小型LNG船推進(jìn)方案綜述

林建輝，陸 晟

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)公司，天津 200457；2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 200032）

0 引 言

隨著人們對(duì)清潔能源的需求越來(lái)越多，對(duì)液態(tài)天然氣（LNG）的需求也隨之增加。許多沿海的小型LNG接收站應(yīng)運(yùn)而生，這種小型LNG接收站一般不具備接收傳統(tǒng)大型LNG船的能力，因此它的貨源不是來(lái)自上游天然氣液貨終端（出口國(guó)），而是來(lái)自鄰近的大型LNG接收終端。這一新的產(chǎn)業(yè)鏈模式催生了小型LNG運(yùn)輸船，用于大型LNG接收終端到小型LNG接收站之間的LNG二程運(yùn)輸。

1 小型LNG船推進(jìn)方案

LNG運(yùn)輸船由于其運(yùn)送貨物的特殊性，在選擇推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，必須結(jié)合貨物自然蒸發(fā)氣的處理方式來(lái)考慮[1]。傳統(tǒng)大中型LNG船的推進(jìn)系統(tǒng)有雙燃料蒸汽透平引擎；燃油內(nèi)燃機(jī)加再液化站（DRL）；雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)（DF）等3種形式。

蒸汽透平因具可靠性及處理貨物蒸發(fā)氣能力，成為早期的LNG船的主流推進(jìn)裝置[2]。2008年由滬東中華造船集團(tuán)建造的“大鵬昊”號(hào)就是采用此種推進(jìn)方式，蒸汽透平一般用于功率較大的船舶，對(duì)機(jī)艙空間的要求較高。以常規(guī)LNG船為例，機(jī)艙長(zhǎng)度一般在50m或超過(guò)50m，即使是20000m3左右的小船，機(jī)艙長(zhǎng)度也有40m左右。由于蒸汽透平的效率較低，在大型LNG船上的應(yīng)用也越來(lái)越少，因此不推薦在小型LNG運(yùn)輸船上使用此類推進(jìn)方案。

燃油內(nèi)燃機(jī)加再液化站（DRL）可以保證到港的貨物不減少。但是蒸發(fā)氣再液化需要消耗能源，如果油價(jià)持續(xù)走高，則運(yùn)營(yíng)成本會(huì)不斷增加。其優(yōu)點(diǎn)是貨物系統(tǒng)可以完全與推進(jìn)系統(tǒng)分離。卡塔爾在韓國(guó)定制的部分Q-Flex和Q-Max系列船采用了該形式。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)（DF）的效率要好于蒸汽透平。隨著低壓雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的成熟，越來(lái)越多的船東選擇雙燃料電力推進(jìn)系統(tǒng)。2004年，世界上首條DFDE系統(tǒng)LNG船交船，其后有超過(guò)50條的LNG船選擇了DFDE系統(tǒng)。

對(duì)于小型LNG船來(lái)說(shuō)，可選擇的推進(jìn)系統(tǒng)有：常規(guī)內(nèi)燃機(jī)（HFO）；雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械推進(jìn)（DFM）；雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電力推進(jìn)（DFDE）；純天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)（GM）等4種形式。

1.1 常規(guī)內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)

日本2500m3LNG船“真珠丸”號(hào)，采用常規(guī)內(nèi)燃機(jī)，不設(shè)置再液化裝置。但該船型有其特殊性：艙容較小，2個(gè)貨艙，每艙1250m3；單次航程僅200n mile，且航行時(shí)間不到20h。為了控制艙內(nèi)的溫度和壓力，貨艙增設(shè)了Shower降溫設(shè)備，并由電力輔助推進(jìn)（PTI）提供緊急推進(jìn)能力。這種配置的最大優(yōu)勢(shì)是造價(jià)低，建造簡(jiǎn)單。但是由于缺少主動(dòng)的貨物溫度壓力控制裝置，不適用于大艙容，航程遠(yuǎn)的 LNG運(yùn)輸船。

歐洲某船東建造的10000m3LPG/LNG多用途船是“DRL”配置的典型例子。采用了常規(guī)低速機(jī)加小型LNG再液化站的配置。外加LNG燃燒單元（GCU）作為安全裝置。該類配置的優(yōu)點(diǎn)在于采用了兩項(xiàng)主動(dòng)式貨物溫度壓力控制裝置——再液化和GCU，貨物系統(tǒng)的安全冗余度高。缺點(diǎn)是再液化天然氣需要消耗能量。另外，再液化裝置和GCU的價(jià)格高昂，會(huì)抵消掉配置常規(guī)柴油機(jī)帶來(lái)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

