纵观当下船用燃气轮机的实际应用在民用船舶领域鲜有应用?

 作者:伞齿轮    |      2020-02-14 15:30

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  自1947年燃气轮机被首次应用在舰船上开始,经过几十年的发展,船用燃气轮机取得了长足进步。一改早期船用燃气轮机单机功率小、效率低、寿命短的缺点,现在先进的船用燃气轮机,简单循环的热效率已达40%,复杂循环的热效率已达46.2%,油耗降至200g/KW·h,大修期延长至24000小时,单机功率更是达到了50MW。按理说,发展到此种水平了,燃气轮机是完全能胜任各类船舶的需求了,但是我们纵观当下船用燃气轮机的实际应用,仍以军用舰艇为主,在民用船舶领域鲜有应用。既然燃气轮机都那么先进了,那为何民用船舶还是很少用呢?

  采用了燃气轮机的美国军舰

  从经济性的角度来看

  实际运营油耗高

  从经济性的角度来看,燃气轮机上船,首先面临初始造价高的问题,但是鉴于动力装置如果能在运营期间取得良好的经济性,从而降低船舶整个生命周期的成本,那么就可以忽略初期成本高的问题,从而把经济性的重点放在运营上。这点就像我国一些大型物流公司热衷于进口卡车是一样的道理。

  纵观当下船用燃气轮机的实际应用在民用船舶领域鲜有应用?

  降低运营成本,一直是民用船舶追求的重点

  船舶的运营成本,最大的部分来源于燃油成本,因此,我们要搞清楚船用燃气轮机的经济性如何,就要先计算出它的油耗是多少。根据资料可知:现在先进的复杂循环的船用燃机的热效率已达46.2%,油耗在200g/kW·h左右;而低速船用柴油机,近年来流行长冲程的低速机,因此我们选用170g/kW·h(实际有更低的);至于功率段,我们选用40万吨矿砂船的主机最大持续功率(MCR),接近30000kW(取30000kW)。计算如下:

  船用燃气轮机MCR工况下一小时油耗:30000?200?1000000=6吨

  船用低速柴油机MCR工况下一小时油耗:30000?170?1000000=5.1吨

  从计算结果我们不难看出,以40万吨矿砂船为例,如果主机以MCR工况运行,燃气轮机和低速柴油机每小时的油耗相差近一吨,而二十四小时的油耗更是相差二十多吨。可想而知在整个运营周期,燃气轮机要比低速柴油机多烧多少油?

  满载航行的40万吨矿砂船

  选型匹配困难,造成油耗高

  事实上,燃气轮机和低速柴油机的油耗差距远比笔者计算的要大,这是因为低速柴油机在选型区间里都有不错的燃油表现。因此,船舶普遍采用降低柴油功率的方式来节约燃料,即不在MCR或SMCR( 选定的最大持续功率),而是在CSR(常用持续功率)下运行。而反观燃气轮机,它的燃油消耗率仅在一定工况下才具有良好的表现,当降功率运行的话,可能会造成燃油耗量急剧增加,这样就为选型匹配带来了困难。倘若我们选用额定功率=CSR的燃气轮机,当船舶为了赶班期或者应对突发情况需要提高功率时,就会出现功率不够的问题;而倘若我们选用额定功率=MCR或SMCR的燃气轮机,则会造成燃气轮机实际长期在低功率下运行,燃油经济性不好,进一步拉大和低速柴油机的油耗差距。

  图中柴油机每天油耗346吨,比同功率的燃气轮机少不少(实际未生产)

  采用轻质柴油,造成燃油成本高

  理论上来说,燃气轮机可以使用任何液体燃料,甚至连煤粉、水煤浆也可以(美国在1946年就研制出了烧煤粉的燃气轮机)。但事实上,船用燃气轮机仍以轻质柴油为主,这相较于以重油为主的大型低速机,又进一步拉开了经济性的差距。

  重油比轻质柴油便宜不少

  从传动效率的角度看

  传动指的是把主机的功率传递给螺旋桨的过程。现在民用船舶为提高推进效率,普遍采用大直径低转速的螺旋桨。以40万吨矿砂船为例,其采用了一个直径超11米,设计每分钟转速只有几十转的四叶桨。为了匹配这个桨,意味着传动系统输入到螺旋桨的转速要足够低。而实际中,40万吨矿砂船选用了一款额定转速只有72r/min的低速主机,这样传动过程中就无需减速,可以采取直接驱动的方式,大大简化了传动系统,提高了效率。而反观当下主流的几款船用燃气轮机,额定转速普遍在3000r/min以上,这就必须要在传动系统中设置减速齿轮箱。

  大型集装箱船的长轴系(直接传动)

  而齿轮箱的设置,会为传动系统带来一系列的问题,首先要面对的就是成本的增加。以笔者曾参与的某一航速高达32节的船舶为例,仅仅是用于匹配几千千瓦的主机,将转速从一千多转降到三百转左右,齿轮箱的价格就高达几十万(进口齿轮箱)。可想而知,如果是用于匹配几万千瓦的主机,将几千转的转速降到一百转以下(大减速比),那齿轮箱的价格又该有多高?

  采用了齿轮箱的动力系统一般应用在不大的船上

  事实上,最致命的还不是价格高,而是在于传动效率。对于采用直接传动船舶,最大损失来源于摩擦;而对于采用了齿轮箱的传动系统,则就大不一样了,因为再好的齿轮箱也有传动损失。虽说齿轮箱的传动效率很高,能达到95%以上,好的甚至能达到98%~99.5%,但是以98%的传动效率为例,在传动过程中,它在最佳状态下仍有2%的损失。这个传动损失对于功率不大的小船来说可能不算什么,但是对于功率高达30000kW的主机来说,在传动过程就有600kW的功率损失。想想整个航程下来,这又白白浪费多少功,多消耗多少油啊!

  船用燃气轮机

  维修难度大,会对船舶的运营造成影响

  船用燃气轮机,在一定程度上继承了航空用燃气轮机整合程度高的特点。对于这种高整合度的精密的机械,需要维修人员具有较高的专业水平;而对于一些较大的故障,甚至只有厂家才能维修,因此会对船舶的运营造成很大的影响。而反观低速柴油机,其维修已非常成熟。在船上一般配有配有气缸套、活塞连杆组件等重要备件,并且设置专门的机修间。这样的话,除去断曲轴等一些重大故障,一般船上人员都能自行维修。除此之外,低速柴油机的原理,也决定了自身具有一定“抵抗”故障的能力。如在多缸机中出现一个或两个缸无法修复时,仍能通过封缸运行的方式保证船舶而不至于完全失去动力。

  修理燃气轮机具有一定的难度

  结语

  对于民用船舶,尤其是以远洋运输为主的大型货船来说,经济性是其考虑的重点,然而船用燃气轮机恰恰是在此领域输的最惨。除此之外,传动效率低,维修难度大,以及一些笔者文中没提到的因素综合作用下,造成燃气轮机鲜有在民用船舶中应用。当然,鲜有不代表没有,在一些小型的民用高性能船舶上,以及一些特殊船舶上,还是有一定的应用。不过笔者觉得:燃气轮机不应该在民用船舶领域只有这么小的份额,同时也相信未来随着电力推进在民用船舶领域的普及,解决主机与推进器之间的匹配问题,使燃气轮机能在一个稳定的工况下运行(发电机组),那么燃气轮机在一些特定的民用船舶领域会迎来一个“春天”。(注:个人观点,不喜勿喷!!!)

  短途的水翼船非常适合采用燃气轮机动力

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