船舶动力装置选型及经济性研究.pdf

综述93NO.08 2023节能 ENERGY CONSERVATION船舶动力装置选型及经济性研究伍赛特（上海汽车集团股份有限公司，上海 200438）摘要：介绍核动力装置、燃气轮机、汽轮机和柴油机等动力装置的技术特点及其在船舶领域的应用，并对其经济性进行研究，重点对船舶动力装置的未来发展方向进行展望。在中小型船舶中，柴油机仍将占据主要地位；在中型船舶中，汽轮机、燃气轮机和柴油机各自占据一席之地；在大型船舶中，动力装置多以汽轮机和燃气轮机为主。考虑技术成熟度和安全性等方面的原因，核动力装置在民用船舶领域的应用相对较少，主要被应用于破冰船等特殊领域。关键词：船舶；柴油机；燃气轮机；汽轮机；核动力装置；经济性中图分类号：U664.1 文献标识码：B 文章编号：1004-7948（2023）08-0093-04 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.025Research on type selection and economy of marine power plantWU Sai-teAbstract：Introduce the technical characteristics of nuclear power plant,gas turbine,steam turbine,diesel engine and other power plants and their applications in the field of ships,study their economics,and look forward to the future development direction of marine power plants.In small and medium-sized ships,diesel engines will still play a major role.In medium-sized ships,steam turbines,gas turbines and diesel engines will occupy their respective places.While in large-sized ships,steam turbines and gas turbines are mainly used.Considering the reasons of technical maturity and safety,nuclear power devices are relatively less used in the field of civil ships,mainly in special fields such as icebreakers.Key words:ship;diesel engine;gas turbine;steam turbine;nuclear power plant;economy引言动力装置是船舶航行的动力来源。船舶动力装置选型除了应满足功率要求外，还必须考虑不同类型船舶的特点1。巨型油船所需推进功率较大，但对航速的要求不高，可以采用大直径的螺旋桨，且螺旋桨的转速最好小于100 r/min2。为了尽可能地扩大油船装油的容积，机舱的长度越短越好，同时油船需要配备大功率的货油泵，用于装卸油料。上述特点给油船动力装置的选择提出要求。高速集装箱船具有航速高、功率大、吃水不能过深、主机使用率高、须有较大的甲板面积等特点，因此要求配备重量较轻、高度较低的动力装置。不同类型船舶对动力装置的要求不同，不能采用单一的动力装置适应全部船舶的发展。