船用低速LNG双燃料主机技术分析

0 引言

随着环保要求的提高，液化燃气(LNG)、甲醇和乙烷等清洁能源日益为人们所推崇。使用LNG替代柴油作为燃料，不仅可以极大地减少硫化物排放，而且还可以明显降低温室气体和氮化物排放。目前，国际海事组织(IMO)Tier III法规已在排放控制区实施，能够有效降低硫化物和氮化物排放的双燃料船舶必将引起更大的关注。在经济性方面，双燃料船舶初始投资较高，运行成本主要受燃气和燃油价格的影响。尽管当前油价持续低位，LNG相比低硫油仍有价格优势。在安全性方面，气体燃料已有数十年应用经验。目前IMO已发布IGF Code，各大船级社也制定了相关规范，形成了较完善的安全控制和风险评估方案。作为整船动力系统核心，采用双燃料主机充分体现了“绿色航运”和“绿色船舶”的环保节能理念，将是今后船舶动力领域的一个重要发展方向。

本文以双燃料主机的燃烧原理和系统设计为出发点，对两种燃烧循环主机的技术特征进行了分析对比，为船东和船厂选择合适的双燃料主机提供了参考，将有利于促进双燃料船舶的应用和发展。

6) HistoryService:用于获取正在运行或已完成流程实例的信息，与 RuntimeService中获取的流程信息不同，历史信息包含已持久化存储的永久信息，并已被针对查询优化。

1 双燃料主机开发与应用现状

与传统燃油主机相比，双燃料主机设计变更较大，为此各主要厂商进行了长期的开发和试验。MDT(MAN Diesel & Turbo)公司率先向市场推出其低速双燃料主机ME-GI。2015年9月，Nakilat公司的一艘266 000 m3 LNG船“Rasheeda”号上的2台7S70ME-C被改造成ME-GI主机，ME-GI主机首次投入实际运营。同年11月，装有2台8L70ME-GI主机的3 100标准箱集装箱船“Isla Bella”号投入使用。2016年9月，南通中远川崎船舶工程有限公司为UECC公司建造的4 000车位汽车滚装船“AUTO ECO”号的顺利交船，成为世界上首条采用ME-GI主机营运的汽车滚装船。至2016年10月MDT公司已获得近150台ME-GI主机订单，此后将不断有双燃料主机交付。

甲烷值是用来衡量气体燃料抗爆燃性的指标，甲烷值越高说明抗爆燃性越好，反之越差。Otto循环主机容易发生爆燃，因此对燃气的抗爆燃性要求较高。X-DF主机限定了燃气的甲烷值不能低于80，否则要降功率运行，甲烷值过低时主机会自动切换为燃油模式。Diesel循环主机运行则不受燃气甲烷值的约束，低甲烷值也能够维持恒定的主机功率和热效率。但在实际运行中为减少油耗，低速机的NCR(正常持续功率)点负荷一般都不高于85%。从图5中的甲烷值-输出功率曲线可以看出，燃气甲烷值为65即可满足X-DF主机85%负荷运行。鉴于目前全球90%以上的LNG甲烷值都超过70，故燃气甲烷值对X-DF主机的适用限制影响较小。

三菱重工(MHI)公司于2012年宣布，正在开发基于长冲程UEC机型的双燃料主机。2015年10月在釜山举行的CIMAC(国际内燃机委员会)大会上，三菱重工公司宣布其开发的UEC-LSGi双燃料主机将于2017年投入商业化。

腹泻最重要的就是防脱水补充水和电解质，脱水会有生命危险的，要注意宝宝的尿量、眼窝有无凹陷、皮肤有无弹性。

2 双燃料主机技术

双燃料主机燃烧原理示意图如图1所示。目前双燃料主机的基本燃烧原理有两种：一种是常规二冲程主机使用的Diesel循环，其原理是将气缸内空气压缩至温度高于点火油燃点后，先喷入点火油引燃，再喷入高压的燃气，燃气在缸内发生扩散燃烧；另一种是Otto循环，它是在活塞上行过程中喷入燃气，将燃气和空气混合并一起压缩，然后在上止点附近喷入点火油点燃，属于预混燃烧。

