国内外双燃料发动机发展状况分析_彭雪竹

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瓦锡兰深知双燃料发动机的 实用化必须良好解决岸上供应问 题,为此与壳牌石油公司签署了 一项长达 7 年的合作协议,旨在 推进并加快 LNG 作为船用燃料 的使用。双方将共同努力,通过不 断完善供应链和 LNG 岸上气站 和船上储存工作,加快这一进程。 壳牌将会向配备瓦锡兰燃气发动 机的船舶和相关运营商供应低成 本、高品质的 LNG,首先在墨西 哥湾沿岸开展,然后逐渐扩大范 围。
2011 年 5 月 18 日,曼恩在 哥本哈根举行了 ME-GI 型双燃 料发动机的发布仪式。宣称,新型 主机可较传统柴油机减少 23% 的 CO2 排放,而 NOx 和 SOx 排放 分别能减少 80%和 90%。ME-GI 型双燃料发动机不仅可为 LNG 船配套,还可用作其它商船的主 机,用户可以根据燃料成本和喜 好选用 LNG 或燃油。
费用会降低 25%左右。依据瓦锡 兰的估算结果,双燃料主机增加 的初始投资可在 5 年内收回,故 双燃料发动机依然具有较大的 竞争优势。
二、双燃料发动机发展现状
近年来,在瓦锡兰、曼恩等柴 油机巨头的带动下,全球双燃料 发动机技术发展可谓风生水起。 总体上讲,目前取得实质性进展 的产品仍主要来自于传统的船用 柴油机生产制造商,如瓦锡兰、曼 恩以及卡特彼勒旗下的马克 (Mak)品牌。
(3)其他 相比于瓦锡兰和曼恩两大巨 头,其他船用低速机制造商目前 尚无实力开发低速双燃料发动 机,除技术能力外,对市场前景存 在疑虑也在一定程度上抑制了积 极性。如最具技术实力的日本三 井造船也才在 2011 年下半年开 始关注这一领域;而三菱重工、现 代重工、STX 等主要精力还在于 船上供气系统的有关研制工作。 例如,2012 年 3 月,三菱重工研 发出供应高压气体的系统,可帮 助船用发动机使用 LNG 燃料,该 系统通过 液 压 泵 能 提 供 30MPa 的 LNG。 2. 中速双燃料发动机 与低速双燃料发动机相比, 中速双燃料发动机的发展明显领 先。一方面,中速机一般作为中小 型船舶的推进主机或作为船舶的 发电机使用,功率相对较小,燃料 需求量也较少,船舶燃料携带问 题容易解决。另一方面,由于中速 双燃料发动机有能够广泛应用于
LNG 船提供了 50DF 双燃料发动 机,加上目前的手持订单,使用该 型机的 LNG 船占到了 LNG 船队 总量的四分之一。加上陆用双燃 料发动机,瓦锡兰已经向用户交 付了 720 台双燃料发动机,累计 运行时间也已超过 500 万小时, 具有里程碑式的意义,也远超出 其他发动机制造商。
瓦锡兰双燃料技术首次应用 是在 1990 年代初期的陆用电厂 项目;2000 年,首台船用 50DF 发 动机应运而生。该技术使发动机 可燃用 LNG 或柴油/重油,并能 在运转过程中平稳地在不同燃料 间转换,能够确保运营安全性。 2006 年,瓦锡兰 50DF 发动机应 用在第一艘 LN来自百度文库 船上并引领行 业潮流,此后约 65%的新造 LNG
船都选择安装瓦锡兰双燃料发动 机。
除较大尺寸的 50DF 双燃料 发动机外,瓦锡兰还将功率范围 进一步扩大,陆续推出了 34DF、 20DF 双燃料发动机,应用范围得 到进一步扩展。较小尺寸的双燃 料发动机可作为小型船舶的推进 动力,如小型货船、渡船或拖船; 当然,更广泛的应用是作为船舶 发电机和陆用发电机。
与 传 统 使 用 柴 油 /重 油 的 船 用发动机相比,双燃料发动机可 交替燃用柴油/重油和 LNG,最突 出的优势是污染气体和温室气体 排放的大幅降低:几乎可实现 SOx 的零排放、大幅降低 NOx 和 CO2 的排放。
污染气体减排方面,瓦锡兰 产品的实际运营数据表明,双燃 料发动机在 LNG 燃料模式下运 行时,NOx 排放量低于 IMO 现行 法 规 中 规 定 的 标 准 至 少 85% ; SOx 和颗粒物排放几乎为零。
11000~17550 2400~3600 4800~7200 6000~9000
12000~18000 5400~8100
注:功率范围涵盖作为推进主机和发电机的功率范围。
