7萬t油輪采用LNG燃料動(dòng)力系統(tǒng)可行性分析

羅文忠

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

截至2015年底，我國內(nèi)河新建完成LNG燃料的船舶數(shù)量為62艘，其中通過交通部水科院(示范船認(rèn)定單位)技術(shù)認(rèn)定的56艘，已得到補(bǔ)貼的29艘。此外，申請并通過水科院評估的新造示范船1 495艘，正在建造400艘左右。從船型來看，主要為干散貨船，絕大部分以LNG作為單燃料，少量為雙燃料形式。從載重噸來看，國內(nèi)船舶載重噸較小，通常在幾百至幾千噸之間[1]。油船采用LNG雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)將越來越受到船東的青睞。

油船采用LNG燃料動(dòng)力系統(tǒng)，面臨著LNG燃料加注問題，需要對相關(guān)LNG加注的法規(guī)規(guī)范進(jìn)行梳理，以指導(dǎo)船舶的設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營。

1 國內(nèi)LNG航運(yùn)政策法規(guī)分析

在LNG運(yùn)輸方面相關(guān)規(guī)范主要為中國船級社頒布的《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》和《內(nèi)河散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》，主要指南為中國海事局頒布的《薄膜型液化天然氣運(yùn)輸船檢驗(yàn)指南》和《船體結(jié)構(gòu)疲勞指南》。此外，2009年交通部發(fā)布了《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》，并在2016年9月28日，進(jìn)行修訂。相關(guān)規(guī)范的完善與修訂為LNG在沿海運(yùn)輸提供了可靠的安全保障，并為在將來LNG從沿海接收站用小船向內(nèi)河用戶輸送打下了基礎(chǔ)。

從2008年開始，中國船級社先后頒布了《氣體燃料動(dòng)力船檢驗(yàn)指南(2008/2011)》《雙燃料動(dòng)力船檢驗(yàn)驗(yàn)船師須知(2011)》《天然氣燃料動(dòng)力船規(guī)范》和《雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)與安裝指南(2007)》等關(guān)于LNG動(dòng)力船方面的規(guī)范；中國船級社還發(fā)布了《關(guān)于明確LNG動(dòng)力船舶改造試點(diǎn)工作有關(guān)事宜的通知》《LNG燃料動(dòng)力試點(diǎn)船舶技術(shù)要求》和《內(nèi)河天然氣燃料動(dòng)力船舶法定檢驗(yàn)暫行規(guī)定(2013)》等船用LNG方面的指導(dǎo)性文件。目前我國在LNG動(dòng)力船改造與新建、動(dòng)力系統(tǒng)、船舶安全檢驗(yàn)、主要設(shè)備方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范日漸完善[2]。

通過近幾年的發(fā)展，水上LNG加注的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)逐步得到完善，加注方式也實(shí)現(xiàn)了多樣化，相關(guān)的政策始終朝著有效推動(dòng)LNG在水上應(yīng)用的方向發(fā)展，目前需解決的是應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析，進(jìn)行有效的風(fēng)險(xiǎn)管理手段，改進(jìn)和提高LNG加注作業(yè)的安全水平，減少管理部門對LNG安全方面的疑慮；同時(shí)加大LNG動(dòng)力船動(dòng)力系統(tǒng)的改造與升級技術(shù)的研發(fā)，輔以一定的行業(yè)激勵(lì)政策，能更大程度推動(dòng)船舶采用LNG燃料動(dòng)力的發(fā)展。

2 雙燃料主機(jī)選型分析

2.1 主機(jī)系統(tǒng)選型

對于7萬t油船，通常采用低速機(jī)通過齒輪箱單槳直推的方式。適用于油輪的LNG燃料動(dòng)力主機(jī)，目前主要有純?nèi)細(xì)鈾C(jī)、燃油燃?xì)怆p燃料主機(jī)，二者在技術(shù)上都比較成熟，而且都有很好的應(yīng)用業(yè)績。但是目前純?nèi)細(xì)鈾C(jī)供貨廠家只有Rolls-Royce，而雙燃料主機(jī)有MAN和WINGD。同時(shí)，雙燃料主機(jī)MAN和WINGD機(jī)型在功率覆蓋范圍比較相似，能夠滿足該型油輪的使用，但兩者的最大區(qū)別主要是供氣系統(tǒng)不同。

2.2 雙燃料低速主機(jī)的特點(diǎn)

現(xiàn)在國際市場上大型商船上使用的雙燃料低速主機(jī)廠家主要是MAN B&W和WINGD，這2家產(chǎn)品工作原理和技術(shù)特點(diǎn)對比見表1。

由表1可以看出，MANB&W和WINGD的雙燃料低速主機(jī)各有特點(diǎn)。MAN主機(jī)由于采用Diesel循環(huán)高壓供氣系統(tǒng)，MCR功率沒有折減，因此在同樣功率情況下，MAN的機(jī)型初投資略低。如果考慮主機(jī)排氣滿足Tier III，則增加排氣后處理裝置后，MAN的主機(jī)初投資略高[5]。

