小型LNG船推进方案综述

2012-05-07林建辉

船舶与海洋工程 2012年3期

林建辉，陆晟

（1.中海油能源发展股份有限公司采油服务公司，天津 200457；2.上海船舶研究设计院，上海 200032）

0 引言

随着人们对清洁能源的需求越来越多，对液态天然气（LNG）的需求也随之增加。许多沿海的小型LNG接收站应运而生，这种小型LNG接收站一般不具备接收传统大型LNG船的能力，因此它的货源不是来自上游天然气液货终端（出口国），而是来自邻近的大型LNG接收终端。这一新的产业链模式催生了小型LNG运输船，用于大型LNG接收终端到小型LNG接收站之间的LNG二程运输。

1 小型LNG船推进方案

LNG运输船由于其运送货物的特殊性，在选择推进系统时，必须结合货物自然蒸发气的处理方式来考虑[1]。传统大中型LNG船的推进系统有双燃料蒸汽透平引擎；燃油内燃机加再液化站（DRL）；双燃料发动机（DF）等3种形式。

蒸汽透平因具可靠性及处理货物蒸发气能力，成为早期的LNG船的主流推进装置[2]。2008年由沪东中华造船集团建造的“大鹏昊”号就是采用此种推进方式，蒸汽透平一般用于功率较大的船舶，对机舱空间的要求较高。以常规LNG船为例，机舱长度一般在50m或超过50m，即使是20000m3左右的小船，机舱长度也有40m左右。由于蒸汽透平的效率较低，在大型LNG船上的应用也越来越少，因此不推荐在小型LNG运输船上使用此类推进方案。

燃油内燃机加再液化站（DRL）可以保证到港的货物不减少。但是蒸发气再液化需要消耗能源，如果油价持续走高，则运营成本会不断增加。其优点是货物系统可以完全与推进系统分离。卡塔尔在韩国定制的部分Q-Flex和Q-Max系列船采用了该形式。

双燃料发动机（DF）的效率要好于蒸汽透平。随着低压双燃料发动机的成熟，越来越多的船东选择双燃料电力推进系统。2004年，世界上首条DFDE系统LNG船交船，其后有超过50条的LNG船选择了DFDE系统。

对于小型LNG船来说，可选择的推进系统有：常规内燃机（HFO）；双燃料发动机机械推进（DFM）；双燃料发动机电力推进（DFDE）；纯天然气发动机推进（GM）等4种形式。

1.1 常规内燃机推进

日本2500m3LNG船“真珠丸”号，采用常规内燃机，不设置再液化装置。但该船型有其特殊性：舱容较小，2个货舱，每舱1250m3；单次航程仅200n mile，且航行时间不到20h。为了控制舱内的温度和压力，货舱增设了Shower降温设备，并由电力辅助推进（PTI）提供紧急推进能力。这种配置的最大优势是造价低，建造简单。但是由于缺少主动的货物温度压力控制装置，不适用于大舱容，航程远的 LNG运输船。

欧洲某船东建造的10000m3LPG/LNG多用途船是“DRL”配置的典型例子。采用了常规低速机加小型LNG再液化站的配置。外加LNG燃烧单元（GCU）作为安全装置。该类配置的优点在于采用了两项主动式货物温度压力控制装置——再液化和GCU，货物系统的安全冗余度高。缺点是再液化天然气需要消耗能量。另外，再液化装置和GCU的价格高昂，会抵消掉配置常规柴油机带来的价格优势。

1.2 双燃料发动机机械推进

以双燃料发动机取代常规柴油机作为主机，驱动轴系和螺旋桨，目前的双燃料发动机必须配置可调螺距桨。

双燃料发动机分为高压燃气喷射发动机（GD）和低压双燃料发动机（DF）。高压机的优点在于效率高，缺点是对燃气压力要求高，一般超过30MPa，因此市场份额很小。本文所指双燃料发动机仅指低压双燃料发动机。

目前缺乏采用双燃料发动机机械推进方案的LNG运输船实船运营资料。德国迈尔船厂建造的16000m3LNG运输船采用DFM推进方案，将于2012年交船。

1.3 双燃料发动机电力推进

DFDE推进方案已经被广泛地应用于 LNG运输船上。其优点是可直接采用货物系统的自然蒸发气作为机舱燃料。发动机既是主推进的原动机，又是货物系统的温度压力控制装置，省去了安装价格昂贵的再液化设备。

