LNG耙吸船动力装置的特性分析及发动机选用

郑金龙，朱时茂

（中港疏浚有限公司，上海　200136）

LNG耙吸船动力装置的特性分析及发动机选用

郑金龙，朱时茂

（中港疏浚有限公司，上海200136）

分析了船用动力装置的基本类型及特点，总结了耙吸船动力装置形式及运行模式，对柴油机、双燃料发动机、纯气体发动机的特性进行了比对，根据气体发动机技术特点展望了气体发动机的发展趋势。研发具有自主知识产权的LNG耙吸船是国家发展的需要，并可进一步提高企业的营运效益。

LNG；动力装置；耙吸船；绿色发展

0　引言

目前传统化石燃料的大量使用是造成大气污染及气候恶化的主要原因之一，减排已经成为国际社会的共同责任。随着传统化石燃料的日趋枯竭以及全球性排放问题的日益严重，国内外都在积极寻找及推广更环保绿色清洁替代能源。

耙吸船主要承担港口、航道疏浚及海岸维护等作业，其排放直接影响施工区域及紧邻城市的大气质量。随着疏浚业的竞争日趋激烈，降低船舶营运成本是企业的立足之本。研究以天然气为燃料的船舶动力装置，研发高效、节能、绿色环保的耙吸船，不仅顺应国家绿色发展的需要，同时也可以进一步降低企业的营运成本，提高企业的营运效益，为企业的可持续发展提供技术装备保障。

1　船用动力装置的基本类型及特点

现代船舶动力装置一般按其主发动机形式来分，有柴油机动力装置、蒸汽轮机动力装置、燃气轮机动力装置、联合动力装置和核动力装置，评判船舶动力装置的性能指标一般可分为技术指标、经济指标、性能指标。三指标是标志动力装置基本性能的代表性参数，可用来比较不同类型船舶动力装置的特征，也可对同类型动力装置设计方案作出评判比较。表1为4种动力装置的特点比较[1]，综合各类型动力装置的优缺点及世界制造技术的发展现状，到目前为止，柴油机动力装置在船舶动力装置仍占着最重要的地位和份额，据统计98%以上的船舶使用柴油机作为动力装置，装船总功率达到90%。今后随着技术的进步及新能源的开发利用，LNG气体机将成为主要动力装置。

表1　4种动力装置特点比较Table 1　Comparison of characteristics of four kinds of power units

2　耙吸船动力装置形式及运行模式

耙吸船由于其功能特点，有别于常规的运输船舶，在运行过程中，主要有以下几种工况：满载/轻载航行、低速挖泥装舱、抽舱排岸。不同的运行工况，所需投入运行的设备不一样，要求的总功率也不一样，这就要求系统的动力配置必须合理兼顾三种不同的工况，使得全船所耗的总功率大体上接近，同时要求柴油机的调速特性既要满足推进特性的要求，又要满足驱动泥泵的特性要求。近10 a新造的耙吸船的动力系统都采用复合驱动技术，仅运行主机就可以满足不同作业工况下对全船动力的需求，减少柴油机装船台数和装船功率，优化配置，便于操纵管理，既降低了能耗，也减少了初投资，更节省了营运成本，从而获得更加明显的经济效益。所谓“一拖三”复合驱动形式，即每台主柴油机飞轮端通过高弹性联轴节及1台内置摩擦离合器的推进齿轮箱驱动1套可调螺距螺旋桨装置；推进齿轮箱的输出端设有动力输出轴（PTO）通过高弹性联轴节驱动主发电机；每台主柴油机前输出轴还通过泥泵齿轮箱（双速比减速齿轮箱）驱动1台泥泵[2]。“一拖二”复合驱动形式，基本上同“一拖三”，所不同是泥泵由变频电机驱动。见图1。

图1　“一拖三”复合驱动示意图Fig.1　Schematic diagram of a compound drive system with one engine driving three separate devices

