大型LNG船推進型式研究

丁 舉

（中國船舶工業集團公司第七○八研究所 上海200011）

0 引 言

天然氣資源豐富，在21世紀天然氣的產量和消費量將要超過煤炭和石油而躍居世界能源的首位。從事液化天然氣運輸的船舶被稱為LNG船。LNG船推進裝置所采用的主蒸汽透平和雙燃料鍋爐與普通的液貨船有極大的不同。

大型LNG船，指Q-flex型LNG船，其貨艙載貨容積要達到20萬立方米以上。本文對適合于大型LNG船的推進型式進行了分析研究和模型試驗研究，包括單槳推進和雙槳推進的分析比較、雙槳推進方式下的實船航速預報、雙槳內旋和外旋的對比模型試驗、內旋操縱性模型試驗研究等，對用于LNG船舶的不同類型的推進裝置進行了比較分析。目標船的推進型式最后選定雙槳內旋推進方式，選用常規槳配雙低速柴油機聯合再液化裝置［1，2］。

1 船型介紹

隨著LNG船的大型化，更大的艙容通過增加船寬和船長來提供，而不是通過增加吃水來提供。從LNG船船級表1可見，最大吃水是12 m，這是由于港口條件限制。淺吃水的船體需要采用雙尾鰭線型和雙槳推進。

目標船型的船體要素如下：

表1 LNG船船級表

2 單槳推進和雙槳推進的比較

2.1 單槳推進和雙槳推進的航速比較

認為船體阻力相同，在單槳推進方式時螺旋槳收到功率Pd1取27 000 kW，在雙槳推進方式時單只螺旋槳收到功率Pd2取13 500 kW，計算對應的螺旋槳參數和敞水性能等。從表2可見，單槳推進的螺旋槳直徑D比雙槳推進大16.7%，敞水效率η0低8.7%，航速Vs低0.5 kn。目標船型設計吃水T=12 m，則單槳推進時直徑吃水比D/T高達75.8%，D過大。在同樣的航速下，比較單槳推進和雙槳推進的負荷系數Kt/J2，單槳比雙槳增加47%。在單槳推進方式下，螺旋槳直徑更大，負荷更大，會導致螺旋槳空泡和脈動壓力性能惡化。事實上，現有的Q-flex型LNG船均采用雙槳推進方式。根據現有的統計資料，與單槳推進船型相比，雙尾鰭船型雙槳推進方式可減少9%左右的功率需求。綜上，選擇雙槳推進作為目標船型的推進方式。

表2 單槳推進和雙槳推進的性能比較

2.2 雙槳推進方式下只用單槳推進的實船航速預報

雙槳推進方式下，如果其中的一只槳或對應主機發生故障，只能利用另一只槳推進，此時的實船航速能達多少也是值得關心的。根據MAN B&W Diesel提供的低速柴油機主機功率曲線圖（見圖1）［3］，單槳推進時對應的功率限制值是98%Load，轉速限制值是96.3%Speed，以及70%Load、84.2%Speed連成的一條曲線。而螺旋槳在低于70%功率、84.2%轉速處運行肯定沒有問題。

圖1 雙槳船主機功率曲線圖

根據模型自航試驗結果，主機的MCR（額定功率）是18 250 kW，軸系效率0.99，轉速是91 r/min，不考慮海上裕度，計算結果見表3。單槳推進，另外一槳自由旋轉工況下，航速14.15 kn對應的轉速裕度有1.38 r/min；航速16 kn對應的轉速裕度有0.37 r/min，轉速裕度很小。考慮到模型試驗等各種誤差，預報單槳推進的航速是15 kn，此時推進螺旋槳轉速是82.9 r/min。如果有海上風浪、污底等因素導致船體阻力增加，則螺旋槳轉速降低，收到功率也降低，導致船速也降低到15 kn以下。

