7万t油轮采用LNG燃料动力系统可行性分析

罗文忠

(中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司，天津 300452)

截至2015年底，我国内河新建完成LNG燃料的船舶数量为62艘，其中通过交通部水科院(示范船认定单位)技术认定的56艘，已得到补贴的29艘。此外，申请并通过水科院评估的新造示范船1 495艘，正在建造400艘左右。从船型来看，主要为干散货船，绝大部分以LNG作为单燃料，少量为双燃料形式。从载重吨来看，国内船舶载重吨较小，通常在几百至几千吨之间[1]。油船采用LNG双燃料动力系统将越来越受到船东的青睐。

油船采用LNG燃料动力系统，面临着LNG燃料加注问题，需要对相关LNG加注的法规规范进行梳理，以指导船舶的设计、建造及运营。

1 国内LNG航运政策法规分析

在LNG运输方面相关规范主要为中国船级社颁布的《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》和《内河散装运输液化气体船舶构造与设备规范》，主要指南为中国海事局颁布的《薄膜型液化天然气运输船检验指南》和《船体结构疲劳指南》。此外，2009年交通部发布了《液化天然气码头设计规范》，并在2016年9月28日，进行修订。相关规范的完善与修订为LNG在沿海运输提供了可靠的安全保障，并为在将来LNG从沿海接收站用小船向内河用户输送打下了基础。

从2008年开始，中国船级社先后颁布了《气体燃料动力船检验指南(2008/2011)》《双燃料动力船检验验船师须知(2011)》《天然气燃料动力船规范》和《双燃料发动机系统及设计与安装指南(2007)》等关于LNG动力船方面的规范；中国船级社还发布了《关于明确LNG动力船舶改造试点工作有关事宜的通知》《LNG燃料动力试点船舶技术要求》和《内河天然气燃料动力船舶法定检验暂行规定(2013)》等船用LNG方面的指导性文件。目前我国在LNG动力船改造与新建、动力系统、船舶安全检验、主要设备方面的技术标准与规范日渐完善[2]。

通过近几年的发展，水上LNG加注的技术标准逐步得到完善，加注方式也实现了多样化，相关的政策始终朝着有效推动LNG在水上应用的方向发展，目前需解决的是应用风险分析，进行有效的风险管理手段，改进和提高LNG加注作业的安全水平，减少管理部门对LNG安全方面的疑虑；同时加大LNG动力船动力系统的改造与升级技术的研发，辅以一定的行业激励政策，能更大程度推动船舶采用LNG燃料动力的发展。

2 双燃料主机选型分析

2.1 主机系统选型

对于7万t油船，通常采用低速机通过齿轮箱单桨直推的方式。适用于油轮的LNG燃料动力主机，目前主要有纯燃气机、燃油燃气双燃料主机，二者在技术上都比较成熟，而且都有很好的应用业绩。但是目前纯燃气机供货厂家只有Rolls-Royce，而双燃料主机有MAN和WINGD。同时，双燃料主机MAN和WINGD机型在功率覆盖范围比较相似，能够满足该型油轮的使用，但两者的最大区别主要是供气系统不同。

2.2 双燃料低速主机的特点

现在国际市场上大型商船上使用的双燃料低速主机厂家主要是MAN B&W和WINGD，这2家产品工作原理和技术特点对比见表1。

由表1可以看出，MANB&W和WINGD的双燃料低速主机各有特点。MAN主机由于采用Diesel循环高压供气系统，MCR功率没有折减，因此在同样功率情况下，MAN的机型初投资略低。如果考虑主机排气满足Tier III，则增加排气后处理装置后，MAN的主机初投资略高[5]。

表1 2种双燃料低速主机性能比较

2.3 机型选型结论

为了应对日益提高的排放要求，选用以清洁燃料LNG为主要燃料的双燃料主机是很好的选择。采用LNG为燃料，主机排放可满足燃油硫含量质量分数0.1%的标准；MAN的双燃料主机在燃气模式下可满足Tier II的NOx排放要求，而WINGD的双燃料主机在燃气模式下直接可满足Tier III的NOx排放要求。而且，由于LNG的碳转换系数为2.75，较MDO等燃油的碳转换系数小15%左右，因此更容易满足EEDI指数的相关要求。

从长远考虑，如果船舶排放都满足Tier III，则MAN机型要增加尾气处理系统，而WINGD机型则无需增加附属设施。因此，综合考虑主机、排放处理及供气系统的投资来看，MAN机型比WINGD投资要高出数百万元。此外，MAN 机型采用的高压供气系统(压力为30 MPa)，其泄漏风险要比采用低压系统的WINGD机型高，且国内低压供气系统技术及其设备更为成熟，造价也相对较低。

综合考虑，对于7万t油船的双燃料主机建议采用WINGD 机型。

2.4 燃料罐估算

主机参数为CMCR 9 000 kW×88 r/min， CSR 7 900 kW×84.3 r/min(87.78% CMCR)。主机型号考虑MAN B&W 5S60ME-C10.5 GI或WINGD W5X62DF，由于航线的原因暂时仅考虑满足Tier II的排放要求。这2款主机对应的油耗及气耗见表2、3。

表2 WINGD W5X62DF Tier II ISO工况下油耗

表3 WINGD W5X62DF Tier II ISO工况下气耗

现有船舶应用的LNG储罐通常采用A型舱、SPB型舱、C型舱和薄膜舱，各有优缺点。油船货舱区主甲板有较大的可利用面积，为了尽量不影响装货量，考虑将LNG舱布置在货舱区的主甲板上。同时兼顾成本和布置的可行性，C型舱最合适[4]。

LNG燃料的续航力可根据船舶的实际运营航行设计，以4 000、6 000及8 000 n mile分别计算。根据WINGD主机单位气耗，相应的LNG罐容积计算结果见表4。

表4 LNG罐容容计算结果

根据计算，实取LNG罐容积分别为2×500 m3，2×725 m3，2×1 000 m3。对于这3种储罐，考虑油船兼顾国内和国际航线，为了便于运输调度，按照续航能力8 000～10 000 n mile，考虑选择2个1 000 m3LNG储罐，布置在货舱区主甲板上布置。

3 结论

近年来，虽然LNG燃料动力在航运业取得了快速发展，但是7万t传统油船基本采用蒸汽涡轮或者低速重油/柴油机推进系统，在现有航运市场占有主要地位。随着对燃油经济性、船舶运行与管理、环境污染等因素的考虑，近海及远洋油船推进系统必将出现新的转型升级，采用LNG双燃料动力推进系统将成为趋势。

在LNG燃料动力系统设计中，必须充分考虑国内外及行业法律法规的影响，结合国内外已有LNG动力船舶的运行现状、技术能力，以及其相关政策和规范，油船采用LNG燃料在政策、法规、规范支持方面有规范可依。

根据船舶的尺度和航行范围，从LNG燃料补给的安全性及可靠性考虑，油船采用双燃料主机推进系统将能够满足船舶的运营。且采用低压主机系统在环保、综合投资、安全性及供气系统国产化技术成熟度方面存在较大优势。