（轮机工程专业论文）lng船主推进装置的选择和双燃料发动机的经济性研究.pdf

摘要 摘要 液化天然气( l n g ) ，是一种优质燃料，它热值高，燃烧产物对环境污染小，被称 为“清洁燃料”。随着人们生活水平的提高和环保意识的增强，液化天然气在能源消 费中的比重呈现出越来越高的趋势。作为一种重要的工业和家用燃料和污染较小的能 源，它已成为世界各国生产生活中不可缺少的重要能源，在当今社会扮演越来越重要 的角色。目前，l n g 船是跨大洲液化天然气运输的主要手段，是连接液化天然气产地 和接收站的重要桥梁。 l n g 船的主推进装置是影响船舶营运经济性的重要因素之一，因为燃料费用在整 个营运成本中占有很大的比重，要提高船舶的营运经济性，就必须降低燃料费用。目 前在l n g 船上占主导地位的蒸汽轮机推进系统存在热效率低、油耗高的致命缺点，在 国际能源价格持续攀升的情况下，这决定了其将来必然要被其它推进系统替代。l n g 船推进装置的选择除了要能给船东带来经济上的好处外，还要考虑l n g 船对冗余度 和可靠性的要求，以及蒸发气的处理问题，要么在l n g 船配置再液化装置，要么将其 作为推进系统的燃料。 本文将经济性作为研究的出发点，同时兼顾l n g 船对主推进装置冗余度、可靠性 和机动性的要求，对各发动机厂家推出的几种主推进装置进行了介绍，并探讨了其各 自优缺点。然后，本文将双燃料电力推进装置与传统蒸汽轮机就经济性、安全性、环 保性等几个方面进行了定性分析，而后就经济性与几种主要的推进装置进行了定量比 较。 因为双燃料电力推进装置的原动机是双燃料发动机，其经济性是建立在双燃料发 动机在气体模式比在燃油模式运行更经济的基础上。也就是，只有当双燃料发动机烧 天然气比烧重油更省钱时，双燃料电力推进装置才有竞争优势。所以本文最后还对双 燃料发动机的经济性进行了讨论。 关键词：l n g 船，主推进装置，双燃料电力推进装置，双燃料发动机，经济性 a b s t r a c t u q u e f i e dn a t u r a lg a s ( l n g ) ，i sak i n do fh i g hq u a l i t yf u e l i th a sh i g hc a l o r i f i c v a l u e a n d 临p r o d u c t so fc o m b u s t i o np o l l u t et h ee n v i r o n m e n tt oo n l yas m a l l e x t e n t ，t h u s ，i t sc e l l e dc l e a nf u e l w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh u m a nl i v i n gs t a n d a r da n d t h er a i s eo fc o n s c i o u s n e s sa b o u te n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h ep r o p o r t i o no fl n g c o n s u m i p t i o nt oa l lt e n d st ob eb i g g e ra n db i g g e n a sak i n do fi m p o r t a n ti n d u s t r i a l a n dd o m e s t i cc l e a nf u e l 。t h el ng ，w h i c hh a sb e e ni n d i s p e n s a b l ee n e r g ys o u r c ei n t h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，c o n s t r u c t i o n 。a n dh u m a nd a i l yl i f ei ne v e r yc o u n t r y , p l a y sa m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tp a r ti nm o d e r ns o c i e t y n o w a d a y s l n gc a r d e ri st h e m a i nm e a n so fl n gt r a n s p o r t a t i o nb e t w e e nc o n t i n e n t s ，a n dt h ei m p o r t a n tb n d g e c o n n e c t i n gl n gs o u r c e sa n dt e r m i n a l s l n gc a r r i e rm a i np r o p u l s i o ns y s t e mi so n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r sa f f e c t i n g s h i po p e r a t i n ge c o n