船用LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)介紹

船用LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)介紹船用LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)介紹1概述航運(yùn)業(yè)是傳統(tǒng)行業(yè)，全球超過90%的貿(mào)易都是通過海運(yùn)完成的。在航運(yùn)業(yè)數(shù)百年的發(fā)展歷程中，一直受到世界經(jīng)濟(jì)、政治等各種復(fù)雜因素變化的影響。綠色環(huán)保、節(jié)能減排是當(dāng)今世界以及航運(yùn)業(yè)、造船業(yè)普遍關(guān)心的問題。只有順應(yīng)世界經(jīng)濟(jì)和行業(yè)發(fā)展的新變化、新趨勢(shì)，順勢(shì)而為，在快速變化的產(chǎn)業(yè)格局中找準(zhǔn)自身定位，以新思維、新產(chǎn)品和新技術(shù)去搶占先機(jī)，才能夠把握住未來發(fā)展的主動(dòng)權(quán)。當(dāng)前，以“低能耗、低物耗、低排放、低污染”為主要特征的低碳經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。如何順應(yīng)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展潮流，變挑戰(zhàn)為機(jī)遇，將是航運(yùn)業(yè)和造船業(yè)共同面臨的長期課題。與傳統(tǒng)的節(jié)能減排措施相比，采用新能源作為船舶動(dòng)力的主要來源，積極開發(fā)新能源動(dòng)力裝置和新能源動(dòng)力船舶是應(yīng)對(duì)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)的中長期解決方案。天然氣作為新型清潔能源近些年發(fā)展迅速，與石油和煤炭相比在營運(yùn)成本、排放控制、技術(shù)應(yīng)用等方面擁有諸多優(yōu)勢(shì)，備受世界青睞。2004年以來，國際原油價(jià)格大幅度上升，加上國際法規(guī)對(duì)海運(yùn)環(huán)保的要求越來越嚴(yán)格，LNG作為船用燃料的優(yōu)勢(shì)在逐步顯現(xiàn)，為航運(yùn)業(yè)發(fā)展以天然氣為主要燃料的船舶提供了可能。全球?qū)NG的需求快速增長，LNG供求態(tài)勢(shì)發(fā)生了深刻變化，市場(chǎng)由買方市場(chǎng)變成賣方市場(chǎng)。[[2]]并且隨著天然氣液化技術(shù)的不斷進(jìn)步，液化成本不斷降低，大大增加了液化天然氣（LNG）的競(jìng)爭(zhēng)力。2天然氣簡(jiǎn)介天然氣是以碳?xì)浠衔餅橹鞯臍怏w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(xué)特性如下：氣態(tài)比重0.68~0.75kg/m3液態(tài)比重（LNG）0.43~0.47t/m3低位熱值35~50MJ/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(yōu)質(zhì)能源，液化天然氣（LNG）是由天然氣經(jīng)精練后液化得到的。世界上天然氣資源豐富，常規(guī)天然氣資源量估計(jì)為400~600萬億m3。21世紀(jì)天然氣的產(chǎn)量和消費(fèi)量將會(huì)超過煤炭和石油，但目前開發(fā)利用的產(chǎn)量較低，只有2.2萬億m3，約為石油年產(chǎn)量的60%。從全球范圍預(yù)測(cè)，天然氣市場(chǎng)的前景更為樂觀。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(yōu)勢(shì)十分明顯。與船用燃油（MDO）相比LNG燃料的減排效果與環(huán)保性能十分顯著。與同類型傳統(tǒng)柴油主機(jī)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(dá)100%。不過，LNG動(dòng)力船舶的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)要求也相對(duì)較高。不僅如此，LNG燃料能夠?qū)崿F(xiàn)長期供給穩(wěn)定。在技術(shù)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或者采用LNG/柴油雙燃料。因此，未來5?10年間，以LNG為燃料的船舶的數(shù)量將持續(xù)增加；預(yù)計(jì)10年后，以LNG為燃料的船舶所占的市場(chǎng)比例有望達(dá)到10%?15%。3船用LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)LNG船舶采用天然氣作為燃料的技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但是非LNG船舶采用LNG作為燃料還面臨若干問題，如LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的成熟、船舶天然氣燃料儲(chǔ)存供應(yīng)技術(shù)的發(fā)展、船舶LNG補(bǔ)給方式的完善、船舶LNG燃料系統(tǒng)安全保障等。從LNG燃料船舶本身的技術(shù)發(fā)展來看，LNG儲(chǔ)存、運(yùn)輸、補(bǔ)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(chǔ)氣罐、動(dòng)力裝置、燃料補(bǔ)給等都屬于LNG燃料船舶設(shè)計(jì)的重點(diǎn)考慮因素，此外還包括蒸發(fā)氣、氣閥和管路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等內(nèi)容。