由于LNG燃料本身较高的氢碳比，相比燃油可直接降低约25%的二氧化碳(CO2)排放。但是燃气主机气缸内未燃的碳氢化合物可能会随废气排出，造成甲烷逃逸。甲烷会带来温室效应。据美国环保署研究，甲烷对全球变暖的影响约为CO2的25倍。Diesel循环主机气缸内的甲烷几乎完全燃烧，在20%～100%负荷下，ME-GI主机甲烷逃逸只有0.2 g/kWh。Otto循环主机的空燃预混合设计使得在扫气过程中燃气很可能直接逃逸，同时还可能有部分空燃混合气过于稀薄而未参与燃烧，最终随废气排出，导致总的甲烷逃逸较高，这给Otto循环主机的环保性带来一些负面影响。根据WinGD公司最近公布的信息，通过优化气门正时等措施，使主机在空燃混合气逃逸前完成扫气并关闭排气阀，可有效避免甲烷的直接逃逸。目前X-DF主机在任意负荷下甲烷逃逸量均小于4 g/kWh[1]。

不同燃烧原理对于主机的性能、排放以及成本等因素有较大影响，最终主机专利厂商分成了两个阵营：MDT公司和MHI公司采用了Diesel循环，WinGD公司则选择了Otto循环。为了便于船东和船厂从技术上做出合理的分析和判断，将从环保性、主机性能和供气系统三个方面对这两种燃烧循环主机进行说明和比较。

  

图1 双燃料主机燃烧原理示意图

2.1 环保性

由于降低了CO2排放量，即使有甲烷逃逸的影响，Diesel循环和Otto循环的双燃料主机，都要比传统燃油主机更有利于减少温室效应气体的排放。

在2016年，我国已经开始进行营业税改增值税的试点工作，而在2017年对该试点工作进行了进一步的发展，对其进行了深化改革。在进行改革的过程中，国有林场成为最主要的阵地，这种情况的出现既有利也有弊。

2.1.1 温室效应气体排放

从植被变化来看，研究区内2000—2014年植被总体呈恢复趋势。2000—2010年研究区NDVI显著增加区域明显，植被恢复良好；2010—2014年NDVI显著减少区域远多于显著增加区域，植被局部区域出现显著退化。

X-DF主机采用的是独立的共轨式点火油系统，只需一台点火油泵即可满足所有气缸的运行要求，每缸各增加两个点火油喷射器，喷嘴内应用了预燃室技术。根据WinGD的设计理念，预燃室可以使点火油的能量集中，温度将高于主燃烧室，使点火油更容易被点燃，同时产生的高温高压火焰也能够很好地进入主燃烧室内，从而降低点火油量。得益于独立的点火油系统和预燃室设计，X-DF主机在所有负荷下点火油消耗量约为总油耗的1%，比ME-GI主机要低一些。

2016年1月1日起，IMO NOx Tier III法规在北美和加勒比排放控制区生效，要求航行于控制区内转速低于130 r/min的主机NOx排放不能超过3.4 g/kWh，与Tier II要求的14.4 g/kWh相比，NOx排放要再降低约80%。

过程模拟技术源于化工行业，是在化工单元操作模拟的基础上逐渐发展而来的。经过多年发展，目前普遍应用的化工流程模拟软件有：美国AspenTech公司的Aspen Plus和Hysys、美国SimSci公司的Pro/II、英国PSE公司的gPROMS、美国Chemstations公司ChemCAD、美国WinSim公司的Design II以及加拿大Virtual Materials Group公司的VMGSim。