o m y b e c a u s et h ef u e lc o s tm a k e su pal a r g ep r o p o r t i o no ft h e s h i po p e r a t i o n a lc o s t ，i t h a st ob er e d u c e di f r a i s i n gs h i po p e r a t i n g e c o n o m y n o w a d a y s t h es t e a mt u r b i n ep l a n ti ss t i l li nt h em a j o r i t yi nl n gc a r r i e r , h o w e v e r , i t h a sf a t a l d i s a d v a n t a g e s - l o wt h e r m a le f f i c i e n c ya n dh i g ho i l w e a r u n d e rt h e c o n d i t i o n st h a tt h ei n t e r n a t i o n a le n e r g ys o u r c ep r i c ei sa p tt ok e e pr i s i n g ，t h es t e a m t u r b i n ep l a n ti ss u p p o s e dt ob er e p l a c e db yo t h e rm a i np r o p u l s i o ns y s t e m s s e l e c t i n gt h em a i np r o p u l s i o ns y s t e mf o r l n gc a r d e r , t h e r e q u i r e m e n t so n r e d u n d a n c ya n dr e l i a b i l i t ym u s tb ef u f f i l l e db e s i d e st h es h i po p e r a t i n ge c o n o m y i n a d d i t i o n ，t h eb o i l - o f fg a sm u s tb et r e a t e dp r o p e r i yb yi n s t a l l i n gt h er e l i q u e f a c t i o n p l a n to rb u m i n gi ta sf u e l b a s e do ns h i po p o r a t i n ge c o n o m y , t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h es e l e c t i n go fl n g c a r r i e rm a i np r o p u l s i o ns y s t e mf u l f i l l i n gt h er e q u i r e m e n t so nr e d u n d a n c y , r a l i a b i l i t y a n dm a n e u v e r a b i l i t y t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss e v e r a lm a i np r o p u l s i o ns y s t e m s ，a n d i l l u s t r a t e st h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rq u a l i t a t i v e l y c o m p a r e sd u a lf u e le l e c t d cp r o p u l s i o np l a n tw i t hs t e a mt u r b i n ep l a n to ne c o n o m i c a l e f f i c i e n c y , r e l i a b i l i t y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n ds oo n ，a n d q u a n t i f i c e t i o n a l l y c o m p a r e si tw i t ho t h e rm a i np r o p u l s i o ns y s t e m s t h ep r i m em o v e ro fd u a lf u e le i e c t d cp r o p u l s i o np l a n ti sd u a l - f u e le n g i n e s oi t s b s t r c t e c o n o m i c a le f f i c i e n c yi sb a s e do nt h ec o n d i t i o nt h a tt h ed u a l - f u e le n g i n er u n so n n a t u r a lg a sm o r ee c o n o m i c a l l yt h a ni td o e so nh e a v yo i l t h a t st os a y , o n l yw h e ni t b u m sn a t u r a lg a sm o r ee c o n o m i c a l l yt h a nh e a v yo i l 。