绿色船舶动力装置的发展现状和展望

第 5卷 第 11 期 中 国 水 运 Vol.5 No.11 2007 年 11 月 China Water Transport November 2007 收稿日期：2007-9-28 作者简介：韩洪亮 中国船舶燃料供应天津公司技术部 （300000） 绿色船舶动力装置的发展现状和展望 韩洪亮 黄 永 摘 要：随着世界船舶污染日趋严重以及各国家对动力装置排放标准的提高，环保型动力装置的研究力度不断加大。 本文从当前动力装置性能的改进、电力推进装置的应用情况以及清洁燃料动力装置和新能源动力装置的发展等方面 对环保型动力装置的应用进展进行了探讨，分析了这一领域各方面研究进展和发展前景。 关键词：船舶 动力装置 环保 燃料电池 中图分类号：U676.3 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2007）11-0022-02 一、引言 随着前球经济的持续发展，世界物资运输所需要的船舶 数量的日益增加，船舶排放的废弃物对环境的污染也日趋严 重。据挪威 1998 年向国际海事组织提供的估计，船舶年排 放量：NOx 达 602 万吨，占世界排放总量的 7%，SOx 达 634 万吨，占世界排放总量的 4%。对于船舶引起的污染， 国际海事组织（IMO）以及越来越多的国家和地区正积极采 取各种有效措施以减少船舶排气对大气的污染。目前，环保 型动力装置的研究力度加大，进展日渐引人瞩目。 与传统的动力装置相比，环保型动力装置在注重提高经 济性的同时，更注重对环境的影响，包括航行和停泊时所带 来的声污染，废气污染和水体污染等。环保型船舶动力装置 的研究主要包括一下几个方面：对当前所采用的主流动力装 置的各方面性能进行改进和完善，使其达到相关排放标准； 大力推广使用清洁燃料并开发船用代用燃油；采用新的动力 源，如采用核能，风能，电能等新式动力推进装置。本文现 针对船舶动力装置以上方面研究的情况进行概要的论述。 二、对现用动力装置进行改进，降低废气排放量。 对目前所采用的动力装置的各方面性能进行改进以达到 排放要求是当今船舶动力装置发展的一个方向。柴油机作为 最主要的船舶动力装置，在过去的十几年里，世界各大设计 制造公司一直致力于技术攻关，取得了很大成果，随着增压 系统、燃油喷射系统的应用以及燃烧过程的完善，柴油机的 热效率提高了 15～20%。如果说在过去的 20年中柴油机经 济性、可靠性是其发展的主要趋势的话，减少船舶柴油机对 环境的污染将是今后一段时间的又一主题。在降低排放方面， 各国科研人员通过不遗余力的研究，采取一系列新的手段， 取得了很多振奋人心的成果，主要有：采取新的燃烧方式， 采用电控制高压喷射系统；利用 EGR 以及对排气进行后处 理（SCR）等技术。新式燃烧方式主要有均质充量压燃燃烧 （HCCI）、分层充气压缩点火燃烧（SCCI）、预混和压缩 点火（PCCI）燃烧等，其中以HCCI 最具代表。HCCI 模式 的发动机在部分负荷工况下能大幅度地降低 NOx 和 PM 排 放，由于在燃烧过程中很难在全负荷范围内控制发动机的着 火时刻和燃烧放热率，目前仍处于基础研究阶段，但潜力巨 大。电控高压燃油喷射系统是绿色高效柴油机核心 关键技术，电控喷射系统的供油和燃油计量完全分开，高 压油轨中的压力能够由电控单元根据实际油轨压力以及需要 进行调节，燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电 控单元从预设的 map 图中确定合适的喷油定时、喷油持续 期，可对不同工况确定所需的最佳喷射压力，实现了理想喷 油的规律，既能保证柴油机优良的动力性和经济性又能将 NOx 和微粒控制在较小的数值内，对控制排放十分有利，目 前该技术日渐成熟。