摘 要
環境保護已經成為人類發展所共同關注的重中之重。節能減排、綠色低碳已經成為全球航運業發展的大勢所趨。液化天然氣（LNG）作為新型環保燃料已經在全球範圍內得到了日益廣泛的應用。本文對幾種常用船用LNG燃料發動機進行了簡要的介紹，旨在拋磚引玉，為未來航運業清潔能源的研究與應用提供一些思路和參考。
關鍵詞：船用；天然氣燃料；發動機
Study on Ship Power System of LNG Fuel
Environmental protection has become a common top priority of human development concern. Energy saving, low carbon development has become a new only trend in the global shipping industry. Liquefied natural gas (LNG) as a new environmentally friendly fuel has been increasing a worldwide range of applications. In this article, the study of LNG power system for marine is a preliminary introduction and exploration, which designed to serve as a catalyst for future research of application of clean energy for ships and to provide some reference.
1 概述
航運業是傳統行業，全球超過90%的貿易都是通過海運完成的。在航運業數百年的發展歷程中，一直受到世界經濟、政治等各種複雜因素變化的影響。綠色環保、節能減排是當今世界以及航運業、造船業普遍關心的問題。只有順應世界經濟和行業發展的新變化、新趨勢，順勢而為，在快速變化的產業格局中找准自身定位，以新思維、新產品和新技術去搶佔先機，才能夠把握住未來發展的主動權。[[1]]
當前，以“低能耗、低物耗、低排放、低污染”為主要特徵的低碳經濟已經成為世界經濟發展的一個重要趨勢。如何順應低碳經濟發展潮流，變挑戰為機遇，將是航運業和造船業共同面臨的長期課題。與傳統的節能減排措施相比，採用新能源作為船舶動力的主要來源，積極開發新能源動力裝置和新能源動力船舶是應對低碳經濟發展趨勢的中長期解決方案。
天然氣作為新型清潔能源近些年發展迅速，與石油和煤炭相比在營運成本、排放控制、技術應用等方面擁有諸多優勢，備受世界青睞。2004年以來，國際原油價格大幅度上升，加上國際法規對海運環保的要求越來越嚴格，LNG作為船用燃料的優勢在逐步顯現，為航運業發展以天然氣為主要燃料的船舶提供了可能。
全球對LNG的需求快速增長，LNG供求態勢發生了深刻變化，市場由買方市場變成賣方市場。[[2]]並且隨著天然氣液化技術的不斷進步，液化成本不斷降低，大大增加了液化天然氣（LNG）的競爭力。[[3]]
2 天然氣簡介
天然氣是以碳氫化合物為主的氣體混合物，無味、無色、無毒、無腐蝕性。純天然氣的組分是以甲烷為主，其含量一般都在90%以上，另外，還含有少量乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等低碳烷烴以及二氧化碳、硫化氫、氮和微量的氦、氖、氬等稀有氣體。其物理化學特性如下：
