LNGC ME-GI低速機與TFDE電力推進對比

楊 波

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

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LNGC ME-GI低速機與TFDE電力推進對比

楊 波

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

針對滿足船舶的經濟性和環保性要求，大型LNG運輸船推進系統更新換代的問題,從技術角度著重對比目標船型ME-GI低速機推進與TFDE電力推進2種最新的推進方式。結果可見，ME-GI低速機推進系統不論是經濟性還是環保性都優于目前主流的TFDE電力推進系統，將成為未來大型LNG運輸船的主流推進形式。

LNG運輸船;低速機;電力推進;經濟性;環保

我國從2006年開始進口天然氣，全部為LNG海運進口，2010年才首次進口管道氣。“十一五”期間，我國共進口LNG約2 180萬t，年均增長率達到120%。目前我國與國外簽署的LNG進口合同數量超過1 000萬t/年。有研究認為，未來15年內我國天然氣需求年均增長率約為12%，2020年天然氣在一次能源消費中所占比重將達到10%以上，年需求量超過2 000億m3，對外依存度超過50%。據此推算，2020年我國LNG進口量將超過6 000萬t[1]。

如此之多的LNG將大多通過海運進入我國，海上運輸就需要大型的LNG運輸船。據了解，日前中海油旗下海油發展與BG集團達成了在中國建造4艘17.4萬m3大型LNG運輸船協議，造船方為上海滬東-中華造船廠。該項目是中海油用于BG Group昆士蘭柯蒂斯液化天然氣項目，也是中海油與海外合作的首個大型LNG船建造項目。此次建造的4艘LNG運輸船總長290 m，型寬46.95 m，型深33.40 m，設計吃水11.50 m，結構吃水12.50 m。采用薄膜型貨物圍護系統，配備4個液貨艙，總艙容約17.4萬m3，計劃于2017—2019年陸續完工交船，屆時由船舶公司租賃給承租人BG Group進行全球運營。

大型LNG運輸船的動力系統正在不斷地更新換代。由原來的燃氣鍋爐+蒸汽輪機推進，到后來的低速柴油機配完全再液化，再到目前主流的雙燃料柴油機(TFDE)電力推進，最后到最新推出的雙燃料低速機(ME-GI)直接推進[2-4]。每次推進系統的革新都需要經過技術論證及實船運營的檢驗。

目標船采用目前較為先進的雙燃料柴油機(TFDE)電力推進。以此船為目標船型，研究其采用ME-GI低速機推進系統與采用雙燃料柴油機(TFDE)電力推進系統的經濟性及環保性。為將來再次建造類似船舶，在推進系統選擇時提供技術參考。

1 推進形式技術特點及配置

1.1 TFDE電力推進系統

雙燃料中速柴油機電力推進裝置(TFDE)，主要是用多臺雙燃料中速柴油機帶動發電機組產生電能，供推進電動機驅動螺旋槳。電動機經減速齒輪箱帶動螺旋槳，但也可用低速電動機直接帶動螺旋槳或者吊艙槳[5]。

推進電動機由變頻器進行無級調速，可優化螺旋槳的推進性能，發動機和推進電動機都具有至少50%的冗余度，可在正常運行時對雙燃料發動機進行維護，雙燃料發動機可100%利用燃氣作為燃料，與使用重油作為燃料的發動機相比，其硫化物和氮氧化物的排放幾乎可忽略不計，二氧化碳的排放量可減少20%～25%。

該裝置的特點是多臺雙燃料發電機組不同組合可獲得更大更方便的使用，不需要另設發電裝置，因此具有取得功率大、占用機艙體積小、重量輕的優點。由于需要進行多次的能量轉化，因此其傳動效率低，一般為86%～92%。