EGR（废气再循环）技术已经成熟，增 压柴油机采用 EGR 后，可以降低进气中的氧含量，从而降 低燃烧放热率的峰值和燃烧的最高温度，有效的降低了NOx 的排放。EGR由于减少了高负荷时的供氧量，会导致比油耗 的上升和颗粒的排放增加，润滑油的有效性和柴油机的耐久 性也会降低。为了解决以上问题，必须要有一套对应的废气 再循环控制系统。新的燃烧方式、电控高压喷射系统、EGR 等都是适应未来排放限值的关键技术，考虑到日前开发研究 的现状、技术上的复杂性以及效益成本等因素，可以认为排 气后处理是解决当今柴油机排放问题的最直接、最有前途的 策略。排气后处理技术主要有颗粒捕捉器、选择性还原催化 转化器和氧化催化转化器。选择还原催化转化器主要有选择 非催化还原（SNCR）、非选择催化还原（NSCR）和选择催 化还原（SCR）等。其中，对废气中的有害的Nox 等成分进 行催化转化成无害的氮气和水蒸汽是公认的最成熟、最有效 的排气后处理措施，德国船用型降低 Nox 的排放装置 SINOx，是应用这一排气后处理措施比较成功的例子，首套 SINOx 于 1995 年装用在德国的烧重油的滚装船 NILS DACKE 号客轮的一台主机上，使用后将 NOx 排放量从 l5g/kwh降到 2g/kWh。 三、电力推进装置的应用 电力推进是指采用电机直接或间接带动螺旋桨转动。船 舶上首次应用电力推进系统最早见于 1935 年的法国邮轮诺 曼底号（Normandie ），推进装置由阿尔斯通（ALSTOM） 公司提供。电力推进依赖齿轮传动，在功率提高上受到限制， 第 11 期 韩洪亮等：绿色船舶动力装置的发展现状和展望 23 在一段时间内退出了商船市场，近年来随着传动领域中的功 率电子设备的发展以及DP（Dynamically Positioned）技 术、变频技术的突破，电力推进渐渐被人们所接受，现已有 越来越多的船舶装上了电力推进系统。当前主流的电力推进 装置有柴油机电力推进系统、“美人鱼”（Mermaid）吊舱式 推进系统这两种形式。 “美人鱼”吊舱式推进系统是由阿尔 斯通和瑞士公司卡米瓦（Kamewa）联合开发出来的，推进 系统所需的电力由单一可靠电源提供，电传动船可根据负荷 率调整单机工况，使其始终处于最佳运行状况，提高了船舶 运作的机动性、安全性及可靠性，并降低了振动、噪音、氮 氧化物的排放及维护工作量。整套系统中，原动机带动发电 机组，发出的电能送至主配电板，由配电板汇流后分配至全 船各用电场所，装置中省去了传动轴系、舵和舵机以及众多 数量的轴承等设备，从根本上大大减少了整套动力装置所需 要的滑油量，减轻了在航行和泊船时因滑油泄漏在拆卸检修、 舱室设备冲洗时对所用的压载水和洗涤水造成的污染。从当 前形式来看，电力推进装置前景广阔，1981 年至 1999 年， 电力推进装置的主要制造商阿尔斯通已为110多艘船舶安装 了电力推进系统，总功率达到 1，5OO，OOOkW，最近ABB 公司开发的称为 AZPORD 的电力推进系统，已获得极为成 功的效果，自嘉年华邮轮集团决定在其新建成的两艘豪华油 轮“得意号”和“天堂号”上使用这一推进装置后，越来越 多的豪华邮轮，甚至商船、近海供应船都开始考虑装备这一 系统，AZPORD 为代表的电力推进系统的舞台空间大大扩 大。随着越来越多的船舶使用电力推进装置，必然会有效的 降低世界船舶给环境所带来的污染物总量。 四、清洁燃料动力装置在船舶上的应用 清洁燃料与传统的石化燃料相比，其燃烧后的排放物可 显著的减少对环境的污染。目前已广泛使用的清洁燃料主要 有：压缩天然气（CNG），液化石油气（LPG），液化天然气 （LNG）三大类。将清洁燃料动力装置应用于船舶上减少对 环境的污染早已付诸实践。由上海船舶工业行业协会牵头， 上海船舶行业联合发展有限公司、交通部上海船舶运输科学 研究所等联合开发的符合中国船级社编制的规范要求的船艇 用液化气燃料的（LPG）绿色发动机系统已开发成功。该系 充包括控制、监测、报警系统和气瓶等，是绿色环保型船艇 动力的最佳选择。