沿海和内河船舶的前景预期,发 展受到更多的关注。由此,世界主 要柴油机制造商均率先推出中速 双燃料发动机,并已取得了大量 实船应用的实绩。
此外,曼恩与大宇造船海洋 协作,帮助后者研发了匹配大型 商船的高压气体燃料供应系统 (HP -FGS), 供 应 压 力 大 约 300bar。新系统仅需较小的电力 消耗(100kW),且结构紧凑。大宇 指出,由于缺少高效、高压的气体 供应系统,低速双燃料发动机一 直被认为难以在大型船舶领域适 用,大宇的新系统将对此产生极
以上无论何种减排方法都没 有从根本上消除 NOx 和 SOx 的 产生的可能性,且柴油机依旧使 用价格较高的燃油。而 LNG 作为 一种优质燃料,不仅能够大幅降
低排放,且价格也较柴油低,一直 被视作船用柴油机上佳的替代燃 料,双燃料发动机的研发成功使 该方案具有可行性,使用双燃料 主机也逐渐成为船东订船时的一 种新选择。
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运资源比较丰富,拥有天然河流 5800 多条,但截至目前,还没有 适用于内河船舶的国家级排放限 制法规。
面对海事法规的种种限制, 船舶发动机采取了各种改进措 施。
NOx 减排方面,由于船用柴 油机运行所产生的 NOx 是高温 条件下空气在气缸内燃烧时氧和 氮元素发生反应后形成的产物, 主要采用机内控制法和机外控制 法减排,具体措施大体可分为燃 料预处理、工作过程处理和排气 后处理三类。其中预处理包括:采 用低碳燃油、燃油乳化等;过程处 理包括:喷油定时延迟、改变喷油 器参数及燃油— ——水分层喷射; 后期处理包括:废气再循环、废气 再燃烧处理和选择性催化还原 (SCR)技术。
大的推动作用。 在低速双燃料发动机适用船
型方面,除基本不存障碍的 LNG 船外,曼恩与日本 IHIMU、挪 威 DNV 合作,推出了采用双燃料发 动机的大型集装箱船设计,除减 少排放外,新船型引人关注之处 在于采用双燃料发动机情况下, 船舶燃料舱与现有同级别船燃料 舱大体相当,不影响船舶的载货 能力。
2012 年 4 月,曼恩在哥本哈 根为客户举行的第二次 ME-GI 型发动机测试展示会上对外宣 布,现代重工、三井造船将分别生 产该机型的原型机,此举意味着 ME-GI 型发动机向商用化方面 迈进了重要一步。预计今年 11 月,现代重工将生产 1 台 8S70ME-GI 型机,而三井造船则 将 在 2013 年 下 半 年 生 产 1 台 6S70ME-GI 型机。
温室气体减排方面,LNG 中 碳含量最低,较普通的柴油和重 油大约低 12%~15%。而依据瓦锡 兰双燃料发动机实际运营数据, 其 CO2 排放量低于 IMO 现行法 规中规定标准约 25%。
卓越的减排效果及较低的 运营成本使得很多船东非常看 好 LNG 燃料或双燃料。曼恩、瓦 锡兰等船用柴油机巨头也适时 推出一系列双燃料发动机,并实 际运用在远洋船舶上。在目前双 燃料发动机的发展阶段下,虽然 在船上安装 LNG 动力设备的初 始投资要比传统的柴油机标准 设计高约 30%,但由于 LNG 价 格要远低于燃油价格,船舶运营
(2)曼恩 早在 1994 年,曼恩就开始低 速双燃料发动机的研发工作,但 外部环境使工作进展缓慢;而曼 恩本身也从实用性、可行性的角 度考虑,研发工作并不积极。随着
形势改变,作为占有全球约 80% 低速机市场份额的巨头,曼恩自 然不甘落后,在低速双燃料发动 机研制、匹配船型和供气系统展 开了一系列工作。
大气污染议题的研讨及审议工 作。经过一系列讨论和论证,2005 年 5 月 19 日,“防止船舶造成大 气污染规则”即 MARPOL 73/78 附则Ⅵ正式实施,主要针对船舶 柴油机排放物中 NOx、SOx 和颗 粒物的排放做出限制。
中国方面,由于我国于 2006 年 3 月 15 日 方 加 入 MARPOL 73/78 公 约 1997 年 议 定 书 ,故 “防止船舶造成大气污染规则”于 2006 年 8 月 23 日对我国生效。 内河航运方面,虽然我国内河航
L
6/8/9
50DF
500/580
500/514
V
12/16/18
32/40DF
320/400
L
6/7/8/9
720/750
V
12/14/16/18