3 內旋和外旋的比較

3.1 快速性能

對內旋和外旋的快速性能進行了模型試驗研究。在設計吃水狀態下，內旋航速19.63 kn，外旋航速只有19.19 kn，內旋比外旋高0.44 kn，達2.2%。一般而言雙尾鰭船會產生一個向外的預旋流，內旋槳旋向與預旋流方向相反，可回收船后水流旋轉能量，故內旋槳推進效率高。根據自航試驗結果，19.5 kn對應的內旋槳推進效率ηd=0.793，而外旋槳ηd=0.725，相差9.4%。從快速性能考慮，內旋槳效率高，優勢明顯。

3.2 操縱性能

LNG運輸船為運載危險品貨物船，其航行安全性要求很高。一般而言，雙槳推進的操縱性能優于單槳推進；雙槳外旋推進的操縱性能優于雙槳內旋推進的操縱性能（切向伴流為外旋方向）。對選定的雙槳內旋推進方式進行了模型試驗研究，結果表明操縱性能滿足IMO的標準。

表3 單槳推進航速預報表

雙槳內旋推進試驗包括滿載和壓載兩種狀態，每種狀態均進行以下試驗：

（1）回轉試驗：舵角 δ=±35°；

（2）Z形試驗：

10°/10°，-10/-10°，20°/20°，-20°/-20°；

（3）緊急制動試驗；

（4）螺旋（線）試驗；

（5）初始回轉試驗。

某一螺旋槳出現故障后，利用單槳運行，單槳操縱下，操縱性能也滿足IMO操縱性衡準。

綜上，選擇雙槳內旋作為目標船型的推進方式。

4 推進裝置選型

4.1 LNG船舶不同類型推進裝置

4.1.1 傳統蒸汽輪機推進裝置

傳統的LNG船舶一直采用蒸汽輪機推進裝置［4，5］。因為它可以利用在運輸過程中液貨艙產生的貨物蒸發氣BOG作為雙燃料鍋爐的燃料，鍋爐燃燒產生蒸汽，為推進主透平和發電透平提供動力。一般蒸汽輪機裝置包括兩個雙燃料鍋爐，可混合燃燒重油和BOG，也可單獨燃燒重油或BOG。在船舶推進系統方面，分別配置一個高壓和低壓蒸汽透平，來自鍋爐的蒸汽先在高壓蒸汽透平中膨脹做功，高壓蒸汽透平的排氣再流入低壓蒸汽透平內繼續膨脹做功，最后進入冷凝器冷凝為水。高、低壓蒸汽透平的動力輸出經由減速齒輪箱驅動一個定距槳轉動，推動船舶運動。在船舶電力系統方面，此系統配置兩臺蒸汽透平和一臺或兩臺柴油機驅動發電機發電。蒸汽輪機由于利用BOG的便利性，安全可靠，維護保養量低，40多年來一直被LNG船舶采用。但近年來，由于蒸汽輪機推進裝置熱效率遠低于柴油機推進裝置，蒸汽輪機推進裝置正在被經濟性更好的柴油機推進裝置所取代。

4.1.2 雙燃料電力推進裝置

雙燃料電力推進和發電方案的核心是多個雙燃料發電機組。這些機組的數量和功率大小主要取決于船舶噸位和速度，也與設想的船舶營運方案有關。該種推進方式采用雙燃料發電機組產生電能，供給船舶推進電動機組，經減速裝置減速后驅動螺旋槳轉動。也可用低速電機直接帶動螺旋槳，不需要減速齒輪箱。推進器可采用常規定距槳，也可采用吊艙槳。

雙燃料柴油機的主要特點是:采用燃油和天然氣（BOG）兩種燃料，功率較大，體積小，重量輕，占LNG船艙內空間小，有害排放物少。一艘雙燃料電力推進LNG船舶的推進效率大約是41%，發電裝置的效率大約是44%，而蒸汽輪機對應的效率才有29%和25%。