t h ed u a lf u e le l e c t r i cp r o p u l s i o n p l a n t i sc o m p e t i t i v e f i n a l i y ，t h i s p a p e rd i s c u s s e st h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c yo f d u a l - f u e le n g i n e d u a nc h a n g x i a o ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t e p r o f e s s o rl ip i n y o u k e y w o r d s ：l n gc a r r i e r , m a i np r o p u l s i o ns y s t e m ，d u a lf u e le l e c t r i cp r o p u l s i o n p l a n t 。d u a l - f u e le n g i n e ，e c o n o m i c a le f f i c i e n c y n l 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论 文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经 发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已 在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：趣趣日期：2 丑z ：17 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：塑遮煎导师签名 上海海事大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章引言 能源问题已经成为一个国家的战略问题，日益引起高度重视。由于国际油价节节 攀升，各国不得不努力实现本国能源结构的多元化和多源化。在这样一个国际大环境 下，l n g 贸易和运输的发展步伐也是越迈越大。据市场分析预测，未来的几年内， 每年投入运营的l n g 船将达1 0 1 2 艘，与过去十年中每年仅有6 - - - 8 艘相比，有很大 的增长二十世纪七十年代l n g 贸易开始时建造的l n g 船至今仍在运营，老化船舶的 淘汰也将为l n g 船舶市场创造一定空间。l n g 船需求量的快速增长己引起了全球发动 机制造商的注意，不断有新技术新产品问世，为船东选择更高效、更经济的l n g 船推 进系统提供了可能。 目前，国际油价节节攀升，船舶的燃料费用问题已成为各船东和船公司要考虑的 首要营运因素，业内各方对各种船舶推进装置的经济性展开了大讨论。任何船舶，燃 料费在营运成本中都占有相当大的比例，l n g 船也不例外，为降低营运成本，必须选 用低耗油率的推进装置。在这种情况下，各企业纷纷开展对l n g 船的研究，为l n g 船选择经济性最佳的推进装置。l n g 船上的蒸发气是比空气更轻的可燃气体，可以用 作燃料，以前也一直用作传统的蒸汽轮机推进系统主锅炉的燃料。现在，围绕在l n g 船上开发低油耗高热效的推进装置这一主题，已有公司研制出了既能烧柴油、又能烧 l n g 蒸发气的高效发动机。 1 2 国内外研究综述 液化天然气( l n g ) 船是国际上公认的高技术、高难度、高附加值的“三高”船 舶，被誉为“造船皇冠上的明珠”n 1 。我国在液化天然气船建造和研究方面起步较 晚，2 0 0 2 年，沪东中华造船( 集团) 有限公司获得为广东l n g 项目建造两艘1 4 7 2 1 0 m s l n g 船的合同n 1 ，实现了我国造船业在这一领域零的突破。该船采用l n g 船传统的蒸汽轮 上海海事大学硕士学位论文 机作为主机，动力装置主要由双燃料主锅炉、蒸汽轮机、减速齿轮箱以及螺旋桨组成。 货舱内的甲烷蒸发气燃油在双燃料主锅炉中燃烧后产生高压过热蒸汽，驱动蒸汽涡 轮，经减速齿轮箱后带动螺旋桨；工作后的废汽经主冷凝器冷凝后至凝结水系统进行 循环。部分过热蒸汽用于透平发电机组或透平给水泵。 欧洲、韩日的一些船厂、公司在这一领域处于领先地位，他们把持了绝大多数的 技术和专利。以下是应用于在营或在建的l n g 船的推进系统： ( 1 ) 蒸汽轮机 过去的4 0 年中，l n g 船的推进系统都是采用蒸汽轮机，由于蒸汽轮机能够安全 可靠地处理蒸发气体，单机输出功率高，维护、保养较为简单、经济等原因，尽管其 它船舶都改用柴油机，而蒸汽轮机作为l n g 船主机的统治地位始终没有改变，并且在 将来的很长一段时间内也不会改变“。 