中小型LNG運輸船推進系統(tǒng)選型分析

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457)

隨著世界能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，各國對天然氣的需求量與日俱增，因此，LNG運輸船在造船工業(yè)中的份額不斷加大。近年來，LNG運輸船隊迅速增多，針對遠洋運輸?shù)拇笮蚅NG運輸船體積越來越龐大，新一代Qmax級LNG運輸船投入營運。另外，各國用于LNG各港口間調(diào)配運輸?shù)闹行⌒蚅NG運輸船隊伍也日漸壯大。

中小型LNG運輸船是LNG船型發(fā)展至今的一個新領(lǐng)域。中小型LNG運輸船是指艙容范圍在1 000 m3到80 000 m3的LNG船舶，在區(qū)域內(nèi)供應(yīng)數(shù)千噸至上萬噸的液化天然氣，可直接到達最終用戶。中小型LNG運輸船的設(shè)計建造技術(shù)和營運在北歐的挪威和亞洲的日本等國家已經(jīng)成熟運用，相比大型LNG運輸船和陸地槽罐車運輸具有周轉(zhuǎn)靈活、運輸成本低、受影響因素少、安全性高等優(yōu)點。中小型LNG運輸船可以廣泛應(yīng)用于大型LNG接收終端和LNG衛(wèi)星站之間的LNG二程轉(zhuǎn)運。對于那些位于沿海沿江地區(qū)的LNG衛(wèi)星站，采用中小型LNG運輸船的運輸方式可以大大提高運輸?shù)男屎桶踩裕?jié)約運輸成本。

目前在全球運營的LNG運輸船所配備的推進系統(tǒng)，主要有蒸汽輪機推進系統(tǒng)、中(低)速柴油機推進系統(tǒng)加再液化裝置和雙燃料電力推進系統(tǒng)(DFDE)等。

1 幾種常見LNG運輸船推進系統(tǒng)

1.1 蒸汽輪機推進系統(tǒng)

目前世界上運營的LNG運輸船大多采用雙燃料蒸汽輪機推進系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由鍋爐、蒸汽渦輪機、減速齒輪箱、冷凝器、蒸汽和給水管系，以及汽/水處理裝置組成。鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽通過蒸汽調(diào)節(jié)閥后分成兩路，一路蒸汽經(jīng)高壓渦輪機和低壓渦輪機進入主冷凝器；另一路蒸汽進入反向渦輪機進入主冷凝器，此路蒸汽的供應(yīng)由控制閥控制，可避免兩路蒸汽同時供應(yīng)造成渦輪機損壞。蒸汽渦輪機產(chǎn)生的動力推動傳動軸轉(zhuǎn)動再經(jīng)過減速齒輪減速后帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動推動船舶航行。從渦輪機排出的廢氣經(jīng)主冷凝器、密封壓蓋冷凝器、低壓加熱器、除氣器等設(shè)備后，再由主給水泵泵入鍋爐中。其工作原理見圖1。

圖1 蒸汽輪機推進系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)最大的優(yōu)點是充分利用了貨物蒸發(fā)氣，無須增添專用蒸發(fā)氣再液化裝置即可有效地控制貨艙壓力。但在全速航行的情況下，蒸發(fā)氣量不夠時，則需要燃燒重油來補充；其可靠性高且維護管理簡單，為LNG運輸船提供安全、環(huán)保和高度可靠的運輸。蒸汽輪機技術(shù)成熟可靠、動力強勁、傳動效率高，使用壽命長等。在制造、優(yōu)化設(shè)計、使用等過程中，不斷采用新的材料、理論、技術(shù)，改善其性能，不斷提高安全可靠性、耐用性，在保證運行方便的基礎(chǔ)上，增大單機功率和提高裝置的熱經(jīng)濟性。

