摘 要：介紹了隔膜壓力表雙燃料柴油機(jī)的技術(shù)特點，描繪了應(yīng)用該類柴油機(jī)的新能源船舶的國內(nèi)外應(yīng)用概況，重點闡述了開展相關(guān)技術(shù)改造的影響因素及存在的一系列問題，并進(jìn)行了未來展望。隔膜壓力表雙燃料船舶在排放性能及成本方面具有其獨到的優(yōu)勢，盡管目前依然存在著一定的技術(shù)弊端，但隨著相關(guān)技術(shù)水平、法規(guī)政策及能源體系的不斷完善與優(yōu)化，其必將得以廣泛應(yīng)用。

1 隔膜壓力表雙燃料柴油機(jī)及其技術(shù)特點

雙燃料柴油機(jī)是指其工作燃料除了燃油外還可以添加其他氣體燃料以共同工作的柴油機(jī) [1-3] 。以ME-GI 柴油機(jī)為例，除了具備新增的燃?xì)夤┙o及噴射系統(tǒng)之外，其他系統(tǒng)幾乎與普通柴油機(jī)相比并無顯著差別。

天然氣為清潔能源，可以在一定程度上降低柴油機(jī)的排放 [4-6] ；同時，在當(dāng)今燃油價格節(jié)節(jié)攀升的情況下，采用相對廉價的天然氣又可相應(yīng)節(jié)約燃料費用 [7-8] 。

雙燃料柴油機(jī)是在燃油柴油機(jī)的基礎(chǔ)上對燃燒系統(tǒng)和設(shè)備以及控制系統(tǒng)進(jìn)行改造更新而來的。當(dāng)使用氣體燃料進(jìn)行運行時，其熱效率較高，因而經(jīng)濟(jì)性好，特別是柴油機(jī)的排氣中所含的 NO x 及 SO x都大大減少，這些優(yōu)點使雙燃料柴油機(jī)越來越多地在 LNG 船上得到應(yīng)用。采用雙燃料柴油機(jī)作為LNG 船的主機(jī)，驅(qū)動螺旋槳的方式主要有 2 種，即雙燃料低速柴油機(jī)可直接驅(qū)動螺旋槳，而雙燃料中速柴油機(jī)則可用電力推進(jìn)方式。

2 隔膜壓力表雙燃料動力船舶的應(yīng)用概況

2.1 國外應(yīng)用概況

LNG 用作船用燃料較早源于北歐，其主要目的是應(yīng)對排放控制區(qū) （ECA） 日益嚴(yán)格的排放要求。挪威海事研究機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)表明，LNG 燃料動力船建造成本比常規(guī)燃油動力船舶高 8%～20%，維護(hù)成本也相對較高，但環(huán)保優(yōu)勢明顯。

為評估未來 LNG 燃料用于船舶遠(yuǎn)洋運輸?shù)目赡苄砸约叭绾卧谌蚍秶鷥?nèi)發(fā)展 LNG 產(chǎn)業(yè)，英國 LR船級社聯(lián)合國際海上戰(zhàn)略有限公司開展了一項名為“LNG 燃料動力遠(yuǎn)洋運輸 （LNG-fuelled deep sea shi-pping）”的研究，并于 2012 年 8 月發(fā)布了研究報告。該研究基于 ECA 設(shè)定、全球燃油硫含量限值實施日期、船東采用 LNG 作為新造船燃料的傾向、燃油與 LNG 價格預(yù)測等假想，從 3 種情景 （基本情景、高需求情景、低需求情景） 對全球新造 LNG 燃料動力船和 LNG 燃料需求進(jìn)行了預(yù)測。

盡管 LNG 燃料動力船舶既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)，同時在挪威這種船舶在營運和加注燃?xì)膺^程中未曾發(fā)生重大事故，但挪威方面從 2000 年到現(xiàn)在，近 20 年的過程中其本國的 LNG 燃料動力船舶并未得以大規(guī)模推廣。主要原因在于該產(chǎn)業(yè)目前仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，如缺乏相應(yīng)的國際法規(guī)，加氣站和物流等供應(yīng)鏈不健全，船用 LNG 技術(shù)尚未成熟，LNG 動力船所需的船員人數(shù)緊缺等情況。上述諸多因素均制約了LNG 燃料動力船舶的發(fā)展 [9] 。

2.2 國內(nèi)應(yīng)用概況

基于海事法規(guī)的種種限制及我國內(nèi)河船業(yè)發(fā)展的壓力，對船用柴油機(jī)采取了改進(jìn)措施。受限于船用柴油機(jī)研發(fā)技術(shù)，目前我國尚未能推出真正意義上的中速或低速船用雙燃料發(fā)動機(jī)，但在促進(jìn)內(nèi)河