目前，船舶动力装置主要包括核动力、燃气轮机、汽轮机和柴油机，分别介绍几种动力装置的特点及其在船舶领域的应用，并对船舶动力装置的未来发展方向进行展望。1船用核动力装置船舶核动力装置具有消耗燃料少的优点，能够大幅减少船舶必须携带的燃料重量，从而提升船舶的续航能力3。但是核动力装置本身的重量较大。核动力装置的另一优点是不消耗空气，水上船舶无须设置烟囱和其他为主机输送空气的系统，对发展水下运输船舶极为重要。但是核动力船舶的造价昂贵，在一定限度上限制了其发展。核动力船舶携带燃料少、装货量大，能够在一定限度上弥补造价昂贵的经济损失。核动力装置的经济性需要根据不同船舶种类进行具体分析。核动力装置存在部分技术上的问题有待改进，安全性有待提高，故其在民用船舶领域的发展速度较为缓慢，多用于破冰船等特殊船舶4。目前，核动力船舶多采用压水堆作为动力来源。该反应堆以水作为第一回路的冷却剂，并加以足够的压力，使水不致沸腾。核动力船舶以汽轮机作为主机，通过两级减速装置驱动螺旋桨。经过长期航行，初步证明核动力装置具备可靠性，具有良好的变工况性能。该类反应堆可以作为船舶动力。2船用燃气轮机动力装置船用燃气轮机过去主要被应用于军用舰艇，近年来已在民用船舶上得到应用。燃气轮机具有体积小、重量轻、可靠性高、加速性能好及自动化程度高等优点，且作者简介：伍赛特（1990），男，硕士，工程师，经济师，研究方向为内燃机与动力装置。收稿日期：2022-12-09引用本文：伍赛特.船舶动力装置选型及经济性研究 J.节能，2023，42（8）：93-96.综述94节能 ENERGY CONSERVATIONNO.08 2023安装方便、操作简单。船用燃气轮机目前有两种类型，分别是航空型机组和工业型（重型）机组。船用燃气轮机通常由航空发动机改装。改装航空发动机可以充分利用航空工业的研究成果以及大量飞机上的使用经验，从而节省研制费用，大幅缩短研制设计周期。航空型燃气轮机一般需要燃烧优质燃油（蒸馏油）。但部分机型，如 LM2500 型燃气轮机，可以燃用多种燃油5。重型燃气轮机以陆用燃气轮机为母型进行改装设计，目前在船舶领域的实际使用较少。重型燃气轮机的优点是能够使用较为便宜的低质重油。但是与汽轮机相比，重型燃气轮机使用的燃料仍受到一定的限制，其含钒量不得超过2 mg/kg6，含钠量也不能过高。燃气轮机的高度和长度较小，适用于集装箱船和渡轮等船舶。燃气轮机的可靠性和加速性能在飞机上和试验船研究中得到充分的证明，可在几分钟内达到最大功率。重型燃气轮机的起动时间（从停止到全负荷）约为15 min5。目前，部分燃气轮机制造厂将机组制作成1个模块，模块中包含全部附属设备。这使燃气轮机在船上的安装变得极为简便。船用燃气轮机的保养项目相对较少，仅有压气机的清洗、滤器的检查等项目。燃气轮机的经济性较差，燃油消耗率较高。改进燃气轮机经济性的主要措施是提高进气温度和增大压缩比。近年来，燃气轮机的性能得到显著改善，特别是在燃油耗量方面。由于燃气轮机不能直接在船上修理，出现问题时需要整台更换，船舶甲板上应预留足够大的舱口；截面积较大的进排气管道要穿过甲板，给船体结构设计带来一定的困难。根据目前燃气轮机在船舶领域的使用和制造情况分析，上述两个技术问题得到了充分解决。军用舰艇的动力装置配合使用燃气轮机与其他动力装置。部分舰艇使用柴油机或汽轮机作为巡航时的主机，将燃气轮机作为加速机组。也有部分舰艇在巡航时以柴油机或汽轮机作为主机，全速行进时则改用燃气轮机作为主机7。在民用船舶中，为了改进燃气轮机动力装置的经济性，可以采用燃气轮机与汽轮机的联合动力装置8。联合动力装置利用燃气轮机废气的热能产生蒸汽，从而驱动汽轮机，汽轮机的功率通过齿轮箱被传送至螺旋桨或带动发电机等。