目前比较典型的蒸汽轮机系统，由以重油和蒸发气体为燃料的2 台主锅炉和蒸汽 轮机、减速机、以及螺旋桨构成。电力供应一般是依靠2 台汽轮发电机和1 台柴油发 电机。蒸发气体作为燃料由主锅炉燃烧，然后，用产生的蒸汽驱动汽轮机，变为使螺 旋桨旋转的动力。当蒸发气体不够用时，对重油和装载的l n g 加热，使之强制蒸发， 用补充的蒸发气体增加燃烧量。以获取推进用的动力。当蒸发气体的供应量过剩时， 把生成的蒸发气体引入用海水冷却的冷凝器进行处理。主锅炉燃烧需要的蒸发气体。 其供应压力比其它以气体为燃料的发动机至少低l b a r ，所以从安全角度考虑，现在 所有的l n g 船的推进系统都采用汽轮机装置。然而，蒸汽轮机的致命弱点是它的燃油 效率低，这一点随着燃料价格的上涨以及l n g 船舶尺寸的增大变得越来越突出。 ( 2 ) 燃气轮机 罗尔斯一罗伊斯公司于2 0 0 2 年初推出了供l n g 船选用的t r e n t3 0 型燃气轮机嘲。 该机输出功率达3 6 m w ，且重量较轻一不到2 6 吨。与蒸汽轮机相比，这种燃气轮机 在整个使用期间可以节约营运成本2 0 左右。如选用t r e n t3 0 型燃气轮机作l n g 船 主机，船的总长可缩短1 9 米，而载重量却可增加1 2 ，这对提高船舶经济效益至关 重要。t r e n t3 0 型燃气轮机具有模块化结构等特性，可维修性好，已成为用户选用 船舶主机的重要条件之一。阿尔斯通公司己向l n g 船市场推出了输出功率达1 7 栅的 g t 3 5 型燃气轮机。该机是能使用柴油和天然气混合燃料的双燃料发动机，柴油和天 然气的混合比为2 ：8 。目前船东对这种燃气轮机很感兴趣。通用动力公司生产的 2 上海海事大学硕士学位论文 l m 2 5 0 0 型和l m 6 0 0 0 型燃气轮机也适合于l n g 船，这两型燃气轮机具有可靠性高、重 量轻、单位重量功率大等特点。 ( 3 ) 搭配再液化装置的柴油机方案 选用热效率高的柴油机作为主机，而蒸发的天然气被再液化后回到液货舱，使经 济性有了明显提高。而且主机与蒸发气体处理系统可以完全分离，主机是一般普通船 用柴油机，燃烧效率比较高。但是，增加了再液化设备的投资和增加了驱动电力；同 时燃油消耗量也将增加；且由于柴油机燃烧的是重油，排出的氦氧化物、硫氧化物较 其他机种多“。虽然l n g 船采用再液化装置是可行的，并且能降低燃料费用，但只有 在节省的燃料费用足以抵消公司在再液化设备和船型变大时的投资，并且不对操作和 维护保养带来额外投资时，才具有现实意义。 ( 4 ) 电力推进系统 a 吊舱推进系统 吊舱式推进装置( p o d d e dp r o p u l s o r ) 出现在2 0 世纪9 0 年代，已在各类船舶上 都有应用，尤其广泛应用于特种船推进。吊舱式推进装置实际上是一种具有线型外罩 的全回转电力推进器，所谓吊舱是指将整个推进系统部分悬置于船舰外，具体地说， 就是把电力推进系统中的电动机置于船舶后部可旋转3 6 0 。的流线型吊舱内，由一台 变频器供电和控制，吊舱的一端或者两端装有定距桨，由电动机直接驱动”1 。它具有 低噪音、低振动和优良操纵性能等优点。由于靠岸和停泊时优异的可操控性，得到越 来越多船东的关注，也是目前l n g 船可供选择的推进方案之一。出于安全操作和船舶 操控性的限制，到目前为止还没有一艘l n g 船可以不在拖船的帮助下离靠码头，昂贵 的拖船费用和初投资以及l n g 装卸货码头周边条件将是对是否可能采用吊舱式推进 装置产生决定性影响的因素。大型游轮、海上石油钻井平台、破冰船等成功使用吊舱 推进装置完成各种复杂靠离作业的经验值得l n g 船借鉴。研究表明，一艘1 3 5 万立 方米的l n g 船采用两台1 4 m w 的吊舱推进装置作推进动力装置，在无拖船帮助的情况 下能安全完成离靠码头等各种操作。l n g 船可单独选用吊舱式推进装置也可以结合其 它形式的推进装置一起使用。在与其它推进装置联合布置时，一部分的推力可由吊舱 式推进装置来提供，另一部分推力由其它形式的推进装置提供，既可确保整体推进系 统的高效率，也可获得操纵性能的提高。当然，采用吊舱式推进装置也面临一些问题， 诸如船舶管理技术能力，建造初投资阶段不具竞争力，螺旋桨与转轴处密封存在泄漏 3 上海海事大学硕士学位论文 隐患等问题，相信可以通过管理技术培训、市场的扩大及系统开发商技术上的不断完 善得到解决。 b 双燃料发动机电力推进系统 第一条采用双燃料电力推进的l n 6 船是由法国大西洋( c h a n t i e r sd el a t l a n t i q u e ) 船厂为法国天然气公司( g a zd ef r a n c e ) 建造的一条7 5 0 0 0m 3 的l n g 船，该船目前已经投入使用。船舶动力由四台6 缸的瓦锡兰5 0 d f 发动机提供，总功 率为2 2 8 唧，运行其中的三台发动机发电就可以使船舶保持1 6 节的速度航行。