未来LNG燃料船舶动力装置的选择

工作原理与低速柴油机相似，该类型的发动机继承了低速柴油机的大部分特点。由于天然气着火温度比燃油高，早期的气体发动机的工作原理类似汽油发动机通过电火花点燃燃气。这种点燃式气体发动机在高速机上得到了非常成功的运用，不过该技术应用于低速气体发动机时碰到了问题。一个主要原因是用于船舶主推进的发动机普遍功率较高，需要一次性点燃的燃料数量较大，而电火花点火时释放的能量偏小且难以实现火源位置均衡，容易导致燃料着火情况不稳定。另一个原因是由于采用电火花直接点燃气体燃料，发动机的压缩比必须适当降低，否则气体容易产生爆燃现象。这势必造成发动机冲程的缩短，直接影响发动机的输出功率和热效率。因此这种点燃式发动机不适合作为船舶主推进发动机使用。

3、双燃料发动机的基本原理及特点

双燃料发动机的概念源于气体发动机的另一种点火方式，这种方式无需电火花，而是在喷入燃气的同时喷入少量柴油，待柴油压缩自燃后再引燃天然气。这种压燃式气体发动机能够保持船用柴油机高压缩比、高热效率、经济性好的特点，且自燃的柴油可以形成多个点火源确保气体燃料的充分燃烧，确保发动机能够稳定地运转。相对电火花点火而言，这种点火方式更适合船用低速大功率柴油机。

双燃料发动机的概念正是在压燃式气体发动机的基础上提出的。从工作原理来看，该类型气体发动机与传统意义上的低速柴油机几乎完全相同，结构也非常相似，仅需要增加一套气体燃料的供应及处理系统。所以这种压燃式气体发动机既可以燃烧气体燃料又可以燃烧燃油，可以根据国际能源价格的变化灵活地选择燃料。压燃式气体发动机同样存在低速不稳定的问题，由于用于引燃天然气的油雾更为稀薄，压燃式气体发动机的最低稳定转速相对柴油机而言会更高。采用双套燃料可以有效地解决这个问题，即在发动机高负荷运行时主要采用气体燃料驱动，当需要低负荷运行时采用燃油驱动。

双燃料发动机装置的常见类型及比较

未来采用双燃料发动机的船舶主要的动力装置可分为以下两种类型：

1、双燃料低速发动机+双燃料发电机组动力装置

这类动力装置的型式与目前应用最为广泛的柴油机动力装置几乎完全相同，即采用低速双燃料气体发动机驱动船舶推进器，同时采用高速双燃料气体发动机驱动发电机提供电能。这种动力装置无需改变现有船舶的柴油机结构及机舱布局，只需要增加一套气体供应及处理的系统即可。原来已经熟悉船用柴油机操作的船员稍加培训即可迅速适应这种双燃料发动机的相关操作。

然而，该类型的动力装置也不可避免地存在很多固有的弱点。首先，压燃式双燃料发动机同时燃烧燃油和天然气，这两种燃料的燃烧产物会在高温时发生反应形成酸性物质。尽管这种物质的数量很少，但依然会引起发动机燃烧室位置发生腐蚀。这就导致了相比使用单一燃料发动机而言，双燃料发动机需要更加频繁地进行停机维护，通常每2-3个月就必须停机维护一次。而该类型动力装置只通常只有1-2台发动机驱动推进器，任何一台发动机停机维护都无法确保船舶继续以正常速度航行，如此频繁的维护必将增加船舶营运管理的难度。

续航力不足也是该类型动力装置的一个致命问题，由于驱动船舶推进器的发动机通常为中低速发动机，通常这类发动机体积都比较庞大且布置困难。如果采用这种发动机必然导致船上很难布置更多的LNG储罐，进而导致该类型船舶的续航力问题更加突出。

2、双燃料电力推进动力装置

该类型动力装置的概念源于传统的电力推进概念，即采用3-4台双燃料发动机驱动发电机组提供电能，采用电动机驱动船舶推进器。该推进方案不仅能够充分发挥电力推进的各种优势还可以有效地避免前面所述动力装置所存在的问题。由于发动机并非直接驱动船舶推进器，只要在设计阶段确保任何一台机组停机时剩余的发电机所提供的电能依然能够驱动船舶以正常的航速前进，就可以有效地避免双燃料发动机频繁维护对船舶航行造成的影响。通常驱动发电机一般采用中高速发动机即可，这类发动机的体积只有低速机的10-20%，在船上布置非常方便，可以确保船上有更多的空间布置LNG储罐，进而确保船舶具有足够的续航力。需要注意的是，双燃料发动机的概念主要是针对低速机提出的，而电力推进动力装置的发动机可以选择只燃烧LNG的中高速气体发动机，目前这类发动机的技术已经非常成熟。

该方案的主要缺点是无法利用现有的船舶机舱布局，需要对机舱整体进行重新设计，所以很难用于旧船改造。采用电力推进的船舶的输配电系统相对其他船舶而言复杂很多，且中高压输配电设备价格昂贵，这些都将增加该类型船舶的建造成本。另外目前全球范围内采用电力推进方案的船舶数量并不多，培训一批熟悉电力推进船舶管理和操作的船员需要一定的时间。

目前以双燃料发动机作为原动机的动力装置已经在10000载重吨左右的近海运输船上取得成功。随着全球原油供应的日趋紧张和国际海事组织对船舶排放的规定愈加严格，未来将会有越来越多的船舶采用更为经济和清洁的LNG作为燃料。从本文的分析来看，不同类型的船舶动力装置都具有各自的特点，在工程实践中应当将各类动力装置的特点与船舶的自身特征结合分析，才能为船舶选择最合适的动力装置。

（作者单位：中国船级社上海分社）

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