小型LNG船推進方案綜述

林建輝，陸 晟

（1.中海油能源發展股份有限公司采油服務公司，天津 200457；2.上海船舶研究設計院，上海 200032）

0 引 言

隨著人們對清潔能源的需求越來越多，對液態天然氣（LNG）的需求也隨之增加。許多沿海的小型LNG接收站應運而生，這種小型LNG接收站一般不具備接收傳統大型LNG船的能力，因此它的貨源不是來自上游天然氣液貨終端（出口國），而是來自鄰近的大型LNG接收終端。這一新的產業鏈模式催生了小型LNG運輸船，用于大型LNG接收終端到小型LNG接收站之間的LNG二程運輸。

1 小型LNG船推進方案

LNG運輸船由于其運送貨物的特殊性，在選擇推進系統時，必須結合貨物自然蒸發氣的處理方式來考慮[1]。傳統大中型LNG船的推進系統有雙燃料蒸汽透平引擎；燃油內燃機加再液化站（DRL）；雙燃料發動機（DF）等3種形式。

蒸汽透平因具可靠性及處理貨物蒸發氣能力，成為早期的LNG船的主流推進裝置[2]。2008年由滬東中華造船集團建造的“大鵬昊”號就是采用此種推進方式，蒸汽透平一般用于功率較大的船舶，對機艙空間的要求較高。以常規LNG船為例，機艙長度一般在50m或超過50m，即使是20000m3左右的小船，機艙長度也有40m左右。由于蒸汽透平的效率較低，在大型LNG船上的應用也越來越少，因此不推薦在小型LNG運輸船上使用此類推進方案。

燃油內燃機加再液化站（DRL）可以保證到港的貨物不減少。但是蒸發氣再液化需要消耗能源，如果油價持續走高，則運營成本會不斷增加。其優點是貨物系統可以完全與推進系統分離。卡塔爾在韓國定制的部分Q-Flex和Q-Max系列船采用了該形式。

雙燃料發動機（DF）的效率要好于蒸汽透平。隨著低壓雙燃料發動機的成熟，越來越多的船東選擇雙燃料電力推進系統。2004年，世界上首條DFDE系統LNG船交船，其后有超過50條的LNG船選擇了DFDE系統。

對于小型LNG船來說，可選擇的推進系統有：常規內燃機（HFO）；雙燃料發動機機械推進（DFM）；雙燃料發動機電力推進（DFDE）；純天然氣發動機推進（GM）等4種形式。

1.1 常規內燃機推進

日本2500m3LNG船“真珠丸”號，采用常規內燃機，不設置再液化裝置。但該船型有其特殊性：艙容較小，2個貨艙，每艙1250m3；單次航程僅200n mile，且航行時間不到20h。為了控制艙內的溫度和壓力，貨艙增設了Shower降溫設備，并由電力輔助推進（PTI）提供緊急推進能力。這種配置的最大優勢是造價低，建造簡單。但是由于缺少主動的貨物溫度壓力控制裝置，不適用于大艙容，航程遠的 LNG運輸船。

歐洲某船東建造的10000m3LPG/LNG多用途船是“DRL”配置的典型例子。采用了常規低速機加小型LNG再液化站的配置。外加LNG燃燒單元（GCU）作為安全裝置。該類配置的優點在于采用了兩項主動式貨物溫度壓力控制裝置——再液化和GCU，貨物系統的安全冗余度高。缺點是再液化天然氣需要消耗能量。另外，再液化裝置和GCU的價格高昂，會抵消掉配置常規柴油機帶來的價格優勢。

1.2 雙燃料發動機機械推進

以雙燃料發動機取代常規柴油機作為主機，驅動軸系和螺旋槳，目前的雙燃料發動機必須配置可調螺距槳。

雙燃料發動機分為高壓燃氣噴射發動機（GD）和低壓雙燃料發動機（DF）。高壓機的優點在于效率高，缺點是對燃氣壓力要求高，一般超過30MPa，因此市場份額很小。本文所指雙燃料發動機僅指低壓雙燃料發動機。

目前缺乏采用雙燃料發動機機械推進方案的LNG運輸船實船運營資料。德國邁爾船廠建造的16000m3LNG運輸船采用DFM推進方案，將于2012年交船。

1.3 雙燃料發動機電力推進

DFDE推進方案已經被廣泛地應用于 LNG運輸船上。其優點是可直接采用貨物系統的自然蒸發氣作為機艙燃料。發動機既是主推進的原動機，又是貨物系統的溫度壓力控制裝置，省去了安裝價格昂貴的再液化設備。

1.4 純天然氣發動機電力推進

純天然氣發動機是電火花點火的氣體發動機，工作原理與汽油機類似。優點是效率高，燃氣要求壓力低，動態響應性能好。缺點是燃料冗余度不佳，由于只能燃用天然氣，一旦 LNG貨物系統的應急切斷系統被觸發，主機將失去燃料供應。

荷蘭船東AnthonyVeder于2007年交船的“珊瑚甲烷”號配置了純天然氣發動機和燃油發動機2套機艙，并采用全回轉舵槳電力推進系統。這種方案解決了主機燃油冗余度的問題，但是初期投資大。在大型LNG運輸船的電力推進方案中，還未見采用。