船舶使用雙燃料動力上依舊取得了不錯的進(jìn)展。現(xiàn)在，我國正在大力推行內(nèi)河船舶的“油改氣” [10-11] 。

2010 年以來，我國成功實現(xiàn)“油改氣”的內(nèi)河船舶不斷增多，但值得注意的是，雖然在沒有解決雙燃料發(fā)動機(jī)的情況下，推進(jìn)內(nèi)河船舶使用雙燃料依舊取得了進(jìn)展，但船舶可能在某些工況下面臨動力不足的問題。

3 影響隔膜壓力表雙燃料船舶改造的問題

3.1 選取評估參數(shù)

對隔膜壓力表雙燃料船舶改造進(jìn)行評估分析評估時，需要選取評估參數(shù)。參數(shù)的選取主要從船體狀態(tài)、動力系統(tǒng)性能、船體與系統(tǒng)安全和船舶運行經(jīng)濟(jì)性等方面提煉船舶描述參數(shù)，具體如下。

1） 船舶動力系統(tǒng)參數(shù)。對船體狀態(tài)的一般描述的船舶基本參數(shù)；運營情況上的基本參數(shù)；船舶動力方面的改裝后發(fā)動機(jī)的基本參數(shù)；新增管路基本參數(shù)；燃?xì)夤苈烽y門基本參數(shù)；船舶安全方面的船體安全基本參數(shù)；船舶運行動力系統(tǒng)安全基本參數(shù)；作為船體構(gòu)造部分的風(fēng)機(jī)、氣體燃料探測器和整船上大型的水滅火消防系統(tǒng)的基本參數(shù)；LNG 燃料動力系統(tǒng)安全方面的儲氣罐區(qū)域、燃料充裝站區(qū)域和機(jī)艙區(qū)域 3 方面基本參數(shù)等。

2） 船體與系統(tǒng)安全參數(shù)。為了能夠更系統(tǒng)地研究分析試點船舶各方面的改造對現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性，相關(guān)參數(shù)還應(yīng)包括船舶布置方面的影響參數(shù)；雙燃料改造后船體結(jié)構(gòu)方面的影響參數(shù)；船舶水動力性能方面的影響參數(shù)；改造后船舶的氣體燃料發(fā)動機(jī)與 ECU 的影響參數(shù)；動力管系的影響參數(shù)；改造后船體和動力安全系統(tǒng)的影響，儲氣罐區(qū)域影響參數(shù)；燃料充裝站區(qū)域影響參數(shù)、機(jī)艙區(qū)域影響參數(shù)等。

3） 經(jīng)濟(jì)性影響參數(shù)。對改造后船舶運行經(jīng)濟(jì)性影響參數(shù)包括發(fā)動機(jī)排放的技術(shù)參數(shù)、發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)技術(shù)參數(shù)、改造后發(fā)動機(jī)較高燃油替代率、發(fā)機(jī)改造條件、試點船舶改造過程的技術(shù)問題、國家相關(guān)政策問題、改造船舶船員操作問題、船舶船員培訓(xùn)管理問題、船舶運行管理問題。

3.2 柴油機(jī)改造

針對隔膜壓力表雙燃料柴油機(jī)的改造主要為儲氣傳輸管道，發(fā)動機(jī)雙燃料改造，通風(fēng)與安全設(shè)備及發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)，對船舶布置產(chǎn)生實質(zhì)性影響的主要是儲氣罐及其傳輸管道的布置，其影響主要表現(xiàn)為儲氣罐位置，儲氣罐通過生活區(qū)域的安全距離，危險區(qū)域的重新劃分及防火等級劃分，消防設(shè)備配備，具體因素包括。

3.2.1 船舶布置分析

對于現(xiàn)有船舶的改造，難點和首要任務(wù)是確定LNG 儲氣罐的安裝位置。儲罐不能離火太近，而且氣罐處所應(yīng)盡量遠(yuǎn)離機(jī)器處所、起居處所、服務(wù)處所和控制站，如與其相鄰，其邊界應(yīng)是氣密型的 [12] 。改造船舶對船舶布置的影響，主要體現(xiàn)在儲氣罐及其管道的安排布置 [13-14] ，現(xiàn)有改造船舶的生活區(qū)均位于船體艉部，機(jī)艙也位于船體艉部，儲氣罐的安全距離要求對現(xiàn)有改造船舶來說都是一個難以解決的問題，船舶噸位越小問題越嚴(yán)重。

3.2.2 船體結(jié)構(gòu)分析

改造船對結(jié)構(gòu)性能的影響表現(xiàn)在儲氣罐部位的結(jié)構(gòu)加強與防儲氣罐泄漏引起船體板受超低溫影響，目前的改造船部分進(jìn)行了承載結(jié)構(gòu)加強，所有改造船都設(shè)置了防承漏滴盤。進(jìn)行 LNG 雙燃料動力船舶改造會對原船船體局部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在如下幾個方面：

1） LNG 儲罐的布置，在船舶上加裝 LNG 儲罐會對放置 LNG 儲罐的甲板局部結(jié)構(gòu)強度產(chǎn)生較大影響。LNG 儲罐可貯存在開敞甲板上，根據(jù)試點船資料可見試點船舶的 LNG 儲罐一般都是直接布置在位于船體尾部的甲板上，如主甲板或上層建筑各層甲板。LNG 儲罐重量及充氣后 LNG 重量會對放置儲罐的甲板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接影響。

