摘 要

环境保护已经成为人类发展所共同关注的重中之重。节能减排、绿色低碳已经成为全球航运业发展的大势所趋。液化天然气（LNG）作为新型环保燃料已经在全球范围内得到了日益广泛的应用。本文对几种常用船用LNG燃料发动机进行了简要的介绍，旨在抛砖引玉，为未来航运业清洁能源的研究与应用提供一些思路和参考。

关键词：船用；天然气燃料；发动机

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，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。[]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 0.68~0.75 kg/m3

液态比重 (LNG) 0.43~0.47 t/m3

低位热值 35~50 MJ/Nm3

爆炸极限(和空气混合比) 5~15%

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400~600万亿m3。21世纪天然气的产量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，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5～10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LNG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。[]

3.1 Wartsila 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，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(5％~8％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 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15.0~26.5 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2.0~3.0MPa。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HSG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：

Ÿ 轴发可以以两种不同模式（发电机模式和电动机模式）运行；

Ÿ 轴发向配电板的供电频率固定（允许主机转速发生变化）；

Ÿ 轴发能够和发电机并车运行；

Ÿ 能够实现推进系统的动力优化；

Ÿ 在多种运行模式下降低油耗；

Ÿ 减少了CO2、NOx和SOx的排放。

HSG混合动力系统具有较高的机动性和冗余度。理论上，HSG系统中的主机和辅机均可以选用柴油发动机机或者LNG气体发动机，这样一来，应用纯燃气发动机同样可以实现整个动力系统的混合燃料工作模式，在动力性能优化和节能减排方面同样能取得良好的效果。

除欧洲一些主要的船厂和设计公司正在开发LNG燃料技术外，韩日造船企业目前也在积极准备LNG燃料船舶的开发。日本商船三井于2009年公布了采用LNG燃料的“ISHIN-II”号环保渡船的设计构想；韩国大宇造船与海洋公司目前正在开发采用LNG燃料的大型集装箱船。2011年6月，大岛造船与挪威船级社合作完成了LNG燃料6.2万吨大开口散货船的概念设计，该设计可实现硫化物零排放，减少90％的氮氧化物和50％的二氧化碳排放，满足IMo Tier III排放标准要求。三井重工于2011年下半年表示，其将开发船用LNG发动机视为迫切任务，并计划在其玉野工厂建设相关研发和生产设施。

4 小结

随着时间的流逝，新的国际公约和规范不断生效，全球航运业将要面临的污染和排放限制将愈加严厉。客观条件的改变将会推动航运业的节能减排技术的高速发展。以LNG为代表的新能源在环保方面所具有的独特优势和所能产生的效益已经越来越显著，其在船舶交通运输行业的应用和推广已呈必然之势。[]

尽管LNG燃料船舶的建造成本比较高，但这些建造成本可以由较低的营运成本抵消，越来越多的船东变得青睐LNG燃料船舶。本文简要介绍了几种目前常用的LNG燃料发动机和动力系统，以其作为引玉之砖，供广大业内同行进行信息交流与技术参考。