2 小型LNG船推進系統選型方法

小型LNG船的推進系統選型可以分成2個步驟，首先確定使用何種燃料，然后再確定是采用機械推進還是電力推進。

2.1 燃料選擇

目前船用的燃料主要有重油（HFO），船用柴油（MDO）和輕質柴油（MGO）。HFO的價格最低，一般用于主機。MDO和MGO的價格接近，一般要比重油的價格高40%～50%左右，因此在船上主要用于輔機和應急發電機。重油屬于蒸餾后的殘渣油，含較多的顆粒雜質，含硫量也較高，因此對環境的污染很大。在一些排放控制區域（ECA），含硫量高的燃油已被禁止使用。

隨著各國政府對環境問題的日益重視，對能源的環保要求也越來越高。天然氣是一種清潔能源，主要用于LNG運輸船。目前歐洲已經在客滾船上使用LNG。

和傳統燃料油相比，天然氣燃料具有以下優勢：1)降低排放污染物。NOx減少約80%～90%； SOx接近零排放；CO2排放減少約20%～25%；顆粒雜質接近零排放。不同推進方式排放對比見圖1。根據國際海事組織的要求，對氮氧化物排放的要求會越來越高。采用天然氣為能源的發動機可以滿足IMO Tier III的要求，見圖2。

圖1 不同燃料排放對比

圖2 IMO對氮氧化物排放要求

2)天然氣的價格優勢。天然氣具有豐富的儲量，據BP統計，天然氣的探明儲量約為62.8年開采量，而石油為45.7年[3]。近年來，原油價格不斷上漲，而天然氣的價格則相對較低。近年的價格走勢見圖3。

與傳統燃料油相比，天然氣燃料的缺點是：發動機的初始投資大，可選機型較少。以W?rtsil?的雙燃料機和Rolls-Royce的純氣機為例，其可供的機型如表1所示。和傳統柴油機相比，同功率的雙燃料機/天然氣發動機的價格要高40%～60%，這會直接造成投資加大。

圖3 燃料價格

表1 雙燃料機和純天然氣機機型

2.2 推進方式選擇

確定采用何種燃料后，再選擇機械或電力推進方式。

1)采用重油為燃料。采用重油為燃料的目的主要是為了采用常規的船用主機，以降低初始投資成本。因此適合選用常規的機械推進方式。對于小型LNG運輸船，根據其功率要求，可配置低速或中速柴油機。由于貨物的自然蒸發氣無法用作燃料消耗掉，還需要配置獨立的蒸發氣處理設備。最簡單可靠的是安裝投資較低的氣體燃燒單元（GCU）。對于小型LNG運輸船，一個GCU的價格約為40萬～60萬美元。缺點是貨物蒸發氣不能被有效利用，嚴重浪費能源。還有一種方案就是安裝天然氣再液化裝置。可以把貨物的自然蒸發氣重新液化，回到貨艙。優點是沒有貨物損耗，缺點是投資大且能耗高。以10000m3LNG船為例，其小型再液化裝置的造價約為300萬美元，功耗則達到約2500kW。

2)采用天然氣為燃料。在發動機的選擇上有雙燃料發動機和純天然氣發動機2種機型。純天然發動機的效率和動態響應性能優于雙燃料發動機，但目前存在燃油冗余度低[4]，可選機型少等缺點，在LNG運輸船上的應用還有待研究。雙燃料發動機的最大優勢是在燃氣供應停止的情況下，可立刻啟動燃油模式，安全冗余度高，因此在大型LNG運輸船上已經得到廣泛應用。

采用雙燃料發動機作為原動機，既可以選擇機械推進方式，也可以選擇電力推進方式。機械推進的優勢在于其初始投資低于電力推進，在航行期間的推進效率由于減少了電能轉換的中間環節也略高于電力推進。電力推進的優勢則在于全船的電站統一管理，可以減少總裝機容量，機艙布置靈活，推進系統的冗余度高，推進器可無級調速，不需采用調距槳。

目前，雙燃料機直接用于機械推進的實際案例較少，其工程應用的效果還需時間檢驗。但是這種推進方式既能充分發揮天然氣這一清潔能源的優勢，造價又低于雙燃料電力推進系統，因此是一個值得研究的課題。

3 結 語

小型LNG船是當前造船市場上的一個熱門話題，但是對該型船的推進系統尚缺乏系統的研究。本文通過對多種小型LNG運輸船的推進系統進行比較發現，該船型的推進方案選擇多樣，且各有優劣，如表2所示。在實際選擇推進方案時，可根據船東的要求，營運區域的環境政策法規作最合適的選擇。

表2 各種推進方案總結

[1] 中國船級社.散裝運輸液化氣體船舶構造與設備入級規范[R]，2005.

[2] 陳建國等.LNG船建造技術的消化吸收與自主創新[J].上海造船，2010, (1): 22-25.

[3] 胡 健.船舶替代能源的發展與展望分析[J].上海造船，2010, (3): 39-42.

[4] 中國船級社.雙燃料發動機系統設計與安裝指南[R].2007.