好性能，但是大部分的船东对采用天然气作为船舶的主要燃料还持观望态度。其中一个重要原因在于，新型的双燃料动力系统往往可选的供应商少，初始投资高。因此，有必要对双燃料动力系统的安全性、可靠性及经济性进行调研和评估。

1 气体燃料发动机技术与发展现状

按照发动机在气体模式下运行的基本原理，气体燃料发动机可分为低压燃气发动机和高压燃气发动机。低压系统的发动机遵循奥托循环运行，高压系统的发动机遵循柴油循环运行，这两种不同循环的发动机有着不同性能特点。现船用气体燃料发动机的市场主要由以低压系统为代表的Wartsila和以高压系统为代表的MAN两大传统船用发动机制造商所垄断，另外，还包括主推低压单气体燃料发动机的Rolls-Royce、低压双燃料系统的MAK及部分日韩的发动机制造厂。

1.1 低压气体燃料发动机

低压气体燃料发动机指燃气进入发动机气缸的压力较低,对于中速的气体燃料发动机来说通常为5 barg左右,而低速气体燃料发动机的进气压力为16 barg左右。其进入气缸的时间处于吸气循环，与燃烧空气按一定需要的比例一起混合后进入气缸，通过进气电磁阀的正时时间来控制燃气进气量，那么在接下来的压缩循环时，压缩的为燃气和空气的混合气体，这个就是低压燃气发动机与常规柴油机和高压燃气发动机的最大区别，后者压缩的仅仅为空气，燃料是在压缩循环的上止点瞬间喷入的。低压燃气发动机是按奥托循环运行的。如图1、图2、图3：

图1 低压四冲程双燃料发动机循环

图2 低压四冲程气体单燃料发动机循环

图3 低压二冲程双燃料发动机循环

对于按奥托循环运行的低压燃气发动机来说，其最关键的技术为在不同的负荷下精确的控制进入气缸的空气和燃料比例，如图4。

图中可以看出，一旦空燃比控制不好，就会进入爆燃区或不着火区域，这样的话发动机就无法正常工作了，对于双燃料发动机来说，其将自动切换至燃油模式运行，以保证发动机输出的功率保持不变，确保船舶的安全。而对于单燃料的发动机来说，其将会自动降低负荷，以保证发动机本身不至于损坏。在外界负荷瞬间变化时，保持快速的响应，对于现代高增压高效率的发动机来说，增压器的性能是至关重要的，另一关键技术是供气系统的响应能力，要求其在外界负荷变化时，迅速的调整供气压力至需要的值。增压器的响应能力直接决定了燃气发动机的热效率，较高响应能力的增压器可以使发动机的平均有效压力上升，以得到高的热效率，其可以运行在图中上部爆燃区和不着火区之间较狭窄区域，而不会由于外界负荷的变化而进入两边区域[1]。高的效率意味着较高的燃油经济性，较高的市场竞争力。由于低压燃气发动机按奥托循环运行，在实际运行发动机可以采用贫然技术，控制空气量略大于燃气正常燃烧所需空气量，使气缸内混合气体处于稀薄燃烧状态，燃烧的最高温度相较于柴油循环要较低很多，直接导致NOx的生成量大大的降低，可直接满足IMO Tier III的排放要求[2]。如图5。

图4 低压双燃料发动机运行图

图5 发动机燃烧温度对比图

采用奥托循环的燃气发动机还有一个明显的局限为对燃气甲烷值的要求较高，按国际上主流双燃料发动机制造厂的推荐，通常要求燃气的甲烷值不小于80[3]，如果使用甲烷值较小的燃气，那么必须降功率使用，否则将导致发动机的运行故障，如爆燃敲缸等故障。如图6。

低压燃气发动机还有一个弱点是相对较低的加载能力[4]，主要还是因为奥托循环的发动机必须精确的控制空燃比，大于其能力的外界负荷加载，将导致增压器无法及时跟进来提供足够的燃烧空气，从而使空燃比落入爆燃区域，使发动机出现敲缸故障而无法正常工作。如图7为燃气发动机通常的加载能力。

图6 低压双燃料发动机降功率图

图7 低压双燃料发动机加卸载能力图

1.2 高压气体燃料发动机

高压燃气发动机特指有德国MAN公司开发推出的高压双燃料低速柴油机，燃气进气压力高达300barg[5]。发动机的两个运行模式均按柴油循环运行。如图8。

由于燃气模式下的运行采用的依然是燃油模式运行的柴油循环，其燃气模式运行的特性与燃油模式一致，包括热效率、加载能力等。而主要的缺点为超高的供气压力，给外部供气系统的设计带来很大的挑战，而高压的供气系统也将消耗一定能量，而导致全船整体燃油消耗增加。相对于低压燃气发动机来说，由于采用柴油循环运行燃气模式，其排放标准依然只能满足IMO Tier II的要求，需要加设后处理装置才能满足Tier III的要求[6]。

图8 高压二冲程双燃料发动机循环

2 不同设计气体燃料发动机的对比

通过以上技术原理，不同设计型式的气体燃料发动机主要特点对比见表1。

3 各主要发动机制造厂气体发动机

相对于国外主流船用发动机制造厂的技术，国内船用发动机制造厂在燃气发动机的技术上还处于较落后状态，主要反应在安全性、可靠性和经济性方面[7]。国内发动机制造厂推出的燃气发动机还无法应用到海洋船舶上面。线面将主要列举国际上知名船用发动机制造厂推出的主流燃气发动机，对其进行对比。

