7萬t油輪采用LNG燃料動力系統(tǒng)可行性分析

羅文忠

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

截至2015年底，我國內(nèi)河新建完成LNG燃料的船舶數(shù)量為62艘，其中通過交通部水科院(示范船認定單位)技術認定的56艘，已得到補貼的29艘。此外，申請并通過水科院評估的新造示范船1 495艘，正在建造400艘左右。從船型來看，主要為干散貨船，絕大部分以LNG作為單燃料，少量為雙燃料形式。從載重噸來看，國內(nèi)船舶載重噸較小，通常在幾百至幾千噸之間[1]。油船采用LNG雙燃料動力系統(tǒng)將越來越受到船東的青睞。

油船采用LNG燃料動力系統(tǒng)，面臨著LNG燃料加注問題，需要對相關LNG加注的法規(guī)規(guī)范進行梳理，以指導船舶的設計、建造及運營。

1 國內(nèi)LNG航運政策法規(guī)分析

在LNG運輸方面相關規(guī)范主要為中國船級社頒布的《散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設備規(guī)范》和《內(nèi)河散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設備規(guī)范》，主要指南為中國海事局頒布的《薄膜型液化天然氣運輸船檢驗指南》和《船體結(jié)構(gòu)疲勞指南》。此外，2009年交通部發(fā)布了《液化天然氣碼頭設計規(guī)范》，并在2016年9月28日，進行修訂。相關規(guī)范的完善與修訂為LNG在沿海運輸提供了可靠的安全保障，并為在將來LNG從沿海接收站用小船向內(nèi)河用戶輸送打下了基礎。

從2008年開始，中國船級社先后頒布了《氣體燃料動力船檢驗指南(2008/2011)》《雙燃料動力船檢驗驗船師須知(2011)》《天然氣燃料動力船規(guī)范》和《雙燃料發(fā)動機系統(tǒng)及設計與安裝指南(2007)》等關于LNG動力船方面的規(guī)范；中國船級社還發(fā)布了《關于明確LNG動力船舶改造試點工作有關事宜的通知》《LNG燃料動力試點船舶技術要求》和《內(nèi)河天然氣燃料動力船舶法定檢驗暫行規(guī)定(2013)》等船用LNG方面的指導性文件。目前我國在LNG動力船改造與新建、動力系統(tǒng)、船舶安全檢驗、主要設備方面的技術標準與規(guī)范日漸完善[2]。

通過近幾年的發(fā)展，水上LNG加注的技術標準逐步得到完善，加注方式也實現(xiàn)了多樣化，相關的政策始終朝著有效推動LNG在水上應用的方向發(fā)展，目前需解決的是應用風險分析，進行有效的風險管理手段，改進和提高LNG加注作業(yè)的安全水平，減少管理部門對LNG安全方面的疑慮；同時加大LNG動力船動力系統(tǒng)的改造與升級技術的研發(fā)，輔以一定的行業(yè)激勵政策，能更大程度推動船舶采用LNG燃料動力的發(fā)展。

2 雙燃料主機選型分析

2.1 主機系統(tǒng)選型

對于7萬t油船，通常采用低速機通過齒輪箱單槳直推的方式。適用于油輪的LNG燃料動力主機，目前主要有純?nèi)細鈾C、燃油燃氣雙燃料主機，二者在技術上都比較成熟，而且都有很好的應用業(yè)績。但是目前純?nèi)細鈾C供貨廠家只有Rolls-Royce，而雙燃料主機有MAN和WINGD。同時，雙燃料主機MAN和WINGD機型在功率覆蓋范圍比較相似，能夠滿足該型油輪的使用，但兩者的最大區(qū)別主要是供氣系統(tǒng)不同。

2.2 雙燃料低速主機的特點

現(xiàn)在國際市場上大型商船上使用的雙燃料低速主機廠家主要是MAN B&W和WINGD，這2家產(chǎn)品工作原理和技術特點對比見表1。

由表1可以看出，MANB&W和WINGD的雙燃料低速主機各有特點。MAN主機由于采用Diesel循環(huán)高壓供氣系統(tǒng)，MCR功率沒有折減，因此在同樣功率情況下，MAN的機型初投資略低。如果考慮主機排氣滿足Tier III，則增加排氣后處理裝置后，MAN的主機初投資略高[5]。

