低速双燃料发动机技术分析

低速双燃料发动机技术分析

随着全球油价持续走高以及越来越严格的排放限制，船东越来越重视船舶的经济性和清洁环保。虽然市场上也能看到燃料电池、氢燃料动力、混合动力等技术，但目前最为成熟和具有经济性的替代能源无疑仍然是天然气。《国际气体动力船舶规则》(IGF Code)的日趋成熟，使天然气燃料动力船越来越受关注，不仅在渡轮、拖轮等短程小船中得到应用，在国际航行的天然气运输船、集装箱船、油船、大型矿砂船等领域也得以推广。天然气作为船舶燃料起初主要用于沿海渡轮等小型船舶，这一方面是由于燃料舱尺寸限制了双燃料发动机在远洋船的使用，另一方面也是因为远洋船所用的电力推进效率低于低速柴油机，不具备经济性。随着油价和天然气价格差扩大及排放限制，MAN Diesel & Turbo已推出ME-GI 系列低速双燃料发动机，Wartsila公司也推出Flex-DF低速发动机，两大垄断厂商的重磅产品的推出，将会在低速柴油机主宰的远洋船舶市场上取得明显的竞争优势，改变当前双燃料发动机的市场格局，使气体动力船走向远洋成为可能。本文介绍了气体燃料动力系统发展的趋势，以第三方视角，对比高低压低速双燃料发动机的特点和优劣，分析其经济性和应用前景，供船东选型参考。

低速双燃料发动机前景

1、天然气燃料的安全性和经济性安全性和经济性是决定清洁能源技术能否广为应用的最关键的两个方面。首先，气体燃料的使用已经有几十年的经验，人们不断摸索完善燃气在船上安全应用的方案，各大船级社制定了自己的规范。IMO也在MSC285(86)临时导则的基础上修订了IGC Code，并将很快推出IGF Code，双燃料动力装置的安全性已得到认可。另一方面，风险分析和模拟技术的使用，使燃气动力系统得到了适当的简化，单一气体发动机也得以使用。但对于大型远洋船舶，风险分析表明动力系统的可靠性非常重要，在一定时期内，双燃料系统仍将是不可替代的。其次，在经济性方面，燃气和燃油的价格差是影响气体燃料动力装置经济性的关键因素。由于我国天然气价格和燃料油价格相差不大，普通船舶使用液化天然气代替燃料油目前还不具备经济性。但美国天然气价格不到我国的1/3，因此美国船东已开始建造气体燃料的大型船舶。 2006年至2014

年能源价格走势表明，燃油价格上升快于天然气，可随着天然气的应用增加，这种趋势是否会持续并不确定。随着硫氧化物排放控制提高到0.1%的标准，通常只有MGO才能达到。即使天然气价格上涨，但和昂贵的低硫燃油相比仍有优势。影响天然气推广应用的另一个重要因素是排放控制区的多少。

图1 燃料价格走势

2、低速双燃料发动机的竞争优势早期的大型天然气运输船多使用蒸气轮机推进装置，它可以直接使用蒸发的天然气作为燃料，但效率较低。再液化系统出现以后，人们开始使用传统的低速柴油机推进装置，并将天然气蒸发气再液化作为货物，但再液化系统价格昂贵而且消耗功率很大。目前LNG运输船使用最多的是中速双燃料发动机加电力推进方案（DFDE）。由于低压四冲程双燃料发动机动态性能不好，只能采用推进电机间接驱动螺旋桨，整个系统包括发电机组、配电装置、变压器、调速器、电动机、控制及监测装置等。电力推进凭借其较高的总效率（约40%）成为替代传动蒸汽轮机推进LNG船的首选，但和低速柴油机直接驱动螺旋桨（约48%）的效率相比，效率仍显得不高，造价高昂。更适合配备大功率电力设备或低负荷工况较多的船舶。随着双燃料发动机的改进，瓦锡兰DF系列发动机已可以用来直接推进可调螺距桨，在小型船舶上可以达到较高的效率。但发动机功率和可调桨直径较小，限制了其使用。

双燃料中速发动机电力推进的方案虽然在天然气运输船上广为使用，但由于其经济性、造价及维护保养的不足，不能很好的满足普通远洋船的需求。MAN公司经过多年技术改进，在一台8S70ME-GI发动机上正式完成了高压低速双燃料发动机型式试验，它标志着低速双燃料发动机正式走向市场。该机具有低速柴油机全部优点，燃气和燃油模式都采用狄塞尔循环，可以顺滑切换，具有良好的经济性。它克服了低压双燃料发动机动态性能不好的缺点，满足恶劣海况的使用需求。瓦锡兰公司也发布了低速双燃料发动机，将在2015年进行型式试验。这些新机型和远洋船舶常用的低速柴油机的应用生态环境非常接近，原有的船型和配套产业链都不需要做过多调整，只需解决好液化天然气储备及气体供应问题，即可凭借低速柴油机在远洋船舶上的成熟应用取得优势，改变当前中速双燃料发动机主导的市场格局。

3、经济性和应用前景决定低速双燃料发动机能否推广应用，取决于技术经济分析的结果。技术的可行性、环保效益、改造难度也可计入技术经济分析模型中。我们采用传统的净现值法（NPV）进行分析。其中，t-现金流发生时间 n-项目总运营期 r-折现率，或预期收益率 Ct-t时间发生的现金流 C0-初投资

上述分析中初投资成本及运营成本的估算来源于中国船级社（CCS）对几家公司的调研。我们尽可能考虑了各种新增的营运成本和收益，例如燃料成本、维护

保养成本、船员工资增加、载货量的减少、环保设备及再液化设备的需求变化。我们对比分析了多种方案在不同应用场景下的经济性：对比的动力系统包括中速机电力推进、中速机可调桨、低速双燃料发动机、低速柴油机；进行了初投资成本、天然气价格的敏感性分析；船型考虑了集装箱船和天然气运输船；分析了使用低速双燃料发动机替代低硫燃油及排气清洗系统（EGC）的可行性。通过不同方案的经济性分析对比，我们得到以下结论：◆天然气运输船上使用双燃料发动机，由于不用增加燃料罐及供气系统投资，各种气体动力方案都比燃油方案具有突出优势；◆各气体动力装置中，低速双燃料发动机方案具备优势；◆由于燃料罐限制，对于固定航线的集装箱船、油轮、矿砂船较具可行性；◆由于气体动力装置的造价较高，在排放控制区偶尔使用天然气代替低硫油的经济上不可行；◆不同市场天然气和燃油的相对价格是决定LNG动力装置应用的最敏感参数。LNG罐子大小决定续航力，也是影响初投资的关键因素。美国市场天然气价格低，多数船型都具备经济性；在欧盟等排放控制区内长期航行的船舶，使用天然气替代低硫燃油或EGC具备可行性，经济性取决于在排放控制区域内航行的时间；中国天然气价格水平决定，在国内天然气替代普通燃料油不可行，使用天然气替代柴油具备经济性。

图2 净现值分析结果示例

主流机型的特点比较

低速双燃料发动机目前主要有MAN的高压发动机和Wartsila的低压发动机，二者各有优劣势。三菱重工的二冲程双燃料发动机尚在研发中。

1、发动机技术来源 ME-GI高压双燃料电控发动机是MAN Diesel & Turbo SE 公司在保留成熟的ME主机基础上研制的新型发动机，采用add-on模块化设计，