2 0 0 3 年，法国天然气公司又向大西洋船厂订购了一条1 5 3 0 0 0 m 3 的l n g 船，同样采用双燃 料电力推进方案，组成推进系统的四台双燃料发动机包括三台1 2 缸的瓦锡兰5 0 d f 发动机和一台6 缸的5 0 d f 发动机，总功率输出为3 9 9 哪。2 0 0 4 年，法国天然气公 司又向日本邮船公司( n y k ) 订购一条相同型号、相同配置的l n g 船。英国石油公司 ( b p ) 已经订购了四条1 5 5 0 0 0m 3 的l n g 船，计划还要订购四条，船舶动力来自于两 台1 2 v 5 0 d f 发动机和两台9 l 5 0 d f 发动机，已订购的四条l n g 船预计在2 0 0 7 年和2 0 0 8 年交付使用n 1 。预计在未来l o 年内，将有l o 一1 2 艘l n g 船采用瓦锡兰5 0 d f 型双燃 料发动机作为主机。 c 三星重工的柴一电推进系统 三星公司则认为，采用双燃料中速柴油机提供动力，通过电动机和齿轮箱驱动主 轴。对于l n g 船停泊所需电力较低时有可能导致天然气蒸发过量，三星公司采用两种 方式进行控制：一是通过燃烧器烧掉多余的蒸发气；二是将过量的蒸发天然气用于加 热压载水。据三星公司介绍，在l n g 船上采用柴一电动力推进方式后，节省的燃料费 用和降低的维修费用，大约每年可为船东带来2 0 0 万美元的经济效益；而且通过提高 燃烧效率，降低了二氧化碳排放量，减少了排放中的氮氧化物和氧化硫的含量。三星 公司同时承认，节省的费用并不足以抵消船价的增加，一艘大型l n g 船如果采用柴一 电动力装置，其船价将增加3 0 。但如果综合柴一电动力装置的其它优点，如具有良 好的动力定位，特别适于海洋工程中天然气的运输，柴一电动力装置的l n g 船对船东 还是具有相当的吸引力1 。 ( 5 ) 双燃料发动机 当前，天然气柴油双燃料二冲程和四冲程发动机已经面市，使双燃料发动机作为 l n g 船推进主机的构想变为现实。瓦锡兰5 0 d f 型柴油机就是一种以天然气和柴油作 4 上海海事大学硕士学位论文 为燃料的双燃料发动机t l o l 正常工作时使用9 9 的天然气和仅仅1 的燃油混合燃料， 只有在天然气系统出现故障时才切换到燃油状态。预燃室中加人燃油主要用作点火启 动发动机。与常规动力装置相比，使用这种双燃料发动机不但最大限度地利用了气体 燃料，而且大大降低燃油消耗，可节约燃料2 0 3 0 。同时，双燃料发动机具有很 低的排放，其氮氧化物的排放量只相当于普通柴油机的1 1 0 ，二氧化碳的排放也相 当低。双燃料发动机可以在气体燃料和液体燃料两种模式下交替工作，而且两种模式 可自动切换( 在停止气体燃料供应时，自动切换到液体燃料模式) ，发动机不会停止运 行。随着船舶动力装置的不断发展，双燃料发动机以其可使用两种燃料、重量轻、制 造成本较低等优点也许将成为今后l n g 船主机的首选。 1 3 本论文所要解决的问题 在国际能源价格持续攀升的背景下，本论文针对蒸汽轮机推进系统热效率低、油 耗高这一致命缺点，论述了l n g 船更换主推进装置的必要性和可行性。然后，对替代 蒸汽轮机推进系统几种可行的主推进装置进行了介绍和分析，并通过定性分析、定量 计算，论证了双燃料电力推进装置从经济性、安全性、冗余度等方面综合而言，具有 明显的竞争优势和光明的应用前景。而后，本文以瓦锡兰5 0 d f 双燃料发动机为对象， 研究了双燃料发动机在天然气、柴油价格比在什么范围时，燃料经济性才得以体现。 1 4 课题研究价值和意义 通过对l n g 船各种推进装置的分析、比较和总结，本文论述了替代蒸汽轮机推 进系统的各种方案的优缺点。在以后为新建的l n g 船选择非蒸汽轮机推进的动力装 置时，可为在经济性、安全性、冗余度等方面综合考虑，作出最优化的选择提供理论 指导、建议和帮助，从而，可极大地提高l n g 船的营运经济性，这对我国建造出经 济性好的新型非蒸汽轮机推进l n g 船有一定的指导作用和参考意义。 通过对双燃料发动机燃料经济性的计算和分析，为船东、船公司在船舶营运中控 制成本，提供理论指导、建议和帮助，同时，对提高l n g 船的营运经济性有一定的 指导作用和参考意义。 5 上海海事大学硕士学位论文 第二章l n g 船各种主推进装置 2 1 传统燕汽轮机推进系统 蒸汽轮机占据今天全球l n g 船推进系统的主流，主要原因为：l n g 船舶的航速要 求一般较高，蒸汽轮机输出功率大，可以满足l n g 船对大功率推进系统的要求；同时 系统功率裕量较大、可靠性较高，可以满足交货时效性的要求；在蒸汽轮机系统中 l n g 蒸发汽或重油均可用作锅炉的燃料，也可以采用一定比例混合燃烧方式，l n g 蒸 发汽可以得到很好的利用；在只燃烧蒸发汽时排出的排放物也较为清洁；维护不是很 频繁且费用也相对较低；主锅炉和蒸汽透平结合的主推进系统有效地解决了蒸发汽的 安全利用问题；l n g 的应用技术在相当长的时期内只被少数几个发达国家所掌握，同 时市场长期处于供过于求的状态，l n g 价格较低，蒸汽轮机系统的整体经济性较好。 而其他主推进系统方案相对地都或多或少存在一些技术瓶颈，成了作为l n g 船主推进 系统的障碍。经过几十年的发展，蒸汽轮机系统在某种程度上说已成为l n g 船的标准 主动力系统i n l 。 蒸汽轮机推进系统主要由锅炉、蒸汽轮机和齿轮减速传动装置组成。