氣態比重 0.68~0.75 kg/m3
液態比重 (LNG) 0.43~0.47 t/m3
低位熱值 35~50 MJ/Nm3
爆炸極限(和空氣混合比) 5~15%
天然氣是清潔、方便、高效的優質能源，液化天然氣（LNG）是由天然氣經精練后液化得到的。世界上天然氣資源豐富，常規天然氣資源量估計為400~600萬億m3。21世紀天然氣的產量和消費量將會超過煤炭和石油，但目前開發利用的產量較低，只有2.2萬億m3，約為石油年產量的60%。從全球範圍預測，天然氣市場的前景更為樂觀。[[4]]
LNG燃料在減少大氣排放，特別是NOx、CO2、SOx和顆粒物（煙塵）的排放方面優勢十分明顯。與船用燃油（MDO）相比LNG燃料的減排效果與環保性能十分顯著。與同類型傳統柴油主機相比，以LNG為燃料的船舶可以減排15%~25%的二氧化碳以及85%~90% 的氮氧化物，減排硫化物和顆粒物幾乎可達100%。不過，LNG動力船舶的設計和建造技術要求也相對較高。
不僅如此，LNG燃料能夠實現長期供給穩定。在技術層面，不僅新建船舶可以使用LNG，在航船舶也能夠通過改裝，使用LNG或者採用LNG/柴油雙燃料。因此，未來5～10年間，以LNG為燃料的船舶的數量將持續增加；預計10年後，以LNG為燃料的船舶所佔的市場比例有望達到10%～15%。[[5]]
3 船用LNG燃料發動機
LNG船舶採用天然氣作為燃料的技術已經相對成熟，但是非LNG船舶採用LNG作為燃料還面臨若干問題，如LNG燃料發動機技術的成熟、船舶天然氣燃料儲存供應技術的發展、船舶LNG補給方式的完善、船舶LNG燃料系統安全保障等。
從LNG燃料船舶本身的技術發展來看，LNG儲存、運輸、補給、安全性等方面與普通柴油船舶均有較大的變化，涉及的LNG儲氣罐、動力裝置、燃料補給等都屬於LNG燃料船舶設計的重點考慮因素，此外還包括蒸發氣、氣閥和管路系統、控制系統等內容。
2003年以後，雙燃料發動機作為一種新型主推進裝置出現。Wartsila公司已經推出用於液化天然氣船的DF(Dual Fuel)型四衝程雙燃料發動機，採用液化天然氣、重油或船用柴油為燃料。2004年MAN B&W公司推出用於液化天然氣船主推進裝置的二衝程柴油機，2005年推出ME-GI二衝程電控噴射雙
3.1Wartsila DF發動機
Wartsila DF雙燃料發動機採用奧托循環，以液化天然氣作為主要燃料，以重油或船用柴油作為啟動和備用燃料。發動機採用高壓縮比和優化的噴射定時，具有熱效率高、排放污染小的突出優點。DF雙燃料發動機汽缸內空氣和天然氣的混合物很少，即汽缸內存在比完全燃燒所要求的更多空氣量，這意味著燃燒室內燃燒溫度降低。很少的引燃燃油所形成的少的空氣和燃油可燃混合氣著火后成為高能量熱源。每個汽缸由控制系統單獨控制正確的空燃比和引燃燃油噴射量及噴射定時，保證穩定和可控燃燒以降低燃燒窒部件熱負荷和機械負荷。決定內燃機汽缸內NOx形成速率的主要因素是反應溫度和反應時間。汽缸內空氣量越多，空燃比就越高；空燃比越高，汽缸內溫度就越低，NOx排放量就越少。在標定負荷運行時，低於1％全負荷燃油噴射量的燃油作為引燃燃油噴入汽缸，因而其NOx的排放僅有同功率柴油機的10％。
Wartsila DF雙燃料發動機燃油供應系統有兩套，一套用於天然氣運行模式，另一套用於柴油運行模式，這兩套系統獨立工作。在兩種模式下發動機都能啟動。
