未來LNG燃料船舶動力裝置的選擇

摘 要：氣體發動機的成功研制使得天然氣這一清潔能源的使用不再局限于LNG運輸船。隨著國際海事組織關于船舶能耗的強制標準陸續生效，未來將會有越來越多的船舶采用LNG作為燃料。本文通過比較各類采用LNG作為燃料的船舶動力裝置的特點，對未來船舶動力裝置的選擇進行了分析。

關鍵詞：LNG，雙燃料發動機，動力裝置

引言

進入21世紀以來，隨著世界范圍內石油資源的日期枯竭，天然氣正逐步取代石油成為世界范圍內主要的能源型式。LNG作為一種新興能源相對傳統的燃油而言儲量豐富且環境優勢明顯，相對太陽能和燃料電池等其他新興能源而言，LNG在經濟性方面的優勢非常顯著。船用LNG主要有單一使用LNG燃料和使用雙燃料發動機兩種型式。從目前國內外正在研發的船型來看，LNG運輸船普遍采用單一的LNG作為主要突進能源，而非LNG運輸船大多采用雙燃料發動機。

單一LNG燃料的船舶動力裝置常見類型及特點

使用單一LNG燃料的船舶動力裝置主要有蒸汽輪機動力裝置與燃氣輪機動力裝置兩種：

1、汽輪機動力裝置

目前幾乎所有的LNG運輸船均采用蒸汽輪機動力裝置，該系統的基本原理是在主鍋爐中采用LNG作為燃料，利用主鍋爐產生的蒸汽驅動蒸汽透平進而推動螺旋槳和發電機組。蒸汽輪機的大輸出功率可以充分滿足船舶推進的要求，在柴油機問世之前蒸汽鍋爐及透平一直是船舶動力裝置的主流，技術成熟可靠性高而且日常維護的頻率和成本都很低。

整體熱效率較低是蒸汽輪機的最大弱點，通常蒸汽輪機的熱效率僅為20%-30%，不到低速柴油機的一半，這就意味著當輸出功率相同時蒸汽輪機所消耗的燃料數量為低速柴油機的2倍以上。對LNG運輸船而言，由于貨物運輸過程中會產生大量的BOG可以作為推進燃料，所以無需過多考慮發動機的熱效率問題。而對普通貨船而言，采用LNG作為主要燃料已經存在續航力不足的問題了，熱效率明顯偏低的蒸汽輪機顯然不是一個很好的選擇。

2、燃氣輪機動力裝置

燃氣輪機的概念源于航空發動機，相對蒸汽輪機而言燃氣輪機只有一次能量轉化，且燃燒氣體推動透平做功后可以方便地進行再循環利用，所以熱效率要高于蒸汽輪機。羅爾斯-羅伊斯燃氣輪機公司2002年成功研發出Trent30型船用燃氣輪機，輸出功率可達到36MW，可以滿足大多數貨船的推進需求。燃氣輪機同樣具有可靠性高、單位重量功率大、振動小等特點。然而與目前主流的柴油機相比，燃氣輪機的熱效率依然要低很多，船舶續航力的問題依然無法解決。另外，燃氣輪機對電站、燃料供應系統、氣體壓力控制系統相比柴油機和蒸汽輪機而言要復雜很多，這將大大增加貨船機艙布置的難度及將來維護保養的成本。所以對普通貨運船舶而言，燃氣輪機動力也不是一個理想的選擇。

雙燃料發動機概念的提出及特點

1、普通貨船采用LNG作為燃料時存在的問題

雖然在LNG運輸船上已經成功實現了采用天然氣作為主推進燃料，但是普通運輸船舶由于其自身條件及LNG的固有特性，在使用LNG作為燃料時依然存在較多限制。對LNG推廣影響最大的就是續航力問題。目前的統計數據顯示，使用LNG燃料的船舶續航能力最多也只有22天（約10000海里），目前尚無法滿足遠洋航行要求，而采用燃油的船舶續航力普遍在42天以上（約18000海里）。

導致使用LNG燃料船舶續航力較差的最主要原因是LNG儲罐及配套設施布置困難。燃油艙可以見縫插針地布置在船舶的大部分位置，所以船舶能夠攜帶燃油總量不會太少。而LNG儲罐體積雖小，但其本身具有一定的幾何形狀，在船上可以布置的位置就非常有限了。特別是對于干貨船，由于貨艙區域的裝卸作業很容易損害LNG儲罐，而考慮到安全問題儲罐布置在生活區域又有諸多限制，這些都導致了普通貨船不可能攜帶很多LNG。所以對于非LNG運輸船而言，主推進系統的經濟性是一個不容忽視的問題。

2、氣體發動機的基本原理及特點

熱機熱效率低的一個重要原因是乏氣除了用于加熱之外很難以其他的形式重復利用，蒸汽輪機和燃氣輪機都需要通過燃燒產生高溫高壓的氣體驅動渦輪做功，正是這個特點導致其熱效率越發低下。而驅動柴油機的活塞運動不需要高溫高壓氣體，所以柴油機的熱效率相對較高，低速柴油機的熱效率普遍在50%以上，最高的可以達到56%。