目前，采用燃气轮机作为动力装置的民用船舶数量不多，主要因为船用燃气轮机的经济性较差。燃气轮机作为船舶动力具有显著优势，但其在维护保养方面的工作量相对较大。除某些外界因素外，盐分对喷嘴导叶及涡轮叶片的腐蚀会缩短燃气轮机的使用寿命。在海面上，空气中所带海水的盐含量平均约为0.01 mg/kg9。空气中的盐分接触燃料中的钠、钒等物质，造成叶片的迅速腐蚀。解决腐蚀问题已成为进一步发展船用燃气轮机的关键方向之一。抑制设备腐蚀的主要措施包括安装吸气滤清器、研究防蚀涂层、采用更耐蚀的材料等，并规定采用水洗等方法。随着燃气轮机动力装置使用经验的累积、燃油消耗率的逐步下降以及技术上的改进，燃气轮机必将在船舶领域实现广泛应用。目前，船用燃气轮机本身尚不能反转，多采用可变螺距螺旋桨。3船用汽轮机动力装置汽轮机是现代船舶的主要动力之一。由于柴油机单机功率的提高速度较慢，难以满足船舶大型化发展的需要，而汽轮机具有陆用机型的成熟经验，具备较高的单机功率。与柴油机相比，汽轮机动力装置具有下列主要特点：第一，汽轮机动力装置的可靠性较好。在柴油机船舶中，每年因主机发生故障造成的停船时长平均约为1015 h，而汽轮机仅为12 h10。锅炉采用水管壁的结构能够克服炉膛耐火砖需要定期检修的问题，使汽轮机动力装置的可靠性得到进一步提高。第二，汽轮机动力装置能够适应大型船舶的转速要求，提高推进效率。汽轮机配有减速装置，使螺旋桨转速可以达到最佳值，低速大功率柴油机无法获得如此低的持续工作转速；中速大功率柴油机也具有能减速的特点，但中速大功率柴油机的应用相对较少。第三，汽轮机动力装置具有更大的单机功率。与柴油机相比，船用汽轮机具有更高的单机功率。虽然应用多台柴油机可以通过并车装置获得更高的单轴功率，但由于缸数过多，维修保养工作量增大导致该方式的应用相对较少。第四，大功率机型汽轮机动力装置的重量更轻、体积更小。动力装置功率超过11 000 kW时，相同功率的汽轮机的重量小于柴油机10。动力装置的重量轻意味着船舶的载货量可增大。汽轮机动力装置所需的机舱长度一般比低速大功率柴油机短，比中速大功率柴油机长。如果将冷凝器置于汽轮机的前端，将锅炉布置在冷凝器的上方，可以进一步缩短机舱长度。汽轮机的燃油消耗率比柴油机高。但在大型船舶中，汽轮机动力装置的推进效率较高，可以节省部分功率，主机功率的减少可以降低航行的油耗。在维修费用方面，汽轮机和柴油机几乎相等。汽轮机本身的价格和安装费用均低于柴油机，但汽轮机附属设备的价格和安装费用却比柴油机高，汽轮机的总造价略高于柴油机。关于动力装置经济性的比较，必须根据不同的船舶进行具体分析11-12。采用再热循环和提高蒸汽参数是改善动力装置经济性的主要措施。再热循环的结构较复杂，可靠性不如非再热循环，对船员操作水平的要求较高，部分船舶宁愿采用燃油消耗率较高的非再热循环汽轮机。目前，汽轮机制造公司的精力主要放在发展更大功率的机型和完善标准化、系列化工作方面，以满足船舶综述95NO.08 2023节能 ENERGY CONSERVATION迅速发展以及各用户的不同要求。4船用柴油机动力装置大部分船舶以柴油机作为动力来源，特别是功率低于18 000 kW的船舶更多地采用柴油机。除了高速定期货船外，标准型统货船的动力装置几乎都采用柴油机13。与其他动力装置相比，柴油机具有热效率较高、转速和功率范围较宽、可直接驱动螺旋桨等优点。全功率运行时，柴油机的燃油消耗率比汽轮机低10%20%，比燃气轮机低20%30%14。大部分中、大型船舶的动力装置在过去主要使用低速大功率柴油机。随着中速大功率柴油机迅速发展，其燃烧重油问题已得到充分解决，单机功率也得到大幅增长，采用中速大功率柴油机的船舶逐年增加。