中海油在滬東中華在建的4艘17.4萬m3LNG運輸船配置見表1。

表1 17.4萬m3 LNG運輸船TFDE電力推進系統配置

1.2 ME-GI 低速機推進系統

MAN B&W公司研制的ME-GI(2沖程低速機)雙燃料發動機是其ME電控噴射二沖程柴油機的清潔燃料應用替代方案，能夠利用高壓天然氣附加引燃燃油穩定運行。這種方案與以重油為燃料的二沖程柴油機方案相比，其運行經濟性更好，排放污染更小[5]。

ME-GI雙燃料發動機與ME電控噴射柴油機在柴油機性能各方面完全相同，因此所有的ME電控噴射柴油機都可改為ME-GI雙燃料發動機。MAN ME-GI雙燃料發動機采用缸內高壓直噴式，即在發動機壓縮沖程末期，從噴油器噴入少量且油量固定的點火油作為點火燃料，隨后向缸內高壓噴入天然氣，使天然氣依靠微量點火油著火釋放的能量進行燃燒。要求進氣壓力為30 MPa，所以向主機供氣需要2級壓縮，即常規的低壓壓縮機將貨艙內的BOG壓縮到0.3～0.5 MPa，再由活塞式高壓壓縮機將其壓縮到30 MPa后進入柴油機的噴氣嘴[2]。

該機有3種運行模式：燃油運行模式(100%燃油)，最小燃油運行模式(點火油+天然氣)，定量天然氣運行模式(點火油+定量天然氣)。當按燃油運行模式工作時ME-GI雙燃料發動機便成為ME電控噴射柴油機。當ME-GI雙燃料發動機按其他2種運行模式運行時，如果天然氣系統出現故障，天然氣將被控制系統中斷，發動機將轉成燃油運行模式。由于發動機使用以上3種運行模式運行時其燃料的硫分不同，因此不同運行模式應使用不同堿總值的氣缸油。

對于ME-Gl發動機來說，從0%天然氣、100%燃油到95%天然氣、5%燃油之間。天然氣和燃油以任何比率都能在25%負荷以上使用。經濟性靈活性高，并且廢氣排放量低，具有ME型柴油機所有的功能。BOG氣體不足時，通過船上的強制蒸發器進行補充。BOG氣體富余時，過量的BOG氣體可以通過氣體燃燒塔進行燃燒或者通過再液化裝置進行再液化處理。

針對17.4萬m3LNG運輸船選擇ME-GI推進主要配置選擇見表2。

表2 17.4萬m3 LNG運輸船ME-GI推進系統配置

2 推進形式經濟性

2.1 推進效率及船舶能耗對比分析

2.1.1 推進效率

ME-GI 低速機為直接推進，只有軸承等部分機械損失，其推進效率約為99%。如圖1所示(來自MAN)。單臺主機的功率為12 650 kW，螺旋槳吸收的功率為12 523 kW。

圖1 ME-GI 低速機推進系統示意

TFDE 電力推進系統，雙燃料中速柴油機帶動發電機組產生電能，電能通過配電板、變壓器、變頻器傳輸到推進電機。推進電機將電能再轉化為動能到齒輪箱，最終由齒輪箱減速后傳遞到螺旋槳。這其中2次能量性質的轉變加上電能的傳輸轉化損失，其效率約為87.6%。雙燃料中速柴油機的功率為14 296 kW，螺旋槳吸收到的功率為12 523 kW。

由此可知，ME-GI 低速機推進系統推進效率遠遠優于TFDE電力推進系統。

2.1.2 船舶綜合能耗對比

對具體船舶而言，應當全面比較其綜合能耗才能更加客觀地反映其經濟性。以17.4萬m3LNG運輸船為例，以1年為限，對分別使用ME-GI低速機直推與TFDE 電力推進的船舶從主推進單位油耗，主推進總消耗，全船電力總消耗等方面進行比較。

1)主推進柴油機單位油耗。查詢主機出廠資料,燃氣模式氣耗對比，包含引燃油，相關信息見表3。

表3 燃氣模式氣耗對比 kJ/(kW·h)