其工作原理 是锅炉产生的蒸汽通过蒸汽涡轮机将热能和压力势能转换成动能驱动涡轮转子转动， 经减速装置减速后带动螺旋桨转动，从而推动船舶前进。锅炉配备货物l n g 蒸发气和 燃油两套燃料供给系统 1 2 | 0 锅炉可以单独燃烧蒸发气或燃油，也可以两种燃料同时 使用。其工作原理如图2 1 所示。 图2 1 蒸汽轮机推进系统原理图 6 上海海事大学硕士学位论文 蒸汽轮机保养费用相对较低，维修频次少，应用记录表明系统具有很高的可靠性。 蒸发汽获取量取决于船舶设计及其工作环境条件，通常自然蒸发率设计为0 1 5 左 右，有些正在营运的船舶蒸发率可低到0 1 0 左右。在压载航行时，可得到的蒸发汽 量只有满载航行时的1 0 5 0 ，具体比例取决于货舱留有用于预冷液货的量、海况和 货舱温度的控制等综合因素。对l n g 船来说，不管选择何种推进系统，都必须采取某 种方式来处理蒸发汽，把它用作推进系统的燃料或进行再液化。l n g 蒸发汽在空气中 爆炸浓度范围是5 1 4 ，释放到大气不但不经济而且非常危险。l n g 是在常压下运输 的，通常液货舱安全阀设定压力为2 5 k p a ，真空压力设定为低于大气压1 k p a ，航行时 要避免货舱超压或出现负压“”。 安全在天然气运输中是极其重要的，蒸汽轮机主推进系统的可靠性、严格的安全 操作规程以及成熟的系统设计使得l n g 船有极好的安全记录。迄今为止，除发生过个 别型号蒸汽轮机齿轮箱过度磨损事故外，并无其他重大机损事故报告。l n g 船造价高 昂，延长船舶使用寿命是降低船舶营运成本的重要措施之一。与其他船舶一样，l n g 船使用寿命很大程度上取决于船体、货舱和主推进装置的服务寿命。船体、货舱和主 推进系统的维护管理是l n g 船舶管理的重要环节。根据日本船级社1 9 9 2 年的技术简 报对防范非自持式液化气船舶事故的反思，通过对2 9 艘非自持式液化气船舶的事 故调查分析“，其结果表明液化气运输船舶的安全系数很高，货舱发生液化气泄漏 的危险性很低。 蒸汽轮机推进系统的主要缺点是：蒸汽轮机系统的燃油消耗率比低速柴油机高， 系统整体热效率低，燃料消耗量大。只有当蒸发汽的价格与燃油的价格相比足够低时， 此种方案的推进系统在营运的经济性方面才有一定的优势，越过了某一价格的临界 点，系统的经济性差的问题便凸显出来了。 以某项目一艘1 4 5 0 0 0 m 3 l n g 船燃料成本核算为例，船舶正常航速1 9 5 节，蒸汽 轮机系统的日消耗液化气3 1 9 立方米，以项目液化气离岸价格计算的日燃料费用约 2 1 7 0 0 美元，其燃料费用基本上与同等功率的常规大型低速柴油机所消耗燃料的费用 相当；如果锅炉完全燃烧船用渣油r m h 5 5 ( i s 0 8 2 1 7 ：1 9 9 6 ) ，其日燃料费用约为3 2 7 6 0 美元，燃料费用要比烧蒸发汽高出3 0 以上“。 2 2 l n g 船推进系统替代的必要性 7 上海海事大学硕士学位论文 2 2 1 问题的提出 世界对能源的大量需求极大促进了l n g 贸易和运输的发展 1 6 9 据市场分析预测， 未来几年内，每年投入运营的l n g 船将达1 0 一1 2 艘，与过去十年中每年只有6 _ 喝 艘相比有很大的增长。二十世纪七十年代l n g 贸易开始时建造的l n g 船至今仍在运营， 老化船舶的淘汰也将为l n g 船舶市场创造一定空间。l n g 船需求量的快速增长己引起 了全球发动机制造商的关注，不断有新技术新产品问世，为船东选择更高效、更经济 的l n g 船推进系统提供了可能性。 目前，国际油价节节攀升，船舶的燃料费用问题已成为各船东和船公司要考虑的 首要营运因素，业内各方对各种船舶推进装置的经济性展开了大讨论。任何船舶，燃 料费在营运成本中都占有相当大的比例，l n g 船也不例外，为降低营运成本，必须选 用低耗油率的推进装置。 在这种情况下，各企业纷纷开展对l n g 船的研究，为l n g 船选择经济性最佳的推 进装置，主要方案有减少蒸发汽，将产生的蒸发汽再液化后送回液货舱，采用替代蒸 汽轮机的主推进装置等。为减少蒸发汽，一般需要增加绝热层厚度，绝热层厚度的增 加使成本增加，液货舱容积减少，船舶自重增加，载货量减少，因此蒸发汽不可能无 限制地降低。任何船舶，燃料费在营运成本中都占有相当大的比例，l n g 船也不例外。 因此为降低营运成本，必须选用低耗油率的动力装置。l n g 船上的蒸发汽体是比空气 更轻的可燃气体，因此允许用作机舱燃料，以前也一直用作蒸汽涡轮机主锅炉的燃料。 另一方面，蒸发汽也是货物的一部分，因此针对其有效应用，研究了各种各样的装置。 2 2 2 l n g 船的特点 l n g 贸易传统上基于长期的运输合同，船队运营在固定的航线上和几个有限的终 端之间。蒸汽轮机占据今天全球l n g 船推进系统的主流，主要原因是因为其输出功高， 另外，也可燃烧劣质燃油和蒸发气。蒸汽轮机保养费用相对较低，且不频繁，系统也 被证实是可靠的。最关键的问题是蒸发气，它必须被以某种方式进行处理。建造蒸汽 锅炉当然是最简单的解决办法，这也一直是其它推进系统进入l n g 市场的一个障碍， 使得蒸汽轮机成为l n g 船的标准选择。蒸发气获取量取决于船舶设计和其工作条件， 今天，自然蒸发率通常设计为0 1 5 左右。