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掀起船舶动力系统的“食物革命”
——记我校动力学院船舶双燃料动力系统关键技术发展之路
作者:记者 唐晓…          文章来源:新闻中心     点击数:     更新时间:2018/12/7 11:08:04

1113日,“伟大的变革——庆祝改革开放40周年大型展览”在国家博物馆隆重开幕。开展半月以来,50余万参观者们从四面八方赶到国家博物馆见证“伟大的变革”。展览中船海领域的伟大变革尤其引人注目,特别是“绿色船舶”的展出,吸引人们纷纷驻足。

近年来,作为海洋技术发展的重要推进领域,船舶制造业由传统船舶向绿色船舶的蜕变正在持续而深入地进行,绿色船舶已成为未来船舶发展的必然趋势。

早在今年4月末,为推进长江经济带更高质量发展,习近平总书记考察了长江,“我们搞的开发建设必须是绿色的、可持续的。”绿色发展,从曾经的选择题变为必答题。包括长江在内的内河航运要想实现绿色发展,必须破解船舶污染难题。这对于动力学院“动力装置电控技术研究所”来说,他们所致力于的发展船舶绿色动力事业、掀起船舶动力系统的“食物革命”,迎来了又一个“战略机遇期”。

从调整“饮食结构”到掀起“食物革命”

动力系统是船舶的“心脏”,是船舶配套的核心设备。长久以来,船舶主要以传统的柴油机为动力,其主要“食物”是柴油。柴油燃烧后,排出大量氮氧化物、硫氧化物、颗粒等污染物和碳排放,这些成为大气污染和雾霾天气的重要根源。怎样既可实现同样的动力效果,又能实现绿色发展?这就需要既改变船舶“心脏”的食物结构,又改变它的内部机理。

我国是航运大国,仅500吨以上的民用船舶就有20多万艘,且每年递增。进行船舶能源消费结构调整、推广清洁替代能源应用技术,是实现“美丽中国”建设目标的重大举措。目前,我国船舶主要以传统的柴油机为动力,为了控制船舶污染排放,国际海事组织制定了严格的排放法规,并于2016年在排放控制区实施,范围不断扩大。我国为应对大气污染和雾霾天气,也制定了内河排放法规,并分别于2018年和2021年分阶段实施。降低船舶发动机污染排放、使用清洁替代燃料是船舶动力行业发展的必由之路。

研制新型能源船舶动力,是破解船舶温室气体和有害污染物排放困境的有效途径。天然气具有资源丰富、燃烧清洁和价格更低等优点,成为当前船舶动力的一种理想燃料。改变船舶动力系统的“食物结构”,采用LNG(即液化天然气)代替传统的柴油燃料,并推广LNG动力船的应用,被认为是最现实有效的方案。

应用LNG作为燃料的船用发动机可分为三类,即混燃发动机、微引燃双燃料发动机和纯气体机。混燃发动机是指通过对柴油机简单的改造和调试,将柴油机改造成既能完全使用柴油,又能使用柴油-天然气混燃的两用发动机,但节能减排效果有限。与混燃发动机不同的是,微引燃双燃料发动机仅利用微量的柴油点燃天然气,实现发动机的高效燃烧和低排放。纯气体发动机则无需柴油燃料,一般采用火花塞实现点燃,其发展需伴随国家相关基础设施的完善。

在掀起船舶动力系统“食物革命”的征程上,动力学院科研副院长、动力装置电控技术研究所技术负责人宋恩哲,针对我国内河船舶LNG动力应用,提出了从混燃发动机到微引燃式双燃料发动机,再到纯气体机“三步走”的发展路线。

研发征程上的“过关斩将”

长久以来,我国船舶动力系统的关键系统、部件的设计和制造技术是限制我国船舶工业发展的瓶颈,导致我国船舶动力技术长期受制于人。采用双燃料动力系统是能够同时满足船舶能效和排放法规要求的重要措施。相对传统柴油动力系统而言,我国在双燃料动力技术研究方面与国外差距不断缩小,很有可能在短期内实现跨越式发展。