对比低速重型和中速大功率柴油机的主要特点如下13：第一，中速大功率柴油机的机体高度较低、体积较小，其机体高度仅为同功率的低速大功率柴油机的35%40%左右。机体高度低使中速大功率柴油机在某些需要有较宽大甲板的船舶（如集装箱船、渡船、滚装船等）上被广泛地应用，还会使中速大功率柴油机的重心降低。这对集装箱船和其他在甲板上装货的船舶也较为有利。第二，中速大功率柴油机的重量约为低速大功率柴油机的30%40%。中速大功率柴油机包括所有附属设备的动力装置总重量一般为低速大功率柴油机的 50%70%。推进装置的重量轻可以提高船舶的载重能力，将机舱布置在更接近船舶艉部的位置，从而有效地利用货舱空间。推进装置的重量变轻可以使船在空载状态时的纵向弯曲力矩减小。第三，低速大功率柴油机可以直接驱动螺旋桨，而中速大功率柴油机必须通过减速齿轮箱驱动螺旋桨。并车装置中需要离合器及弹性联轴节等传动装置，使中速大功率柴油机的动力装置比较复杂，且增加了传动装置发生故障的可能性。同时通过传动装置传给螺旋桨的功率有所减少，一级减速的机械损失约1%2%15。但减速齿轮箱可使螺旋桨获得最佳的转速，从而提高推进效率。第四，低速大功率柴油机与中速大功率柴油机的燃油消耗率大致相同。从油料的角度分析，虽然两种柴油机均能燃烧重油，但低速大功率柴油机的经济性较好16。第五，中速大功率柴油机的大修间隔期一般为15 00030 000 h，而低速大功率柴油机的大修间隔期可达数万小时。中速大功率柴油机的零部件检修间隔期也比低速大功率柴油机短，且中速大功率柴油机的气缸数目比低速大功率柴油机多。因此，中速大功率柴油机动力装置的维修保养工作量较大。中速大功率柴油机的发电机由主机驱动，辅柴油机的台数减少，可以节省一些维修保养工时，但主机和辅机的总维修保养工作量仍然比低速大功率柴油机高约8%。近年来，各柴油机公司在努力提高柴油机的单缸功率和单机功率，以适应船舶发展的需要。但世界造船业的总趋势仍是以低速大功率柴油机为动力来源的船舶比例逐渐下降，采用中速大功率柴油机和汽轮机的船舶比例有所上升17。为了提高柴油机动力装置的经济性，多利用废气锅炉产生蒸汽供船舶使用18-19。航程较长的船舶（如油船、散装货船等）的主机长时间在连续高工况下运转，可以利用废气锅炉的蒸汽驱动蒸汽发电机组，以降低运行能耗。部分汽轮机制造厂成套供应废气热能利用装置，包括汽轮机以及锅炉、冷凝器、泵等附属设备。4.1低速大功率柴油机低速大功率柴油机具有经济性高、使用可靠、维修费用低、可直接驱动等优点。虽然低速大功率柴油机的体积庞大且笨重，但对于一般民用船，机舱空间并不受严格的限制。在功率低于18 000 kW的船舶中，低速大功率柴油机已取代汽轮机而占有绝对优势。在功率方面，低速大功率柴油机已具备与汽轮机竞争的基础，但是大型油船的螺旋桨需要具有更低的转速，以提高推进效率，缸径大、缸数多的特点使低速大功率柴油机的长度超过同等功率的汽轮机。在大型油船中，柴油机的应用仍不如汽轮机。针对低速大功率柴油机，通过增大缸径的方法进一步提高功率将受到一定的限制，因为零件重量进一步增加会使加工工艺和运输方面发生困难，也会造成机械负荷和热负荷问题。通过提高转速增大功率的方案也不适用于直接驱动螺旋桨的低速大功率柴油机，估计未来低速大功率柴油机功率的提高只能依赖平均有效压力的进一步加大。但受到机械负荷和热负荷的限制，低速大功率柴油机单缸功率进一步增长的潜力并不大。目前，低速大功率柴油机的主要研究方向包括进一步降低热负荷、减小主要部件的磨损、延长检修期和大修期等。4.2中速大功率柴油机船用中速大功率柴油机的兴起是近年来船舶动力装置发展的显著特点之一。采用中速大功率柴油机的船舶数量逐年增多，估计未来中速大功率柴油机将在更多的船舶上取代低速大功率柴油机和汽轮机。