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船用双燃料低速柴油机的优化选择：引入相对特定燃料消耗率
摘要：
低速柴油发动机是大型船舶中最常用的主推进装置，并且由于严格的环保政策，人们对用于这些发动机所产生排放物较少的替代燃料进行了深入研究。在这种情况下，双燃料柴油机得到了很好的发展，并且其实际运用也保持增长。因此，本研究旨在阐述一种简单而快速的方法来协助选择适合作为主动力装置的燃料消耗最佳的船用双燃料低速柴油机。引入燃油消耗率来建立统一的表达式，并且应用多项式方法来拟合曲线。该方法的准确性通过与发动机制造商提供的基于网络的应用程序进行比较而得到验证，最高偏差约2.7%。作为实践，演示了一艘LNG运输船的船机桨匹配设计，以便可以探索该方法的便利性。因此，通过建议的优化方法，每年可节约的重油和LNG蒸发气分别达到8.1%和9.6%。最后，发现该匹配不是最佳—由于发动机和螺旋桨的最高效率（不是最高）。
关键词：
优化 选择 双燃料柴油机 低速柴油机 船舶推进 原动机
1简介
主机选型是商船建造项目的主要步骤之一。由于主机通常运行至船舶寿命结束，所以其选择应考虑到其耐用性。每个选择标准的重要性因船型而异。在一些船舶中，只有少数指标需要考虑，但在其他船舶中，尽管重要程度不同，但都必须考虑到。大规模商业运输中应用最为广泛的原动机是低速柴油机，影响其选择的因素可分为两大类：技术方面和财务方面。噪音，振动，排放，尺寸，重量和效率等是技术方面的例子，而资本支出和运营支出则概括到财务方面。
由于很多产品没有提供有关其性能和特点的详细信息，所以标准名称是一个非常困难的问题。另一方面，一些指标可能会提供有关发动机性能的信息，例如现有船队使用的时间，先前的损坏记录等等。尽管Watson [ 1 ] 给出了一个完整的主机选择标准清单，许多考虑由Lamb [ 2 ]，Bulut等人完成，根据与选定船运公司的一组技术专家和经理的访谈，确定了以下六个主要选择标准：动力，购置成本，燃料消耗，维护，船队的该机型装备情况以及已有的故障历史。
动力位居榜首，因为发动机必须能够提供足够的动力，以便船舶能够适应其应对的挑战。发动机功率要求基于船舶吨位，预期天气和海况以及估计的服务航速。虽然较高的发动机功率带来较高的强度以面对不利的航行条件，但增加功率还需要增加辅助系统的能力和更多制造过程，这增加了购置成本。后者被认为是项目财务可行性的主要指标之一，因为它占新建造项目总成本的10％左右。财务可行性的另一个重要指标是燃料消耗，可维护性可以分为两个考虑因素：首先，它执行起来有多简单，其次是成本。这两方面的考虑都需要实际经验和专家咨询。另一方面，确定某个柴油机被接受程度的简单方法是知道现有的商船队有多少人正在使用。如果柴油机的特定型号和品牌经常是首选的，这可能表明该模型在整体情况下的优越性。一个类似的指标是现有机组的历史上技术故障的频率，该机组与预期的发动机型号相匹配。机型的故障历史可以说明其在实际使用中的结构和机械强度。
最近，监管机构，环境保护主义者和卫生官员一直关注沿海主要人口中心附近的污染物，因此废气排放控制在地区和国际范围内继续得到加强。二氧化碳，氮氧化物，硫氧化物和颗粒物（PM）是最受关注的气体排放物[4]。由于天然气相对于诸如船用瓦斯油（MGO）船用柴油（MDO）和重燃料油（HFO）的馏分燃料产生较低的当地污染排放，因此天然气作为船用燃料的趋势继续发展。此外，自2002年以来天然气和低硫燃料油之间的价格差异表明了天然气可能有经济优势。因此，越来越多的新建船只采用天然气发动机或常规燃料与天然气相结合的方式[ 5 ]。他们大多安装了双燃料柴油发动机，能够在气体和液体燃料模式之间切换运行。
特别是关于二氧化碳排放量，国际海事组织（IMO）创建了能效设计指标（EEDI）。对于不同类型和尺寸的船舶，它需要达到的最低的能效等级[ 6 ]。提升船舶能效的措施包括船体和结构的优化设计，从而降低船舶阻力，以及选择更高效的螺旋桨和发动机。由于二氧化碳排放与燃料消耗成正比，因此可通过减少燃料消耗来实现减排。因此，燃料消耗不应仅仅被视为技术和财务方面的问题，它还是一个关键的环境因素。
考虑到目前所提到的观点，本研究旨在清楚地解释如何针对燃料消耗的优化选择船用双燃料低速柴油机。为了在每次执行过程时不需要访问每个发动机的目录数据，通过多项式方法获得了相对具体的燃料消耗趋势。本工作仅研究MAN公司提出的ME-C技术和燃油喷射技术GI（甲烷喷射）。这个技术意味着电控包括了每个气缸的过程的灵活控制——也就是燃料喷射正时，气动阀和排气阀的控制，此外还有气缸润滑。
