摘 要：介紹了隔膜壓力表雙燃料柴油機的技術特點，描繪了應用該類柴油機的新能源船舶的國內外應用概況，重點闡述了開展相關技術改造的影響因素及存在的一系列問題，并進行了未來展望。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勢，盡管目前依然存在著一定的技術弊端，但隨著相關技術水平、法規政策及能源體系的不斷完善與優化，其必將得以廣泛應用。

1 隔膜壓力表雙燃料柴油機及其技術特點

雙燃料柴油機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 [1-3] 。以ME-GI 柴油機為例，除了具備新增的燃氣供給及噴射系統之外，其他系統幾乎與普通柴油機相比并無顯著差別。

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

雙燃料柴油機是在燃油柴油機的基礎上對燃燒系統和設備以及控制系統進行改造更新而來的。當使用氣體燃料進行運行時，其熱效率較高，因而經濟性好，特別是柴油機的排氣中所含的 NO x 及 SO x都大大減少，這些優點使雙燃料柴油機越來越多地在 LNG 船上得到應用。采用雙燃料柴油機作為LNG 船的主機，驅動螺旋槳的方式主要有 2 種，即雙燃料低速柴油機可直接驅動螺旋槳，而雙燃料中速柴油機則可用電力推進方式。

2 隔膜壓力表雙燃料動力船舶的應用概況

2.1 國外應用概況

LNG 用作船用燃料較早源于北歐，其主要目的是應對排放控制區 （ECA） 日益嚴格的排放要求。挪威海事研究機構數據表明，LNG 燃料動力船建造成本比常規燃油動力船舶高 8%～20%，維護成本也相對較高，但環保優勢明顯。

為評估未來 LNG 燃料用于船舶遠洋運輸的可能性以及如何在全球范圍內發展 LNG 產業，英國 LR船級社聯合國際海上戰略有限公司開展了一項名為“LNG 燃料動力遠洋運輸 （LNG-fuelled deep sea shi-pping）”的研究，并于 2012 年 8 月發布了研究報告。該研究基于 ECA 設定、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 燃料需求進行了預測。

盡管 LNG 燃料動力船舶既環保又經濟，同時在挪威這種船舶在營運和加注燃氣過程中未曾發生重大事故，但挪威方面從 2000 年到現在，近 20 年的過程中其本國的 LNG 燃料動力船舶并未得以大規模推廣。主要原因在于該產業目前仍面臨著諸多挑戰，如缺乏相應的國際法規，加氣站和物流等供應鏈不健全，船用 LNG 技術尚未成熟，LNG 動力船所需的船員人數緊缺等情況。上述諸多因素均制約了LNG 燃料動力船舶的發展 [9] 。

2.2 國內應用概況

基于海事法規的種種限制及我國內河船業發展的壓力，對船用柴油機采取了改進措施。受限于船用柴油機研發技術，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動機，但在促進內河

船舶使用雙燃料動力上依舊取得了不錯的進展。現在，我國正在大力推行內河船舶的“油改氣” [10-11] 。

2010 年以來，我國成功實現“油改氣”的內河船舶不斷增多，但值得注意的是，雖然在沒有解決雙燃料發動機的情況下，推進內河船舶使用雙燃料依舊取得了進展，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

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

1） 船舶動力系統參數。對船體狀態的一般描述的船舶基本參數；運營情況上的基本參數；船舶動力方面的改裝后發動機的基本參數；新增管路基本參數；燃氣管路閥門基本參數；船舶安全方面的船體安全基本參數；船舶運行動力系統安全基本參數；作為船體構造部分的風機、氣體燃料探測器和整船上大型的水滅火消防系統的基本參數；LNG 燃料動力系統安全方面的儲氣罐區域、燃料充裝站區域和機艙區域 3 方面基本參數等。

2） 船體與系統安全參數。為了能夠更系統地研究分析試點船舶各方面的改造對現有規范標準的適應性，相關參數還應包括船舶布置方面的影響參數；雙燃料改造后船體結構方面的影響參數；船舶水動力性能方面的影響參數；改造后船舶的氣體燃料發動機與 ECU 的影響參數；動力管系的影響參數；改造后船體和動力安全系統的影響，儲氣罐區域影響參數；燃料充裝站區域影響參數、機艙區域影響參數等。

