DQZHAN技術(shù)訊：船用低速發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
船用發(fā)動(dòng)機(jī)被稱(chēng)為船舶的“心臟”，目前全球90%以上的遠(yuǎn)洋船舶采用的是低速發(fā)動(dòng)機(jī)。在船用低速機(jī)領(lǐng)域，由于不掌握核心研發(fā)技術(shù)，我國(guó)目前只能以磚利許可的方式進(jìn)行生產(chǎn)；在船用低速機(jī)關(guān)重零部件方面，我國(guó)也是以磚利制造為主，需要大量進(jìn)口電控系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、增壓器、軸瓦、活塞環(huán)等零部件，導(dǎo)致我國(guó)船舶工業(yè)始終存在“心臟病”問(wèn)題。為有效解決船舶“心臟病”問(wèn)題，我國(guó)船舶工業(yè)多年來(lái)在船用低速機(jī)及關(guān)重件自主研發(fā)方面進(jìn)行積極探索，開(kāi)展了大量富有成效的工作。為此，《中國(guó)船舶報(bào)》特開(kāi)辟“船機(jī)之聲”欄目，為讀者提供良好的學(xué)術(shù)、技術(shù)交流平臺(tái)，致力助推建立船用低速機(jī)**發(fā)展技術(shù)體系，形成我國(guó)船用低速機(jī)研發(fā)體系和**能力。——編者
船用低速發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
低速發(fā)動(dòng)機(jī)一般指的是轉(zhuǎn)速低于300轉(zhuǎn)/分鐘的往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，可根據(jù)燃料的不同，分為低速柴油機(jī)和低速雙燃料機(jī)。低速機(jī)具有功率大、效率高、壽命長(zhǎng)、可靠性好、操作維修簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，是遠(yuǎn)洋船舶的主要推進(jìn)動(dòng)力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界海運(yùn)量的90%由低速機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。
20世紀(jì)50年代，世界上有十余個(gè)低速機(jī)品牌。由于低速機(jī)研發(fā)投入大，需要全球服務(wù)能力，具備一定的規(guī)模才能產(chǎn)生效益，因此經(jīng)歷了一段合并、收購(gòu)和消亡的過(guò)程后，到20世紀(jì)90年代，只剩下了3個(gè)低速機(jī)品牌：曼恩、瓦錫蘭和三菱公司。其中，曼恩由原德國(guó)MAN和丹麥B&W兩家的低速機(jī)業(yè)務(wù)合并產(chǎn)生，瓦錫蘭的低速機(jī)業(yè)務(wù)收購(gòu)自瑞士蘇爾壽公司（Sulzer）。2015年，原中船集團(tuán)收購(gòu)了瓦錫蘭的低速機(jī)業(yè)務(wù)，成立Winterthur Gas & Diesel（WinGD）公司。2017年，三菱公司的低速機(jī)業(yè)務(wù)與神戶發(fā)動(dòng)機(jī)公司合并，成立日本發(fā)動(dòng)機(jī)公司（J-ENG）。目前，世界上3個(gè)低速機(jī)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(chǎn)以外，MAN ES和WinGD都只負(fù)責(zé)低速機(jī)的技術(shù)研究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過(guò)許可，由授權(quán)磚利廠制造。低速機(jī)磚利廠大多位于中、日、韓三國(guó)，三國(guó)也幾乎制造了世界上所有的低速機(jī)。其中，韓國(guó)產(chǎn)量*高，中、日產(chǎn)量相當(dāng)。我國(guó)企業(yè)中，中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司旗下滬東重機(jī)有限公司在低速機(jī)制造市場(chǎng)的占有率超過(guò)了20%，位居世界**，僅次于韓國(guó)現(xiàn)代。
排放法規(guī)促進(jìn)低速機(jī)技術(shù)發(fā)展
低速機(jī)近年來(lái)技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)因素是國(guó)際海事組織（IMO）的有害物排放法規(guī)。為滿足2016年生效的氮氧化物第三階段（Tier Ⅲ）法規(guī)要求，選擇性催化還原（SCR）和廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)在低速機(jī)柴油機(jī)上得到了應(yīng)用。SCR技術(shù)市場(chǎng)占有率更高一些，目前正朝著機(jī)載緊湊方向發(fā)展。WinGD提出了集成SCR反應(yīng)器與排氣集管的SCR on-engine方案，大幅度減小占用機(jī)艙的空間。在我國(guó)低速機(jī)研發(fā)、制造單位與WinGD的合作下，首臺(tái)采用該技術(shù)的低速機(jī)將于2020年在中國(guó)船舶集團(tuán)旗下大連船用柴油機(jī)有限公司完成制造。