1.2 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械推進(jìn)

以雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)取代常規(guī)柴油機(jī)作為主機(jī)，驅(qū)動(dòng)軸系和螺旋槳，目前的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)必須配置可調(diào)螺距槳。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)分為高壓燃?xì)鈬娚浒l(fā)動(dòng)機(jī)（GD）和低壓雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)（DF）。高壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于效率高，缺點(diǎn)是對(duì)燃?xì)鈮毫σ蟾?，一般超過(guò)30MPa，因此市場(chǎng)份額很小。本文所指雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)僅指低壓雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

目前缺乏采用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械推進(jìn)方案的LNG運(yùn)輸船實(shí)船運(yùn)營(yíng)資料。德國(guó)邁爾船廠建造的16000m3LNG運(yùn)輸船采用DFM推進(jìn)方案，將于2012年交船。

1.3 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電力推進(jìn)

DFDE推進(jìn)方案已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于 LNG運(yùn)輸船上。其優(yōu)點(diǎn)是可直接采用貨物系統(tǒng)的自然蒸發(fā)氣作為機(jī)艙燃料。發(fā)動(dòng)機(jī)既是主推進(jìn)的原動(dòng)機(jī)，又是貨物系統(tǒng)的溫度壓力控制裝置，省去了安裝價(jià)格昂貴的再液化設(shè)備。

1.4 純天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電力推進(jìn)

純天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)是電火花點(diǎn)火的氣體發(fā)動(dòng)機(jī)，工作原理與汽油機(jī)類似。優(yōu)點(diǎn)是效率高，燃?xì)庖髩毫Φ停瑒?dòng)態(tài)響應(yīng)性能好。缺點(diǎn)是燃料冗余度不佳，由于只能燃用天然氣，一旦 LNG貨物系統(tǒng)的應(yīng)急切斷系統(tǒng)被觸發(fā)，主機(jī)將失去燃料供應(yīng)。

荷蘭船東AnthonyVeder于2007年交船的“珊瑚甲烷”號(hào)配置了純天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)2套機(jī)艙，并采用全回轉(zhuǎn)舵槳電力推進(jìn)系統(tǒng)。這種方案解決了主機(jī)燃油冗余度的問(wèn)題，但是初期投資大。在大型LNG運(yùn)輸船的電力推進(jìn)方案中，還未見(jiàn)采用。

2 小型LNG船推進(jìn)系統(tǒng)選型方法

小型LNG船的推進(jìn)系統(tǒng)選型可以分成2個(gè)步驟，首先確定使用何種燃料，然后再確定是采用機(jī)械推進(jìn)還是電力推進(jìn)。

2.1 燃料選擇

目前船用的燃料主要有重油（HFO），船用柴油（MDO）和輕質(zhì)柴油（MGO）。HFO的價(jià)格最低，一般用于主機(jī)。MDO和MGO的價(jià)格接近，一般要比重油的價(jià)格高40%～50%左右，因此在船上主要用于輔機(jī)和應(yīng)急發(fā)電機(jī)。重油屬于蒸餾后的殘?jiān)?，含較多的顆粒雜質(zhì)，含硫量也較高，因此對(duì)環(huán)境的污染很大。在一些排放控制區(qū)域（ECA），含硫量高的燃油已被禁止使用。

隨著各國(guó)政府對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益重視，對(duì)能源的環(huán)保要求也越來(lái)越高。天然氣是一種清潔能源，主要用于LNG運(yùn)輸船。目前歐洲已經(jīng)在客滾船上使用LNG。

和傳統(tǒng)燃料油相比，天然氣燃料具有以下優(yōu)勢(shì)：1)降低排放污染物。NOx減少約80%～90%； SOx接近零排放；CO2排放減少約20%～25%；顆粒雜質(zhì)接近零排放。不同推進(jìn)方式排放對(duì)比見(jiàn)圖1。根據(jù)國(guó)際海事組織的要求，對(duì)氮氧化物排放的要求會(huì)越來(lái)越高。采用天然氣為能源的發(fā)動(dòng)機(jī)可以滿足IMO Tier III的要求，見(jiàn)圖2。