3　LNG耙吸船船用发动机的发展历程及特性分析

目前除了在建的耙吸船，所有耙吸船的动力都是使用化石燃料的柴油机，但随着技术的进步、绿色环保意识的增强，研发高效、节能、绿色环保的耙吸船是大势所趋。但由于使用LNG燃料的发动机的动力特性不同于使用化石燃料的柴油机的动力特性，故有必要对柴油机、双燃料发动机、纯气体发动机的性能进行对比分析以获得最佳的动力配置，既满足耙吸船固有的特性要求，同时也能实现“高效、节能、绿色环保”的要求[3]。

3.1柴油机、双燃料发动机、纯气体发动机的特性比对

LNG燃料发动机在经济性和社会效益等方面与柴油机相比具有较明显的优势：近几年来，世界主要船用柴油机厂商相继研发了LNG气体燃料动力发动机，Wartsila、MAN、Rolls-Royce（R-R）、Caterpillar等公司在气体发动机的研制与开发上取得了很大进步。船用气体发动机主要有单燃料和双燃料两种，综合各厂商研发的发动机性能，为选择合适的动力装置提供决策依据，见表2。

表2　柴油机、双燃料发动机、纯气体发动机的特性对比Table 2　The comparison of characteristics of diesel engine，dual fuel engine，pure gas engine

3.2气体发动机技术特点

LNG气体燃料发动机按其燃-空混合气的着火方式主要可分为点燃式和柴油引燃式两种。单燃料纯气体发动机一般是采用火花塞点燃，而双燃料发动机则是通过柴油引燃。目前成熟的主流大功率气体发动机一般都采用了以下技术：

1）稀薄燃烧技术

船用发动机一般都有较高的增压度，以提高发动机功率，但是较高的增压度容易造成预混合气爆燃，因为气体燃料的抗爆性能比柴油差。因此，在大功率的气体燃料船用发动机上不能采用当量比燃烧，而应采用稀薄燃烧方式[4]。

稀薄燃烧就是供给过量的空气，增大混合气空燃比。燃气燃烧释放的一部分热量用来加热多余的空气，这样可以使气缸内混合气体的燃烧温度降低，燃空混合气发生远端自燃的可能性也降低，抑制了爆燃的倾向性，也减少了氮氧化物排放，有条件在采用较高的增压比时仍保持发动机较大的压缩比，从而保持较高的热效率。图2为稀薄燃烧工作示意图。

图2　稀薄燃烧工作示意图Fig.2　Schematic diagram of combustion with Lean-gas

2）预燃室点火技术

气体燃料抗爆性比柴油机差，而着火温度反而比柴油要高，这决定了单一燃料纯气体发动机不能再采用压缩燃烧的方式工作，而一般采用点火的方式。

然而如果燃空混合气在整个燃烧区域内都是同一性质，火焰的传播速度就较慢、燃烧过程长、后燃严重、热负荷和排温较高。所以，单燃料船用纯气体发动机一般会将燃烧区域分割，形成预燃室和主燃室。在预燃室内采用稍浓的混合气，当预燃室内的混合气体被点燃后，高温高压的燃气高速进入主燃室，为其提供较大的点火能量，并形成强烈的紊流，迅速点燃主燃室。

点火技术是实现主燃烧室混合气正常燃烧的关键，特别是当混合气中的可燃气比较稀薄时。目前使用最为普遍的是采用预燃室火花塞点火技术；部分大缸径天然气发动机上，由于需要有足够的引火能量，采用柴油微喷引燃点火技术（点火油）。

3）空燃比优化控制技术

气体发动机与柴油机一样，为了确保发动机良好的启动、部分负荷和额定工况性能，LNG纯气体机在各种工况下需要采用与负荷和转速相对应的空燃比（过量空气系数），以保证发动机在全部工况范围内的可靠运行。按照各缸工作过程状态分别实现对各缸天然气的精确喷射控制，实现随发动机负荷变化完成相应计量的天然气喷射，确保各个工况点的可燃气与空气量满足各个工况点相应数值的空燃比要求，实现全工况稳定运行。图3为WÄRTSILÄDF机型的燃气、点火油喷射控制原理图[5]。

