节能减排：船机技术进步首要驱动力

黄豆浆

  　技术的日新月异，不仅体现在普通消费者所熟知的IT或通信领域，也出现在距这些领域稍远的传统制造领域，包括船用柴油机制造。尽管谈不上根本性的变革，但整个行业在技术进步方面从未停止过脚步。近日，两大船机品牌商瓦锡兰和曼柴油机与透平公司联合宣布，正式启动HERCULES（超低排放高效船用柴油机项目）-2的研发。这一项目的开展，旨在将大型船用柴油机的排放降至最低，有望让船机技术水平再上一个新台阶。这也再一次验证了，节能减排已经成为推动当今船机技术发展的首要驱动力，并将在未来一段时期内持续扮演这样的角色。
　　HERCULES计划用意何在？
　　HERCULES计划，指的是由欧盟资助的超低排放高效船机研发计划。为满足船用发动机的发展需求，该计划以提高发动机效率，减少有害气体和颗粒物排放，提升发动机的可靠性为目标。最初的开发项目HERCULES-1从2002年开始策划，于2004年正式启动，持续到2014年。项目耗资8000万欧元，参与单位众多，除了瓦锡兰和曼公司，还包括主要零部件供应商、大学、研究机构、航运公司和船级社等。
　　据了解，新的HERCULES-2项目将在HERCULES-1已经开展工作的基础上继续进行，直到通过欧盟科研创新计划地平线2020（Horizon 2020）认证。HERCULES-2的主要任务是开发一种最适宜其运行环境的燃料灵活的船用柴油机。研发工作将集中于整合4个不同领域的工作组，这4个领域分别为：研制灵活燃料发动机、研制（发动机用）新材料、研制终生性能适应动力装置和研制接近零排放的发动机。
　　从本世纪初开始启动，目前仍在继续的HERCULES计划耗资巨大，参与者众，并且在时间规划、技术路线策划等诸多方面，都能看出这一计划的分量。以瓦锡兰和曼公司为首的参与者开展此技术研发项目，真正的用意何在？瓦锡兰方面对此表示，新项目的研发工作将通过采用最新技术和利用集成解决方案，大幅降低燃油消耗和废气排放。这一项目的开展，将在更好地满足航运业对更高燃油效率和环境保护要求的同时，巩固参与研发各方在市场上的地位。
　　总而言之，满足航运业的节能减排需求，可说是其最终目的。事实上，这些企业和研发机构对这一问题的重视并不始于该项目，也不始于最近十余年，而是更早。这表明了整个船机行业的整体发展形势，那就是通过加大技术研发力度，不断开发新产品，推出新机型，提高船用柴油机节能、环保方面的性能，以此作为抢夺订单和占领市场的“利器”，并为未来继续占领技术制高点作准备。
　　技术进步不停歇
　　近年来，为提高船用柴油机各方面性能，全球船机制造商纷纷增加研发投入，进行了大量的技术改造和创新，并取得了突破性进展。其中一个显着变化，就是船用柴油机日益呈现出节能和低排放的特点。
　　中国船舶重工集团公司第七一一研究所所长金东寒介绍说，船用柴油机分为三种，即低速、中速和高速柴油机。就低速柴油机而言，目前的燃油消耗率已经低至165克/千瓦·时的水平。具体产品方面，瓦锡兰船用共轨flex系列柴油机，可满足国际海事组织（IMO）Tier Ⅱ排放标准要求。曼公司最新开发的G型机，虽然单机油耗稍高一点，但因为是低速机，所以配上大型螺旋桨，整体推进效率可能更高，基本参数与瓦锡兰的产品大致相当。
　　值得一提的是，为满足低排放的要求，先进的柴油机燃油喷射系统——高压共轨系统成为业界关注的焦点，在船用柴油机上也得到了广泛应用。金东寒表示，船机采用共轨技术，带来了许多好处。例如，使得船机在所有的工作转速范围内均能实现无烟运行，在部分负荷下仍然具有优良的燃油经济性，同时具有更低的稳定工作转速。这些性能的提升，便是在减排的动力驱使下实现的。
