LNG船推进装置对比分析

宋 丹，郭 强

（1.曼恩动力设备（上海）有限公司，上海 201203；2.陕西省交通厅航运管理局，陕西 西安 710003）

LNG船推进装置对比分析

宋 丹1，郭 强2

（1.曼恩动力设备（上海）有限公司，上海 201203；2.陕西省交通厅航运管理局，陕西 西安 710003）

以174000m3液化天然气（Liquefied Natural Gas, LNG）船为例，对LNG船采用双燃料发动机时采用何种推进装置最为经济进行研究。从推进装置的初投资成本和运营成本的角度出发，对比分析现代 LNG船广泛采用的2种推进方式（机械推进和电力推进）在使用双燃料机时的经济性，为船舶设计院及船东设计和建造LNG船提供参考。通过研究发现：二冲程双燃料机械推进装置在推进效率、运营成本和初投资成本方面均优于四冲程双燃料电力推进装置。

液化天然气船；双燃料机；运营成本；初投资成本

0 引 言

随着人们的海洋环境保护意识不断增强，一些国家和地区针对某些特定的海域相应地制定出一系列船舶柴油机排放方面的法规，比如波罗的海地区的硫氧化物控制区和北美的氮氧化物控制区等。

与传统的柴油和重油相比，天然气作为一种清洁能源得到了全球的普遍认可。世界上首艘LNG船为“Forerunner Suehiro Maru 8”号[1]，总容积只有150m3；第2艘LNG船为27400m3容积的“Methane Princess”号，于1964年投入运营，采用蒸汽透平推进装置[2]。在此后的很长一段时间内，LNG船都采用蒸汽透平推进装置。

由于蒸汽透平推进装置的效率较低，因此目前建造的LNG船已很少采用这种推进装置。随着各大柴油机厂商相继推出双燃料机，双燃料二冲程机械推进和双燃料四冲程电力推进已成为LNG船推进装置的首选方式。这里以某174000m3LNG船为例，对比分析双燃料二冲程机械推进装置与双燃料四冲程电力推进装置的经济性。

1 不同推进装置分析

1.1 船型参数

该174000m3LNG船的船型参数见表1。LNG船在不同航线上的航行状态会所有不同，但大致可分为8种（见表2）。

表1 某174000m3LNG船的船型参数

表2 LNG船航行状态

1.2 双燃料二冲程机械推进装置分析

根据“1.1”节中给出的参数，考虑到机械轴系推进效率的损失为1%，单台二冲程双燃料机的推进功率为12650kW。因此，主机选型为2台MAN的5G70ME-C9.5-GI，SMCR为12650kW×70.6r/min。发电机组为3台6L35/44DF，功率为12700kW。具体二冲程机械推进装置配置示意见图1。

LNG船在航行过程中，其货舱中的LNG会产生挥发气[3]（Boil Off Gas, BOG），若不及时进行处理，会使货舱压力升高而产生危险。BOG的处理方式[4]主要有：

1 ) 通过再液化装置再液化后送回货舱中储存；

2 ) 经过处理后输送给船用设备（如双燃料主机、双燃料发电机组及双燃料锅炉等）作为燃料使用；

3 ) 通过燃烧装置烧掉。

具体选择何种处理方式需根据船舶的运行特点、燃油/燃气使用的比例及BOG生成量等因素来决定。

由于所研究的船型较大，BOG的生成量较多，因此采用将BOG通过压缩机加压后输送给双燃料主机和发电机组使用的处理方式，同时增加一个供气单元保证可将处理后的LNG供给主机和发电机组使用[5]，具体供气系统配置图见图2。

由于LNG的挥发率在船舶满载和空载状态下是不同的，因此BOG的生成量在船舶不同状态下也不相同。同时，船舶在不同状态下航行时，主机和发电机组的输出功率及对BOG的消耗量也是不同的。该船BOG具体的供需情况见表3。

由表3可知：当船舶在满载状态下慢速航行时（如过巴拿马运河时），其BOG生成量远大于双燃料主机与发电机组的总需求量，由于船上没有安装再液化装置，因此剩余的BOG需通过燃烧装置消耗掉；而当船舶压载航行时，货舱中残留的LNG生成的BOG无法满足双燃料主机和发电机的需求。采用双燃料二冲程机械推进装置船舶全船的电功率消耗见表4。

表3 采用双燃料二冲程机械推进装置船舶的BOG供需情况

表4 采用双燃料二冲程机械推进装置船舶全船的电功率消耗 kW

1.3 双燃料四冲程电力推进装置分析

根据“1.1”节中给出的参数，考虑到电力推进的效率损失约为12.4%[6]，单桨需提供的推进功率为14296kW，总推进功率为28592kW。因此，主机选型为4台MAN的9L51/60DF，总功率为36000kW。具体四冲程电力推进装置配置示意见图3。由于四冲程推进装置的单位燃料消耗高于二冲程推进装置，当船舶满载航行时货舱内的BOG不能满足双燃料机的需求，因此对于双燃料四冲程电力推进装置，通常不安装再液化装置。BOG的供需情况见表5。