然而，这只是一个设计值，而实际上己有 报道蒸发率可降低到0 1 0 。在压载航行时，可得到的蒸发气量可能只有满载航行时 8 上海海事大学硕士学位论文 的1 0 5 0 9 6 ，具体比例取决于有多少个货舱留有用于预冷的液货1 。对l n g 船来说， 不管选择什么样的推进系统，都必须采取某种方式来处理蒸发气，把它用作推进系统 的燃料或进行再液化。另外，蒸发气的成分以及由此引起的热值变化在航行期间是不 同的，这一点在选择替代推进装置时也必须予以考虑，由于氮气沸点温度比甲烷低， 蒸发气中氮气的含量在满载航行的起始阶段较高。在压载航行时，蒸发气主要是由于 货舱预冷喷射液货产生的，较重的碳氢化合物蒸发，因此蒸发气的热值较高，与强行 蒸发的气体一样。 安全在天然气运输中是极其重要的，l n g 船有极好的安全记录，蒸汽轮机的可靠 性与严格的规章及操作步骤以及成熟的船舶设计都有助于此。例如，在港口，推进装 置必须时时处于可用状态。 2 2 3 运输方式的变化 在早期的合同中，天然气的买主一般也是l n g 项目的合伙人，也是l n g 船的船东。 运送尽量多的l n g 自然也没有今天那样显得重要。在以往，运输通常是整个l n g 项目 的次要部分，由于天然气的生产、液化装置、装货港的建设都需要巨大的投资，投资 者都希望通过建立液化气运输链来把风险降到最低，一旦l n g 船被定型以后且被认为 是可靠的，在运输技术上就很难再作改变。因为不能按照时间表运输货物所带来的风 险要远比降低燃油消耗和改善船运经济性所带来的好处大的多。运输企业往往在整个 l n g 项目中很少有发言权，船厂也无需去作革新的设计以便减少运营成本和提高运输 效率 1 8 1 0 然而，市场形式已发生很大的变化，最近几年，在许多l n g 项目中，天然气的生 产、运输以及天然气的气化进入供气管网或者输往发电站是完全分开的，结果，l n g 的运输不得不依靠自己来维持其经济性了“”。在一些项目中，l n g 是通过出口企业运 送到消费者的，运输花费包含在进口商支付的价格中( 成本、保险和运输费) 。而在 另一些项目中，进口商在液化天然气厂购得l n g 并运输l n g ，运输花费当然由进口商 负责。这种分开使得运输也变成一个商业行为，使其更注重于运输的经济性，使传统 的纯运输企业也成为贸易的一环。l n g 船舶在很大程度上已不再是航行于特定航线上 的项目专用船了。这就要求新l n g 船的设计在不增加操作费用的情况下，续航力、船 速和适航范围等方面具有更大的灵活性。 l n g 运输企业的利润将依赖于l n g 船燃料消耗的节省和运营成本的降低。我们己 9 上海海事大学硕士学位论文 可以看到欧洲的一些大的运输企业以及印度和我国的运输企业都在努力使自己在 l n g 运输中找到立足点，这种影响将使这些企业必须通过削减运输成本来提高竞争， 这会给船厂施加压力，为获得更多的l n g 船订单，它们就必须开发更新的技术和设计 来降低l n g 船的造价和运营成本。 现场l n g 交易的增加也要求运营成本的减少，以及通过配置再液化装置和再气化 装置来提高船舶运输的灵活性。在未来，很多l n g 船将不得不为争夺货源而展开竞争。 由于对l n g 货物的需求和供给的增加，短期的合同以及现场货物交易在今天也正变得 平常，一些l n g 船甚至没有任何的运输合同和固定路线，就开始建造，这在以前的l n g 交易中是难可想象的，这样，船舶运营商就必须寻找那些运营灵活高效的船舶以适应 新的合同形式，这就要求推进装置也必须适应不同的船速和不同的运营环境，传统的 蒸汽轮机推进装置的主要缺点是它的低效率以及高耗油量，缺乏可选择的处理蒸发汽 的方法。而且，在现代l n g 船上由于货舱绝热技术和设计的进步使得自然蒸发率比较 低，自然蒸发的蒸发汽远不能满足航速较高时推进装置对蒸发汽的需求。因此，就需 要强行进行蒸发或用重油来弥补锅炉的燃料需求。而这两种方法都增加了运营成本。 在满载航行时大约5 0 * , 6 的能量需求来源于重油，而在压载航行时这一比例上升到8 0 。 由于海运科技在多方面取得了巨大进步，在其它海船中，蒸汽轮机推进系统已让 位于其它形式的推进系统，并引入了新的电子控制系统和微电脑。而在这期间，l n g 船却很少变化，许多在用的技术仍与上世纪七十年代时一样。自1 9 7 3 石油危机以来， 除了用于l n g 船以外，由于没有海运市场，蒸汽轮机的发展一直处于停滞状态。l n g 船是唯一仍在使用蒸汽轮机作为唯一主推进装置的船舶，由于设计的保守和不愿采用 新技术而受到批评。目前，己有多种动力装置的替代方案，如燃气轮机，双燃料发动 机，柴油电力推进装置等等。这些动力推进装置己被世界主要海军舰队所采用并获得 了发展，最新的技术进步在未来l n g 船舶设计中将会大有进展。另外缺乏有经验的蒸 汽轮机方面的工程师以及蒸汽轮机操作性能差，用作推进装置时冗余度有限等也要求 目前l n g 船蒸汽轮机一统天下的局面必须做出改变。 环境方面也要纳入考虑范围，高耗油率的蒸汽轮机装置，二氧化碳的排放量很高， 在未来有逐渐增加的趋势，尽管由于锅炉的燃烧特性，氮氧化物的排放很低，但硫化 物的排放却是相当大的，特别是在用重油来弥补能量缺口时。 