2016 年，IMO 海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)第 70 次會(huì)議（MEPC70）將2020 年 1 月 1 日定為全球船舶燃油硫含量不應(yīng)超過(guò)0.5%m/m 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施時(shí)間。船舶安裝廢氣清洗系統(tǒng)（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(kāi)式、閉式和混合式。開(kāi)式系統(tǒng)直接利用海水本身的堿性對(duì)廢氣進(jìn)行清洗，清洗后的海水經(jīng)處理后或直接排回大海，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、初始投資和使用成本低等特點(diǎn)，但部分國(guó)家和港口在其控制區(qū)內(nèi)限制開(kāi)式系統(tǒng)的廢水排放，包括我國(guó)。
2020年硫排放限制法規(guī)實(shí)施后，采用低硫燃料也成為可能的選項(xiàng)。采用低硫燃料消除了缸內(nèi)濕式燃燒技術(shù)應(yīng)用的阻礙，即燃料中硫與水作用后會(huì)腐蝕燃燒室部件的問(wèn)題不復(fù)存在。因此，濕式燃燒技術(shù)近年來(lái)得到了發(fā)展。
MAN ES提出了兩種濕式燃燒技術(shù)方案。一種是LGIM-W技術(shù)，將甲醇和水混合噴入缸內(nèi)并用常規(guī)柴油引燃，該技術(shù)已在一臺(tái)6G50ME機(jī)型上得到應(yīng)用。另一種是PI FIW（Pilot Ignition Fuel-In-Water）技術(shù)，即將常規(guī)柴油引燃直接噴入缸內(nèi)的乳化柴油。以上兩種技術(shù)都可滿足Tier Ⅲ要求。
JUMP（J-ENG Unique Marine Power）是J-ENG公司應(yīng)對(duì)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(guò)分層缸內(nèi)噴水技術(shù)結(jié)合燃燒過(guò)程的優(yōu)化，在滿足TierⅡ要求基礎(chǔ)上，油耗比常規(guī)低速機(jī)降低了5%；加裝低壓EGR后，可滿足Tier Ⅲ要求。2019年1月，J-ENG發(fā)布了**臺(tái)采用JUMP技術(shù)的UEC50LSJ成功運(yùn)轉(zhuǎn)的消息。
雙燃料技術(shù)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?xì)鈬娚涞碾p燃料低速機(jī)GI系列，采用了擴(kuò)散燃燒技術(shù)（Diesel 循環(huán)）。2015年，WinGD交付了首臺(tái)采用低壓燃?xì)鈬娚涞牡退匐p燃料機(jī)flex-50DF，DF系列采用預(yù)混燃燒技術(shù)（Otto循環(huán)），氮氧化物排放低，無(wú)需后處理裝置即可滿足Tier Ⅲ要求，但擴(kuò)散燃燒只能達(dá)到Tier Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)。此外，低壓燃?xì)庠O(shè)備的成本也低于高壓設(shè)備。由于技術(shù)和成本上的優(yōu)勢(shì)，WinGD DF系列快速趕超MAN ES的GI系列，目前市場(chǎng)占有率達(dá)到70%。2019年，中國(guó)船舶集團(tuán)旗下上海中船三井造船柴油機(jī)有限公司交付的12X92DF額定功率達(dá)到了63840千瓦，成為世界*大功率的雙燃料機(jī)，也是有史以來(lái)世界*大功率的Otto循環(huán)內(nèi)燃機(jī)。
黑碳是造成全球變暖的**大根源，僅次于二氧化碳，同時(shí)也是導(dǎo)致北極冰川融化的重要原因之一，船舶動(dòng)力是北極黑碳的主要來(lái)源。國(guó)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(jī)面對(duì)的下一個(gè)技術(shù)難題。IMO黑碳排放措施研究通信組識(shí)別了41種黑碳減排措施，主要包括燃料類(lèi)型、后處理技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型、新型動(dòng)力系統(tǒng)、船舶運(yùn)行參數(shù)等五個(gè)研究方向，其中輕質(zhì)燃油技術(shù)、顆粒捕捉器技術(shù)及其組合被認(rèn)為是解決黑碳問(wèn)題的重要手段。
“三化”成低速機(jī)技術(shù)發(fā)展方向
經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，可以看出，智能化、低碳化、集成化是低速機(jī)技術(shù)未來(lái)重要發(fā)展方向。
近年來(lái)，智能船舶成為國(guó)際海事界新熱點(diǎn)。IMO、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）等國(guó)際組織將智能船舶列為重要議題，國(guó)際主要船級(jí)社先后發(fā)布了有關(guān)智能船舶的規(guī)范或指導(dǎo)性文件。2016年，我國(guó)啟動(dòng)了“智能船舶1.0研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)”。2018年年底，工業(yè)和信息化部、交通運(yùn)輸部、國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局三部委聯(lián)合發(fā)布《智能船舶發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2019～2021年)》，“推動(dòng)船用設(shè)備智能化升級(jí)”是其強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)任務(wù)之一。低速機(jī)是遠(yuǎn)洋船舶*為重要的船用設(shè)備，其智能化技術(shù)已成為制約船舶工業(yè)跨越發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。
