学文网摘 要：气体发动机的成功研制使得天然气这一清洁能源的使用不再局限于LNG运输船。随着国际海事组织关于船舶能耗的强制标准陆续生效，未来将会有越来越多的船舶采用LNG作为燃料。本文通过比较各类采用LNG作为燃料的船舶动力装置的特点，对未来船舶动力装置的选择进行了分析。
关键词：LNG，双燃料发动机，动力装置
引言
进入21世纪以来，随着世界范围内石油资源的日期枯竭，天然气正逐步取代石油成为世界范围内主要的能源型式。LNG作为一种新兴能源相对传统的燃油而言储量丰富且环境优势明显，相对太阳能和燃料电池等其他新兴能源而言，LNG在经济性方面的优势非常显著。船用LNG主要有单一使用LNG燃料和使用双燃料发动机两种型式。从目前国内外正在研发的船型来看，LNG运输船普遍采用单一的LNG作为主要突进能源，而非LNG运输船大多采用双燃料发动机。
单一LNG燃料的船舶动力装置常见类型及特点
使用单一LNG燃料的船舶动力装置主要有蒸汽轮机动力装置与燃气轮机动力装置两种：
1、汽轮机动力装置
目前几乎所有的LNG运输船均采用蒸汽轮机动力装置，该系统的基本原理是在主锅炉中采用LNG作为燃料，利用主锅炉产生的蒸汽驱动蒸汽透平进而推动螺旋桨和发电机组。蒸汽轮机的大输出功率可以充分满足船舶推进的要求，在柴油机问世之前蒸汽锅炉及透平一直是船舶动力装置的主流，技术成熟可靠性高而且日常维护的频率和成本都很低。
整体热效率较低是蒸汽轮机的最大弱点，通常蒸汽轮机的热效率仅为20%-30%，不到低速柴油机的一半，这就意味着当输出功率相同时蒸汽轮机所消耗的燃料数量为低速柴油机的2倍以上。对LNG运输船而言，由于货物运输过程中会产生大量的BOG可以作为推进燃料，所以无需过多考虑发动机的热效率问题。而对普通货船而言，采用LNG作为主要燃料已经存在续航力不足的问题了，热效率明显偏低的蒸汽轮机显然不是一个很好的选择。
2、燃气轮机动力装置
燃气轮机的概念源于航空发动机，相对蒸汽轮机而言燃气轮机只有一次能量转化，且燃烧气体推动透平做功后可以方便地进行再循环利用，所以热效率要高于蒸汽轮机。罗尔斯-罗伊斯燃气轮机公司2002年成功研发出Trent30型船用燃气轮机，输出功率可达到36MW，可以满足大多数货船的推进需求。燃气轮机同样具有可靠性高、单位重量功率大、振动小等特点。然而与目前主流的柴油机相比，燃气轮机的热效率依然要低很多，船舶续航力的问题依然无法解决。另外，燃气轮机对电站、燃料供应系统、气体压力控制系统相比柴油机和蒸汽轮机而言要复杂很多，这将大大增加货船机舱布置的难度及将来维护保养的成本。所以对普通货运船舶而言，燃气轮机动力也不是一个理想的选择。
双燃料发动机概念的提出及特点
1、普通货船采用LNG作为燃料时存在的问题
虽然在LNG运输船上已经成功实现了采用天然气作为主推进燃料，但是普通运输船舶由于其自身条件及LNG的固有特性，在使用LNG作为燃料时依然存在较多限制。对LNG推广影响最大的就是续航力问题。目前的统计数据显示，使用LNG燃料的船舶续航能力最多也只有22天（约10000海里），目前尚无法满足远洋航行要求，而采用燃油的船舶续航力普遍在42天以上（约18000海里）。
导致使用LNG燃料船舶续航力较差的最主要原因是LNG储罐及配套设施布置困难。燃油舱可以见缝插针地布置在船舶的大部分位置，所以船舶能够携带燃油总量不会太少。而LNG储罐体积虽小，但其本身具有一定的几何形状，在船上可以布置的位置就非常有限了。特别是对于干货船，由于货舱区域的装卸作业很容易损害LNG储罐，而考虑到安全问题储罐布置在生活区域又有诸多限制，这些都导致了普通货船不可能携带很多LNG。所以对于非LNG运输船而言，主推进系统的经济性是一个不容忽视的问题。
2、气体发动机的基本原理及特点
热机热效率低的一个重要原因是乏气除了用于加热之外很难以其他的形式重复利用，蒸汽轮机和燃气轮机都需要通过燃烧产生高温高压的气体驱动涡轮做功，正是这个特点导致其热效率越发低下。而驱动柴油机的活塞运动不需要高温高压气体，所以柴油机的热效率相对较高，低速柴油机的热效率普遍在50%以上，最高的可以达到56%。
气体发动机的基本工作原理与低速柴油机相似，该类型的发动机继承了低速柴油机的大部分特点。由于天然气着火温度比燃油高，早期的气体发动机的工作原理类似汽油发动机通过电火花点燃燃气。这种点燃式气体发动机在高速机上得到了非常成功的运用，不过该技术应用于低速气体发动机时碰到了问题。一个主要原因是用于船舶主推进的发动机普遍功率较高，需要一次性点燃的燃料数量较大，而电火花点火时释放的能量偏小且难以实现火源位置均衡，容易导致燃料着火情况不稳定。另一个原因是由于采用电火花直接点燃气体燃料，发动机的压缩比必须适当降低，否则气体容易产生爆燃现象。这势必造成发动机冲程的缩短，直接影响发动机的输出功率和热效率。因此这种点燃式发动机不适合作为船舶主推进发动机使用。
