縱觀當下船用燃氣輪機的實際應用在民用船舶領域鮮有應用?

?作者:傘齒輪 ???|???? ?2020-02-14 15:30

  "

  自1947年燃氣輪機被首次應用在艦船上開始,經過幾十年的發展,船用燃氣輪機取得了長足進步。一改早期船用燃氣輪機單機功率小、效率低、壽命短的缺點,現在先進的船用燃氣輪機,簡單循環的熱效率已達40%,復雜循環的熱效率已達46.2%,油耗降至200g/KW·h,大修期延長至24000小時,單機功率更是達到了50MW。按理說,發展到此種水平了,燃氣輪機是完全能勝任各類船舶的需求了,但是我們縱觀當下船用燃氣輪機的實際應用,仍以軍用艦艇為主,在民用船舶領域鮮有應用。既然燃氣輪機都那么先進了,那為何民用船舶還是很少用呢?

水蜜桃成视频人app下载   采用了燃氣輪機的美國軍艦

水蜜桃成视频人app下载   從經濟性的角度來看

水蜜桃成视频人app下载   實際運營油耗高

  從經濟性的角度來看,燃氣輪機上船,首先面臨初始造價高的問題,但是鑒于動力裝置如果能在運營期間取得良好的經濟性,從而降低船舶整個生命周期的成本,那么就可以忽略初期成本高的問題,從而把經濟性的重點放在運營上。這點就像我國一些大型物流公司熱衷于進口卡車是一樣的道理。

  縱觀當下船用燃氣輪機的實際應用在民用船舶領域鮮有應用?

  降低運營成本,一直是民用船舶追求的重點

  船舶的運營成本,最大的部分來源于燃油成本,因此,我們要搞清楚船用燃氣輪機的經濟性如何,就要先計算出它的油耗是多少。根據資料可知:現在先進的復雜循環的船用燃機的熱效率已達46.2%,油耗在200g/kW·h左右;而低速船用柴油機,近年來流行長沖程的低速機,因此我們選用170g/kW·h(實際有更低的);至于功率段,我們選用40萬噸礦砂船的主機最大持續功率(MCR),接近30000kW(取30000kW)。計算如下:

水蜜桃成视频人app下载   船用燃氣輪機MCR工況下一小時油耗:30000?200?1000000=6噸

  船用低速柴油機MCR工況下一小時油耗:30000?170?1000000=5.1噸

  從計算結果我們不難看出,以40萬噸礦砂船為例,如果主機以MCR工況運行,燃氣輪機和低速柴油機每小時的油耗相差近一噸,而二十四小時的油耗更是相差二十多噸。可想而知在整個運營周期,燃氣輪機要比低速柴油機多燒多少油?

  滿載航行的40萬噸礦砂船

水蜜桃成视频人app下载   選型匹配困難,造成油耗高

  事實上,燃氣輪機和低速柴油機的油耗差距遠比筆者計算的要大,這是因為低速柴油機在選型區間里都有不錯的燃油表現。因此,船舶普遍采用降低柴油功率的方式來節約燃料,即不在MCR或SMCR( 選定的最大持續功率),而是在CSR(常用持續功率)下運行。而反觀燃氣輪機,它的燃油消耗率僅在一定工況下才具有良好的表現,當降功率運行的話,可能會造成燃油耗量急劇增加,這樣就為選型匹配帶來了困難。倘若我們選用額定功率=CSR的燃氣輪機,當船舶為了趕班期或者應對突發情況需要提高功率時,就會出現功率不夠的問題;而倘若我們選用額定功率=MCR或SMCR的燃氣輪機,則會造成燃氣輪機實際長期在低功率下運行,燃油經濟性不好,進一步拉大和低速柴油機的油耗差距。

  圖中柴油機每天油耗346噸,比同功率的燃氣輪機少不少(實際未生產)

水蜜桃成视频人app下载   采用輕質柴油,造成燃油成本高

水蜜桃成视频人app下载   理論上來說,燃氣輪機可以使用任何液體燃料,甚至連煤粉、水煤漿也可以(美國在1946年就研制出了燒煤粉的燃氣輪機)。但事實上,船用燃氣輪機仍以輕質柴油為主,這相較于以重油為主的大型低速機,又進一步拉開了經濟性的差距。