图3　燃气、点火油喷射控制原理图Fig.3　Schematic diagram of control of gas and ignition oil injection

3.3气体发动机的发展趋势

气体发动机经历如表3的发展阶段，发展趋势为逐步向稀薄燃烧的纯气体机发展。

表3　气体发动机的发展历程Table 3　Development of gas engines

4　结语

虽然纯气体机在经济性、响应特性等方面优于双燃料发动机，但由于技术成熟度、认知度及配套加气站等因素的影响，目前选用双燃料机居多，但随着时间的推移，纯气体机必将是今后的主流。双燃料发动机是在普通柴油机的基础上，对控制系统、进气系统等主要系统及部件进行优化设计及选型，既保证发动机在正常负荷下以LNG为主要燃料，还能在纯柴油状态下正常运行，同时为了弥补双燃料发动机动态性能这一缺点，目前采用先进的电子控制技术，故双燃料发动机在具有气体机静态平稳性的同时，还具有柴油机的动态快速响应性能，它的动力性能好，尤其抗冲击载荷能力强，运转时纯柴油和双燃料之间切换非常之方便。

参考资料：

[1]徐筱欣.船舶动力装置[M].上海：上海交通大学出版社，2007. XU Xiao-xin.Marine power plant[M].Shanghai:Shanghai Jiao Tong University Press,2007.

[2]盛卫明.大型自航耙吸式挖泥船“新海凤”轮机概述[J].船舶，2012，23（1）：48-54. SHENG Wei-ming.A large TSHD-"XIN HAI FENG"[J].Ship& Boat,2012,23(1)：48-54.

[3]冯立岩.我国气体燃料大型船用主机发展策略探讨[J].柴油机，2011（5）：6-10. FENG Li-yan.Domestic development strategy of gas-fuelled large marine main engine[J].Diesel Engine,2011(5)：6-10.

[4]孙慧慧，王天又，张海岩.高压缩比稀薄燃烧天然气发动机的燃烧与排放特性[J].天然气工业，2013（2）：90-94. SUN Hui-hui,WANG Tian-you,ZHANG Hai-yan.Combustion and emission characteristics of lean-burn natural gas engines with a high compression ratio[J].Natural Gas Industry,2013(2)：90-94.

[5]李斌.双燃料发动机的工作原理及排放控制[J].世界海运，2012（5）：39-41. LI Bin.Working principle and emission control of dual fuel engine [J].World Shipping,2012(5):39-41.

Characteristic analysis of power unit for LNG-fueled trailing suction hopper dredger and discussion on selection of engine

ZHENG Jin-long，ZHU Shi-mao
（CHEC Dredging Co.,Ltd.,Shanghai 200136,China）

The basic types and features of power units for ships are analyzed with a summary of the types and operation modes of power units for trailing suction hopper dredgers and a comparison of the characteristics of diesel engines,dual fuel engines and full-gas engines.The development trend of gas fueled engines is predicted and discussed according to the technical characteristics of gas fueled engines.Development of LNG-fueled trailing suction hopper dredgers with independent intellectual property rights conforms to the demand of national development,and further improves the operational efficiency and benefits of dredging enterprises.

LNG;power unit;trailing suction hopper dredger;green development

U615.351.2

A

2095-7874（2016）09-0069-04

10.7640/zggwjs201609017

2016-02-25

中国交通建设股份有限公司重大科研项目（2014-ZJKJ-04）

郑金龙（1963— ），男，浙江台州人，高级工程师，主要从事船舶设备与港口航道工程技术管理工作。E-mail：zss@checd.com