然而，在蒸汽輪機推進系統(tǒng)的應(yīng)用中，也表現(xiàn)出了它自身的缺點，其致命弱點就是燃油效率低，一般在25%左右，即使高效蒸汽輪機推進系統(tǒng)能效只能提高到30%左右，這一點隨著國際能源格局變化、燃料價格上漲等因素顯得越來越突出；其次，蒸汽輪機冷機啟動時間長。雖然系統(tǒng)具有暖機設(shè)備但為防止蒸汽輪機外殼和轉(zhuǎn)子葉片變形、裂紋等情況，暖機時間還需要充分保證；另外，蒸汽輪機機動性能差。蒸汽輪機工作介質(zhì)為蒸汽，通過鍋爐調(diào)節(jié)蒸發(fā)量時間長，通過調(diào)節(jié)透平蒸汽調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)量也有限，調(diào)節(jié)過程中還要考慮過量蒸汽沖擊等問題，所以機動調(diào)節(jié)較差；再有，蒸汽輪機為高速回轉(zhuǎn)機構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，制造、裝配精度高，系統(tǒng)復(fù)雜，占用的有限空間較大，因此對蒸汽輪機的管理要求很高，船員培訓(xùn)取證也比較困難；還有蒸汽輪機體積大、管路復(fù)雜、噪聲大、低工況時油耗較高等一系列缺點[1]。

1.2 中(低)速柴油機推進系統(tǒng)加再液化裝置

中(低)速柴油機推進系統(tǒng)是其他類型的貨船普遍采用的方式：低速二沖程柴油機(或中速四沖程柴油機)通過齒輪箱、離合器直接驅(qū)動主推進軸槳裝置。主機燃油為重油(HFO)，柴油發(fā)電機燃油為重油(HFO)或柴油(MDO)。對于LNG運輸船來說，由于不能燃燒艙內(nèi)蒸發(fā)的蒸發(fā)天然氣(BOG)，需要配置再液化裝置或者燃燒塔以保證艙內(nèi)的蒸汽壓力維持正常水平。同時需要多配備1～2臺發(fā)電機組，提供足夠的電力供再液化裝置和艏側(cè)推裝置等其他設(shè)備使用。見圖2。

圖2 中(低)速柴油機推進系統(tǒng)的原理

該系統(tǒng)設(shè)備的配置顯得較為復(fù)雜，但是其推進系統(tǒng)與電力系統(tǒng)配置靈活，在日常運行中，表現(xiàn)出很好的匹配性。該推進系統(tǒng)主要有初始投資較低、設(shè)備選型范圍大、設(shè)備維護比較容易、對船員的素質(zhì)要求相對較低等優(yōu)點。但是其缺點也顯而易見：該系統(tǒng)燃油成本較大，既有主推進發(fā)動機，還有供全船的發(fā)電機，燃油需求量大，成本高；機艙空間利用率較差，較其他系統(tǒng)設(shè)備多，布置困難，占用空間大；該系統(tǒng)主、輔機燃用重油或柴油，二氧化碳、氮化物、硫化物排放量高，很難達到環(huán)保要求，而且由于設(shè)備較多，維護保養(yǎng)成本較大[2-3]。

1.3 雙燃料電力推進系統(tǒng)(DFDE)

新建LNG運輸船逐漸采用DFDE推進系統(tǒng)，這是新的趨勢。該系統(tǒng)的特點就是比蒸汽輪機節(jié)能15%～20%，其次是艙室利用率較高。比如一艘14.7萬m3的蒸汽輪機LNG運輸船，在船型不變的情況下，如果改成DFDE設(shè)計，那么其艙容就可以增加到16.0萬m3左右。在全球范圍內(nèi)，目前有7%左右的LNG運輸船采用了DFDE系統(tǒng)，都是應(yīng)用在2005年以后新建的LNG運輸船上。

DFDE推進系統(tǒng)主要有三種常見的主流電力推進方式：軸系推進系統(tǒng)、全回轉(zhuǎn)推進系統(tǒng)和吊艙式推進系統(tǒng)。主要由幾臺發(fā)電機組、配電盤、變壓器、變頻控制器、主推進電機馬達等構(gòu)成。主發(fā)電機組發(fā)出的電，一部分供LNG運輸船日常公用，一部分供船舶推進馬達使用，為LNG運輸船航行提供動力。其他的變壓器、變頻器等都是主馬達的輔助設(shè)備，為主馬達更加平穩(wěn)運行提供保障。LNG運輸船DFDE推進系統(tǒng)工作原理見圖3。

圖3 雙燃料電力推進系統(tǒng)(DFDE)原理示意

多年來，LNG運輸船電力推進技術(shù)得到了長足的發(fā)展，特別是近年來變頻技術(shù)和吊艙推進技術(shù)的發(fā)展，為電力推進技術(shù)的應(yīng)用和普及提供了極大的推動力。這一系統(tǒng)主要具有如下優(yōu)點。