　　在中速机方面，目前的燃油消耗率在170~190克/千瓦·时的水平，比低速机高一些，不过同样能够满足IMO Tier Ⅱ的标准要求，同时还具备燃烧重油的能力，采用了模块化设计，维修比较方便。
　　金东寒总结认为，回顾近40年来船用柴油机油耗降低的历程，包括二冲程机、四冲程机，低速机、中速机、高速机在内，以及不同功率档次的船机，总体而言，基本上每两年燃油消耗率降低1克/千瓦·时。考虑到船舶是典型的能耗大户，金东寒指出：“对于船用柴油机来说，燃油消耗率每降低1克/千瓦·时，意义都非常大，所以不能小看这1克/千瓦·时的进步。”
　　在节能环保方面，船用柴油机已经实现了性能提升，以适应新的要求。从目前来看，这一趋势仍在不断强化。首先，近年来油价保持在高位，油价上涨已是大势所趋。其次，IMO对有害物减排的要求日益严格，更加严格的Tier Ⅲ排放标准将于2016年生效。同时，ECA（排放控制区）日益扩大，并且对减排有更严格的要求。除了有害物质排放，通过采用船舶能效设计指数（EEDI），国际上还对温室气体减排提出了明确要求。种种因素叠加之下，船机节能减排指标势必进一步提高。
　　条条大路通罗马
　　正如金东寒所说，节约能源和减少排放是当今两大热点话题，其中减排更是成为推动船用发动机技术发展的第一驱动力。在此基础上，船用柴油机技术将继续朝着高效、节能、低排放、大功率、集成化、模块化、智能化、结构紧凑、操作简单、安全可靠、长寿命的方向发展。对于其中至关重要的节能减排，他认为，通过不同的技术途径，船用柴油机是能够较好地实现这一目标的。
　　从船机制造商的实践来看，可行的技术路径大致有3条：采取机内措施，包括共轨、高增压、可变气门正时、缸内喷水、燃气再循环、清洁燃料等；采取机外的措施，如应用尾气颗粒净化器、选择性催化还原（SCR）系统等；此外，还可采用系统优化技术，包括联合余热循环等。
　　金东寒介绍说，在减排方面，尽管有多种技术可供选择，但每一种选择所达到的指标不尽相同。如果要达到IMO Tier Ⅱ减排标准要求，很多技术都可以采用，但如果要达到Tier Ⅲ标准要求，采用SCR是一个优先选择。据了解，目前，曼公司已经将SCR作为满足Tier Ⅲ标准要求的标准型技术。
　　此外，要满足更高排放要求，除了在船用柴油机上应用SCR系统，目前得到业界公认的另一种方案，便是采用双燃料发动机。这种发动机有着较为突出的优势，如不需要采用后处理装置，同时一次性投资和运营成本相对较低。此外，双燃料发动机既可以使用燃气，又可以使用重油作为燃料，在气体模式下可以完全达到Tier Ⅲ标准要求，在燃油模式下可以达到Tier Ⅱ标准要求。这就使得船舶在一些排放控制区航行时可以使用燃气来实现减排目的，而在公海就可以用重油，以便降低运营成本。尤其是使用液化天然气（LNG）作为燃料的船用发动机，在多种船型上已经有了应用示范，在环保和经济性等方面的优势得到了验证。瓦锡兰的双燃料发动机已经在60多艘船上服役，积累了150万小时运行时间。未来，全球业界对这一领域的热情将持续高涨。
　　当前，为满足未来排放法规的要求，全球各整机制造商和零部件供应商纷纷加大投入，开发多种技术，并使之接近实用水平。金东寒认为，可以预期，超低排放、更高效率的船用柴油机将会在不远的将来成为现实。同时，未来将出现多种技术并存的格局，业界将通过不同的技术组合来满足不同应用领域对全寿命、经济性等各方面的要求，技术发展将进一步呈现多元化的特征。