2） LNG 儲罐與船體之間的連接需要設(shè)置燃料儲罐支撐附件，對于燃料儲罐，其支撐附件與船體結(jié)構(gòu)間可采用螺栓連接。對于加氣躉船 LNG 儲罐，其支撐附件與船體結(jié)構(gòu)應(yīng)符合 《內(nèi)河散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》 第 4 章 4.5 對于支持構(gòu)件的要求；與燃料儲罐支撐附近相連的船體結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足 《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》 及其修改通報相關(guān)章節(jié)的要求。因此，在 LNG 雙燃料船舶改造過程中，需要對于加裝 LNG 儲罐的甲板進(jìn)行局部加強處理或者局部甲板下沉處理。

3.2.3 船舶水動力性能分析

從現(xiàn)有試點船舶改造的內(nèi)容來看，改造工程對船舶水動力性能的影響表現(xiàn)在儲氣罐對船舶穩(wěn)性的影響。在船舶上安裝 LNG 儲罐后，由于 LNG 儲罐的自重和其安裝位置的影響，故會使船舶的重量分布情況發(fā)生變化，從而使得船舶的重心位置發(fā)生變化，故會對船舶初穩(wěn)性高產(chǎn)生影響；由于 LNG 儲罐中的液體燃料會形成自由液面，因此需要對船舶原初穩(wěn)性高進(jìn)行自由液面修正，故會使得船舶初穩(wěn)性高發(fā)生一定程度的變化。

3.3 存在的主要問題

目前我國試點船舶采用的總管進(jìn)氣式改造機(jī)主要存在下述問題。

3.3.1 安全方面

由于比柴油機(jī)增加了 1 套燃?xì)夤⿷?yīng)系統(tǒng)，雙燃料發(fā)動機(jī)的安全風(fēng)險較柴油機(jī)有所增加，主要表現(xiàn)在如下方面：1） 供氣管路發(fā)生泄漏，導(dǎo)致機(jī)艙產(chǎn)生氣體積聚；2） 發(fā)動機(jī)起動時天然氣回竄至起動空氣系統(tǒng)；3） 進(jìn)氣管時刻充滿可燃混合氣 （總管進(jìn)氣發(fā)動機(jī)）；4） 缸內(nèi)可燃混合氣滲透至曲軸箱；5） 可燃混合氣在排氣管內(nèi)積聚。為盡可能保證雙燃料發(fā)動機(jī)的安全工作，必須采取相應(yīng)的風(fēng)險控制措施來降低風(fēng)險發(fā)生的可能性，或減輕事故造成的危害。因此，要求供氣管路采用雙壁管 （本質(zhì)安全型機(jī)艙），起動空氣系統(tǒng)安裝火焰消除器，進(jìn)氣總管和排氣管安裝防爆閥，增壓器和中冷器安裝防爆閥 （增壓器前進(jìn)氣發(fā)動機(jī)），曲軸箱安裝防爆閥、氣體探測器、油霧探測器 （高壓機(jī)和較大缸徑低壓機(jī)） 等。但部分試點船由于種種原因（施工難度、成本等） 并未完全考慮上述問題，如進(jìn)氣管、增壓器和中冷器、排氣管未裝防爆閥、曲軸箱未裝氣體探測器和油霧探測器等，使得改造機(jī)的安全問題令人擔(dān)憂。

3.3.2 排放方面

使用雙燃料柴油機(jī)的初衷是降低排放，設(shè)計先進(jìn)的氣體燃料內(nèi)燃機(jī)的尾氣排放中可幾乎不含硫氧化物 （SO x ），并使顆粒 （PM） 排放下降達(dá) 90%，氮氧化物 （NO x ） 排放下降 85%～90%。但是，受柴油機(jī)固有結(jié)構(gòu)限制，改型機(jī)難以充分發(fā)揮天然氣的優(yōu)勢。不僅如此，我國目前的改造方式僅簡單增加 1套燃?xì)夤⿷?yīng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，未對換氣正時、噴油正時等原機(jī)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，也沒有使用合理的油-氣摻燒策略 （替代率），因而沒有獲得令人滿意的減排效果。雖然由于燃料的特點 （不含硫） 可顯著降低 SO x 和 PM 排放，但目前的試驗數(shù)據(jù)顯示，簡單改造的雙燃料發(fā)動機(jī)的 NO x 、HC 和 CO 排放均較原機(jī)有不同程度的增加。

4 結(jié)論

隔膜壓力表雙燃料船舶以其較好的排放性能及低廉的成本，其應(yīng)用前景可謂日益走俏。盡管目前依然存在著諸多技術(shù)短板，限制了其當(dāng)前的發(fā)展及推廣，但隨著相關(guān)技術(shù)水平、法規(guī)政策及能源體系的不斷完善與優(yōu)化，其必將得以廣泛應(yīng)用。