液貨艙載貨容積超過20萬立方米的大型LNG船在運輸過程中會產生大量的BOG，遠超過電力推進所需，故在大型LNG船上采用雙燃料電力推進裝置還有一些問題沒有解決。

4.1.3 雙低速柴油機聯合再液化裝置

目前采用雙低速柴油機聯合再液化裝置的LNG船舶是雙尾鰭結構，兩臺主機分別布置在兩個獨立的機艙內，主機通過離合器驅動傳動軸和定距槳。推力軸承位于離合器內，傳動軸有專用的鎖緊裝置。當一臺主機在海上或港口需要維修時，脫開離合器，用鎖緊裝置將傳動軸鎖緊。采用雙低速柴油機聯合再液化裝置的LNG船舶，主機可以采用傳統的二沖程低速柴油機和性能更為優越的智能柴油機。與蒸汽輪機30%左右的熱效率相比，柴油機的熱效率高得多，達50%左右，相應的CO2排放量更少。目前在造的LNG船舶大部分采用的是MAN B&W公司的ME系列主機，而再液化裝置采用的是總部位于英國的漢姆沃斯公司的MOSS型再液化裝置。

4.1.4 燃氣輪機和蒸汽輪機聯合電力推進裝置

燃氣輪機可以方便地利用LNG的BOG，隨著LNG船舶需求量大增，一些燃氣輪機公司紛紛提出了LNG船舶燃氣輪機推進方案。其中有代表性的是美國通用電器公司提出的采用LM2500型燃氣輪機的COGES方案，即燃蒸聯合電力推進裝置。系統包括兩臺簡單循環LM2500燃氣輪機，以LNG的BOG或者重油為燃料，各驅動一臺發電機，為驅動螺旋槳的兩臺電機和其他用電設備供應電力，電機通過減速齒輪箱驅動螺旋槳。燃氣輪機的廢氣各進入一個廢氣鍋爐產生蒸汽，所產生的蒸汽為一臺蒸汽輪機提供動力，蒸汽輪機驅動發電機也為推進電機和其他用電設備供電。

COGES系統的一個優勢就是能縮短發動機室的長度，燃氣輪機安裝所需空間小。為避免機艙有可燃天然氣的存在，燃氣輪機布置在居住甲板上。COGES系統具有燃料靈活性，可以燃用重燃油、蒸發氣或兩者的結合。

4.2 LNG船舶推進裝置的比較及選型結果

與蒸汽輪機相比，上面介紹的其他幾種LNG船舶推進動力裝置都具有各自的優點。很明顯，蒸汽輪機不再是常規或者大型LNG船舶推進裝置的最合適選擇，雙燃料電力推進裝置和雙低速柴油機聯合再液化裝置具有更好的營運經濟性。鑒于LNG船在航行過程中將不可避免地產生BOG，因此，無論是鍋爐汽輪機裝置、柴油機裝置，還是燃氣輪機裝置都應該優先使用BOG作為主燃料。對于一定航線一定船型的LNG船而言，選擇推進裝置時要考慮可靠性、冗余度、操縱性能、排放性和營運經濟性等基本要求。

在當前低排放綠色船舶的要求下，采用雙燃料電力推進方式更有發展前景，不過在大型LNG船上采用雙燃料電力推進裝置，目前尚有一些問題沒有解決。

初步選擇雙低速柴油機聯合再液化裝置，低速柴油機型號為HHM-MAN B&W 6S70ME-C8 Tier II。

5 結 語

本文對大型LNG船的船型作了簡介，對適合于大型LNG船的推進型式進行了分析研究和模型試驗研究，對用于LNG船舶的不同類型的推進裝置進行了比較分析。目標船的推進型式最后選定雙槳內旋推進方式，選用常規槳配雙低速柴油機聯合再液化裝置。

本項目在研究過程中，得到了嚴利民、宋吉衛、陳紅梅和劉小健等同志的大力支持，在此深表感謝。

［1］大型LNG船推進型式研究報告［R］.七○八研究所，2007 K24161-001-03-10，2010.

［2］LNG船螺旋槳設計研究報告［R］.七○八研究所，2007 K24161-001-03-11，2010.

［3］Two-stroke Propulsion Trends in LNG Carriers［R］.MAN Diesel A/S，Copenhagen，Denmark，2010.

［4］黃飛.LNG船推進系統的幾種方案［J］.航海技術，2006，（1）：52-54.

［5］劉雅玲，張道志.液化天然氣船推進裝置分析及探討［J］.船舶，2007，18（1）：34-42.