目前，燃气发动机的制造厂家及其主推产品如:表2。

表1 不同模式气体发动机性能对比表

从表2可以得出，在中速机市场各大制造厂均采用了按奥托循环工作的低压技术，其主要区别在于各自热效率不同，代表了其是否处于技术领先位置。需要特别指出的是仅Rolls-Royce采用单燃料气体发动机，其优点是单一燃料下增压器效率可以仅按气体燃料模式优化，可以使热效率达到最大化，而缺点是无冗余度，对于海洋运输船来说，能够有足够的冗余度是大洋航行的安全保证。

表2 气体发动机主要制造商

在低速机市场还是有传统的两大船用发动机机制造厂垄断，Wartsila基于自己在中速低压双燃料发动机的技术和市场领先优势推出了采用低压奥托循环的低速双燃料发动机。MAN基于自己在低速大功率柴油机的技术和市场垄断地位，推出高压柴油循环的低速双燃料发动机，技术根植于其船用低速机的先进技术，有一个优点是此技术可改造老船上低速柴油机，从而实现船舶使用低价格的LNG燃料，以节省船东费用。

下面按中速低压技术和低速高低压技术对比各大制造厂家发动机的各项指标的优缺点。中速低压技术发动机对比如表3，低速双燃料发动机对比如表4。

表3 （专题七）四冲程双燃料发动机产品对比表

表4 （专题七）二冲程双燃料发动机产品对比表

4 各类气体发动机的运用现状

目前气体燃料发动机市场正处于快速发展的初期。在中速机市场主要还是被技术先行的Wartsila和MAN两个巨头掌握。

从上述对比可以看出Wartsila在双燃料发动机技术上是相对领先的，其市场占有率也说明了这一点。相对其它制造厂的优点主要体现在如下两个方面：

1）热效率较高。由于采用了较高的压缩比，其平均有效压力普遍要比竞争对手高，直接的效果是单位能耗较低，热效率高。燃料经济性要普遍高出其它厂家的产品。

2）产品的覆盖面广，在各个功率段都有其产品，基本覆盖了气体燃料发动机的船舶运用市场。

在中速低压船用双燃料发动机市场，Wartsila为这个市场的技术探索和开发厂家，一直处在技术和市场的领先地位。MAN作为在船用柴油机市场上主要的竞争者，其在低压中速双燃料发动机市场上的主要产品为51/60DF，凭借这一机型，其在采用DFDE（双燃料电力推进系统）的大型LNG运输船上已占领大部分市场。MAN的主要缺点为产品系列太单一化，仅在大功率的中速机上才能与Wartsila有一点竞争能力，在小功率范围内基本无成熟的产品。

由于采用的是单燃料气体发动机技术，Rolls-Royce的产品由于缺乏一定的冗余度，在远洋海运船舶上基本无竞争力，其产品主要运用在短途运输和作业的渡轮或港作拖轮上。

Cat MAK的产品基本按Wartsila的产品系列确定，但是作为市场的后来者，其技术和市场竞争力还处于非常弱势状态。

低速双燃料发动机的市场还是处于待开发状态，两大制造厂均在基于自己的技术优点大力推广自己产品。Wartsila已在2015.05正式交付了首台低速双燃料发动机，其被用于一条14000 m3的小型LNG运输船上，是否可靠还需时间与市场来检验。MAN的高压技术一直由于其高大300barg的供气管路进入机舱而让设计人员和船东所忌惮，但是随着IGF规格的完善并通过，将在规范上保证高压系统的安全性。

5 结论

对于船舶来说，选择一套适合的气体燃料发动机是非常重要的。对于气体燃料发动机的选择在考虑设备技术特点和性能指标的同时，还需要结合船舶自身所需的推进功率和用电功率、机舱布置、推进型式以及对可靠性和安全性的需求。通过各类气体燃料发动机的技术原理、安全性、可靠性等方面的对比分析，结合各厂家现有机型的技术参数，找到了各品牌产品的优劣势，为后续船舶建造气体燃料发动机选型提供借鉴。鉴于船用气体燃料发动机技术的诸多优点，今后将在更多船舶上得到应用。

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[3] 刘导, 郑炜. 低压双燃料船用发动机天然气液压驱动管泄漏检测技术攻关[J]. 内燃机与配件, 2020(13): 88-91.

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[5] 李徐程, 张尊华, 毛立通, 龙焱祥, 朱晨婷, 李格升. 天然气/柴油双燃料发动机燃料喷射及着火特性[J].内燃机学报, 2021, 39(01): 34-43.

[6] 王怀宇. 船用双燃料发动机工作过程模拟与排放优化[D]. 大连海事大学, 2020.

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A Comparative Study and Application of Marine Dual Fuel Engines

Wang Lianjia1, He Jinping1, Wang Bingxuan1, Zhang Long1, Xu Jianhan2

(1.CNOOC Energy Technology &Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452； 2.CNOOC Tianjin Chemical Research and Design Institute Co., Ltd.）

U664.1

A

1003-4862（2021）06-0054-05

2021-04-21

王连佳（1988-），工程硕士，职称工程师。研究方向：船舶机电设备管理。E-mail：wanglj60@cnooc.com.cn