中小型LNG運輸船推進系統選型分析

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300457)

隨著世界能源結構的調整，各國對天然氣的需求量與日俱增，因此，LNG運輸船在造船工業中的份額不斷加大。近年來，LNG運輸船隊迅速增多，針對遠洋運輸的大型LNG運輸船體積越來越龐大，新一代Qmax級LNG運輸船投入營運。另外，各國用于LNG各港口間調配運輸的中小型LNG運輸船隊伍也日漸壯大。

中小型LNG運輸船是LNG船型發展至今的一個新領域。中小型LNG運輸船是指艙容范圍在1 000 m3到80 000 m3的LNG船舶，在區域內供應數千噸至上萬噸的液化天然氣，可直接到達最終用戶。中小型LNG運輸船的設計建造技術和營運在北歐的挪威和亞洲的日本等國家已經成熟運用，相比大型LNG運輸船和陸地槽罐車運輸具有周轉靈活、運輸成本低、受影響因素少、安全性高等優點。中小型LNG運輸船可以廣泛應用于大型LNG接收終端和LNG衛星站之間的LNG二程轉運。對于那些位于沿海沿江地區的LNG衛星站，采用中小型LNG運輸船的運輸方式可以大大提高運輸的效率和安全性，節約運輸成本。

目前在全球運營的LNG運輸船所配備的推進系統，主要有蒸汽輪機推進系統、中(低)速柴油機推進系統加再液化裝置和雙燃料電力推進系統(DFDE)等。

1 幾種常見LNG運輸船推進系統

1.1 蒸汽輪機推進系統

目前世界上運營的LNG運輸船大多采用雙燃料蒸汽輪機推進系統，該系統主要由鍋爐、蒸汽渦輪機、減速齒輪箱、冷凝器、蒸汽和給水管系，以及汽/水處理裝置組成。鍋爐產生的過熱蒸汽通過蒸汽調節閥后分成兩路，一路蒸汽經高壓渦輪機和低壓渦輪機進入主冷凝器；另一路蒸汽進入反向渦輪機進入主冷凝器，此路蒸汽的供應由控制閥控制，可避免兩路蒸汽同時供應造成渦輪機損壞。蒸汽渦輪機產生的動力推動傳動軸轉動再經過減速齒輪減速后帶動螺旋槳轉動推動船舶航行。從渦輪機排出的廢氣經主冷凝器、密封壓蓋冷凝器、低壓加熱器、除氣器等設備后，再由主給水泵泵入鍋爐中。其工作原理見圖1。

圖1 蒸汽輪機推進系統工作原理

該系統最大的優點是充分利用了貨物蒸發氣，無須增添專用蒸發氣再液化裝置即可有效地控制貨艙壓力。但在全速航行的情況下，蒸發氣量不夠時，則需要燃燒重油來補充；其可靠性高且維護管理簡單，為LNG運輸船提供安全、環保和高度可靠的運輸。蒸汽輪機技術成熟可靠、動力強勁、傳動效率高，使用壽命長等。在制造、優化設計、使用等過程中，不斷采用新的材料、理論、技術，改善其性能，不斷提高安全可靠性、耐用性，在保證運行方便的基礎上，增大單機功率和提高裝置的熱經濟性。

然而，在蒸汽輪機推進系統的應用中，也表現出了它自身的缺點，其致命弱點就是燃油效率低，一般在25%左右，即使高效蒸汽輪機推進系統能效只能提高到30%左右，這一點隨著國際能源格局變化、燃料價格上漲等因素顯得越來越突出；其次，蒸汽輪機冷機啟動時間長。雖然系統具有暖機設備但為防止蒸汽輪機外殼和轉子葉片變形、裂紋等情況，暖機時間還需要充分保證；另外，蒸汽輪機機動性能差。蒸汽輪機工作介質為蒸汽，通過鍋爐調節蒸發量時間長，通過調節透平蒸汽調節閥調節量也有限，調節過程中還要考慮過量蒸汽沖擊等問題，所以機動調節較差；再有，蒸汽輪機為高速回轉機構，結構緊湊，制造、裝配精度高，系統復雜，占用的有限空間較大，因此對蒸汽輪機的管理要求很高，船員培訓取證也比較困難；還有蒸汽輪機體積大、管路復雜、噪聲大、低工況時油耗較高等一系列缺點[1]。

1.2 中(低)速柴油機推進系統加再液化裝置

中(低)速柴油機推進系統是其他類型的貨船普遍采用的方式：低速二沖程柴油機(或中速四沖程柴油機)通過齒輪箱、離合器直接驅動主推進軸槳裝置。主機燃油為重油(HFO)，柴油發電機燃油為重油(HFO)或柴油(MDO)。對于LNG運輸船來說，由于不能燃燒艙內蒸發的蒸發天然氣(BOG)，需要配置再液化裝置或者燃燒塔以保證艙內的蒸汽壓力維持正常水平。同時需要多配備1～2臺發電機組，提供足夠的電力供再液化裝置和艏側推裝置等其他設備使用。見圖2。

圖2 中(低)速柴油機推進系統的原理

該系統設備的配置顯得較為復雜，但是其推進系統與電力系統配置靈活，在日常運行中，表現出很好的匹配性。該推進系統主要有初始投資較低、設備選型范圍大、設備維護比較容易、對船員的素質要求相對較低等優點。但是其缺點也顯而易見：該系統燃油成本較大，既有主推進發動機，還有供全船的發電機，燃油需求量大，成本高；機艙空間利用率較差，較其他系統設備多，布置困難，占用空間大；該系統主、輔機燃用重油或柴油，二氧化碳、氮化物、硫化物排放量高，很難達到環保要求，而且由于設備較多，維護保養成本較大[2-3]。