1.4 纯天然气发动机电力推进

纯天然气发动机是电火花点火的气体发动机，工作原理与汽油机类似。优点是效率高，燃气要求压力低，动态响应性能好。缺点是燃料冗余度不佳，由于只能燃用天然气，一旦 LNG货物系统的应急切断系统被触发，主机将失去燃料供应。

荷兰船东AnthonyVeder于2007年交船的“珊瑚甲烷”号配置了纯天然气发动机和燃油发动机2套机舱，并采用全回转舵桨电力推进系统。这种方案解决了主机燃油冗余度的问题，但是初期投资大。在大型LNG运输船的电力推进方案中，还未见采用。

2 小型LNG船推进系统选型方法

小型LNG船的推进系统选型可以分成2个步骤，首先确定使用何种燃料，然后再确定是采用机械推进还是电力推进。

2.1 燃料选择

目前船用的燃料主要有重油（HFO），船用柴油（MDO）和轻质柴油（MGO）。HFO的价格最低，一般用于主机。MDO和MGO的价格接近，一般要比重油的价格高40%～50%左右，因此在船上主要用于辅机和应急发电机。重油属于蒸馏后的残渣油，含较多的颗粒杂质，含硫量也较高，因此对环境的污染很大。在一些排放控制区域（ECA），含硫量高的燃油已被禁止使用。

随着各国政府对环境问题的日益重视，对能源的环保要求也越来越高。天然气是一种清洁能源，主要用于LNG运输船。目前欧洲已经在客滚船上使用LNG。

和传统燃料油相比，天然气燃料具有以下优势：1)降低排放污染物。NOx减少约80%～90%； SOx接近零排放；CO2排放减少约20%～25%；颗粒杂质接近零排放。不同推进方式排放对比见图1。根据国际海事组织的要求，对氮氧化物排放的要求会越来越高。采用天然气为能源的发动机可以满足IMO Tier III的要求，见图2。

图1 不同燃料排放对比

图2 IMO对氮氧化物排放要求

2)天然气的价格优势。天然气具有丰富的储量，据BP统计，天然气的探明储量约为62.8年开采量，而石油为45.7年[3]。近年来，原油价格不断上涨，而天然气的价格则相对较低。近年的价格走势见图3。

与传统燃料油相比，天然气燃料的缺点是：发动机的初始投资大，可选机型较少。以Wärtsilä的双燃料机和Rolls-Royce的纯气机为例，其可供的机型如表1所示。和传统柴油机相比，同功率的双燃料机/天然气发动机的价格要高40%～60%，这会直接造成投资加大。

图3 燃料价格

表1 双燃料机和纯天然气机机型

2.2 推进方式选择

确定采用何种燃料后，再选择机械或电力推进方式。

1)采用重油为燃料。采用重油为燃料的目的主要是为了采用常规的船用主机，以降低初始投资成本。因此适合选用常规的机械推进方式。对于小型LNG运输船，根据其功率要求，可配置低速或中速柴油机。由于货物的自然蒸发气无法用作燃料消耗掉，还需要配置独立的蒸发气处理设备。最简单可靠的是安装投资较低的气体燃烧单元（GCU）。对于小型LNG运输船，一个GCU的价格约为40万～60万美元。缺点是货物蒸发气不能被有效利用，严重浪费能源。还有一种方案就是安装天然气再液化装置。可以把货物的自然蒸发气重新液化，回到货舱。优点是没有货物损耗，缺点是投资大且能耗高。以10000m3LNG船为例，其小型再液化装置的造价约为300万美元，功耗则达到约2500kW。

2)采用天然气为燃料。在发动机的选择上有双燃料发动机和纯天然气发动机2种机型。纯天然发动机的效率和动态响应性能优于双燃料发动机，但目前存在燃油冗余度低[4]，可选机型少等缺点，在LNG运输船上的应用还有待研究。双燃料发动机的最大优势是在燃气供应停止的情况下，可立刻启动燃油模式，安全冗余度高，因此在大型LNG运输船上已经得到广泛应用。

采用双燃料发动机作为原动机，既可以选择机械推进方式，也可以选择电力推进方式。机械推进的优势在于其初始投资低于电力推进，在航行期间的推进效率由于减少了电能转换的中间环节也略高于电力推进。电力推进的优势则在于全船的电站统一管理，可以减少总装机容量，机舱布置灵活，推进系统的冗余度高，推进器可无级调速，不需采用调距桨。

目前，双燃料机直接用于机械推进的实际案例较少，其工程应用的效果还需时间检验。但是这种推进方式既能充分发挥天然气这一清洁能源的优势，造价又低于双燃料电力推进系统，因此是一个值得研究的课题。