2 2 4 未来l n g 船对推进系统的选择要求 i o 上海海事大学硕士学位论文 目前在航的l n g 船采用的多为蒸汽轮机推进系统，而其它船型却多采用效率更高 的大型低速柴油机推进。但在考虑采用其它推进系统时，不能仅考虑推进系统的效率， 更主要考虑的是其运营的可靠性、推进装置的冗余度、初期投资以及运营的经济性。 所以对于船东和承租者而言，在提出非蒸汽轮机推进方案之前，必须对推进装置的安 全性和冗余度提出明确的要求。从航运业的观点来看，经营者不仅需要船舶效率高， 而且还应有相当大的弹性，以适应不同的实际运输需求。与此相适应，推进系统也必 须高效、有弹性，从而满足不同航速、航线等运营情况的实际要求 2 0 l 。 另外，为l n g 船选择推进系统时也要考虑不同运营条件的差异、船队的配置情况 及航线情况。例如：1 3 8 万立方米的l n g 船，运营航速在1 9 5 节，推进器所需的功 率为2 6 m w 左右，卸货期间电站系统负荷最高，货油泵及其它系统所需的电力约为6 m w 2 ”。船舶的设计及运营条件决定了自然蒸发汽的获取量。在现今典型设计状态下， 液化气的自然蒸发率为低于0 1 5 天，有的船舶甚至可低至0 1 0 天；另一方面， 在不合适的条件下蒸发率也可能会更高。不仅如此，气体的组成也会在航程中发生变 化：在航程开始时蒸发汽的氮含量高，在航行过程中氮含量会逐渐下降。这说明气体 的能量不是不变的，在布置推进系统时必须考虑到这一点”1 。 2 3 几种具有可行性的主推进装置 尽管蒸汽轮机推进系统用于l n g 船已有几十年的时问，但是由于蒸汽轮机推进系 统在经济性和环境方面的缺陷，加上最近在发动机技术上的进步，使得运营商正在寻 求可替代的推进系统。现代的l n g 船，由于采取了先进的货舱隔热技术及设计，液货 的蒸发率都较低，所以单纯靠自然蒸发的蒸发汽量对于推进系统所需来说是远远不够 的。因此，需要对l n g 进行强制蒸发或者用燃油去填补这个能量空缺，这是另一个困 扰航运公司的地方，即需要寻找一个高效的推进系统。经过船厂和船东的多年努力， 目前比较有代表的l n g 船推进系统推进方案有： 2 3 1 燃气轮机推进系统 在l n g 船上采用燃气轮机推进装置，可采用机械式或电力式嘲。燃气轮机重量 较轻，无振动、并且可以使用双燃料( 使用重油作为备用燃料) 。它的低效率某种程度 上海海事大学硕士学位论文 上可通过联合循环系统来弥补。然而，燃气轮机对电站和气体压力的要求较高，这会 使安装更复杂，费用更为昂贵。 罗尔斯一罗伊斯燃气轮机公司，于2 0 0 2 年初推出了供l n g 船选用的t r e n t 3 0 型燃 气轮机。该机输出功率达3 6 m w ，且重量较轻，不到2 6 吨。与蒸汽轮机相比，这种燃 气轮机在整个使用期间可以节约营运成本2 0 9 6 左右。如选用t r e n t 3 0 型燃气轮机作l n g 船主机，船的总长可缩短1 9 米，而载重量却可增加1 2 ，这对提高船舶经济效益至 关重要1 。t r e n t 3 0 型燃气轮机具有模块化结构等特性，可维修性好，这己成为用户 选用船舶主机的重要条件之一。 阿尔斯通公司和通用动力公司也准备为l n g 船提供燃气轮机。他们认为，l n g 船 采用燃气轮机推进可以节省很大的舱内空间和减轻主机重量。阿尔斯通公司已向l n g 船市场推出了输出功率达1 7 兆瓦的g t 3 5 型燃气轮机。该机是能使用柴油和天然气混 合燃料的双燃料发动机，柴油和天然气的混合比为2 ：8 。目前船东对这种燃气轮机很 感兴趣。通用动力公司生产的l m 2 5 0 0 型和l m 6 0 0 0 型燃气轮机也适合于l n g 船，这两 型燃气轮机具有可靠性高、重量轻、单位重量的功率很大等特点。为了满足对l n g 船冗余度方面的要求，可在一艘l n g 船上可安装两台燃气轮机或采用燃气轮机加余热 锅炉或采用燃气轮机与柴油机联合动力装置。 复合涡轮机组( 即燃气轮机发动机十蒸汽轮机发动机) ，是在用燃气轮机燃烧蒸发 汽的同时，利用废气能量产生蒸汽，驱动蒸汽轮机。这种发动机的燃料效率较一般的 蒸汽轮机好，而且排放的废气与汽轮发动机相同，是比较清洁的。缺点是需要高质量 的石油燃料，并且不能与蒸发汽混合燃烧。将来还可能考虑与电力推进装置相结合。 从环保因素考虑将来有可能会采用此种方案的推进系统。 2 3 2 柴油机推进系统 近几十年来，柴油机主宰了几乎l n g 船除外的所有商船的推进系统。船用柴油机 动力装置所积累的丰富经验可以成功地帮助将柴油机应用于l n g 船推进系统的开发。 2 3 2 1 带再液化装置的大型低速柴油机推进系统 当今，几乎所有的l n g 船都采用蒸汽轮机推进系统，l n g 船航行时把蒸发汽引入 锅炉与重油一起混烧或单独燃烧，但在机动航行或停泊时，全部或部分蒸发汽只好浪 费，这种方法成本大，汽轮机系统建造技术难度大，对营运期间的管理人员也要经过 特别的训练。为此，人们开始对l n g 船上装备再液化装置的可行性进行研究。通过低 上海海事大学硕士学位论文 气化率和强制蒸发装置的组合，在低速区至高速区的全部区域内有效利用汽化气体， 提高了航运的经济性。还通过降低氮氧化物、硫氧化物的排放量，改善了生态环境。 另外，l n g 船蒸发汽的再液化可以增加l n g 船的运输量，为船东选择最佳的推进系统 提