表5 采用双燃料四冲程电力推进装置船舶的BOG供需情况

由表5可知：当船舶满载和压载航行时，BOG的生成量不能满足电力推进装置的需求，需额外使用燃油来补充或使用强制挥发装置生成额外的BOG。采用双燃料四冲程电力推进装置船舶全船的电功率消耗见表6。

表6 采用双燃料四冲程电力推进装置船舶全船的电功率消耗 kW

2 2种推进装置的经济性比较

MAN是世界领先的船用柴油机设计及制造厂商，已成功研发出二冲程双燃料机和四冲程双燃料机。双燃料机在使用燃气时，需用少量的点火油来引燃气缸内的天然气。二冲程双燃料机点火油的比例为3%，当主机负荷＜10%时，主机无法使用燃气，主机控制系统会自动切换到燃油模式。四冲程双燃料机点火油的比例为1%。不同种类燃料的价格及低热值见表7。

表7 不同种类燃料的价格及低热值

2.1 运营成本比较

从MAN的官方网站中得到双燃料机在不同负荷下的燃料消耗，对各数据进行整理，结果见表8。

表8 双燃料机在不同负荷下的燃料消耗值

对于运营成本的比较，除了考虑燃料的消耗之外，还要考虑滑油消耗、维修保养成本及更换备件的成本等。

二冲程机汽缸油的消耗量为0.6g/(kW·h)，系统油消耗量为6.5kg/(缸/d)；四冲程机滑油消耗量为0.5g/(kW·h)。

根据MAN的售后维修服务经验，对于二冲程双燃料机，其每年的维修保养成本约为11美元/kW；对于四冲程双燃料机，其每年的维修保养成本约为25美元/kW，最高可达45美元/kW。

综上，可得到二冲程双燃料机机械推进与四冲程双燃料机电力推进的运营成本比较见图4。

2.2 初投资成本比较

对于174000m3LNG船推进装置的选取，还需对每种推进方式的投资建造成本进行比较分析。通过向MAN公司及推进装置相关辅助设备厂商询价，统计得出2种推进方式的建造成本见表9。

表9 2种推进方式的建造成本比较 100万美元

3 结 语

通过对174000m3LNG船的二冲程双燃料机械推进装置和四冲程双燃料电力推进装置的运营成本及初投资成本进行分析比较，可得出：

1 ) MAN二冲程双燃料机配合固定螺距螺旋桨具有较高的推进效率；

2 ) 二冲程双燃料机械推进装置的运营成本相对较低；

3 ) 二冲程双燃料机械推进装置的初投资成本相对较低。

综合分析比较运营成本、初投资成本及推进效率可得出，二冲程双燃料机械推进装置对于大型 LNG船而言比较经济，已被越来越多的船东所采用。

[1] 彭岩，朱玉崧.LNG船舶推进装置对比分析[J].世界海运，2008, 31 (2): 36-37.

[2] 张则松，王言英.LNG运输船船型浅析[J].船舶工程，2003, 25 (4): 25-30.

[3] 蒋玮，朱新礼.液化天然气作为船用燃料的可行性研究[J].船舶与海洋工程，2013, (3): 74-78.

[4] MAN.ME-GI Dual Fuel MAN Engines [EB/OL].Copenhagen, MAN, 2003.http://marine.man.eu/two-stroke/technical-papers.

[5] 唐浩.双燃料发动机燃气供给系统设计[J].船舶与海洋工程，2014 (4): 43-49.

[6] MAN.Propulsion Trends in LNG Carrier [EB/OL].Copenhagen, MAN, 2011.http://marine.man.eu/two-stroke/technical-papers.

Analysis and Comparison of Main Propulsion Units for LNG Carrier

SONG Dan1，GUO Qiang2

（1.MAN Diesel & Turbo Shanghai Office, Shanghai 201203, China; 2.Shaanxi Provincial Transport Department, Xi’an 710003, China）

Based on a 174000m3Liquefied Natural Gas (LNG) carrier, this paper studies the functions of propulsion units to find out the most efficient one for the dual fuel engine of LNG carriers.It compares and analyses the efficiency of two popular modern propulsion forms for the dual fuel engines of LNG carrier, i.e.mechanical propulsion and electrical propulsion, with the initial investment cost and operational cost into consideration to provide references for the design and construction of LNG carriers.The result shows that the two-stroke dual fuel mechanical propulsion unit has more advantages over the four-stroke dual fuel electrical propulsion unit in terms of propulsion efficiency, operational cost and initial cost.

LNG carrier; dual fuel engine; operation cost; initial investment cost

U664.3

A

2095-4069 (2017) 04-0043-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.009

2016-08-01

宋丹，男，助理工程师，1984年生。2009年毕业于大连海事大学，现从事船舶柴油机技术支持工作。