2003年以后，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種新型主推進(jìn)裝置出現(xiàn)。Wartsila公司已經(jīng)推出用于液化天然氣船的DF（DualFuel）型四沖程雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，采用液化天然氣、重油或船用柴油為燃料。 2004年MANB&W公司推出用于液化天然氣船主推進(jìn)裝置的二沖程柴油機(jī)，2005年推出ME-GI二沖程電控噴射雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料為液化天然氣、重油，單機(jī)單螺旋槳或雙機(jī)雙螺旋槳直接傳動(dòng)。與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、廢氣排放、冗余度、可靠性等方面都有較大改善。目前正在運(yùn)營和在建的LNG燃料船舶的配置大部分船舶都為近海運(yùn)營，因此LNG儲(chǔ)氣罐容積基本在250m3以下。從儲(chǔ)氣罐的類型來看，基本上都采用C型儲(chǔ)氣罐，主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)獨(dú)立、壓力靈活、便于安裝、無氣體泄漏、無需維護(hù)費(fèi)用，缺點(diǎn)是需要大量空間。從采用的發(fā)動(dòng)機(jī)來看，主要由Wartsila、MANB&W、Rolls-Royce等幾家公司供應(yīng)，其中Wartsila和MANB&W以雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為主，而Rolls-Royce以氣體發(fā)動(dòng)機(jī)為主。3.1WartsilaDF發(fā)動(dòng)機(jī)WartsilaDF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用奧托循環(huán)，以液化天然氣作為主要燃料，以重油或船用柴油作為啟動(dòng)和備用燃料。發(fā)動(dòng)機(jī)采用高壓縮比和優(yōu)化的噴射定時(shí)，具有熱效率高、排放污染小的突出優(yōu)點(diǎn)。DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)空氣和天然氣的混合物很少，即汽缸內(nèi)存在比完全燃燒所要求的更多空氣量，這意味著燃燒室內(nèi)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(gè)汽缸由控制系統(tǒng)單獨(dú)控制正確的空燃比和引燃燃油噴射量及噴射定時(shí)，保證穩(wěn)定和可控燃燒以降低燃燒窒部件熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。決定內(nèi)燃機(jī)汽缸內(nèi)NOx形成速率的主要因素是反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間。汽缸內(nèi)空氣量越多，空燃比就越高；空燃比越高，汽缸內(nèi)溫度就越低，NOx排放量就越少。在標(biāo)定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，低于1%全負(fù)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(jī)的10%。WartsilaDF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供應(yīng)系統(tǒng)有兩套，一套用于天然氣運(yùn)行模式，另一套用于柴油運(yùn)行模式，這兩套系統(tǒng)獨(dú)立工作。在兩種模式下發(fā)動(dòng)機(jī)都能啟動(dòng)。天然氣運(yùn)行模式啟動(dòng)時(shí)只往汽缸內(nèi)噴射引燃燃油，汽缸內(nèi)穩(wěn)定燃燒后才能激發(fā)天然氣供給，從而保證安全和可靠啟動(dòng)。燃油系統(tǒng)分為兩路，一路用于發(fā)動(dòng)機(jī)柴油運(yùn)行模式的噴射燃油，另一路用于發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣運(yùn)行模式的引燃燃油。專設(shè)的引燃燃油泵將燃油壓力泵至100MPa，然后經(jīng)共軌油管到噴油器。引燃燃油噴射量及噴射定時(shí)為電控模式。柴油運(yùn)行模式的噴射燃油先供給到凸輪軸驅(qū)動(dòng)的噴油泵，加壓后再到液壓?jiǎn)㈤y式噴油器。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器為雙噴嘴結(jié)構(gòu)，大噴嘴用于發(fā)動(dòng)機(jī)柴油運(yùn)行模式時(shí)噴射燃油，小噴嘴用于發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣運(yùn)行模式時(shí)噴射引燃燃油。發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣運(yùn)行模式時(shí)，天然氣經(jīng)濾器、調(diào)壓器、速閉閥、放氣閥后到汽缸蓋上的共軌管，然后到達(dá)天然氣進(jìn)氣閥。調(diào)壓器以發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷調(diào)整天然氣壓力。天然氣進(jìn)氣閥位于空氣進(jìn)氣閥的上方，為電動(dòng)控制閥，由控制系統(tǒng)對(duì)每個(gè)缸單獨(dú)控制以保證每缸正確的天然氣供給量。發(fā)動(dòng)機(jī)各種負(fù)荷的空燃比大小由控制系統(tǒng)控制的廢氣旁通閥進(jìn)行調(diào)整。通過廢氣旁通方式控制廢氣渦輪增壓器