4.3中等功率船用柴油机中等功率船用柴油机可以用作中、小船舶的主机以及大、中型船舶的辅机。渔船动力装置几乎全部使用柴油机。这类柴油机品种复杂、型号繁多，今后仍将在船舶上被大量地应用，目前几乎无其他发动机与其竞争。5船用动力装置今后的发展趋势5.1各类动力装置的相互竞争除核动力装置的应用相对较少外，燃气轮机、汽轮机、低速大功率柴油机和中速大功率柴油机处于激烈竞争的状态。目前，汽轮机和低速大功率柴油机仍处于领先地位，占据船舶动力装置的70%以上。中速大功率柴综述96节能 ENERGY CONSERVATIONNO.08 2023油机近年来得到迅速发展，应用率逐渐接近汽轮机和低速大功率柴油机。船用燃气轮机尚存燃油消耗率较高等缺点，但也具有显著优势，处于高速发展过程中。从功率方面分析，功率小于18 000 kW的船舶动力装置中，柴油机仍将占主要地位。其中，中速大功率柴油机的比例将有所增长。功率为18 00030 000 kW的船舶动力装置中，汽轮机、燃气轮机和柴油机相互竞争，近期内汽轮机可能仍占优势，今后这个领域内的柴油机将以中速大功率柴油机型为主。功率大于30 000 kW的动力装置主要为汽轮机和燃气轮机。此外，中速大功率柴油机也可能在某些船舶上被采用。5.2主机成套化主机成套化指主机制造厂不仅供应主机，还供应动力装置的其他主要设备。船用动力装置主要包括柴油机、汽轮机及燃气轮机等几类。在船用燃气轮机领域，大部分制造厂已经实现成套供应。为了与汽轮机竞争，柴油机也实现了成套化供应。其中，成套供应的动力装置按照主机制造厂的要求安装，主机制造厂保证整个动力装置的性能，对其供应的所有设备负责。目前，主机成套化是船舶动力装置今后发展的重要方向。主机成套化使动力装置具有更好的性能和可靠性。因为传动装置及主要设备由主机制造厂进行配套生产，彼此间能够实现较好的配合，使动力装置能在更协调的状态下进行工作。主机成套化能够减少船舶设计和制造厂的工作量，从而降低船舶建造成本，缩短船舶从设计到交货的总周期。主机成套化能够促进船舶动力装置的标准化。5.3设备模块化设备模块化将几台连续工作或工作性质类似的设备在工厂车间内装配成为一个单元，整体单元能够实现一次运输、一次吊入机舱以及一次安装。单元中的某一设备需要维修保养时，仍可在船上进行，不必更换整个模件。标准模件的外形尺寸及重量均必须考虑铁路运输和起重的可能。设备模块化便于设备在机舱内的安装，从而加快船舶建造速度，降低建造成本。设备模块化能使设备保持清洁，避免灰尘等杂物的侵入。因为模件主要在车间内安装，有较好的工作环境以保证模件内部的清洁，少数与外界连接的接头亦可在车间内封好。设备模块化有利于机舱设备逐步趋向标准化。5.4提高推进效率现代船舶趋向于大型化、高速化，因此动力装置的功率越来越大，燃油消耗率迅速增长。为了降低燃油的费用，研究人员致力于提高动力装置推进效率。改进螺旋桨将有效地提高推进效率，研究人员在这方面进行了大量的试验研究工作，新型推进设备正在研制过程中。5.5机舱自动化船舶自动化是船舶动力装置今后的重要发展方向之一。随着计算技术的高速发展，利用计算机进行集中控制的船舶日益增多。为了实现船舶自动化，动力装置必须具有高度可靠性。因此，继续提高动力装置的可靠性仍然是当前的研究方向之一。6结语在未来一段时间内，船舶动力装置的应用将会得到进一步改善。在中小型船舶中，柴油机仍将占主要地位；在中型船舶中，汽轮机、燃气轮机和柴油机将会展开相互竞争，而在大型船舶中，主要采用的动力装置是汽轮机和燃气轮机。核动力装置由于技术和安全性等方面的原因，在民用船舶领域的应用相对较少，主要会应用于破冰船等特殊领域。参考文献1 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