燃油模式油耗對比，見表4。

表4 燃油模式氣耗對比 g/(kW·h)

注：括號內的加項為機帶冷卻水泵和機帶滑油泵所帶來的燃油消耗增加。

由表3、4可以看出，ME-GI雙燃料低速機不論是燃氣模式還是燃油模式下，其單位油耗都遠遠優于TFDE 電力推進的雙燃料四沖程發電機組。

2)全年主推進總耗能對比，見表5、6。

由表5，6可見，ME-GI低速機直推全年總能耗約1.165億kW·h。

表5 ME-GI低速機全年總能耗表

TFDE電力推進全年總能耗約1.330億kW·h。

ME-GI低速機比TFDE電力推進全年少消耗0.165億kW·h。

3)全船電力消耗對比，見表7、8。

ME-GI低速機直推方案總電力消耗=P(A)+P(C)+P(P)。

P(A):日常電力消耗包括上建用電，液貨泵，壓載泵等。在ECA排放控制區，P(A)還包含主機的EGR電力需求。

表6 TFDE電力推進全年總能耗表

注：%時間為船舶全年運行時間百分比。

P(C):主機高壓燃氣壓縮機電力消耗。

P(P):LNG高壓泵電力消耗。

表7 ME-GI低速機直推電力消耗表

TFDE電力推進方案總電力消耗=P(A)+P(C)。

P(A):日常電力消耗包括上建用電，液貨泵，壓載泵等。在ECA排放控制區，P(A)還包含主機的EGR電力需求。

P(C):主機低壓燃氣壓縮機電力消耗。

表8 TFDE電力推進系統電力消耗表(去除推進電力需求)

由表7、8可見，ME-GI低速機直推全年總電力消耗約0.250億kW·h。

TFDE電力推進全年總電力消耗(去除推進)約0.199億kW·h。

ME-GI低速機比TFDE電力推進全年多消耗0.250-0.199=0.051億kW·h。

將主推進消耗與全船的電力消耗相疊加可以得出使用ME-GI低速機直推比使用TFDE電力推進全年節省能源約0.114億kW·h。

2.2 初投資及營運經濟性對比分析

根據設備供應商的商務報價，TFDE和ME-GI 2種推進形式的初投資對比見表9。

表9 TFDE和ME-GI 2種推進形式的初始投資對比表 100萬美元

TFDE 電力推進初始投資高于ME-GI 低速機130萬美元。

根據主機制造商及船東反饋的信息，ME-GI主機維修保養費為11美元/(kW·年),四沖程雙燃料發電機維修保養費為25美元/(kW·年)。由此，可知：①ME-GI低速機推進方案年保養維修費用約為60萬美元；②TFDE電力推進方案年保養維修費用約為100萬美元。可見，ME-GI低速機推進方案無論從初始投資還是從后期的維修保養都優于TFDE 電力推進方案。

3 推進形式環保性

排放法規越來越嚴，降低NOx、 SOx、CO2排放是衡量機型優劣的關注點之一。SOx排放基本取決于燃料中硫的含量。NOx的排放取決于燃燒溫度。CO2的排放取決于裝置總裝機功率。另外還有雙燃料柴油機甲烷氣體的逃逸問題也值得考慮。甲烷的過量逃逸一方面會帶來機組排氣系統的危險，另一方面其溫室效應是CO2的21倍。對于這一點往往會被忽略，相關的主機廠對于此問題也是避而不談。

