双燃料柴油机经济性分析
时间：2021-02-09 08:02:24 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：本文对双燃料柴油机主要用途进行了介绍，并对不同动力系统成本进行了分析，综合考虑动力性能、成本、环保等要求，无疑双燃料柴油机是未来动力系统的发展趋势。
关键词：双燃料；柴油机；经济性；成本
中图分类号：TK42 文献标识码：A 文章编号：1001-828X（2011）09-0257-02
一、引言
随着世界能源需求的迅速增长，天然气资源的利用愈加广泛；各国政府也加大了对环保的重视，对节能、减排提出了更高的要求，“以气代油”双燃料发动机项目已经列入国家“十五”重大技术装备研制项目。双燃料发动机(即双燃料柴油机)既能在柴油与天然气双燃料状态下工作，又能在纯柴油状态下正常工作，还能实现柴油和双燃料之间的方便转换。运行过程中，发动机以燃烧天然气为主，柴油作为引燃燃料仅占原机柴油量的10%－15%，运行工况下能实时控制引燃柴油量、天然气喷射量和喷射缸数，使发动机在全部运行工况下都可达到最低的燃料消耗，并大幅度降低了有害气体排放。投产的双燃料发动机主要使用在天然气运输船、天然气钻井平台和天然气发电站，本文各选取具体案例分析双燃料发动机的经济优势。
二、案例分析
天然气的主要构成成分是甲烷(CH4)，较高的氢碳比决定燃烧后释放较少的温室气体(GHG)，现有探明的天然气储量要远多于石油。BP分析表明天然气的储采比超过60 年，储采比较低的国家在未来20年内会大量进口天然气，这进一步推动了天然气相关行业的发展。
图1 2010年数据统计，即使每年都有新增的天然气储量被勘探出来，但是仍无法满足世界消费量的增加，目前储采比最多的地区依旧是中东
1.天然气运输船
全世界的天然气运输72%依靠管道，28%依靠天然气船运输，后者将天然气(LNG)在1个大气压下冷却到-162℃，此时天然气体积缩小为1/600的液态形式，便于大量运输[1]，由于天然气船本身也要动力推动，大型能源公司开始考虑使用双燃料柴油机作为动力源，到2008年1月止，MAN 已经有了90台二冲程S70ME-C柴油机订单，这些主机将用于卡塔尔燃气项目的45条LNG运输船上[2]。在LNG船舶的运输过程中，LNG储藏柜会不断的从外界环境吸收热量，从自然环境中吸热而产生的天然气蒸发气叫做自然蒸发气，决定蒸发率的因素很多，据估算，在满载情况下，LNG船舶产生的自然蒸发气所提供的能量能够满足其动力装置满负荷的80～90%；在压载航行时该比率为40～50%。因此，为满足船舶营运的需求，还需要额外提供一部分燃油，或产生一部分强制蒸发气。双燃料柴油机可以使用蒸发气作为主要燃料，而不是将蒸发气再液化后返回到储气箱，这样既利用了自然蒸发气，又减少了再次液化能量的消耗，同时减少了对其他燃料的需求，可以承载更多的天然气。
图2 双燃料柴油机的设计图
另一大柴油机生产商瓦锡兰也紧锣密鼓的开发LNG船用柴油机市场，首台瓦锡兰50DF双燃料电动船机于2008年开建。预计主机年生产能力100～120台。与传统蒸汽轮机29%的推进效率和25%的电力驱动效率相比，双燃料电动船机的推进效率和电力驱动效率大大提高，分别为43%和46%。该型船机的二氧化碳排放量比蒸汽轮机低30～40%。虽然其设备成本和维护成本比蒸汽轮机要高，基本成本为4美元/兆瓦小时，而蒸汽轮机的这一成本仅为0.5美元/兆瓦小时，但从船舶运行的整体成本来看，双燃料柴油机节约的燃料费就将使船舶总运行成本大大减少。比如，一艘15万m3的LNG船，如果使用双燃料柴油机就可比使用蒸汽轮机每天节省燃油40吨左右，并且随着LNG船走向大型化，还会节省更多费用[5]。
2.天然气钻井平台