51/60DF
510/600
L
6/7/8/9
500/514
V
12/14/16/18
M 46DF
460/610
L
6/7/8/9
500/514
功率范围 kW 841~1584 2510~4050 5010~7200 5500~8775
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前的著名船用低速机供应商—— — 瑞士苏尔寿公司就已为 LNG 船 “维纳托尔”号配备了一台低速双 燃料 7RNMD90 型发动机。作为 公司发展的重大战略一部分,瓦 锡兰也于 2010 年秋季正式启动 低速双燃料发动机的研制;2011 年 2 月,在里雅斯特工厂进行 RTX5 新型低速双燃料发动机的 测试工作,并在当年 9 月的测试 中,获得 NOx 排放达到 IMO Tier Ⅲ标准的重大突破。目前,RTX5 发动机的测试和技术细节改动还 在进行中。同时,瓦锡兰已经着手 考虑授权生产问题;在约定条件 下,被授权生产者的市场、生产和 销售能力都会受到考察。
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制造商 瓦锡兰
曼恩 卡特彼勒(Mak)
表 4 目前各主要制造商推出的中速双燃料发动机情况
主机类型 缸径/行程 mm 气缸排列
适配缸数
转速/rpm
20DF
200/280
L
6/8/9
1000/1200
L
34DF
340/400
V
6/9 12/16
720/750
为适应日益严格的海事环保 法规的要求,必须要求船舶使用
更为环保的发动机,由此带动了 低硫油大量需求及以液化天然气 (LNG)为动力的双燃料船舶发动 机的快速发展,双燃料发动机研 究已成为船舶发动机技术的一个 重要发展方向。
一、IMO 减排规则推动双燃 料发动机发展
国际社会对船舶造成大气污 染议题的关注由来已久。IMO 海 洋 环 境 保 护 委 员 会 (MEPC)自 1988 年正式展开防止船舶造成
SOx 减排方面,出于成本考 虑,船舶使用的重质燃料油的硫 含量普遍较高,尾气排放中的 SOx 主 要 来 自 燃 料 燃 烧 后 的 产 物,故减少 SOx 排放的最有效措 施是减少燃料油中的硫含量。因 此,降低船舶 SOx 排放的最直接 措施是使用低硫油,但会导致燃 油成大幅提高,众多船东不愿接 受。
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国内外双燃料发动机发展状况分析
彭雪竹
随着全球环境的日益恶化和 人们环保意识的逐渐加强,控制 污染气体及温室气体排放的要求 日益强烈。而作为国际贸易重要 运输方式的航运业,船舶排放对 大气造成的污染已引起国际社会 的广泛关注。迫于世界环境保护 的压力,国际海事组织(IMO)不 断出台新规则规范或对以往的规 则进行修正,以期进一步控制国 际航运气体排放。
目前,全球推出中速双燃料 发动机的制造商有瓦锡兰、曼恩、 卡特彼勒(Mak)等。其中,瓦锡兰 在双燃料发动机领域遥遥领先, 共推出了 3 种机型,并获得大量 订单;曼恩发展相对落后,但也推 出了 2 种机型,有部分订单;卡特 彼勒尚处于起步阶段,样机尚未 交付。
(1)瓦锡兰 瓦锡兰在船用中速双燃料发 动机方面处于全球绝对领先的地 位。据瓦锡兰相关数据统计,截至 2012 年 5 月底,其已为 100 艘
1. 低速双燃料发动机 大型远洋船舶推进主机不仅 所需功率较大,且为保证长距航 行,需携带充足的燃料,港口的燃 料供应系统也要具有一定规模且 供应稳定可靠。由于岸上 LNG 供 应站的建设投资较高,在原有燃 油供应系统非常成熟、柴油机性 能不断改进的情况下,低速双燃 料发动机的研制一直处于非常缓 慢的进展状态。 目前,全球推出的低速双燃 料发动机仅有瓦锡兰的 RTX5 型 和曼恩的 ME-GI 型发动机,且均 处于试验测试阶段。需要说明的 是,中速双燃料发动机是瓦锡兰 更为重要的产品方向,故其在低 速双燃料发动机产品的进展稍微 落后于曼恩。 (1)瓦锡兰 1973 年,在被瓦锡兰兼并之
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