3.1 NOx排放

NOx排放的限制要求見圖2，其中TierⅢ在歐洲排放控制區暫未生效，目前暫定2021年，但是在北美已經正式生效[6]。

圖2 NOx排放的限制要求示意

高溫、富氧和高溫持續時間是影響柴油機NOx生成的主要因素。當反應溫度高于2 200 K 時，溫度每上升90 K，氮氧化物NOx的生成量會翻倍增加。ME-GI性能測試表明，與燃油模式相比，燃氣模式下低負荷時NOx減排較小，在75% 負荷左右時NOx減排最顯著。燃氣模式比燃油模式NOx減排達24%，但也只能滿足IMO Tier II 的NOx排放要求。因此，ME-GI 必須配備EGR(廢氣再循環)或SCR(選擇性催化還原)系統才能滿足Tier III 的NOx排放標準。ME-GI低速機屬于狄塞爾循環，而低壓雙燃料四沖程中速機屬于奧托循環。

由圖3可見，狄塞爾循環中氣缸內的最高燃燒溫度明顯高于奧托循環，高溫持續時間也較長，因此當燃燒室氧氣濃度相當時，狄塞爾循環中NOx的生成量要高于奧托循環。低壓雙燃料四沖程中速機在燃氣模式下NOx排放可以滿足Tier III排放標準。因此，從尾氣NOx排放方面來說，低壓雙燃料四沖程中速機要優于ME-GI低速機，這也是ME-GI 發動機采用狄塞爾循環而產生的弊端[7]。但是ME-GI低速機可以通過配置EGR(廢氣再循環)或SCR(選擇性催化還原)同樣可以滿足TierIII的要求。

圖3 狄塞爾循環和奧托循環的溫度比較

3.2 CO2排放

發動機尾氣中CO2含量主要與進機燃料和發動機總功率相關。ME-GI低速機的單位油耗不論燃氣模式還是燃油模式都低于低壓雙燃料四沖程中速機。同時ME-GI低速機綜合效率也高于低壓雙燃料四沖程中速機。因此，從CO2排放及控制角度來看，ME-GI低速機低于低壓雙燃料四沖程中速機。

3.3 SOx排放

關于SOx排放的限制要求見圖4。

圖4 SOx排放的限制要求示意

1)燃油模式，假定燃用同樣含硫量的燃油，很明顯ME-GI低速機的硫排放一定是低于低壓雙燃料四沖程中速機。因為其單位油耗較低。

2)燃氣模式， ME-GI低速機的點火油量一般在5%～8%之間，最新報道其點火油量可降低到3%，假如點火油量為5%,約8.33 g/(kW·h)。低壓雙燃料四沖程中速機點火油量一般在1%左右。則燃氣模式下引燃油消耗為1.86 g/(kW·h)。

因此燃油模式下ME-GI低速機的硫排放低于低壓雙燃料四沖程中速機，但是在燃氣模式下ME-GI低速機的硫排放高于低壓雙燃料四沖程中速機。

3.4 甲烷氣體的逃逸問題

全球變暖，氣候變化，與溫室氣體的大量排放有著很大的關系。以往只是關注CO2的排放產生的溫室效應，但對甲烷的溫室效應問題常常忽視。其實甲烷氣體的溫室效應能力要比CO2大的多(約21倍)。對于ME-GI柴油模式，燃氣模式以及四沖程雙燃料發動機的排氣造成的溫室效應見圖5。

圖5 推進系統不同工作模式下溫室效應示意

基于高壓燃氣直噴理念的ME-GI雙燃料發動機高壓燃氣直接噴入氣缸，并且由于該發動機是二沖程低速機，不存在氣門重疊角，因此燃氣不會隨廢氣從排氣門直接竄出氣缸，解決了四沖程雙燃料發動機甲烷逃逸(Methane Slip)的問題，將甲烷逃逸率降低到了與液體燃料發動機相當的水平。根據FTIR廢氣測量方法測得ME-GI雙燃料發動機的甲烷逃逸率僅為0.2 g/(kW·h)，并且與負荷無關。大部分采用奧托循環的四沖程雙燃料發動機的甲烷逃逸率約4～8 g/(kW·h)[8]。