表1 2種雙燃料低速主機性能比較

2.3 機型選型結(jié)論

為了應對日益提高的排放要求，選用以清潔燃料LNG為主要燃料的雙燃料主機是很好的選擇。采用LNG為燃料，主機排放可滿足燃油硫含量質(zhì)量分數(shù)0.1%的標準；MAN的雙燃料主機在燃氣模式下可滿足Tier II的NOx排放要求，而WINGD的雙燃料主機在燃氣模式下直接可滿足Tier III的NOx排放要求。而且，由于LNG的碳轉(zhuǎn)換系數(shù)為2.75，較MDO等燃油的碳轉(zhuǎn)換系數(shù)小15%左右，因此更容易滿足EEDI指數(shù)的相關要求。

從長遠考慮，如果船舶排放都滿足Tier III，則MAN機型要增加尾氣處理系統(tǒng)，而WINGD機型則無需增加附屬設施。因此，綜合考慮主機、排放處理及供氣系統(tǒng)的投資來看，MAN機型比WINGD投資要高出數(shù)百萬元。此外，MAN 機型采用的高壓供氣系統(tǒng)(壓力為30 MPa)，其泄漏風險要比采用低壓系統(tǒng)的WINGD機型高，且國內(nèi)低壓供氣系統(tǒng)技術及其設備更為成熟，造價也相對較低。

綜合考慮，對于7萬t油船的雙燃料主機建議采用WINGD 機型。

2.4 燃料罐估算

主機參數(shù)為CMCR 9 000 kW×88 r/min， CSR 7 900 kW×84.3 r/min(87.78% CMCR)。主機型號考慮MAN B&W 5S60ME-C10.5 GI或WINGD W5X62DF，由于航線的原因暫時僅考慮滿足Tier II的排放要求。這2款主機對應的油耗及氣耗見表2、3。

表2 WINGD W5X62DF Tier II ISO工況下油耗

表3 WINGD W5X62DF Tier II ISO工況下氣耗

現(xiàn)有船舶應用的LNG儲罐通常采用A型艙、SPB型艙、C型艙和薄膜艙，各有優(yōu)缺點。油船貨艙區(qū)主甲板有較大的可利用面積，為了盡量不影響裝貨量，考慮將LNG艙布置在貨艙區(qū)的主甲板上。同時兼顧成本和布置的可行性，C型艙最合適[4]。

LNG燃料的續(xù)航力可根據(jù)船舶的實際運營航行設計，以4 000、6 000及8 000 n mile分別計算。根據(jù)WINGD主機單位氣耗，相應的LNG罐容積計算結(jié)果見表4。

表4 LNG罐容容計算結(jié)果

根據(jù)計算，實取LNG罐容積分別為2×500 m3，2×725 m3，2×1 000 m3。對于這3種儲罐，考慮油船兼顧國內(nèi)和國際航線，為了便于運輸調(diào)度，按照續(xù)航能力8 000～10 000 n mile，考慮選擇2個1 000 m3LNG儲罐，布置在貨艙區(qū)主甲板上布置。

3 結(jié)論

近年來，雖然LNG燃料動力在航運業(yè)取得了快速發(fā)展，但是7萬t傳統(tǒng)油船基本采用蒸汽渦輪或者低速重油/柴油機推進系統(tǒng)，在現(xiàn)有航運市場占有主要地位。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，近海及遠洋油船推進系統(tǒng)必將出現(xiàn)新的轉(zhuǎn)型升級，采用LNG雙燃料動力推進系統(tǒng)將成為趨勢。

在LNG燃料動力系統(tǒng)設計中，必須充分考慮國內(nèi)外及行業(yè)法律法規(guī)的影響，結(jié)合國內(nèi)外已有LNG動力船舶的運行現(xiàn)狀、技術能力，以及其相關政策和規(guī)范，油船采用LNG燃料在政策、法規(guī)、規(guī)范支持方面有規(guī)范可依。

根據(jù)船舶的尺度和航行范圍，從LNG燃料補給的安全性及可靠性考慮，油船采用雙燃料主機推進系統(tǒng)將能夠滿足船舶的運營。且采用低壓主機系統(tǒng)在環(huán)保、綜合投資、安全性及供氣系統(tǒng)國產(chǎn)化技術成熟度方面存在較大優(yōu)勢。