绿色环保_节能高效——船用柴油机的.docx

绿色环保，节能高效船用柴油机的技术发展方向中船重工经济研究中心 曹林前言新世纪以来，随着自然资源的日益枯竭和人类生存环境的恶化，人们环保意识逐渐增强，世界各国和一些国际组织不断推出强制性的环保政策法规，加之市场经济的内力作用，在工业技术领域正在经历着一场以“绿色环保、高效节能”为目标的深刻变革。船舶行业，作为现代综合性的典型代表产业，也不可避免的融入到这次技术变革的浪潮中。为了降低和控制船舶造成的大气污染，国际海事组织（imo）加紧了有关法规的制定。1997年9月，在imo总部伦敦召开的marp0l73/78缔约国大会上，批准了修订marpol73/78的议定书，该议定书纳入了marpol73/78公约附则vi，即防止船舶造成空气污染规则，该附则主要内容为有关船舶使用的消耗臭氧层物质，发动机产生的氮氧化物、硫氧化物和颗粒物质的排放，挥发性有机化合物的蒸汽回收处理等方面的规定。附则vi已于2005年5月19日起生效，新规则的生效对船用柴油机技术提出了更高的要求。目前，根据imo规定，2011年1月1日或以后建造船上安装的柴油机的nox排放应满足tier ii标准；2016年1月1日或以后建造船上安装的柴油机（在eca内航行）nox排放应满足tier iii标准（见图1）。对于sox排放，imo要求在2012年1月1日4.5%降低到3.5%，到2020年则需降低到0.5%。eca地区的sox排放更为严格，到2015年要低于0.1%（见图2）。 图1 imo nox排放法则 图2 sox排放法规众所周知，柴油机提供了全球船队95%以上的动力，其技术上的任何一项突破都有可能对世界船舶产业乃至世界环境产生深远影响。因此，面对当今激烈的市场竞争和日益严格的排放法规，各大船用柴油机企业纷纷投入巨资加紧新机型开发，以满足未来船舶对排放、经济性和功能性的需求。当前，经过一段时间的发展，船用低速、中速、高速柴油机，在节能环保新技术的研发方面，都呈现出了一些显著的特点。低速机目前，世界船用低速机市场被wartsila、man和mitsubishi三大品牌垄断，其产品覆盖了从2mw100mw的功率范围，表1列举了部分三大品牌的船用大、小缸径低速柴油机的技术参数。man推出了14k108me-c型柴油机功率约为100mw，是世界最大的船用低速柴油机，但目前为止还尚未接到订单。1994年，wartsila公司推出了为大型高速集装箱船开发的rta96c型发动机。之后，在该型机的基础上，结合最新的高压共轨燃油喷射技术和电子控制技术，在2003年推出了智能型rt-flex96c低速柴油机。目前，这两款机型是wartsila公司所推出的缸径最大，功率最大的低速机。表1 典型大功率低速柴油机参数公司柴油机型号单缸功率kw缸径mm冲程mm平均有效压力bar转速rpmwartsilart-flex96c5720960250018.692102rt-flex35870350155021.0142167mank98me-c6020980240019.294104s30me-b9640300132821.0166195mitsubishiuec85lsii3860850315017.15776uec33lsii566330105017.6157215近两年，man和wartsila又分别在各自原有机型的基础上推出了新机型g系列和x系列（见表2），由于均采用超长冲程设计，发动机转速进一步降低。同时，为了适应严格的排放法规两种新电控机型在燃油消耗率和排放方面有了较明显的进步。表2 man的g系列和wartsila的x系列发动机公司柴油机型号单缸功率kw缸径mm冲程mm平均有效压力bar转速rpmmang80me-c94450800372021.05868g70me-c93640700325621.06683g60me-c92680600279021.07797g50me-b91720500250021.085100g45me-b91390450225021.094111wartsilax925850920346820.07080x723610720308620.56989x622660620265820.580103x40400177021.0124-146x35350155021.0142167除了对发动机内部系统进行不断优化，为了满足更高的排放要求，各种尾气处理技术也逐步推广。