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船用低速發動機技術現狀及發展趨勢

2020-06-11 19:07:00
來源:中國船舶報 編輯: 國際船舶網 我有話要說

船用發動機被稱為船舶的“心臟”,目前全球90%以上的遠洋船舶采用的是低速發動機。在船用低速機領域,由于不掌握核心研發技術,我國目前只能以專利許可的方式進行生產;在船用低速機關重零部件方面,我國也是以專利制造為主,需要大量進口電控系統、燃油系統、增壓器、軸瓦、活塞環等零部件,導致我國船舶工業始終存在“心臟病”問題。為有效解決船舶“心臟病”問題,我國船舶工業多年來在船用低速機及關重件自主研發方面進行積極探索,開展了大量富有成效的工作。為此,《中國船舶報》特開辟“船機之聲”欄目,為讀者提供良好的學術、技術交流平臺,致力助推建立船用低速機創新發展技術體系,形成我國船用低速機研發體系和創新能力。——編者

資料圖/ALASTAIR PHILIP WIPER

船用低速發動機產業現狀

低速發動機一般指的是轉速低于300轉/分鐘的往復式內燃機,可根據燃料的不同,分為低速柴油機和低速雙燃料機。低速機具有功率大、效率高、壽命長、可靠性好、操作維修簡便等優點,是遠洋船舶的主要推進動力。據統計,世界海運量的90%由低速機作為動力驅動。

20世紀50年代,世界上有十余個低速機品牌。由于低速機研發投入大,需要全球服務能力,具備一定的規模才能產生效益,因此經歷了一段合并、收購和消亡的過程后,到20世紀90年代,只剩下了3個低速機品牌:曼恩、瓦錫蘭和三菱公司。其中,曼恩由原德國MAN和丹麥B&W兩家的低速機業務合并產生,瓦錫蘭的低速機業務收購自瑞士蘇爾壽公司(Sulzer)。2015年,原中船集團收購了瓦錫蘭的低速機業務,成立Winterthur Gas & Diesel(WinGD)公司。2017年,三菱公司的低速機業務與神戶發動機公司合并,成立日本發動機公司(J-ENG)。目前,世界上3個低速機品牌分別為MAN ES(曼恩改名為曼恩能源方案公司)、WinGD和J-ENG。除J-ENG既有品牌也自己生產以外,MAN ES和WinGD都只負責低速機的技術研究和產品設計,通過許可,由授權專利廠制造。低速機專利廠大多位于中、日、韓三國,三國也幾乎制造了世界上所有的低速機。其中,韓國產量最高,中、日產量相當。我國企業中,中國船舶集團有限公司旗下滬東重機有限公司在低速機制造市場的占有率超過了20%,位居世界第二,僅次于韓國現代。

排放法規促進低速機技術發展

低速機近年來技術發展的主要驅動因素是國際海事組織(IMO)的有害物排放法規。為滿足2016年生效的氮氧化物第三階段(Tier Ⅲ)法規要求,選擇性催化還原(SCR)和廢氣再循環(EGR)技術在低速機柴油機上得到了應用。SCR技術市場占有率更高一些,目前正朝著機載緊湊方向發展。WinGD提出了集成SCR反應器與排氣集管的SCR on-engine方案,大幅度減小占用機艙的空間。在我國低速機研發、制造單位與WinGD的合作下,首臺采用該技術的低速機將于2020年在中國船舶集團旗下大連船用柴油機有限公司完成制造。

2016 年,IMO 海上環境保護委員會第 70 次會議(MEPC70)將2020 年 1 月 1 日定為全球船舶燃油硫含量不應超過0.5%m/m 標準的實施時間。船舶安裝廢氣清洗系統(EGCS)成為目前船東公司可接受的解決方案之一。按照使用模式,EGCS可分為開式、閉式和混合式。開式系統直接利用海水本身的堿性對廢氣進行清洗,清洗后的海水經處理后或直接排回大海,具有設備簡單、初始投資和使用成本低等特點,但部分國家和港口在其控制區內限制開式系統的廢水排放,包括我國。

2020年硫排放限制法規實施后,采用低硫燃料也成為可能的選項。采用低硫燃料消除了缸內濕式燃燒技術應用的阻礙,即燃料中硫與水作用后會腐蝕燃燒室部件的問題不復存在。因此,濕式燃燒技術近年來得到了發展。

MAN ES提出了兩種濕式燃燒技術方案。一種是LGIM-W技術,將甲醇和水混合噴入缸內并用常規柴油引燃,該技術已在一臺6G50ME機型上得到應用。另一種是PI FIW(Pilot Ignition Fuel-In-Water)技術,即將常規柴油引燃直接噴入缸內的乳化柴油。以上兩種技術都可滿足Tier Ⅲ要求。

JUMP(J-ENG Unique Marine Power)是J-ENG公司應對硫、氮氧化物和二氧化碳等減排要求的解決方案。該方案只使用船用輕油(MGO或MDO),通過分層缸內噴水技術結合燃燒過程的優化,在滿足TierⅡ要求基礎上,油耗比常規低速機降低了5%;加裝低壓EGR后,可滿足Tier Ⅲ要求。2019年1月,J-ENG發布了第一臺采用JUMP技術的UEC50LSJ成功運轉的消息。