2背景知识
在解决本文的主要问题之前，有必要对双燃料低速柴油机及其选择过程给出一些基本概念。
2.1船用双燃料低速柴油机
它们是能够燃烧普通液体燃料（柴油模式）或气体燃料（燃气模式）的压燃式发动机。在柴油模式下，这些发动机与传统发动机一样工作，燃烧诸如MGO，MDO和HFO等燃料。在气体模式下，它们主要燃烧气体燃料，尽管需要液体先导燃料喷射来开始燃烧[ 7 ]。因此，必须注意到这种发动机具有三种特定的燃料消耗（SFO）。在柴油模式运行期间，存在所谓的燃料油消耗量（SFOC），而在燃气模式中存在气体消耗量（SGC）和特定的先导油消耗量（SPOC）。
当这些发动机以气体模式运行时，关于气体喷射压力有两个基本技术概念：低压（LP）和高压（HP）。前者基于预混稀薄燃烧原理，而后者依靠直接喷射和扩散燃烧。在LP技术中，将气体注入气缸的中间行程位置（压力约为16bar），并在压缩结束时将气体/燃料充量由引燃燃料喷射点燃[ 8 ]。不同的是，对于HP技术，气体喷射发生在靠近上止点的位置，实际上是在引燃燃料喷射的同时，因此高压气体喷射（大约为300bar）是必需的[ 9]。
2.2低速柴油发动机的标准选型
选择合适的推进发动机型号以最佳地满足给定项目的功率需求，需要注意预期的负载范围以及操作条件可能在船舶寿命期间产生的影响。因此，为了达到需要的推进动力，海事工程师需要详细了解船舶的阻力以与螺旋桨/船舶载荷及交付的发动机功率的匹配[ 10]。但是，处理这些问题不是本文的目的; 因此假设已经确定了船舶的功率要求，包括桨距和螺旋桨进速。因此，认为发动机的轴功率和转速在约定最大持续功率点（SMCR）都是已知的，约定最大持续功率点是在发动机的连续运行中所需的最大速度下的最大功率的运行点。
发动机选择的第一步是获取各制造商的所有发动机功率图，并将SMCR点放在其上以了解哪些发动机能够提供所需的功率和速度。图1显示了MAN Diesel＆Turbo Corporation船用双燃料低速柴油机的发动机功率框图。
图1，MAN Diesel＆Turbo Corporation的双燃料低速柴油机的功率框图[ 13 ]
下一步是通过每个发动机的详细信息确定需要多少个气缸。根据汽缸数量，每型发动机拥有一个减额输出区，其中可以选择功率和转速。它受到包线的限制，该包线划出了标称最大爆发压力所允许SMCR点可选择的区域。发动机由两条恒定平均有效压力（MEP）线L1 shy;L3和L2 -L4以及两条恒定的发动机转速线L1- L2和L3 -L4限制。在L1点是指发动机额定最大功率（NMCR）。图 2显示了发动机10S90ME-C9.5-GI和点SMCR和NMCR的发动机功率框图。在发动机及其气缸数量以满足要求后，最后一步是考虑一些适用的选择标准。其中，技术方面，例如发动机稳态性能数据，可以通过发动机车间试验测量以及使用说明书来了解。此外，一些发动机制造商提供计算应用系统来作为计算机辅助发动机选型系和机舱尺寸标注（CEAS-ERD）[ 11 ]，例如，它是MAN Diesel＆Turbo提供的基于网络的应用程序。
图2，发动机10S90ME-C9.5-GI的功率框图（改自[11]）
3方法
以下通过引入特定燃料消耗率和得到合适的发动机及其燃料消耗率的简化代数方法的主要步骤。一些算法在MATLAB环境中实现[ 12 ]。尽管发动机类型名称表明了气缸数量，行程/缸径比，活塞直径，发动机型号，批号，燃油喷射技术以及Tier III技术，但本文仅仅对发动机技术特征做出区分。由于所有发动机都没有具备满足Tier III的技术，因此它们的燃油喷射技术（GI）和发动机技术（ME-C）是相同的; 下文出现引擎类型名称时，笔者都不会复述这些特征。
3.1确定合适的发动机
从表[ 9 ] 中获得了绘制每个功率框图的所有必要数据。只选用CEAS-ERD数据库所涵盖的双燃料低速柴油发动机，因为在这之后需要用到具体的燃油消耗数据。因此，只研究了G型（绿色超长行程）和S（超长行程）的发动机。所有选择作为研究对象的发动机及其一些属性，如四个点上的功率(L1, L2, L3和L4)，速度限制 (Nemax和 Nnmin)和对气缸数量的限制(cmin 和 cmax),，如表 1所示。然后，用软件的一个功能来选定适合给定SMCR的发动机。为了尽可能扩大减额输出区所覆盖的区域，每型发动机L 1和L 3取在发动机缸数最大时，L 2和L 4取在发动机缸数最少时。