所谓的新媒体是建立在传统媒体基础上形成的新的媒体形式，其主要利用先进的信息技术、数字技术等，对传统的媒体形式做出改造与创新。新媒体在传播价值上与传统媒体没有太大的区别，其不同的是传播方式和传播理念，依托于电子信息技术，在传播形态上发生较大的改变，以更加新颖且符合人们要求的形式出现在人们的面前。[1]新媒体还有一个主要特征体现在互动性上，相较于传统媒体形式，新媒体有着更强的互动性，且在信息获取和观看上都更加自由，不再受传统电视节目时间上的限制，受众可根据自己的时间安排做出选择，受众转变为新媒体传播的主体。

对于Diesel循环主机，其燃气经高压喷射并点燃，燃烧发生在非常狭小的空间内，导致温度较高，达到2 600 K。而Otto循环则相反，由于点燃时缸内的燃气和空气已充分混合，燃烧区域更大，使得Otto循环的燃烧温度峰值会更低，约为2 300 K。两种燃烧循环下缸内的温度差异情况如图2所示。从图中看出，温度差导致了主机NOx 生成量的不同。

  

图2 Diesel循环与Otto循环燃烧温度

相比于燃烧HFO的普通主机，采用Otto循环的双燃料主机燃烧LNG时能够降低85%的NOx排放，而采用Diesel循环只能降低25%。ME-GI主机在燃气模式下的NOx的生成量比燃油模式要低一些，两种模式都满足Tier II的NOx排放限制，但要达到Tier III要求还需采取一些NOx后处理措施，如选择性催化还原或废气再循环；而如果船东采用Otto循环双燃料主机，在燃气模式下能够直接满足NOx Tier III排放要求，无需安装昂贵的后处理设备。

2.1.3 SOx排放

LNG燃料中不含硫，燃气运行时的SOx排放仅来自于微量的点火油，因此完全能够满足0.1%SOx排放要求。近年来，相关海事组织及各国政府都在逐步降低船舶SOx排放限值，特别是2016年10月的MEPC70次会议上，全球一般海域内0.5%SOx排放及限排海域内0.1%SOx排放规则的强制实施，届时传统燃油船舶只能选用体积庞大的除硫塔或者价格较高的低硫油。因而，能够显著降低硫化物排放的双燃料船舶有着较大的优势。

2.2.4 点火油

2.2 主机性能

2.2.1 输出功率

一是防汛抗旱减灾成效显著。坚持防汛抗旱两手抓，冬春共投入抗旱资金16.7亿元，抗旱浇灌面积5 878万亩（391.87万hm2），为全省粮食生产实现“十连增”提供了有力保障；科学处置7次较强降雨过程，汛期全省共紧急转移群众11 381人。组织开展了近年来规模最大的清障行动，投入资金1亿元，出动人员10万人次，动用机械1万余台次，完成清除树障、阻水违章建筑等清理任务985项，特别是清理了多年未能解决的滦河入海口养殖虾池约6 000亩（400 hm2），确保了全省防洪安全。

按照施工比例配置并用电动搅拌机充分搅拌均匀。保持均匀速度喷涂多彩印象石专用面漆，提供涂层表面光洁明快的手感以及涂层更具耐污、耐擦洗、耐候、耐变色性能力。

Otto循环主机的燃气与空气在压缩过程中便开始混合，在压缩终点被引燃后，混合气中一些过量的富余部分易发生自燃，引发缸内爆燃，所以必须降低平均有效压力来防止爆燃。目前X-DF主机燃气时的最大允许平均有效压力为1.73 MPa，低于常规柴油机的2.1 MPa，因此最大输出功率相对有所降低。X-DF两个型号主机的额定功率对比如图3所示。图3中，以6RT-flex50-B主机为例，其最大输出功率为10 470 kW，而尺寸相似的双燃料主机6RT-flex50-DF在燃气模式下最大输出功率为8 640 kW[2]，比前者降低了约17%。为达到所需功率，X-DF主机选型时甚至有可能要比传统燃油主机增加一个气缸。

Diesel循环主机压缩过程中只压缩空气，在上止点喷入点火油和燃气，发生的是扩散燃烧，不存在爆燃风险，可采用与普通柴油机相同的压缩比，故燃气模式下Diesel循环主机的输出功率不会降低，这与Otto循环主机相比有明显优势。

