LNG船动力装置与系统

LNG 船动力装置与系统 一 LNG 船简介及分类 LNG 是英文 Liquefied Natural Gas 的简称 即液化天然 气 天然气的主要成份是甲烷 在常压下沸点为 160 液体 比重 160 0 43 0 48 气体比重 20 是空气的一半 气态与液态体积比 600 在空气中可燃极限为 5 15 是一种低 温 可压缩 易燃的气体 具有比重轻 无毒 不腐蚀等特性 鉴于天然气的特性 对 LNG 运输的设计主要考虑的因素是 能适应低温介质的材料 对易挥发 易燃的处理 低比重的储存 能力 按国际燃气规范 对适用 165 的设计温度的货舱须选 用 9 的镍钢 奥氏体钢 不锈钢 铝合金 奥氏体铁 镍合金 36 的镍钢 当 LNG 储罐 即货舱 泄漏时须保证物料 15 天 内不外溢 需设置第二防漏隔层 因为 LNG 运输距离不论有多 远 不会超过 15 天 在此期间即可回船厂维修 故 LNG 储罐 即货舱 为双层壳体 以防 LNG 泄漏 保护船体 对易挥发 易燃的处理 利用 LNG 挥发气作船舶动力的燃料 在 LNG 的装 载 卸货时 船与接收站之间用气相管和液相管连接成封闭系统 防止空气进入 LNG 储罐 确保系统的安全 并且 LNG 货舱的外 壳须绝热 以控制 LNG 挥发速率及控制由温度变化而引起的热 胀冷缩 保护船体构造不受储罐极低温的损害 同时以减少运 输过程中 LNG 的蒸发 对绝热性能要求达到控制日蒸发率 0 15 LNG 的储罐是独立于船体的特殊构造 储罐的形式对 LNG 运输的设计影响很大 根据液货舱围护系统的不同 我们把液化天然气 LNG 船 主要分为自撑型和薄膜型两种 1 自撑舱型 LNG 船 自撑型又可分为球罐型和菱形 球罐型 Moss Spherica LNG 船就是说 LNG 是储存在球型 贮球内的 LNG 船 常见的球罐型 LNG 船由 4 或 5 个球形贮罐以 及支撑其的船体组成 球罐型贮罐系统为挪威 Moss Maritime 公司的专利技术 该 型贮罐采用 AA5083 的铝合金制造 外形为一球体 球体外采用 的一种绝缘是镶板式聚胺酯泡沫 在球体的赤道上安装支承围 裙 支承围裙是通过爆炸成型的特殊构件 与船体结构相连 以减少热的传导 十四五万立方米的 LNG 船 最大贮罐的球体 内径超过 40m 空罐总重量约 900 吨左右 由于球罐型贮罐与船体结构之间 除支承围裙外 完全处于 独立状态 无论是 LNG 的超低温度 或是 LNG 的静 动压力都 由球罐贮罐直接承受 因此 球罐贮罐通常又称之为独立式贮 罐 菱形贮罐系统 SPB Self supporting Prismatic IMO Type B 由日本石川岛播磨重工 IHI 研制 2 薄膜型 LNG 船 薄膜型 LNG 船就是以船体直接作为储存 LNG 贮罐的 LNG 船 常见的薄膜型 LNG 船包括 MKIII 型和 NO 96 型两种 其货舱围 护系统采用的均为法国 GTT 公司专利技术 MKIII 型 LNG 船的液货舱系统包括两层薄膜和绝缘 主层的 薄膜采用 1 2mm 厚的压筋型不锈钢薄板 压筋的目的是为了释 放温度和结构应力 采用的是由中间为铝合金薄膜 两面为玻 璃纤维布制成的 三明治 结构 此次层薄膜可与主层和次层 绝缘预制在一起 加快船上施工的进度 该绝热材料为增强聚 胺酯泡沫 NO 96 型 LNG 船的货舱围护系统也包括两层薄膜和绝缘 主 次薄漠均为 0 7mmINVAR 钢 含 36 镍的钢 由于该种钢材的热 膨胀系数极小 从 20 摄氏度到 163 摄氏度几乎无变形 故被称 之为不变钢 主次层薄膜之间以及次层薄膜和船体内壳之间都是 由充填有膨胀珍珠岩的绝缘箱作为绝热材料 根据主推进方式的不同 LNG 船又可以分为三种类型 配 置蒸汽透平推进系统的 LNG 船 配置电力推进系统的 LNG 船和 配备再液化装置采用低速柴油直接驱动的 LNG 船 1 蒸汽透平推进系统 配置蒸汽透平推进装置的 LNG 船 以双燃料锅炉产生的高温 高压蒸汽 515 摄氏度 61 8bar 为动力驱动透平叶轮高速转动 输出功率各为 50 的高低压透平以减速齿轮箱减速后通过轴系 推进船的航行 