燃气轮机那么先进 为何民用船舶很少用了「船用天然气发动机」

今天带来燃气轮机那么先进 为何民用船舶很少用了「船用天然气发动机」，关于燃气轮机那么先进 为何民用船舶很少用了「船用天然气发动机」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

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。

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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作者：小船人的梦想 2019年9月1号