天然氣運行模式啟動時只往汽缸內噴射引燃燃油，汽缸內穩定燃燒后才能激發天然氣供給，從而保證安全和可靠啟動。燃油系統分為兩路，一路用於發動機柴油運行模式的噴射燃油，另一路用於發動機天然氣運行模式的引燃燃油。專設的引燃燃油泵將燃油壓力泵至100 MPa，然後經共軌油管到噴油器。引燃燃油噴射量及噴射定時為電控模式。柴油運行模式的噴射燃油先供給到凸輪軸驅動的噴油泵，加壓后再到液壓啟閥式噴油器。雙燃料發動機噴油器為雙噴嘴結構，大噴嘴用於發動機柴油運行模式時噴射燃油，小噴嘴用於發動機天然氣運行模式時噴射引燃燃油。發動機天然氣運行模式時，天然氣經濾器、調壓器、速閉閥、放氣閥後到汽缸蓋上的共軌管，然後到達天然氣進氣閥。調壓器以發動機負荷調整天然氣壓力。天然氣進氣閥位於空氣進氣閥的上方，為電動控制閥，由控制系統對每個缸單獨控制以保證每缸正確的天然氣供給量。發動機各種負荷的空燃比大小由控制系統控制的廢氣旁通閥進行調整。通過廢氣旁通方式控制廢氣渦輪增壓器轉速，進而控制增壓空氣壓力，因此空燃比大小與發動機負荷相適應。
由此可見雙燃料發動機天然氣運行模式每缸燃燒過程可控，以保證發動機運行性能，避免突然停車、敲缸和熄火故障。Wartsila DF雙燃料發動機能夠有效降低燃油消耗量，降低運輸成本，使船舶適應性得到增強。
3.2 MAN B&W ME-GI發動機
MAN B&W公司研製的ME-GI雙燃料發動機是其ME電控噴射二衝程柴油機的清潔燃料應用替代方案，能夠利用高壓天然氣附加引燃燃油穩定運行。這種方案與以重油為燃料的二衝程柴油機方案相比，其運行經濟性更好，排放污染更小。
由於二衝程柴油機熱效率較高，在相同轉速下基於二衝程柴油機的雙燃料發動機正常工作所需求的能量與傳統發動機相比要小。ME-GI雙燃料發動機與ME電控噴射柴油機在柴油機性能各方面完全相同，因此所有的ME電控噴射柴油機都可改作為ME-GI雙燃料發動機。它有3種運行模式：燃油運行模式(100％燃油)，最小燃油運行模式(5％~8％引燃燃油+天然氣)，定量天然氣運行模式(引燃燃油+定量天然氣)。當按燃油運行模式工作時ME-GI雙燃料發動機便成為ME電控噴射柴油機。當ME-GI雙燃料發動機按其他兩種運行模式運行時，如果天然氣系統出現故障，天然氣將被控制系統中斷，發動機將轉成燃油運行模式。由於發動機使用以上三種運行模式運行時其燃料的硫分不同，因此不同運行模式應使用不同鹼總值的汽缸油。
為了保證燃用天然氣運行時發動機的熱效率，發動機100%負荷時要求將天然氣加至最大壓力25 MPa，較低負荷運行時要求天然氣壓力降至不低於15 MPa。天然氣壓力由高壓壓縮機保證。天然氣由主壓縮機供給，供給壓力為15.0~26.5 MPa。主空壓機裝有容量控制系統以保證天然氣壓力與發動機負荷相一致。汽缸蓋上有兩個天然氣噴射閥和兩個噴油器。一定壓力的天然氣經管路供到汽缸蓋上的蓄壓器，后經速閉閥到天然氣噴射閥。天然氣噴射期間蓄壓器壓力隨時監測以保證壓降不超過2.0~3.0MPa。壓降過大意味著天然氣泄漏，安全系統檢測到以後會將速閉閥關閉，發動機轉為燃油運行模式。天然氣噴射閥內有控制油和密封油。控制油控制開啟針閥保證汽缸內天然氣供應。針閥與閥體之
3.3 Rolls-Royce Bergen氣體發動機及其HSG推進系統
Rolls-Royce Bergen燃氣發動機組是一套清潔、高效的稀混合氣動力系統，其能效指標符合國際上所有環保要求標準。該機型與傳統的發動機相比能達到更高的能源利用效率，同時能夠極大地降低氮氧化物的排放。目前，該系統的單缸輸出功率可達200kW，能源利用率達到46%。