当前，废气再循环、选择性催化还原、余热回收和尾气清洗除硫等尾气后处理技术在船用低速柴油机上应用已经没有太大的技术难度。随着更为严格的排放要求的实施，尾气后处理装置也将迎来更大的市场空间。目前，许多造机企业均可为船用低速机和后处理装置集成供货服务，或者是尾气后处理装置加改装服务，以提高产品的市场竞争力。随着环保和经济性需求的不断提高，双燃料技术正在向船用低速机领域拓展。为了争夺未来低速机市场，迎合天然气燃料的使用推广，三巨头纷纷加快了双燃料低速机的研发和市场化步伐。man在双燃料低速机的发展上相对较快，并已推出相应机型（见表3）。现代重工和三井造船纷纷表示，他们将进行以me-gi原理为基础的现有生产机型向me-gi机型的临时转换。现代重工预计于2012年11月份转换一台8s70me-gi发动机；三井造船则宣布，该公司将在2013年二季度转换一台6s70me-gi发动机。瓦锡兰首台双燃料低速试验机于2011年第一季度，在瓦锡兰的意大利研发工厂安装就位；同年7月19日，进行了首次天然气运行，目前的实验数据表明，其排放可以满足tier iii标准。三菱重工也在近期推出了其双燃料低速机计划，具体目标是在2014 年3 月底前在单缸机上完成初步试验。然后进行双燃料运行能力的验证试验，最终于2015 年向市场推出缸径为600 mm，功率覆盖范围为1118mw的双燃料低速机。表3双燃料低速机公司柴油机型号单缸功率kw缸径mm冲程mm平均有效压力bar转速rpmmans80me-c9-gi4510800345020.07278s80me-c8-gi4500800320020.07284s70me-c8-gi3270700280020.07791wartsilart-flex50-d1745500205021.0mitsubishiuec-lsgi600中速机船用大功率中速机绝大部分是四冲程，缸径为160640mm，平均有效压力为2430bar，最高燃烧压力1621mpa，最高喷油压力160180mpa，燃油耗率170180g/kwh，单缸功率最高可达2010kw。为了达到imo tier iii的排放标准，当前中速机普遍采用高压共轨、高性能增压（多级、可变喷嘴）、选择性催化还原（scr）等技术（见表4）。表4 四冲程中速机不同排放标准的解决方案发动机设计标准发动机技术尾气后处理nox排放水平燃料eca其它imo tier ii高压共轨单级增压（废气旁通阀）不需要imo tier iimgohfoimo tier ii高压共轨单级增压（废气旁通阀）scrimo tier iiimgohfoimo tier ii高压共轨两级增压（vta）scrimo tier iiimgohfoimo tier iii高压共轨两级增压（vta）+多点喷射+egr不需要imo tier iiimgohfo值得一提的是，与低速机相比，双燃料技术在中速机中的应用十分广泛，技术也相对成熟。作为中速机技术的领先者，wartsila公司已经推出了达到imo tier ii排放标准的双燃料中速柴油机，包括20df、34df和50df三种机型。其双燃料产品在商业应用方面已经运行超过500万小时，迄今为止，wartsila双燃料发动机已向船用和陆用客户交付了720台；man公司也推出了51/60df双燃料中速发动机。由于双燃料发动机在降低运营成本和减排上的优越性，韩国市场2010年以后新建lng船中普遍使用双燃料发动机。除了lng船市场外，在其它船型领域的应用也在增多（如内河船、邮轮、渡轮），尤其是在排放控制区运营的船舶。表5 双燃料中速机公司机型缸径/mm冲程/mm功率范围/mwwartsila20df2002800.81.6wartsila34df3404002.67.2wartsila50df5005805.717.5man51/60df510600618与man和wartsila相比，rolls-royce公司则倾向纯气体机技术。2009年，rolls-royce推出了火花塞点火的稀薄燃烧天然气发动机，其天然气发动机与液体燃料相比排放更加环保（见图3），极大地降低nox、co2、sox 和颗粒排放；同时，与现有双燃料发动机相比，其燃料消耗率可降低8%。截止2012年6月份，rolls-royce已有22台气体机装船运行