表1 2種雙燃料低速主機(jī)性能比較

2.3 機(jī)型選型結(jié)論

為了應(yīng)對日益提高的排放要求，選用以清潔燃料LNG為主要燃料的雙燃料主機(jī)是很好的選擇。采用LNG為燃料，主機(jī)排放可滿足燃油硫含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的標(biāo)準(zhǔn)；MAN的雙燃料主機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较驴蓾M足Tier II的NOx排放要求，而WINGD的雙燃料主機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较轮苯涌蓾M足Tier III的NOx排放要求。而且，由于LNG的碳轉(zhuǎn)換系數(shù)為2.75，較MDO等燃油的碳轉(zhuǎn)換系數(shù)小15%左右，因此更容易滿足EEDI指數(shù)的相關(guān)要求。

從長遠(yuǎn)考慮，如果船舶排放都滿足Tier III，則MAN機(jī)型要增加尾氣處理系統(tǒng)，而WINGD機(jī)型則無需增加附屬設(shè)施。因此，綜合考慮主機(jī)、排放處理及供氣系統(tǒng)的投資來看，MAN機(jī)型比WINGD投資要高出數(shù)百萬元。此外，MAN 機(jī)型采用的高壓供氣系統(tǒng)(壓力為30 MPa)，其泄漏風(fēng)險(xiǎn)要比采用低壓系統(tǒng)的WINGD機(jī)型高，且國內(nèi)低壓供氣系統(tǒng)技術(shù)及其設(shè)備更為成熟，造價(jià)也相對較低。

綜合考慮，對于7萬t油船的雙燃料主機(jī)建議采用WINGD 機(jī)型。

2.4 燃料罐估算

主機(jī)參數(shù)為CMCR 9 000 kW×88 r/min， CSR 7 900 kW×84.3 r/min(87.78% CMCR)。主機(jī)型號考慮MAN B&W 5S60ME-C10.5 GI或WINGD W5X62DF，由于航線的原因暫時(shí)僅考慮滿足Tier II的排放要求。這2款主機(jī)對應(yīng)的油耗及氣耗見表2、3。

表2 WINGD W5X62DF Tier II ISO工況下油耗

表3 WINGD W5X62DF Tier II ISO工況下氣耗

現(xiàn)有船舶應(yīng)用的LNG儲罐通常采用A型艙、SPB型艙、C型艙和薄膜艙，各有優(yōu)缺點(diǎn)。油船貨艙區(qū)主甲板有較大的可利用面積，為了盡量不影響裝貨量，考慮將LNG艙布置在貨艙區(qū)的主甲板上。同時(shí)兼顧成本和布置的可行性，C型艙最合適[4]。

LNG燃料的續(xù)航力可根據(jù)船舶的實(shí)際運(yùn)營航行設(shè)計(jì)，以4 000、6 000及8 000 n mile分別計(jì)算。根據(jù)WINGD主機(jī)單位氣耗，相應(yīng)的LNG罐容積計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 LNG罐容容計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算，實(shí)取LNG罐容積分別為2×500 m3，2×725 m3，2×1 000 m3。對于這3種儲罐，考慮油船兼顧國內(nèi)和國際航線，為了便于運(yùn)輸調(diào)度，按照續(xù)航能力8 000～10 000 n mile，考慮選擇2個(gè)1 000 m3LNG儲罐，布置在貨艙區(qū)主甲板上布置。

3 結(jié)論

近年來，雖然LNG燃料動(dòng)力在航運(yùn)業(yè)取得了快速發(fā)展，但是7萬t傳統(tǒng)油船基本采用蒸汽渦輪或者低速重油/柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，在現(xiàn)有航運(yùn)市場占有主要地位。隨著對燃油經(jīng)濟(jì)性、船舶運(yùn)行與管理、環(huán)境污染等因素的考慮，近海及遠(yuǎn)洋油船推進(jìn)系統(tǒng)必將出現(xiàn)新的轉(zhuǎn)型升級，采用LNG雙燃料動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)將成為趨勢。

在LNG燃料動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須充分考慮國內(nèi)外及行業(yè)法律法規(guī)的影響，結(jié)合國內(nèi)外已有LNG動(dòng)力船舶的運(yùn)行現(xiàn)狀、技術(shù)能力，以及其相關(guān)政策和規(guī)范，油船采用LNG燃料在政策、法規(guī)、規(guī)范支持方面有規(guī)范可依。

根據(jù)船舶的尺度和航行范圍，從LNG燃料補(bǔ)給的安全性及可靠性考慮，油船采用雙燃料主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)將能夠滿足船舶的運(yùn)營。且采用低壓主機(jī)系統(tǒng)在環(huán)保、綜合投資、安全性及供氣系統(tǒng)國產(chǎn)化技術(shù)成熟度方面存在較大優(yōu)勢。