由 711研究负责设计的漓江绿色环保游览 船 “安顺 1 号”为国内第一艘大型 LPG 绿色环保游艇，运 行至今已取得良好的经济、社会和环保效益。此外，开展生 物燃油的研究，使用含硫量低的燃油，实船表明可以大大降 低微颗粒士排放量；应用燃油乳化技术，可以减少氮氧化物 NOX的排放；开发适合船用柴油机的新型代用燃油，当前世 界各国都在大力开展此方面的研究。 五、新型动力源装置在船舶上的应用 如果说上述清洁燃料的应用仍摆脱不了传统动力装置所 带来的污染，那么下面的动力装置在减轻污染方面则就显得 甚为理想。核能能量密度高，核废料产物量低，尽管存在核 泄漏等风险，但是相对其极低的事故率，仍不愧于为一种清 洁绿色的动力源。核能自诞生不久，就被成功应用于水面超 大型舰船上，因其具有良好的经济性和持久的续航能力，后 又应用于水下大功率潜艇上。燃料电池作为当今时代公认的 一种清洁、高效的新型能源动力装置，已受到世界各国的高 度重视，在汽车、火车及舰船等交通工具中的应用研究已取 得飞速进展。燃料电池的工作原理是将燃料氧化剂中的化学 能，不经热机的燃烧过程，直接转换为电能，它不受卡诺循 环的限制，能量转化率高；排出的反应物不含氮和硫的氧化 物，环境极为友好。近年来不断有燃料电池在船舶上成功应 用的报道。世界上第一艘燃料电池和柴一电动力系统构成的 混合动力装置的潜艇已于 2003 年 4 月在德国基尔港下水， 第一批燃料电池潜艇正在陆续建造之中，国内第一艘燃料电 池船，在上海海事大学研制成功，坐员 2至 4人，可以用来 旅游、科学考察、运输等，该船的电池功率为 2 000 W，推 进器功率 1470W，可以 14km 的时速连续航行 5 小时，航 程达 70km。日木研制的世界第一艘采用氧氧燃料电池动力 的深海科学考察巡航器己经试航。目前燃料电池功率还比较 小，造价昂贵，仍然以军事领域为主，在商船领域还停留在 尝试阶段。随着燃料电池木身技术的发展和成熟.以及制氢、 氢的运输及储存等配套技术的发展.燃料电池在舰船的应用 将会迎来一个光明的时期。海上丰富的风力资源和充足的太 阳能资源也为船舶提供了潜在的动力，科技的进步已使人们 能够研制出一套太阳能/风能混合的动力推进装置。世界第一 艘商用太阳能/风能混合动力船——SOLAR SAZLOR 号双 体客船于 2000 年在澳大利亚悉尼水域试航成功。这是一种 将太阳能和风能既可单独作动力又可合二为一的新型船舶。 其最大优点是运营成本低，航程无限制，噪声低，消除了柴 油机的废烟，对空气和水几乎没有污染，是完全符合环境保 护要求的绿色船舶。可以预见，随着时代的发展，会有越来 越多数量的新型动力源船舶出现。 六、结语 随着大气污染的日趋严重以及世界各国对船舶排放限制 的提高，必须加强和加快绿色动力装置的研制力度。绿色动 力装置的研制首先应加强船用柴油机相关核心技术的开发， 注重降低清洁燃料和电力推进装置的应用成本，积极开展燃 料电池、太阳能/风能混合动力等新动力装置领域内的研究。 参考文献 [1] 黄万能，谢以超.船舶污染大气及国外的控制措施.（J）. 航海 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 .2002（2）. [2] 孙培廷，黄连中.《MARPOL》》公约的实施及对船舶柴 油机动力装置发展影响的探讨.交通标准化.（J）.2000 （4）. [3] 杨极，程钊.柴油发动机尾气排放后处理技术的研究进展 （J）.内燃机.2007（4）. [4] 王长林.电力推进和动力定位全面提高船舶的性能（J）. 机电设备（J）.2001（1）. [5] 谭永源.漓江绿色环保游览船 LPG 动力装置.（J）.柴油 机·Diesel Engine，2002（3）. [6] 詹志刚，李格升.质子交换膜燃料电池技术及其在舰船应 用展望（J）.航海技术.2007（1）.