对于钻井平台而言，钻井生产频繁起下钻、冲击载荷大，由于采用了先进的多执行器智能化控制，所以双燃料柴油机在具有燃气机的静态平稳性的同时，还具有柴油机的动态快速响应性。它的动力性能好，尤其抗冲击载荷能力强。双燃料状态时，柴油的消耗量基本保持不变，综合替代率可达60%以上，负荷增加所需的能量全部由天然气提供。运转时，纯柴油和双燃料之间切换非常方便。下面以西部钻探吐哈钻井公司40673队，对井位号温西5-42钻井作业的跟踪记录来说明现场应用情况。从开钻到完井周期为21天，打井深度为2680米，期间1号车运转362小时，2号车运转349小时，3号车运转287小时，总计运行998小时[3]。
运行在双燃料下只用32.24吨，节约柴油57.76吨。共用天然气55710m3。则燃油替代率可达64.18%。如果按2008年6月油料价格，0#柴油为5.05元/kg(不含税)，天然气供应价1.391元/m3计算如下：原来用普通柴油机打这口井的燃油费用为：90000kg×5.05元/kg=45.54万元，折旧2.31万元。用双燃料发动机打这口井的燃油费用为：32400kg×5.05元/kg=16.36万元，燃气费用为：55710 m3×1.391元/m3=7.75万元，运费7.5万元，折旧3.8万元。应用双燃料可节省：45.54万元-16.36万元-7.75万元-7.5万元-3.81+2.31万元=12.43万元。如果每年按打10口钻井计算，年节约柴油578吨，约需要天然气50万立方米，一年可节约124.3万元。
表1 运行记录表
3.双燃料电站
在日本出现核泄漏事故之前，中国对于东部电力负荷中心的电力供应是这样设计的：严格控制东部地区新增火电项目，在大中城市及其附近地区不再布局新的燃煤电站。所需电力通过西部输电解决，或者以建设核电、燃气电站为主。在目前核电前景不明的背景下，燃气电站的比重会相应上升。
图3 双燃料电站，该系统由天然气供气系统，
柴油供油系统及电子控制系统三部分组成
燃气电站的基本原理和天然气运输船、钻进平台使用的双燃料柴油机一样，在部分负荷状态下使用柴油发电，在高负荷或者全负荷状态下转为使用天然气。如图3所示，空气经过空气过滤器之后，和天然气在混合器里开始混合一起经过增压器，中冷器最后到达进气分配器，进入气缸燃烧。当发动机出现故障或发动机熄火时，电磁阀自动切断天然气的供给。柴油由原发动机供油系统喷入气缸，其供给量由高压油泵上的机械调速器自动调整。由于天然气参与做功，在相同的负荷下，调速器会自动减少柴油的供给量。混合器采用文丘里喉管混合方式，天然气的进入量会对空气的进入量进行一定程度的自动跟踪，与减压阀系统共同作用，保证发动机在各个工况获得最佳的空燃比，改善发动机的燃烧过程。通过表2可以看出，与单一的柴油机相比，双燃料柴油机能大幅降低发电成本，同时双燃料发电机组排放指标明显优化，氮氧化物、碳氢化合物和颗粒等有害物质均有所降低，排烟情况大幅度改善，具有良好的社会效益。双燃料发动机作为节能环保的绿色动力，不仅可以替代柴油机以满足钻机、移动电站，工业生产，居民小区等市场对发电机的需要，降低成本，而且符合国家可持续发展的要求。
表2 双燃料柴油机发电效益分析
三、结论
使用双燃料柴油机相比传统动力设备具有较大的使用成本优势，考虑到环保优势和国家的大力度扶持，未来双燃料柴油机的市场前景美好。
参考文献：
[1]Bridget C.Brett. potential market for LNG-Fueled marine vessels in the United States. Massachusetts Institute of technology,2006.
[2]ME-GI Dual Fuel MAN B&W Engines.MAN Diesel,Copenhagen,Denmark.
[3]王虎林,陈仲.双燃料柴油机与普通发动机的技术经济对比分析[J].柴油机,2009.
[4]推广柴油/天然气双燃料发电机组的意义.
[5]瓦锡兰现代开建50DF双燃料船机[J].国际船舶,2008.