相對於當前的國際海事組織(IMO)標準，Bergen燃氣發動機能把氮氧化物排放降低90%，提前達到了國際海事組織在2016年才生效的IMO Tier III排放控制標準。Bergen燃氣發動機採用Rolls-Royce公司的稀薄燃燒技術，達到極高的熱效率，同時能保持良好的負載和速度控制。2012年1月Rolls-Royce已經簽署合同，為全球首艘LNG燃料拖船提供2台氣體發動機和1套LNG燃料艙系統。此類LNG動力系統的應用預計能實現30%的二氧化碳減排目標。
2009年，Rolls-Royce提出一種基於HSG（Hybrid Shaft Generator, 混合動力軸帶發電機）概念的新型動力系統。傳統的軸帶發電機為PTO（Power Take Out, 動力輸出）模式，動力系統有兩大局限性：軸帶發電機正常運行時主機轉速要求恆定；軸帶發電機不能與輔機（發電機）並車，只能分區供電。HSG概念的提出，通過應用雙向變頻裝置，使整個動力系統實現了下述特點：
軸發可以以兩種不同模式（發電機模式和電動機模式）運行；
軸發向配電板的供電頻率固定（允許主機轉速發生變化）；
軸發能夠和發電機並車運行；
能夠實現推進系統的動力優化；
在多種運行模式下降低油耗；
減少了CO2、NOx和SOx的排放。
HSG混合動力系統具有較高的機動性和冗餘度。理論上，HSG系統中的主機和輔機均可以選用柴油發動機機或者LNG氣體發動機，這樣一來，應用純燃氣發動機同樣可以實現整個動力系統的混合燃料工作模式，在動力性能優化和節能減排方面同樣能取得良好的效果。
除歐洲一些主要的船廠和設計公司正在開發LNG燃料技術外，韓日造船企業目前也在積極準備LNG燃料船舶的開發。日本商船三井於2009年公布了採用LNG燃料的“ISHIN-II”號環保渡船的設計構想；韓國大宇造船與海洋公司目前正在開發採用LNG燃料的大型集裝箱船。2011年6月，大島造船與挪威船級社合作完成了LNG燃料6.2萬噸大開口散貨船的概念設計，該設計可實現硫化物零排放，減少90％的氮氧化物和50％的二氧化碳排放，滿足IMo Tier III排放標準要求。三井重工於2011年下半年表示，其將開發船用LNG發動機視為迫切任務，並計劃在其玉野工廠建設相關研發和生產設施。
4 小結
隨著時間的流逝，新的國際公約和規範不斷生效，全球航運業將要面臨的污染和排放限制將愈加嚴厲。客觀條件的改變將會推動航運業的節能減排技術的高速發展。以LNG為代表的新能源在環保方面所具有的獨特優勢和所能產生的效益已經越來越顯著，其在船舶交通運輸行業的應用和推廣已呈必然之勢。[[7]]
儘管LNG燃料船舶的建造成本比較高，但這些建造成本可以由較低的營運成本抵消，越來越多的船東變得青睞LNG燃料船舶。本文簡要介紹了幾種目前常用的LNG燃料發動機和動力系統，以其作為引玉之磚，供廣大業內同行進行信息交流與技術參考。
[[1]] 譚作鈞. 在“中國造船論壇2011——對話香港船東”上的講話[R]. 2011.
[[2]] 丁春香. 我國LNG產業發展的現狀、問題及對策[J]. 天然氣技術, 2008, 5(2): 13—15.
[[3]] 馬 捷, 等. 天然氣的全球市場和貯運發展趨勢[J]. 深冷技術, 2008, 4: 10—15.
[[4]] 王衡元. 大型LNG船建造研究[J]. 船舶工程, 2005 supplement: 46—51.
[[5]] 王光睿. LNG燃料助推船舶駛向綠色[N]. 中國船舶報, 2011-06-15 (001)
[[6]] 秦 琪, 楊 軍. LNG燃料船技術新潮流[J]. 中國船檢, 2011, 8:53—57
[[7]] 嚴新平. 新能源在船舶上的應用進展及展望[J]. 船海工程, 2010, 39(6): 111—115.