动力学院自2007年在国内率先开展船用双燃料发动机和气体发动机控制技术研究,为突破关键技术并实现工程推广应用,团队过关斩将,成功突破了四道关口。

“燃烧关”,针对双燃料发动机多模式下燃烧高效清洁和稳定控制问题,发明多点多级燃气喷射与燃油多次喷射方法,首次实现缸内燃气分层和反应活性控制的高效低排放燃烧,排放达到国际海事组织第三阶段排放法规要求。

“控制关”,针对双燃料动力系统工作模式多变、燃料喷射波动大等控制问题,发明全工况双模式扭矩架构的动力系统一体化控制策略,实现了发动机的安全、平稳、可靠运行。

“关键部件关”,针对燃料喷射系统静态泄漏、动态响应慢、喷射一致性差等问题,发明永磁并联复合磁路电磁阀和本质安全型的燃气供给系统,大幅度提高了燃料喷射的一致性、动态响应及可靠性,实现了关键部件的自主研制。

“系统集成关”,针对双燃料动力系统船、机、桨之间的全航行工况高能效设计及运行问题,发明了有限燃烧阶段的平均值模型和基于能量平衡的双燃料动力系统匹配方法,自主开发了船、机、桨优化匹配设计软件,使船舶的能效提高5%

2017年底,在由黑龙江省科技厅组织召开的项目技术成果鉴定会上,“船舶双燃料动力系统关键技术及应用”项目顺利通过鉴定。专家认为:该成果突破多项关键技术,具有自主知识产权,整体技术水平达到国际领先水平。在国内为船舶首次打造出清洁、强劲的“双燃料动力心脏”,实现船舶在柴油和液化天然气双燃料之间的自由切换,破解了船舶污染难题。

与国家发展同频共振

1975年,学校组建船舶动力系,后于2005年更名为动力与能源工程学院。四十余年来,学院的发展步伐几乎与国家改革开放的发展同步,并在改革开放的浪潮中始终满足国家需求,与船舶动力事业发展同频共振。目前,学院已发展成为国内高校中能源与动力工程领域一支不可或缺的教育、科研力量。

多年前,学院敏锐地认识到船舶动力系统的能源和环境污染问题将成为制约国家经济和社会发展的瓶颈。2007年,学院在国内率先开展船用双燃料发动机和气体发动机控制技术研究。2016年终于在实验室内突破微引燃双燃料动力系统关键技术,并在玉柴6K发动机上完成试验验证,热效率达到44.3%、排放达到国际海事组织最新排放标准。

该系统以技术成果入股成立哈尔滨哈船动力技术有限责任公司,进行创新、创业,实现了成果产业化。在成果转化落地关键时刻,得到了黑龙江省政府的大力支持,获得黑龙江省政府投资5000万元,加快推进了这项高新技术成果产业化的进程。目前,我校研制的双燃料动力系统占内河船舶市场的80%,相对于传统柴油动力船舶,可节约燃料成本 20%、降低 80%氮氧化物、基本没有硫氧化物和颗粒污染物排放,节能减排效果显著。

习近平总书记在推动长江经济带发展座谈会上强调:共抓大保护,不搞大开发,努力把长江经济带建设成为生态更优美的黄金经济带。国家启动了“气化长江”、“气化运河”等航运节能减排治理工程,未来 10 年,双燃料动力系统市场总量预计超过 1000亿元,具有广阔而美好的应用前景。

国家改革开放四十年以来,我校始终站立在这一伟大历史变革的时代潮头,是这一伟大变革的亲历者和参与者。在推动整个国家奋力向强的磅礴力量中,哈工程人始终担负着满足国家战略需求的时代使命,为建设海洋强国贡献着独特而不可或缺的力量。站在四十年的节点向前展望,未来的路还很长,而哈工程人始终坚信行者常至,为者常成。

文章录入:赵琳琳    责任编辑:小飞 
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