1)冷機啟動時間短。在燃氣模式和燃油模式下，主機均能很快啟動。

2)低燃油消耗量。由于采用了貨物蒸發(fā)氣做燃料，減少了對傳統(tǒng)燃油的依賴和消耗，燃料費用大大減少。

3)電站冗余量較大，船舶安全性提高。

4)船舶操作較為靈便可靠。

5)后期維護成本較低，節(jié)省安裝、管理以及維修費用。

6)有效艙容增加，動力裝置占用空間小，布置靈活，載貨空間增大。

7)排放低，主要是排放廢氣中的NOx、SOx等含量低，產(chǎn)生的CO2排放物也少。

然而，雙燃料電力推進系統(tǒng)實踐時間較短，存在一定的風(fēng)險。電力推進LNG運輸船的初始建造成本較一般船舶高，前期投資比較大。本身是公認的高技術(shù)、高附加值船舶，建造和管理難度較大。另外該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，制造、裝配精度高，電氣系統(tǒng)復(fù)雜，對電氣工程師的設(shè)計水平要求較高[4]。

2 中小型LNG船推進系統(tǒng)選型

中小型LNG運輸船由于其主要以沿岸、中短途運輸為主，靠港頻繁，要求船舶具有良好的操縱性能。僅從這一點考慮，蒸汽輪機主要是使用在大型LNG運輸船上，在中小型LNG運輸船上作為主推進顯得優(yōu)勢不足。另外，在LNG運輸船的操作中，對船員的能力要求比較高，目前國內(nèi)難找[5]。

中(低)速柴油機推進系統(tǒng)加再液化裝置與DFDE推進系統(tǒng)相比較，對于LNG運輸船來講，貨艙的蒸發(fā)氣可以用來作為燃料，一方面能夠省去再液化裝置，另一方面能夠降低燃料成本，減少二氧化碳、硫化物及氮氧化物的排放，保護環(huán)境。這些優(yōu)勢是常規(guī)柴油機推進方式無法比擬的。

從經(jīng)濟性(航次成本)、船舶操縱靈活性、環(huán)境保護等各方面綜合考慮， 中小型LNG船是最適合運用DFDE作為主推進系統(tǒng)的船型。隨著DFDE技術(shù)的成熟和在船舶上的普及，2005～2009年4年間，DFDE推進系統(tǒng)在LNG運輸船上的裝機功率就從22.8 MW增長到了501.6 MW，增長了近22倍，越來越受到船東的青睞，是LNG運輸船推進系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。隨著設(shè)計的理論與方法正不斷完善，由于其技術(shù)、經(jīng)濟、排放等方面的優(yōu)勢，必然會有廣闊的發(fā)展前景。

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)的蒸汽渦輪推進系統(tǒng)仍在不斷完善改進，依舊占有重要地位。隨著對燃油經(jīng)濟性、船舶運行與管理、環(huán)境污染等因素的考慮，必將出現(xiàn)新的轉(zhuǎn)型升級。另外，鑒于LNG運輸船在航行過程中將不可避免地產(chǎn)生BOG，因此，無論是哪種推進裝置都應(yīng)該優(yōu)先使用BOG作為主燃料。LNG運輸船主推進裝置趨向從蒸汽渦輪推進轉(zhuǎn)變到柴油機推進，應(yīng)加快能燃燒蒸發(fā)氣BOG的雙燃料柴油機的開發(fā)進程。

隨著LNG運輸船各種推進技術(shù)的不斷完善，由于電力推進方式提供的電力既可以滿足推進裝置電力需求，還可以給全船系統(tǒng)供電，方便船舶動力布置，具有很高的冗余度和靈活性，未來將逐漸成為優(yōu)先考慮的方案。電力驅(qū)動吊艙推進器、螺旋槳軸系推進、全回轉(zhuǎn)推進等方式逐漸成為主流。

[1] 吳 窮，王建豐，王 沖，等．LNG運輸船的主動力裝置[J].熱能與動力工程，2009,(1):7-11.

[2] 黃 飛．LNG船推進系統(tǒng)的幾種方案[J].航海技術(shù)，2006,(1)：52-54.

[3] 劉 柱．幾種船舶推進系統(tǒng)的比較[J].青島遠洋船員學(xué)院學(xué)報.2003,(3)：40-44.

[4] 李永鵬，陳愛玲，汪 洋．新型LNG船舶采用雙燃料電力推進的優(yōu)勢分析[J].青島遠洋船員學(xué)院學(xué)報，2005,(4)：21-23.

[5] 范思奇．液化氣體船[M]．大連:大連海運學(xué)院出版社，1993．