3） 經濟性影響參數。對改造后船舶運行經濟性影響參數包括發動機排放的技術參數、發動機工作狀態技術參數、改造后發動機較高燃油替代率、發機改造條件、試點船舶改造過程的技術問題、國家相關政策問題、改造船舶船員操作問題、船舶船員培訓管理問題、船舶運行管理問題。

3.2 柴油機改造

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

3.2.1 船舶布置分析

對于現有船舶的改造，難點和首要任務是確定LNG 儲氣罐的安裝位置。儲罐不能離火太近，而且氣罐處所應盡量遠離機器處所、起居處所、服務處所和控制站，如與其相鄰，其邊界應是氣密型的 [12] 。改造船舶對船舶布置的影響，主要體現在儲氣罐及其管道的安排布置 [13-14] ，現有改造船舶的生活區均位于船體艉部，機艙也位于船體艉部，儲氣罐的安全距離要求對現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重。

3.2.2 船體結構分析

改造船對結構性能的影響表現在儲氣罐部位的結構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行了承載結構加強，所有改造船都設置了防承漏滴盤。進行 LNG 雙燃料動力船舶改造會對原船船體局部結構產生影響，主要表現在如下幾個方面：

1） LNG 儲罐的布置，在船舶上加裝 LNG 儲罐會對放置 LNG 儲罐的甲板局部結構強度產生較大影響。LNG 儲罐可貯存在開敞甲板上，根據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構產生直接影響。

2） LNG 儲罐與船體之間的連接需要設置燃料儲罐支撐附件，對于燃料儲罐，其支撐附件與船體結構間可采用螺栓連接。對于加氣躉船 LNG 儲罐，其支撐附件與船體結構應符合 《內河散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》 第 4 章 4.5 對于支持構件的要求；與燃料儲罐支撐附近相連的船體結構應滿足 《鋼質內河船舶建造規范》 及其修改通報相關章節的要求。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

從現有試點船舶改造的內容來看，改造工程對船舶水動力性能的影響表現在儲氣罐對船舶穩性的影響。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生變化，從而使得船舶的重心位置發生變化，故會對船舶初穩性高產生影響；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性高進行自由液面修正，故會使得船舶初穩性高發生一定程度的變化。

3.3 存在的主要問題

目前我國試點船舶采用的總管進氣式改造機主要存在下述問題。

3.3.1 安全方面

由于比柴油機增加了 1 套燃氣供應系統，雙燃料發動機的安全風險較柴油機有所增加，主要表現在如下方面：1） 供氣管路發生泄漏，導致機艙產生氣體積聚；2） 發動機起動時天然氣回竄至起動空氣系統；3） 進氣管時刻充滿可燃混合氣 （總管進氣發動機）；4） 缸內可燃混合氣滲透至曲軸箱；5） 可燃混合氣在排氣管內積聚。為盡可能保證雙燃料發動機的安全工作，必須采取相應的風險控制措施來降低風險發生的可能性，或減輕事故造成的危害。因此，要求供氣管路采用雙壁管 （本質安全型機艙），起動空氣系統安裝火焰消除器，進氣總管和排氣管安裝防爆閥，增壓器和中冷器安裝防爆閥 （增壓器前進氣發動機），曲軸箱安裝防爆閥、氣體探測器、油霧探測器 （高壓機和較大缸徑低壓機） 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，使得改造機的安全問題令人擔憂。

3.3.2 排放方面

使用雙燃料柴油機的初衷是降低排放，設計先進的氣體燃料內燃機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 90%，氮氧化物 （NO x ） 排放下降 85%～90%。但是，受柴油機固有結構限制，改型機難以充分發揮天然氣的優勢。不僅如此，我國目前的改造方式僅簡單增加 1套燃氣供應系統和控制系統，未對換氣正時、噴油正時等原機技術參數進行優化，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，但目前的試驗數據顯示，簡單改造的雙燃料發動機的 NO x 、HC 和 CO 排放均較原機有不同程度的增加。

4 結論

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，其應用前景可謂日益走俏。盡管目前依然存在著諸多技術短板，限制了其當前的發展及推廣，但隨著相關技術水平、法規政策及能源體系的不斷完善與優化，其必將得以廣泛應用。