2 双燃料电力推进系统 随着双燃料中速柴油机的问世 以双燃料中速柴油发电机组 供电 电推马达驱动的新型电力推进系统应运而生 电力推进 系统由数台双燃料中速柴油机 以燃气 LNG 挥发气 或燃油 为燃料 带动中压发电机产生电能 再由电站 电网系统进行 全船电力分配 用于推进的电力经过推进变压器 变频器等的 处理 输送到推进电动机 经减速齿轮箱的减速 通过轴系驱 动螺旋桨推动船舶的航行 3 低速机直接驱动推进系统 在超大型 LNG 船上 如 20 万立方米以上级 当前广泛应用 的是再液化装置和低速柴油机组合的方案 LNG 运输途中挥发 出来的天然气由再液化装置进行降温变化 再重新送回液货舱 中储存 不再用作燃料 推进动力则由常规的低速柴油机来提 供 以常规重油为燃料 直接驱动轴系 螺旋桨来推进船舶的 航行 建造 LNG 船要比建造油船需要更大量的劳动力和更高的技 术工艺 具有极其严格的质量控制 是船舶制造业中要求最为 严格的一种 尤其是建造密封系统需要特殊的设备和装置以及 熟练技术劳力 须有密封系统的制造许可证 因此全世界 LNG 船的建造能力受到限制 据了解 当今建造 LNG 船的厂家中 制造自撑式球罐形的有日本 三菱重工 川崎重工 三井造船 和芬兰 KVANERNER MOSS 制造自撑式 IHI SPB 棱形 是日 本石川岛播磨重工 制造 Gaz Transport 平板形 薄膜式有 法国大西洋船厂 意大利 FINCANTIERI 韩国现代和大宇 三 菱重工和三井已签合同准备建造该船型 制造 Technigaz 波纹 形 薄膜式有日本钢管厂 NKK 和韩国三星 二 LNG 船主动力装置简介及分析 目前在服役的 LNG 船中 占主动力装置支配地位的是锅炉 汽轮机装置 但是已经出现由传统的锅炉汽轮机装置向柴油机 装置转变的这一趋势 不过锅炉汽轮机装置也在不断地改进完 善 1 锅炉汽轮机装置 1997 年以来 川崎重工开发的 UA 型汽轮机 29400 kW 的 UA400 30900 kW 的 UA420 和 36800 kW 的 UA500 截止 2004 年 已有 2 多台安装在 LNG 船上 因其振动小 噪声低 功率大和 效率高而得到船东好评 通常 在用于 LNG 船的锅炉汽轮机装 置中是两台锅炉配一台汽轮机 沪东中华造船 集团 公司承建 的我国首制二艘 LNG 船的主动力装置就是采用锅炉汽轮机装置 该船为薄膜型 舱容 147200 m 设计航速 19 5 节 主动力 装置由两台锅炉和一台汽轮机组成 1 1 主锅炉 1 1 1 参数和特性 我国首制 LNG 船的主动力装置购自 13 本 锅炉由三菱重工 提供 锅炉型号为 MB 4E 型 其主要参数和特性为 过热器出口蒸汽压力 6 03MPa 过热器出口蒸汽温度 515oC 蒸发量 最大额定值 65000kg h 正常额定值 56000kg h 效率 基于燃油高发热值 88 5 基于气体燃料高发热值 84 O 燃料消耗 燃油 最大额定值 4711ks h 正常额定值 4067 kg h 气体燃料 最大额定值 3867kg h 正常额定值 3337kg h 1 1 2 双燃料燃烧器 LNG 船主锅炉采用重油 气体燃料 BoG 蒸发气 分别单烧 和混烧的燃烧器 带雾化器的燃油喷嘴位于中心 在其周围布 置有一次旋流器 二次旋流器和气体燃料管 1 1 3 设计要点 1 过热器设计点从原来标准的 80 一 90 额定负荷改变 为 60 额定负荷 以避免过热器长期在过高温度情况下运行 2 采用炉顶点火 可以获得稳定的火焰 均匀的炉膛热负 荷及均匀分布的过热器入口烟气流量 3 作为尾部受热面 设置省煤器 给水预热器 代替空气预 热器 4 主蒸汽温度调节采用喷水方式来代替以前的汽包内装式 减温器 它是一种可改变喷水量 大范围调节比并具有良好减 温性能的过热减温器 1 2 主汽轮机组 1 2 1 参数和特性 我国首制 LNG 船主动力装置中的主汽轮机购自日本川崎重工 汽轮机型号为 UA 400 型 其主要参数和特性为 进口蒸汽压力 6 0MPa 进口蒸汽温度 510 最大连续额定输出功率 27 300kW 转速 高压汽轮机 4777r min 低压汽轮机 3153 