氣體發動機的基本工作原理與低速柴油機相似，該類型的發動機繼承了低速柴油機的大部分特點。由于天然氣著火溫度比燃油高，早期的氣體發動機的工作原理類似汽油發動機通過電火花點燃燃氣。這種點燃式氣體發動機在高速機上得到了非常成功的運用，不過該技術應用于低速氣體發動機時碰到了問題。一個主要原因是用于船舶主推進的發動機普遍功率較高，需要一次性點燃的燃料數量較大，而電火花點火時釋放的能量偏小且難以實現火源位置均衡，容易導致燃料著火情況不穩定。另一個原因是由于采用電火花直接點燃氣體燃料，發動機的壓縮比必須適當降低，否則氣體容易產生爆燃現象。這勢必造成發動機沖程的縮短，直接影響發動機的輸出功率和熱效率。因此這種點燃式發動機不適合作為船舶主推進發動機使用。

3、雙燃料發動機的基本原理及特點

雙燃料發動機的概念源于氣體發動機的另一種點火方式，這種方式無需電火花，而是在噴入燃氣的同時噴入少量柴油，待柴油壓縮自燃后再引燃天然氣。這種壓燃式氣體發動機能夠保持船用柴油機高壓縮比、高熱效率、經濟性好的特點，且自燃的柴油可以形成多個點火源確保氣體燃料的充分燃燒，確保發動機能夠穩定地運轉。相對電火花點火而言，這種點火方式更適合船用低速大功率柴油機。

雙燃料發動機的概念正是在壓燃式氣體發動機的基礎上提出的。從工作原理來看，該類型氣體發動機與傳統意義上的低速柴油機幾乎完全相同，結構也非常相似，僅需要增加一套氣體燃料的供應及處理系統。所以這種壓燃式氣體發動機既可以燃燒氣體燃料又可以燃燒燃油，可以根據國際能源價格的變化靈活地選擇燃料。壓燃式氣體發動機同樣存在低速不穩定的問題，由于用于引燃天然氣的油霧更為稀薄，壓燃式氣體發動機的最低穩定轉速相對柴油機而言會更高。采用雙套燃料可以有效地解決這個問題，即在發動機高負荷運行時主要采用氣體燃料驅動，當需要低負荷運行時采用燃油驅動。

雙燃料發動機裝置的常見類型及比較

未來采用雙燃料發動機的船舶主要的動力裝置可分為以下兩種類型：

1、雙燃料低速發動機+雙燃料發電機組動力裝置

這類動力裝置的型式與目前應用最為廣泛的柴油機動力裝置幾乎完全相同，即采用低速雙燃料氣體發動機驅動船舶推進器，同時采用高速雙燃料氣體發動機驅動發電機提供電能。這種動力裝置無需改變現有船舶的柴油機結構及機艙布局，只需要增加一套氣體供應及處理的系統即可。原來已經熟悉船用柴油機操作的船員稍加培訓即可迅速適應這種雙燃料發動機的相關操作。

然而，該類型的動力裝置也不可避免地存在很多固有的弱點。首先，壓燃式雙燃料發動機同時燃燒燃油和天然氣，這兩種燃料的燃燒產物會在高溫時發生反應形成酸性物質。盡管這種物質的數量很少，但依然會引起發動機燃燒室位置發生腐蝕。這就導致了相比使用單一燃料發動機而言，雙燃料發動機需要更加頻繁地進行停機維護，通常每2-3個月就必須停機維護一次。而該類型動力裝置只通常只有1-2臺發動機驅動推進器，任何一臺發動機停機維護都無法確保船舶繼續以正常速度航行，如此頻繁的維護必將增加船舶營運管理的難度。

續航力不足也是該類型動力裝置的一個致命問題，由于驅動船舶推進器的發動機通常為中低速發動機，通常這類發動機體積都比較龐大且布置困難。如果采用這種發動機必然導致船上很難布置更多的LNG儲罐，進而導致該類型船舶的續航力問題更加突出。

2、雙燃料電力推進動力裝置

該類型動力裝置的概念源于傳統的電力推進概念，即采用3-4臺雙燃料發動機驅動發電機組提供電能，采用電動機驅動船舶推進器。該推進方案不僅能夠充分發揮電力推進的各種優勢還可以有效地避免前面所述動力裝置所存在的問題。由于發動機并非直接驅動船舶推進器，只要在設計階段確保任何一臺機組停機時剩余的發電機所提供的電能依然能夠驅動船舶以正常的航速前進，就可以有效地避免雙燃料發動機頻繁維護對船舶航行造成的影響。通常驅動發電機一般采用中高速發動機即可，這類發動機的體積只有低速機的10-20%，在船上布置非常方便，可以確保船上有更多的空間布置LNG儲罐，進而確保船舶具有足夠的續航力。需要注意的是，雙燃料發動機的概念主要是針對低速機提出的，而電力推進動力裝置的發動機可以選擇只燃燒LNG的中高速氣體發動機，目前這類發動機的技術已經非常成熟。

該方案的主要缺點是無法利用現有的船舶機艙布局，需要對機艙整體進行重新設計，所以很難用于舊船改造。采用電力推進的船舶的輸配電系統相對其他船舶而言復雜很多，且中高壓輸配電設備價格昂貴，這些都將增加該類型船舶的建造成本。另外目前全球范圍內采用電力推進方案的船舶數量并不多，培訓一批熟悉電力推進船舶管理和操作的船員需要一定的時間。

目前以雙燃料發動機作為原動機的動力裝置已經在10000載重噸左右的近海運輸船上取得成功。隨著全球原油供應的日趨緊張和國際海事組織對船舶排放的規定愈加嚴格，未來將會有越來越多的船舶采用更為經濟和清潔的LNG作為燃料。從本文的分析來看，不同類型的船舶動力裝置都具有各自的特點，在工程實踐中應當將各類動力裝置的特點與船舶的自身特征結合分析，才能為船舶選擇最合適的動力裝置。

（作者單位：中國船級社上海分社）