2018年4月，IMO MEPC 72屆會(huì)議上制定了IMO海運(yùn)溫室氣體（GHG）減排初步戰(zhàn)略，確定將在本世紀(jì)盡快實(shí)現(xiàn)航運(yùn)無(wú)GHG排放的愿景。2019年6月，MEPC 74屆會(huì)議明確了船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）第三階段的開(kāi)始時(shí)間和削減率，整體上，開(kāi)始時(shí)間有所提前，削減率有所提升。為應(yīng)對(duì)溫室氣體減排要求和能效法規(guī)，世界各國(guó)在提高低速機(jī)能效和降低碳排放方面開(kāi)展多種技術(shù)的研究。燃料方面，MAN ES正在開(kāi)展氨低速機(jī)開(kāi)發(fā)。氫、甲醇、生物柴油等零碳、低碳燃料也是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
系統(tǒng)集成方面，混合動(dòng)力系統(tǒng)在內(nèi)河船上已有典型應(yīng)用，在遠(yuǎn)洋船舶上，低速機(jī)集成PTI/PTO,與輔機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成統(tǒng)一的船舶電網(wǎng)，再加上儲(chǔ)能單元，形成了遠(yuǎn)洋船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)一般形式。應(yīng)用儲(chǔ)能單元可對(duì)負(fù)載“削峰填谷”，盡可能使主機(jī)在高效率工況下工作。在靠港時(shí)，停掉主機(jī)，使用輔機(jī)或儲(chǔ)存的電能來(lái)操縱船舶，可以提高船舶能效、降低碳排放。國(guó)內(nèi)外企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都在開(kāi)展遠(yuǎn)洋船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的相關(guān)研究。
我國(guó)低速機(jī)技術(shù)獲得長(zhǎng)足進(jìn)步
我國(guó)一直致力低速機(jī)自主化發(fā)展，歷史上也曾有過(guò)自主品牌產(chǎn)品。在當(dāng)前船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、高質(zhì)量發(fā)展的要求下，我國(guó)應(yīng)該有自己的低速機(jī)品牌和自主的研發(fā)、制造、服務(wù)體系。通過(guò)收購(gòu)一個(gè)成熟的低速機(jī)設(shè)計(jì)企業(yè)，獲得一個(gè)較高起點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)低速機(jī)產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展的有效的、可行的途徑。基于以上戰(zhàn)略考慮，2015年，原中船集團(tuán)收購(gòu)了瓦錫蘭的低速機(jī)業(yè)務(wù)，成立了WinGD。與此同時(shí)，中國(guó)船舶集團(tuán)旗下中船動(dòng)力研究院有限公司牽頭啟動(dòng)了船用低速機(jī)重大科研專(zhuān)項(xiàng)，積極開(kāi)展國(guó)內(nèi)外的研發(fā)協(xié)同。通過(guò)四年多來(lái)的夯基壘臺(tái)，我國(guó)低速機(jī)技術(shù)有了長(zhǎng)足進(jìn)步，取得了豐碩的階段性成果。
截至目前，400毫米缸徑低速機(jī)雙燃料機(jī)工程樣機(jī)落實(shí)了裝船訂單；低速柴油機(jī)和雙燃料機(jī)原理試驗(yàn)機(jī)在上海臨港成功點(diǎn)火、運(yùn)行，這兩型機(jī)均為世界上指標(biāo)*先進(jìn)的原理試驗(yàn)機(jī)，它們的建成意味著我國(guó)已擁有世界*先進(jìn)的低速機(jī)整機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)；低速機(jī)核心配套件研制也取得了可喜進(jìn)展，電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了配機(jī)應(yīng)用，增壓器、油霧探測(cè)器取得了中國(guó)船級(jí)社的認(rèn)可證書(shū)，形成了自主配套能力。
在科研專(zhuān)項(xiàng)的帶動(dòng)下，我國(guó)各單位堅(jiān)持“政、產(chǎn)、學(xué)、研、用”的協(xié)同研發(fā)模式，積厚成勢(shì)，努力提升我國(guó)低速機(jī)的**能力，建設(shè)自主可控的低速機(jī)工業(yè)體系，補(bǔ)齊船舶工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的短板，為增強(qiáng)我國(guó)船用動(dòng)力乃至船舶工業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)我國(guó)低速機(jī)自主**發(fā)展的“中國(guó)夢(mèng)”不斷奮斗。