r min 冷凝器真空 在 27 海水温度下 95 6kava 1 2 2 设计要点 汽轮机设计的目标是高效率 高可靠性和长寿命 1 采用拉塔级 带小量反动度的压力级 提高各级叶片的 性能 达到最佳的流动状态 以便提高效率 2 改进动叶顶部的围带和密封设计 达到降低漏泄损失的 目的 3 在末级和次末级叶片的进汽边上堆焊上司太立特硬质合 金 并通过疏水 把动叶顶部的轮周速度设计成比标准轮周速 度低 约 20 减少相对速度 从而减轻疏水对动叶的侵蚀作用 4 利用 FEM 有限元法 进行汽轮机整体的振动分析 避免 汽轮机与螺旋桨转速引起共振 5 除在强度上受制约的低压末级外 高 低压汽轮机所有 动叶顶部都装有围带 以避免叶片的共振 6 为了提高效率 采用再热循环 川崎的 UR 型汽轮机 并提高蒸汽的初参数 压力提高到 12MPa 温度达 520 7 管壳式冷凝器 冷却管是钛管 管板为镍铝黄铜 通过 有限元分析优化其结构设计 在水室内侧粘贴 3mill 厚的氯丁 橡 胶 保护水室免受海水腐蚀 同时安装低碳钢的阴极保护板 保护管板免受电离腐蚀 锅炉汽轮机推进装置输出功率高 可 靠性高 寿命长 可以燃用包括蒸发气的双燃料 而且维护成 本较低 其缺点是效率低 约 30 左右 采用再热可提高到 34 5 有害物排放量高 2 柴油机装置 2 1 二冲程低速柴油机 MANB W6S70ME C 型二冲程低速柴油机 在转速 9lr min 下额定输出功率为 18660kW 该型柴油机已用于 4 艘 216000 m 的 LNG 船 卡塔尔最新一代 14 艘最大的容量为 265000m 的 Qmax 级 LNG 船每艘将由两台 MANB W7S70ME C 电子控制的二冲 程低速柴油机驱动 每台发动机在转速 91r rain 下的额定输 出功率为 21770kW 单缸 3110 kW 二冲程低速柴油机功率大 效率高 但只能烧液体燃料 这种发动机通常用于超大型 150000 m 以上 LNG 船 英国 Hamworthy 哈姆沃西 公司的再液化系统可将蒸发的天然气经再 液化处理后送回 LNC 罐 从而使低速柴油机能以 LNG 船的 BOG 运行 再液化技术为大型 LNG 船安装高效大功率的二冲程低速 柴油机铺平了道路 与汽轮机装置比较 采用上述发动机推进 的 LNG 船每年可节省 200 万到 500 万美元 2 2 双燃料柴油机 迄今第一艘由燃用 BOG 的 Waertsilae50DF 双燃料柴油机电 力系统 DFDE 驱动的 LNG 船一 75000 m 的 Gazde FranceEnergy 已于 2004 年末投入营运 British Emerald 英国祖母绿 LNG 船装载容量达到 155000 m 由 DFDE 系统驱动 系统的总效率 从燃料消耗到螺旋桨轴 功率 在额定负荷时约为 43 每艘 LNG 船将装备 3 台 12 缸和 1 台 6 缸 Waertsilae50DF 双燃料发动机 总的输出功率为 39 9MW 在 500r rain 转速下 12V50DF 的输出功率为 11400 kW 6L50DF 的输出功率为 5700kW 单缸功率为 950kW 双燃料柴油机的主要特点是 采用燃油和天然气 BOG 两 种燃料 功率较大 体积小 重量轻 占 LNG 船舱内空间小 有害排放物少 双燃料柴油机通常用于驱动容量不超过 155000m3 的 1W 船 至今 Waensilae 已接受约 55 台双燃料柴 油机订单 用于驱动 155000 m LNG 船 3 燃气轮机装置 3 1 燃气轮机发电机组的配置 燃气轮机电力驱动系统的一个优势就是能缩短发动机室的 长度 燃气轮机发电机组置于主甲板高度的箱装体内 位于座 舱之后 用于主推进电动机的电气开关设备和控制设备装在发动机 室的顶部 而齿轮推进电动机统则布置在底部 这种布置使得 机械空间变短 从而在给定的船舶尺寸内达到最大的货舱容积 3 2 COGES 系统 对于在 230000 265000 m 载货量范围的大型 LNG 船 CO GES 燃气轮机和汽轮机联合的综合电力推进系统 是极具吸引力 的 在 COGES 系统中 燃气轮机的排气排人余热锅炉 余热锅炉 