表1，可供选择的ME-GI双燃料低速机及其对功率框图的细节补充
首先，该软件用所有发动机减额输出图和SMCR点绘制图表。图 3示出了输出功率为50兆瓦和转速为75rpm的SMCR点。其次，其他功能就每个引擎转速而言; 目前关于功率兼容性的测试是来预测所需的气缸数量。第三，它提供了主要输出结果，也就是是适合发动机型号清单以及满足SMCR所需的气缸数量。表2显示了与图3中相同的情况下的发动机及其所需的气缸数量（c） 。值得注意的是，四个发动机中的每一个都可以满足SMCR要求的气缸数量，因此有十一个备选方案需要考虑。
图3，双燃料低速柴油机减额输出图
表2，SMCR点为50兆瓦和75rpm的可选机型及缸数
3.2 SMCR点的相对燃料消耗率
为了计算发动机减额输出区上任何地方的SMCR的特定燃料消耗，程序CEAS-ERD运行了几次。它SFOC和SPOC所消耗的燃油取为42.7 MJ / kg的低热值（LHV），并且为SGC消耗的天然气取得50 MJ / kg的低热值。表3显示，无论是对于那些NMCR高的发动机（G95ME-C9.5-GI和S90ME-C10.5-GI），还是对于功率最小的发动机（S50ME-C8.5-GI和G40ME-C9.5- GI），当相对SMCR在L1和L3或L2和L4，它们表现出接近甚至相同的特定燃料消耗值。实际上，SPOC仅仅略有不同，这可能是由于程序为这些值提供的准确度较低（只有两位有效数字而不是四位）。换句话说，同一平均有效压力（MEP）上的任何点都保持相同的燃料消耗。
表3，额定最大持续功率最大和最小的发动机的燃料消耗率
每种燃料消耗率（SFC）和平均有效压力（MEP）之间的线性关系，如下所示：
其中，平均有效压力（MEP）可以写为点火频率（f），轴功率（Pb），排量（Vs）的表达式
由于变量c，k和Vs是发动机常量，因此SMCR的三种具体燃油消耗量中的每一种
通常通过以下等式计算：
为了在算法中实现这一计算，需要运行CEAS-ERD来获得每个发动机的点L 1和L 4 的具体燃料消耗，如表4所示 。可以看出，所有的发动机具有 SFOCL4和SGCL4低于SFOCL1和SGCL1; 然而，SPOCL4高于SPOCL1。
表3，在CEAS-ERD中可用的ME-GI双燃料发动机及在L1和L4点处的特定燃料消耗率
3.3多项式方法
对于每种类型的发动机，使用每种类型的最高和最低NMCR获得特定的多项式，因为人们希望使用最少数量的输入数据来覆盖最大的消耗率差异。所有拟合曲线都是通过中心和尺度的线性最小二乘法以及特定平方权重法的鲁棒拟合选项获得的[ 14 ]。通过CEAS-ERD收集10％至100％SMCR的特定燃料消耗数据，并且创建SMCR消耗的相关变量以弄清楚趋势。因此，通常通过以下等式计算相对SFC（SFCr）：
图4,5,6,7,8和9示出了相对燃油消耗率SFOCr，其产生在柴油模式，以及相对气体消耗量SGCr和相对先导燃油消耗量SPOCr，其在气体模式产生，作为在点L 1，L 2，L 3和L4上的SMCR功率百分比的函数。采用来自每种母型中的最强大和最小功率的发动机的数据来获得所拟合曲线，G95ME-C9.5-GI和G40ME-C9.5-GI在图4,5和6中示出，而S90ME-C10.5-GI和S50ME-C8.5-GI在图 7， 8和 9中示出。由于没有可靠的证据，这些发动机将采取最高的偏差。因此，数据和拟合曲线之间的最大误差被覆盖。
尽管有八个数据集，但它们大多叠加在图 4中。对于功率为为100％至70％的SMCR时，没有显着差异，但可以看到三组相对燃料消耗率随功率下降而产生的倾向。当SMCR点从L1到L3或从L 2到L 4时，各个发动机的趋势相同。此外，当SMCR从L 1到L 3 时，两型发动机的相对SFOC保持相同的趋势，这与结合方法（平方加权法）相结合使曲线更接近这些数据集。总的来说，SFOCr值随功率值从SMCR的100％减少到70％而降低，但这之后反而升高。功率为SMCR的70%时，相对SFOC约为0.98，但功率为SMCR的10%时，相对SFOC可达到大约1.16。
图 5显示，对于低于SMCR 80％的轴功率，SGC具有更明显的收敛。65％SMCR工况下相对SGC至少约为0.95，而10％的SMCR工况下的相对SGC值甚至不到1.01。
如图6所示，当轴功率从SMCR的100％减少到
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