  

R1，R2，R3，R4—功率点。

 

图3 6RT-flex50DF与6RT-flex50-B主机额定功率对比

2.2.2 运行区域

对于Otto循环主机，空气与燃料混合气中一些过量的富余部分可能造成爆燃，即所谓的“敲缸”，而混合气稀薄则会带来点火失败的风险，因此Otto循环主机需要更精确的控制。对此，X-DF主机的解决方法是将气缸内的空燃比精确控制在一个“运行区域”(如图4所示)内，主要通过调节增压器的旁通阀和排气阀关闭定时等方法控制扫气来实现。扫气压力的目标值是由X-DF主机控制系统自动设定，控制系统还会根据发火压力等参数来监测主机是否在目标范围内运行，同时配备爆燃传感器作为额外的安全保障。

当前，河南省农业机械化水平走在全国前列，主要农作物耕种收综合机械化水平达80.8%，高出全国平均水平14个百分点；小麦机播、机收水平均稳定在98%以上，玉米机播水平达95%、机收水平达83%，水稻机收水平达83%；机械耕整地做到了应耕尽耕；经济作物、畜牧养殖、设施农业机械化加快推进，农业生产方式进入了机械化为主的新时代。

  

图4 Otto循环主机运行区域

Diesel循环主机则不存在爆燃的风险，因此对燃气混合程度不敏感。不论燃气模式还是燃油模式，Diesel循环主机都是通过燃料喷射量和喷射时间来控制燃烧的。相较于控制缸内的空燃比，这种控制方式更为简单，主机负荷的响应速度更快，使得ME-GI主机在燃油和燃气两种模式下的性能非常接近[3]。

2.2.3 LNG燃料品质要求

自然蒸发天然气和强制蒸发天然气的品质会有较大变化：自然蒸发的天然气主要为甲烷和氮气的混合物，甲烷值为100左右；而强制蒸发的天然气由于含乙烷和丙烷等重碳氢化合物较多，甲烷值通常为70～80。而且世界各地不同供应商提供的LNG品质也可能有变化，因此双燃料主机对LNG燃料品质的要求也是船东非常关注的一个性能指标。

WinGD(Winterthur Gas & Diesel)公司随后推出了RT-flex50DF和X-DF系列低速双燃料主机。2016年6月，第1台RT-flex50DF主机在“Terntank”公司的15 000 t化学品船“Ternsund”号上投入运营。截止2016年6月，WinGD公司已获得35台双燃料主机订单。

  

图5 X-DF主机甲烷值-输出功率曲线

但这一软件很难预测和控制田间虫害的突然爆发。因此，农民必须勤于巡视农田，以便在害虫失控之前施用杀虫剂。“生态植物2+”计划的目标之一是促进一种叫做“生物控制”的非杀虫剂方法，这是一种久已有之的传统方法，例如，农民会使用信息素来迷惑害虫，或通过引入害虫的天敌来减少害虫数量等。支持者强调了该策略在法国玉米田里取得的成功，少量引入一种叫做赤眼蜂的寄生蜂已成为对付主要害虫玉米根虫（也叫玉米根叶甲）的关键武器，赤眼蜂在玉米根虫的卵内产卵，在最理想的情况下，可大量减少害虫数量，与使用杀虫剂有着同样的效果。

由于LNG的十六烷值较低，导致发火性能较差，气缸内的压力和温度不足以将其点燃，因此燃气运行时需要使用点火油。ME-GI主机的点火油与主燃油共用喷射系统，这样设计可使主机辅助设备尽量简化，但是同一喷射系统既要在燃油模式时喷射足够容量的主燃油，又要在燃气模式时准确喷入微量的点火油，在技术上很难实现两种模式下皆达到最优喷射效果。与常规电喷主机相比，ME-GI主机的燃油喷射系统变化不大，燃油模式和燃气模式下燃油喷射量的差别主要通过控制喷射时间实现。为了降低点火油量，必须缩短喷射时间，点火油喷射时燃油喷嘴应快速启闭，但会导致喷嘴上的截止阀杆所承受负荷过大，为此MDT公司对该截止阀杆的结构做了相应改善。目前，ME-GI主机的点火油消耗量约为总油耗的3%～5%。据MDT公司解释，如果仅仅是为了确保燃气能被安全的点燃，并不需要这么多点火油，但受到喷射系统能够稳定喷射的最小燃油量的限制，点火油消耗量难以进一步降低[4]。