3、双燃料发动机的基本原理及特点
双燃料发动机的概念源于气体发动机的另一种点火方式，这种方式无需电火花，而是在喷入燃气的同时喷入少量柴油，待柴油压缩自燃后再引燃天然气。这种压燃式气体发动机能够保持船用柴油机高压缩比、高热效率、经济性好的特点，且自燃的柴油可以形成多个点火源确保气体燃料的充分燃烧，确保发动机能够稳定地运转。相对电火花点火而言，这种点火方式更适合船用低速大功率柴油机。
双燃料发动机的概念正是在压燃式气体发动机的基础上提出的。从工作原理来看，该类型气体发动机与传统意义上的低速柴油机几乎完全相同，结构也非常相似，仅需要增加一套气体燃料的供应及处理系统。所以这种压燃式气体发动机既可以燃烧气体燃料又可以燃烧燃油，可以根据国际能源价格的变化灵活地选择燃料。压燃式气体发动机同样存在低速不稳定的问题，由于用于引燃天然气的油雾更为稀薄，压燃式气体发动机的最低稳定转速相对柴油机而言会更高。采用双套燃料可以有效地解决这个问题，即在发动机高负荷运行时主要采用气体燃料驱动，当需要低负荷运行时采用燃油驱动。
双燃料发动机装置的常见类型及比较
未来采用双燃料发动机的船舶主要的动力装置可分为以下两种类型：
1、双燃料低速发动机+双燃料发电机组动力装置
这类动力装置的型式与目前应用最为广泛的柴油机动力装置几乎完全相同，即采用低速双燃料气体发动机驱动船舶推进器，同时采用高速双燃料气体发动机驱动发电机提供电能。这种动力装置无需改变现有船舶的柴油机结构及机舱布局，只需要增加一套气体供应及处理的系统即可。原来已经熟悉船用柴油机操作的船员稍加培训即可迅速适应这种双燃料发动机的相关操作。
然而，该类型的动力装置也不可避免地存在很多固有的弱点。首先，压燃式双燃料发动机同时燃烧燃油和天然气，这两种燃料的燃烧产物会在高温时发生反应形成酸性物质。尽管这种物质的数量很少，但依然会引起发动机燃烧室位置发生腐蚀。这就导致了相比使用单一燃料发动机而言，双燃料发动机需要更加频繁地进行停机维护，通常每2-3个月就必须停机维护一次。而该类型动力装置只通常只有1-2台发动机驱动推进器，任何一台发动机停机维护都无法确保船舶继续以正常速度航行，如此频繁的维护必将增加船舶营运管理的难度。
续航力不足也是该类型动力装置的一个致命问题，由于驱动船舶推进器的发动机通常为中低速发动机，通常这类发动机体积都比较庞大且布置困难。如果采用这种发动机必然导致船上很难布置更多的LNG储罐，进而导致该类型船舶的续航力问题更加突出。
2、双燃料电力推进动力装置
该类型动力装置的概念源于传统的电力推进概念，即采用3-4台双燃料发动机驱动发电机组提供电能，采用电动机驱动船舶推进器。该推进方案不仅能够充分发挥电力推进的各种优势还可以有效地避免前面所述动力装置所存在的问题。由于发动机并非直接驱动船舶推进器，只要在设计阶段确保任何一台机组停机时剩余的发电机所提供的电能依然能够驱动船舶以正常的航速前进，就可以有效地避免双燃料发动机频繁维护对船舶航行造成的影响。通常驱动发电机一般采用中高速发动机即可，这类发动机的体积只有低速机的10-20%，在船上布置非常方便，可以确保船上有更多的空间布置LNG储罐，进而确保船舶具有足够的续航力。需要注意的是，双燃料发动机的概念主要是针对低速机提出的，而电力推进动力装置的发动机可以选择只燃烧LNG的中高速气体发动机，目前这类发动机的技术已经非常成熟。
该方案的主要缺点是无法利用现有的船舶机舱布局，需要对机舱整体进行重新设计，所以很难用于旧船改造。采用电力推进的船舶的输配电系统相对其他船舶而言复杂很多，且中高压输配电设备价格昂贵，这些都将增加该类型船舶的建造成本。另外目前全球范围内采用电力推进方案的船舶数量并不多，培训一批熟悉电力推进船舶管理和操作的船员需要一定的时间。
目前以双燃料发动机作为原动机的动力装置已经在10000载重吨左右的近海运输船上取得成功。随着全球原油供应的日趋紧张和国际海事组织对船舶排放的规定愈加严格，未来将会有越来越多的船舶采用更为经济和清洁的LNG作为燃料。从本文的分析来看，不同类型的船舶动力装置都具有各自的特点，在工程实践中应当将各类动力装置的特点与船舶的自身特征结合分析，才能为船舶选择最合适的动力装置。
（作者单位：中国船级社上海分社）
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