因此，采用奧托循環的四沖程雙燃料發動機對活塞環的密封性要求較高，需要監測和安全保護措施。奧托循環的四沖程雙燃料發動機安裝燃氣閥傳感器檢查燃氣閥的動作，當燃氣閥誤動作時，切斷燃氣供應，發動機切換到純燃油模式，但仍有可能因燃氣噴射閥閥面/閥座接觸不良，致使發動機在活塞越過燃氣噴射閥后燃氣泄漏進入掃氣箱，所以其危險性也高于ME-GI雙燃料發動機。

通過以上的分析，從排放環保的角度而言，ME-GI 低速機、TFDE 電力推進似乎各有優劣。對于NOx的排放，ME-GI低速機可以通過配置EGR或SCR進行彌補。SOx的排放主要還是取決于油品自身的含硫量。而CO2排放高和甲烷的逃逸問題，TFDE 電力推進系統無法彌補，所以綜合考慮從環保角度而言ME-GI低速機推進系統還是優于TFDE電力推進系統。

4 結論

1)ME-GI低速機推進系統具有更高的效率，遠遠優于TFDE電力推進系統；

2)ME-GI低速機推進系統不論從初始投資還是運營成本方面都低于TFDE電力推進系統；

3)ME-GI低速機推進系統配備有高壓氣體壓縮機可以實現LNG的部分液化，實現運營的最大經濟性；

4)ME-GI低速機推進系統和TFDE 電力推進系統在系統復雜程度方面各有優劣，但ME-GI低速機推進系統相對更加簡單可靠，且符合大多數船員的操作習慣；

5)從環保角度而言ME-GI低速機推進系統也是優于TFDE電力推進系統。

因此，今后新建17.4萬m3LNG大型運輸船的推進系統，應當采用ME-GI低速機直接推進方式。配置2臺5G70ME-C9.5-GI-EGR(SMCR為12 650 kW)分別驅動2只固定槳，同時配置4臺6L35/44DF(總功率12 700 kW)發電機組。

[1] 智庫數據研究中心. 2014—2019年中國海運市場深度調研及發展戰略研究[J].北京：中國產業信息，2014(4):64.

[2] 李源.大型LNG船設計演變軌跡[J].中國船檢，2012(5)：58-62.

[3] 吳窮,王建豐,王沖,等.LNG運輸船的主動力裝置[J].熱能動力工程，2009(1)：7-11.

[4] 中國船舶工業集團公司.船舶設計實用手冊:輪機分冊[M].北京:國防工業出版社,2013.

[5] 國際海事組織.防污公約(MARPOL)附則VI防止船舶造成空氣污染規則[S].2011.

[6] 馬義平,王忠誠.曼恩和瓦錫蘭船用二沖程雙燃料發動機之比較[J].船舶動力裝置2013(5)：94-99.

[7] 高子朋，詹宇，王民，等.船用ME-GI雙燃料發動機技術分析[J].中國船檢，2014(10)：68-70.

Comparative Analysis of LNGC ME-GI Low-speed Engine and TFDE Electric Propulsion

YANG Bo

(CNOOC Energy Technology & Service-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

In order to satisfy the economy and environmental protection requirements of the ship, large LNG carrier propulsion system was improved. In view of the target ship, from a technical point the two latest propulsion ways of the ME-GI low-speed engine propulsion and TFDE electric propulsion were analyzed emphatically. The analytical results showed that the ME-GI low-speed engine to promote both economic and environmental protection systems are better than the current mainstream TFDE electric propulsion system, it will gradually become the mainstream of future large LNG carrier form.

LNG carrier; low-speed engine; electrical propulsion; economy; environment protection

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.018

2016-07-10

工信部項目(工信部聯裝[2014]498)

楊波(1981—)，男，碩士，工程師

U664.121;U665.13

A

1671-7953(2016)05-0070-06

修回日期：2016-08-10

研究方向:輪機技術

E-mail:yangbo8@cnooc.com.cn