2.1.2 NOx排放

2.3 供气系统

如前所述，Otto循环是燃气与空气混合后再压缩燃烧，而Diesel循环是将空气压缩后再直接喷射燃料，因此，Otto循环中使用的是低压燃气，需要的最大供气压力约为1.6 MPa；而Diesel循环使用的为高压燃气，根据主机负荷变化其燃气压力约为25～30 MPa。

图6为高压供气系统简图。自然蒸发气体经高压压气机压缩以满足约30 MPa的进机压力。如以强制蒸发的天然气为燃料，液态LNG用高压泵增压到所需压力。然后通过高压蒸发器变成气态天然气。高压供气系统因为压力较高，对系统的设备及管路的密封性等要求更严格。在高压条件下高压泵或压气机及加热系统也必须能够稳定可靠地运行，这导致了可供选择的高压燃气系统的供应商有限。

图7为低压供气系统简图。自然蒸发的天然气通过压缩机增压达到约1.6 MPa的进机压力。LNG燃料舱内部配置了嵌液式泵，可将液态LNG驳运至低压蒸发器，强制蒸发的天然气是在低压蒸发器内实现从液态到气态的转变。低压供气系统相对简单可靠，无需高压泵或压气机。另外，低压燃气系统的部件与四冲程双燃料主机类似，而四冲程双燃料主机已得到长期的实际运用，所以低压燃气系统可选供应商较多。

3 Diesel循环与Otto循环主机对比

根据Diesel循环与Otto循环双燃料主机的基本的燃烧原理，Otto循环主机的优势主要体现在环保性(NOx排放)和供气系统上，而Diesel循环主机在性能方面更为突出。故单从技术上来说两者在不同方面各有优劣，无法简单判定孰好孰坏，应根据实际情况进行详细的可行性和经济性分析，才能做出最适当的选择。

  

图6 高压供气系统简图

  

图7 低压供气系统简图

4 结语

(1)目前二冲程双燃料主机技术已基本成熟，正处于一个持续完善阶段，各主机厂商都在不断更新技术以追求更优的性能和更低的成本，从而提高市场竞争力。伴随着越来越多的双燃料主机交付并使用，相关主机厂商、船厂和船东在设计、安装和使用方面都将积累一定的经验，必将极大地促进双燃料主机的发展。

(2)Otto循环主机通过预混燃烧，降低了缸内燃烧温度峰值，能有效抑制NOx生成，燃气模式下可直接满足Tier III规范要求。

(3)由于Diesel循环主机不存在爆燃的风险，受到的限制较少，因此在主机性能上相对Otto循环更优。

参考文献：

[1] 李永鹏，陈爱玲，汪洋.新型LNG船舶采用双燃料电力推进的优势分析[J].青岛远洋船员学院学报，2005(4):21-23.

[2] 薛云.电控气体双燃料发动机的研究[D].杭州：浙江大学,2006.

[3] 段长晓 .LNG船主推进装置的选择和双燃料发动机的经济型研究[D].上海：上海海事大学，2007.

3.2 种子处理：浸种前晒种6～8小时，用55℃热水烫种15分钟进行杀菌消毒，茄子种子浸泡8小时，砧木种子浸泡12小时，然后用纱布包好开始催芽，温度控制在25～30℃，待种子露白播种。

[4] 袁银南，朱磊，杨鲲，等.全电控LPG-柴油双燃料发动机系统开发和性能研究[J].内燃机学报,2006，24(5):440-448.