雙燃料技術能夠使用甲烷等新型清潔燃料,是解決硫和顆粒物等排放物的解決手段之一。MAN ES首先推出了高壓燃氣噴射的雙燃料低速機GI系列,采用了擴散燃燒技術(Diesel 循環)。2015年,WinGD交付了首臺采用低壓燃氣噴射的低速雙燃料機flex-50DF,DF系列采用預混燃燒技術(Otto循環),氮氧化物排放低,無需后處理裝置即可滿足Tier Ⅲ要求,但擴散燃燒只能達到Tier Ⅱ標準。此外,低壓燃氣設備的成本也低于高壓設備。由于技術和成本上的優勢,WinGD DF系列快速趕超MAN ES的GI系列,目前市場占有率達到70%。2019年,中國船舶集團旗下上海中船三井造船柴油機有限公司交付的12X92DF額定功率達到了63840千瓦,成為世界最大功率的雙燃料機,也是有史以來世界最大功率的Otto循環內燃機。

黑碳是造成全球變暖的第二大根源,僅次于二氧化碳,同時也是導致北極冰川融化的重要原因之一,船舶動力是北極黑碳的主要來源。國際船舶黑碳減排目前仍處于立法階段,黑碳減排將是低速機面對的下一個技術難題。IMO黑碳排放措施研究通信組識別了41種黑碳減排措施,主要包括燃料類型、后處理技術、發動機類型、新型動力系統、船舶運行參數等五個研究方向,其中輕質燃油技術、顆粒捕捉器技術及其組合被認為是解決黑碳問題的重要手段。

“三化”成低速機技術發展方向

經過多年的發展,可以看出,智能化、低碳化、集成化是低速機技術未來重要發展方向。

近年來,智能船舶成為國際海事界新熱點。IMO、國際標準化組織(ISO)等國際組織將智能船舶列為重要議題,國際主要船級社先后發布了有關智能船舶的規范或指導性文件。2016年,我國啟動了“智能船舶1.0研發專項”。2018年年底,工業和信息化部、交通運輸部、國家國防科技工業局三部委聯合發布《智能船舶發展行動計劃(2019~2021年)》,“推動船用設備智能化升級”是其強調的重點任務之一。低速機是遠洋船舶最為重要的船用設備,其智能化技術已成為制約船舶工業跨越發展的關鍵瓶頸。

2018年4月,IMO MEPC 72屆會議上制定了IMO海運溫室氣體(GHG)減排初步戰略,確定將在本世紀盡快實現航運無GHG排放的愿景。2019年6月,MEPC 74屆會議明確了船舶能效設計指數(EEDI)第三階段的開始時間和削減率,整體上,開始時間有所提前,削減率有所提升。為應對溫室氣體減排要求和能效法規,世界各國在提高低速機能效和降低碳排放方面開展多種技術的研究。燃料方面,MAN ES正在開展氨低速機開發。氫、甲醇、生物柴油等零碳、低碳燃料也是國內外研究的熱點。

系統集成方面,混合動力系統在內河船上已有典型應用,在遠洋船舶上,低速機集成PTI/PTO,與輔機系統構成統一的船舶電網,再加上儲能單元,形成了遠洋船舶混合動力系統一般形式。應用儲能單元可對負載“削峰填谷”,盡可能使主機在高效率工況下工作。在靠港時,停掉主機,使用輔機或儲存的電能來操縱船舶,可以提高船舶能效、降低碳排放。國內外企業和研究機構都在開展遠洋船舶混合動力系統的相關研究。

我國低速機技術獲得長足進步

我國一直致力低速機自主化發展,歷史上也曾有過自主品牌產品。在當前船舶工業轉型升級、高質量發展的要求下,我國應該有自己的低速機品牌和自主的研發、制造、服務體系。通過收購一個成熟的低速機設計企業,獲得一個較高起點,是實現我國低速機產業跨越式發展的有效的、可行的途徑;谝陨蠎鹇钥紤],2015年,原中船集團收購了瓦錫蘭的低速機業務,成立了WinGD。與此同時,中國船舶集團旗下中船動力研究院有限公司牽頭啟動了船用低速機重大科研專項,積極開展國內外的研發協同。通過四年多來的夯基壘臺,我國低速機技術有了長足進步,取得了豐碩的階段性成果。

截至目前,400毫米缸徑低速機雙燃料機工程樣機落實了裝船訂單;低速柴油機和雙燃料機原理試驗機在上海臨港成功點火、運行,這兩型機均為世界上指標最先進的原理試驗機,它們的建成意味著我國已擁有世界最先進的低速機整機試驗平臺;低速機核心配套件研制也取得了可喜進展,電控系統實現了配機應用,增壓器、油霧探測器取得了中國船級社的認可證書,形成了自主配套能力。

在科研專項的帶動下,我國各單位堅持“政、產、學、研、用”的協同研發模式,積厚成勢,努力提升我國低速機的創新能力,建設自主可控的低速機工業體系,補齊船舶工業高質量發展的短板,為增強我國船用動力乃至船舶工業的國際競爭力,力爭實現我國低速機自主創新發展的“中國夢”不斷奮斗。

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