圖1 不同燃料排放對(duì)比

圖2 IMO對(duì)氮氧化物排放要求

2)天然氣的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。天然氣具有豐富的儲(chǔ)量，據(jù)BP統(tǒng)計(jì)，天然氣的探明儲(chǔ)量約為62.8年開(kāi)采量，而石油為45.7年[3]。近年來(lái)，原油價(jià)格不斷上漲，而天然氣的價(jià)格則相對(duì)較低。近年的價(jià)格走勢(shì)見(jiàn)圖3。

與傳統(tǒng)燃料油相比，天然氣燃料的缺點(diǎn)是：發(fā)動(dòng)機(jī)的初始投資大，可選機(jī)型較少。以W?rtsil?的雙燃料機(jī)和Rolls-Royce的純氣機(jī)為例，其可供的機(jī)型如表1所示。和傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，同功率的雙燃料機(jī)/天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的價(jià)格要高40%～60%，這會(huì)直接造成投資加大。

圖3 燃料價(jià)格

表1 雙燃料機(jī)和純天然氣機(jī)機(jī)型

2.2 推進(jìn)方式選擇

確定采用何種燃料后，再選擇機(jī)械或電力推進(jìn)方式。

1)采用重油為燃料。采用重油為燃料的目的主要是為了采用常規(guī)的船用主機(jī)，以降低初始投資成本。因此適合選用常規(guī)的機(jī)械推進(jìn)方式。對(duì)于小型LNG運(yùn)輸船，根據(jù)其功率要求，可配置低速或中速柴油機(jī)。由于貨物的自然蒸發(fā)氣無(wú)法用作燃料消耗掉，還需要配置獨(dú)立的蒸發(fā)氣處理設(shè)備。最簡(jiǎn)單可靠的是安裝投資較低的氣體燃燒單元（GCU）。對(duì)于小型LNG運(yùn)輸船，一個(gè)GCU的價(jià)格約為40萬(wàn)～60萬(wàn)美元。缺點(diǎn)是貨物蒸發(fā)氣不能被有效利用，嚴(yán)重浪費(fèi)能源。還有一種方案就是安裝天然氣再液化裝置?？梢园沿浳锏淖匀徽舭l(fā)氣重新液化，回到貨艙。優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有貨物損耗，缺點(diǎn)是投資大且能耗高。以10000m3LNG船為例，其小型再液化裝置的造價(jià)約為300萬(wàn)美元，功耗則達(dá)到約2500kW。

2)采用天然氣為燃料。在發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇上有雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和純天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)2種機(jī)型。純天然發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能優(yōu)于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，但目前存在燃油冗余度低[4]，可選機(jī)型少等缺點(diǎn)，在LNG運(yùn)輸船上的應(yīng)用還有待研究。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)是在燃?xì)夤?yīng)停止的情況下，可立刻啟動(dòng)燃油模式，安全冗余度高，因此在大型LNG運(yùn)輸船上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

采用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，既可以選擇機(jī)械推進(jìn)方式，也可以選擇電力推進(jìn)方式。機(jī)械推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)在于其初始投資低于電力推進(jìn)，在航行期間的推進(jìn)效率由于減少了電能轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié)也略高于電力推進(jìn)。電力推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)則在于全船的電站統(tǒng)一管理，可以減少總裝機(jī)容量，機(jī)艙布置靈活，推進(jìn)系統(tǒng)的冗余度高，推進(jìn)器可無(wú)級(jí)調(diào)速，不需采用調(diào)距槳。

目前，雙燃料機(jī)直接用于機(jī)械推進(jìn)的實(shí)際案例較少，其工程應(yīng)用的效果還需時(shí)間檢驗(yàn)。但是這種推進(jìn)方式既能充分發(fā)揮天然氣這一清潔能源的優(yōu)勢(shì)，造價(jià)又低于雙燃料電力推進(jìn)系統(tǒng)，因此是一個(gè)值得研究的課題。

3 結(jié) 語(yǔ)

小型LNG船是當(dāng)前造船市場(chǎng)上的一個(gè)熱門(mén)話題，但是對(duì)該型船的推進(jìn)系統(tǒng)尚缺乏系統(tǒng)的研究。本文通過(guò)對(duì)多種小型LNG運(yùn)輸船的推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，該船型的推進(jìn)方案選擇多樣，且各有優(yōu)劣，如表2所示。在實(shí)際選擇推進(jìn)方案時(shí)，可根據(jù)船東的要求，營(yíng)運(yùn)區(qū)域的環(huán)境政策法規(guī)作最合適的選擇。

表2 各種推進(jìn)方案總結(jié)

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