产生的蒸汽驱动汽轮机做功 燃蒸联合循环中的燃气轮机和汽 轮 机驱动发电机 发电机生产的电力驱动推进用电动机并向船舶 总 电网供电 燃蒸联合循环的效率约为 45 一 50 在使用低压 蒸汽时 COGES 系统的能量利用率高达 80 COGES 系统具有 燃料灵活性 可以燃用重燃油 蒸发气或两者的结合 3 3 双燃料发动机 燃气轮机的主燃料是蒸发气 如果需要可由气化的 LNG 作 为补充 应急备用燃料为液体燃油 双燃料 MT30 发动机使用 24 个双通路燃料喷嘴来向燃烧室供应两种燃料 蒸发气和柴 油 3 4 防冰措施 俄罗斯具有世界上最大的天然气储量 其大部分位于俄罗 斯 的北极地区 新一代 LNG 船将常年在温度低于冰点的条件下航 行 下一代 LNG 船如果装用燃气轮机将要考虑进气防冰的措 施 以便保护压气机安全运行 3 5 MT30 航改型燃气轮机 壳牌航运技术公司已推荐 MT30 发动机作为下一代 LNG 船的 主动力装置 MT30 是 Rolls Royce 研制的第 1l 型航改型船舶燃气轮机 是由航空 Trent 派生的一型三转子发动机 燃气发生器的低压 转子由 8 级轴流低压压气机和 1 级轴流低压涡轮组成 高压 转子由 6 级轴流高压压气机和 1 级轴流高压涡轮组成 动力涡 轮 转子由 4 级轴流涡轮组成 在 ISO 条件下 biT30 的额定功率为 36MW 热效率为 40 环形燃烧室能满足目前和未来的 NO 戈 SO 茗和 C02 排放和冒 烟的立法标准 MT30 可用于无人机舱 按视情维护设计 日常 的维护保养仅限于检查液位和目视检查 劳埃德船级社已完成 了 MT30 系统用于 2500130 m3 LNG 船的认证 3 6 SGT 500 GT35C 重型工业燃气轮机 卡塔尔天然气公司已指定 COGES 作为其下一代 LNG 船优先 选用的推进系统 Simens 公司投标其 sGT 50 卜重型工业燃气 轮机用于上述 LNG 船项目 SGT 500 是一型 额定功率为 17MW 双燃料发动机 能够利 用作为液体燃料的重油来运行 也可以利用蒸发气运行 4 各种主动力装置的比较 如上所述 LNG 船的主动力装置呈现三足鼎立的局面 即 日 本三菱重工 川崎重工的锅炉汽轮机装置 芬兰 Waertsilae 的 双燃料柴油机和德国 MANB W 的二冲程低速柴油机 实际上 确定 LNG 船主动力装置总运费率的变量包括燃油效率 初投资 费用 运行维护费用 装置的使用寿命 全寿命周期费用 和装 置的重量尺寸 涉及载货量多少 等 至于适用性 即选择哪一种动力装置 既要考虑总运费率 机组的功率 还要兼顾本国的国情 如日本在传统上制造并使用 锅炉汽轮机装置 等 作为历史最悠久的一种动力装置 锅炉汽轮机装置至今在 现 役的 LNG 船中仍占支配地位 它具有一些突出的优点 功率大 可靠性高 使用寿命长 初投资费用和运行维护费用低 但是 不容否认 由于其外燃式的局限性 其燃料效率只达到 30 左 右 明显低于柴油机和燃气轮机 尤其低于 COGES 装置 即使 应用再热循环并提高蒸汽初参数 其效率也仅达到约 34 5 与锅炉汽轮机装置比较 柴油机装置的效率要高得多 中 速 柴油机通常大于 43 二冲程低速柴油机的效率更高 接近 48 但是它也有一些缺点 诸如初投资费用高 运行维护费 用 高 寿命较低等 由于缸径小 双燃料柴油机单缸功率不超过 1000kW 限制了每台机组的功率 它通常被应用于舱容小于 150000m3 的 LNG 船 二冲程低速柴油机 虽然效率很高 但有 部分能耗要花费在再液化装置上 它功率大 单缸功率超过 3000kW 但是尺寸重量要比燃气轮机装置大得多 作为最新一代船舶主动力装置 燃气轮机具有一些突出的 优点 诸如效率高 当前第三代船舶燃气轮机简单循环的热效率 已达到 40 重量尺寸明显小于锅炉汽轮机装置和柴油机装 置 机动性好 自动化程度高 可实现无人机舱运行 因此 燃气轮机装置已在船舶中应用 至今已有 16 台 LM2500 燃气轮 机以 COGES 形式应用于 8 艘排水量超过 lO 余万吨 载客数千人 的大型旅游船中 壳牌航运公司和 Rolls Royce 公司的研究也 已表明