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LNG双燃料发动机性能分析

 2014-04-28 10:12:07 浏览量:0

   LNG船舶自出现几十年来,一直使用的蒸汽轮机作为动力推进装置。蒸汽轮机可以有效利用蒸发气,且安全可靠,但是效率只有30%。为此设计人员一直寻求LNG船舶的替代推进装置。随着时代和科技的发展,上个世纪90年代开始形成双燃料发动机的概念。瓦锡兰自2003年后逐步退出三种型号的中速机:20DF、34DF、50DF。由于热效率高,经济型好,65%的新造LNG船舶采用了双燃料主机组成的推进系统。MAN B&W公司也推出了自己的中速双燃料发动机。相比于中速双燃料发动机的显著成果,低速机的研制明显滞后。瓦锡兰在2010年秋季才正式启动低速双燃料发动机的研制,目前,测试和技术细节的改进还在进行中。MAN B&W在2003年提出ME-GI的设计方案后,由于从实用性、可行性的角度考虑,研发并不积极,随着形势的改变,MAN不甘落后。在2010秋,籍由欧盟第七框架协议中“太阳神”项目的开展,联合多家科研教育机构,迅速的推进ME-GI的全面研制。随后在改装的4T50ME-GI燃气发动机上进行了一系列的测试工作。2011年5月18日,MAN举行了GI发动机的发布仪式。现代重工于2012年11月生产出第一台ME-GI原型机。2012年年末,MAN公司接到Teekay公司的2台ME-GI发动机的订单。
  1 ME-GI 发动机概况
  ME-GI发动机是在ME电控喷射柴油机的基础上研发的,所以ME-GI机和ME机基本相似,具有相同的效率、输出功率和尺寸。ME-GI机的关键组件包括在ME 机基础上进行了修改的排气集管,以及改良后带有燃气进气阀、燃气控制模块的气缸盖,扩大的顶部平台,高压双壁燃气输送管和装在气缸盖上的燃气控制单元[1]。关键组件示意图如图1所示。
  2 ME-GI发动机性能分析
  作为新开发的机型,MAN公司为了验证了ME-GI的主要性能,进行了一系列测试工作[2]。为了达到目的,测试主要是比较了在纯柴油情况下发动机的运行性能和在燃气情况下的运行性能。
  2.1动力性能
  针对这种新型的发动机,它在燃气模式下能否达到预期的功率来推动船舶前进是最先考虑的问题。于是先进行了不同负荷下引燃油量的实验,见图3。验证了在5%(或者更少的)的引燃油下可以达到各种负荷。
  不同功率下放热规律的测试,见图4。从图中可以看到在燃气模式下,ME-GI发动机的燃烧放热规律和ME柴油机是基本一致的。[1] 这是由于二冲程低速双燃料发动机与以前的四冲程中速双燃料发动机的原理有些不一样,它采用的是高压气体直接在压缩上止点附近喷入气缸,这就导致它和柴油燃烧过程比较类似。
  双燃料发动机的运行时气缸压力和扫气压力的测试,如图5。可见在燃油模式下运行和在燃气模式下运行气缸内的最大压力和压缩终了时的压力以及扫气压力基本一样。
  当在燃气模式下运行时,排气温度,废气涡轮进出口温度以及废气涡轮的转速状况,见图6。可以看到涡轮进出口温度、涡轮转速基本和燃油运行时一致,但是排气温度有明显的变化,这是由于燃气运行时废气中的水分含量更高,从而使得废气的比热更高,从而温度更低。
  2.2 经济性能
  油耗率(SPOC)作为衡量内燃机经济性能的主要指标,油耗率越低则说明经济性越好。ME-GI的SFOC测试,见图7。其测试状态为标准状态(ISO),环境空气压力为1000bar,环境空气的温度为25℃,冷却水的温度为25℃。燃油消耗率的比较可以看出燃气模式下的消耗率比燃油运行时要低,尤其是在低负荷的状态下。说明当在燃气模式下运行时效率更高。但是通过实验也发现如果进一步的提高热效率,即降低SFOC,那么NOX的排放会大幅上升。所以出于排放方面的考虑,低速双燃料发动机的效率只能做有限度的提升。
  2.3 运转性能
  运转性能方面主要考虑它的排气、振动以及运行时的燃料切换和安全保护性能。
  NOX排放测试,见图8。一般而言NOX的生成主要和温度有关,由于燃气模式下运行时气缸内温度相对较低,所以产生的NOX较少,结果显示NOX减少了近25%。
  CO2排放测试,见图9。由于天然气中的碳含量比燃油低,所以产生的CO2也较少,减少了约24%。
  通过检测排放物,显示废气中的颗粒物几乎为0。
  另外让人惊喜的是测试发现甲烷残余量仅为0.2g/KWh,与传统的液体燃料在同一个水平。比四冲程双燃料主机的4-8%的甲烷残余量减少很多。因为这种燃料残留现象带来的危害非常大,首先降低了发动机效率;其次可燃气体随废气进入排气管,废气温度很高,非常容易在排气管内发生爆炸;再次可燃气体进入大气,对于环境也有影响。所以仅0.2%的残余,对二冲程双燃料机来说不会构成问题。
  发动机燃气运行时,振动情况良好,甚至比在燃油运行时还好一些。
  同时为了测试实际情况下,燃料切换时双燃料柴油机的运行情况,MAN进行了程序实验,见图10。整个程序包括燃料的切换,负荷的加减,以及紧急停车(比如燃气泄露)时的运行情况。结果显示在实际运行时,能够满足要求,没有出现异常情况。[2]
  3 结论
  MAN B&W ME-GI发动机在燃气模式下运行各方面性能良好。当燃烧高压天然气时,通过少量的燃油引燃,能够提供0——100%的功率范围,且效率较高,运行稳定。排放的废气中NOX和 CO2大幅减少,颗粒物几乎为0,因为不含燃气中不含硫元素,所以废气中的硫化物含量为0。ME-GI发动机燃料切换时运行稳定,当出现紧急情况时,能及时反应,安全可靠。ME-GI发动机的问世给LNG船舶动力推进装置提供了一种新的选择,相信以后会越来越多作为主推进动力装置的安装到LNG船舶上。随着国际社会对排放标准的要求日益严格,能源价格的日益上涨,ME-GI 发动机在排放以及经济性方面的优异表现,再加之液化天然气贮运技术的发展和供应链的不断完善,ME-GI发动机作为普通船舶的推进装置也成了当下的趋势。

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