1.3 雙燃料電力推進系統(DFDE)

新建LNG運輸船逐漸采用DFDE推進系統，這是新的趨勢。該系統的特點就是比蒸汽輪機節能15%～20%，其次是艙室利用率較高。比如一艘14.7萬m3的蒸汽輪機LNG運輸船，在船型不變的情況下，如果改成DFDE設計，那么其艙容就可以增加到16.0萬m3左右。在全球范圍內，目前有7%左右的LNG運輸船采用了DFDE系統，都是應用在2005年以后新建的LNG運輸船上。

DFDE推進系統主要有三種常見的主流電力推進方式：軸系推進系統、全回轉推進系統和吊艙式推進系統。主要由幾臺發電機組、配電盤、變壓器、變頻控制器、主推進電機馬達等構成。主發電機組發出的電，一部分供LNG運輸船日常公用，一部分供船舶推進馬達使用，為LNG運輸船航行提供動力。其他的變壓器、變頻器等都是主馬達的輔助設備，為主馬達更加平穩運行提供保障。LNG運輸船DFDE推進系統工作原理見圖3。

圖3 雙燃料電力推進系統(DFDE)原理示意

多年來，LNG運輸船電力推進技術得到了長足的發展，特別是近年來變頻技術和吊艙推進技術的發展，為電力推進技術的應用和普及提供了極大的推動力。這一系統主要具有如下優點。

1)冷機啟動時間短。在燃氣模式和燃油模式下，主機均能很快啟動。

2)低燃油消耗量。由于采用了貨物蒸發氣做燃料，減少了對傳統燃油的依賴和消耗，燃料費用大大減少。

3)電站冗余量較大，船舶安全性提高。

4)船舶操作較為靈便可靠。

5)后期維護成本較低，節省安裝、管理以及維修費用。

6)有效艙容增加，動力裝置占用空間小，布置靈活，載貨空間增大。

7)排放低，主要是排放廢氣中的NOx、SOx等含量低，產生的CO2排放物也少。

然而，雙燃料電力推進系統實踐時間較短，存在一定的風險。電力推進LNG運輸船的初始建造成本較一般船舶高，前期投資比較大。本身是公認的高技術、高附加值船舶，建造和管理難度較大。另外該系統結構緊湊，制造、裝配精度高，電氣系統復雜，對電氣工程師的設計水平要求較高[4]。

2 中小型LNG船推進系統選型

中小型LNG運輸船由于其主要以沿岸、中短途運輸為主，靠港頻繁，要求船舶具有良好的操縱性能。僅從這一點考慮，蒸汽輪機主要是使用在大型LNG運輸船上，在中小型LNG運輸船上作為主推進顯得優勢不足。另外，在LNG運輸船的操作中，對船員的能力要求比較高，目前國內難找[5]。

中(低)速柴油機推進系統加再液化裝置與DFDE推進系統相比較，對于LNG運輸船來講，貨艙的蒸發氣可以用來作為燃料，一方面能夠省去再液化裝置，另一方面能夠降低燃料成本，減少二氧化碳、硫化物及氮氧化物的排放，保護環境。這些優勢是常規柴油機推進方式無法比擬的。

從經濟性(航次成本)、船舶操縱靈活性、環境保護等各方面綜合考慮， 中小型LNG船是最適合運用DFDE作為主推進系統的船型。隨著DFDE技術的成熟和在船舶上的普及，2005～2009年4年間，DFDE推進系統在LNG運輸船上的裝機功率就從22.8 MW增長到了501.6 MW，增長了近22倍，越來越受到船東的青睞，是LNG運輸船推進系統的發展趨勢。隨著設計的理論與方法正不斷完善，由于其技術、經濟、排放等方面的優勢，必然會有廣闊的發展前景。

3 結束語

傳統的蒸汽渦輪推進系統仍在不斷完善改進，依舊占有重要地位。隨著對燃油經濟性、船舶運行與管理、環境污染等因素的考慮，必將出現新的轉型升級。另外，鑒于LNG運輸船在航行過程中將不可避免地產生BOG，因此，無論是哪種推進裝置都應該優先使用BOG作為主燃料。LNG運輸船主推進裝置趨向從蒸汽渦輪推進轉變到柴油機推進，應加快能燃燒蒸發氣BOG的雙燃料柴油機的開發進程。

隨著LNG運輸船各種推進技術的不斷完善，由于電力推進方式提供的電力既可以滿足推進裝置電力需求，還可以給全船系統供電，方便船舶動力布置，具有很高的冗余度和靈活性，未來將逐漸成為優先考慮的方案。電力驅動吊艙推進器、螺旋槳軸系推進、全回轉推進等方式逐漸成為主流。

[1] 吳 窮，王建豐，王 沖，等．LNG運輸船的主動力裝置[J].熱能與動力工程，2009,(1):7-11.

[2] 黃 飛．LNG船推進系統的幾種方案[J].航海技術，2006,(1)：52-54.

[3] 劉 柱．幾種船舶推進系統的比較[J].青島遠洋船員學院學報.2003,(3)：40-44.

[4] 李永鵬，陳愛玲，汪 洋．新型LNG船舶采用雙燃料電力推進的優勢分析[J].青島遠洋船員學院學報，2005,(4)：21-23.

[5] 范思奇．液化氣體船[M]．大連:大連海運學院出版社，1993．