水蜜桃成视频人app下载   重油比輕質柴油便宜不少

  從傳動效率的角度看

  傳動指的是把主機的功率傳遞給螺旋槳的過程。現在民用船舶為提高推進效率,普遍采用大直徑低轉速的螺旋槳。以40萬噸礦砂船為例,其采用了一個直徑超11米,設計每分鐘轉速只有幾十轉的四葉槳。為了匹配這個槳,意味著傳動系統輸入到螺旋槳的轉速要足夠低。而實際中,40萬噸礦砂船選用了一款額定轉速只有72r/min的低速主機,這樣傳動過程中就無需減速,可以采取直接驅動的方式,大大簡化了傳動系統,提高了效率。而反觀當下主流的幾款船用燃氣輪機,額定轉速普遍在3000r/min以上,這就必須要在傳動系統中設置減速齒輪箱。

  大型集裝箱船的長軸系(直接傳動)

  而齒輪箱的設置,會為傳動系統帶來一系列的問題,首先要面對的就是成本的增加。以筆者曾參與的某一航速高達32節的船舶為例,僅僅是用于匹配幾千千瓦的主機,將轉速從一千多轉降到三百轉左右,齒輪箱的價格就高達幾十萬(進口齒輪箱)。可想而知,如果是用于匹配幾萬千瓦的主機,將幾千轉的轉速降到一百轉以下(大減速比),那齒輪箱的價格又該有多高?

水蜜桃成视频人app下载   采用了齒輪箱的動力系統一般應用在不大的船上

  事實上,最致命的還不是價格高,而是在于傳動效率。對于采用直接傳動船舶,最大損失來源于摩擦;而對于采用了齒輪箱的傳動系統,則就大不一樣了,因為再好的齒輪箱也有傳動損失。雖說齒輪箱的傳動效率很高,能達到95%以上,好的甚至能達到98%~99.5%,但是以98%的傳動效率為例,在傳動過程中,它在最佳狀態下仍有2%的損失。這個傳動損失對于功率不大的小船來說可能不算什么,但是對于功率高達30000kW的主機來說,在傳動過程就有600kW的功率損失。想想整個航程下來,這又白白浪費多少功,多消耗多少油啊!

  船用燃氣輪機

  維修難度大,會對船舶的運營造成影響

  船用燃氣輪機,在一定程度上繼承了航空用燃氣輪機整合程度高的特點。對于這種高整合度的精密的機械,需要維修人員具有較高的專業水平;而對于一些較大的故障,甚至只有廠家才能維修,因此會對船舶的運營造成很大的影響。而反觀低速柴油機,其維修已非常成熟。在船上一般配有配有氣缸套、活塞連桿組件等重要備件,并且設置專門的機修間。這樣的話,除去斷曲軸等一些重大故障,一般船上人員都能自行維修。除此之外,低速柴油機的原理,也決定了自身具有一定“抵抗”故障的能力。如在多缸機中出現一個或兩個缸無法修復時,仍能通過封缸運行的方式保證船舶而不至于完全失去動力。

  修理燃氣輪機具有一定的難度

  結語

  對于民用船舶,尤其是以遠洋運輸為主的大型貨船來說,經濟性是其考慮的重點,然而船用燃氣輪機恰恰是在此領域輸的最慘。除此之外,傳動效率低,維修難度大,以及一些筆者文中沒提到的因素綜合作用下,造成燃氣輪機鮮有在民用船舶中應用。當然,鮮有不代表沒有,在一些小型的民用高性能船舶上,以及一些特殊船舶上,還是有一定的應用。不過筆者覺得:燃氣輪機不應該在民用船舶領域只有這么小的份額,同時也相信未來隨著電力推進在民用船舶領域的普及,解決主機與推進器之間的匹配問題,使燃氣輪機能在一個穩定的工況下運行(發電機組),那么燃氣輪機在一些特定的民用船舶領域會迎來一個“春天”。(注:個人觀點,不喜勿噴!!!)

水蜜桃成视频人app下载   短途的水翼船非常適合采用燃氣輪機動力

水蜜桃成视频人app下载   "