国内小型LNG船技术路线-费家乐

1、国内小型LNG运输船的技术路线 BOG的不同处理方法及长短大家比较关注的小型LNG船水上运输技术路线选择，其核心主要围绕如何处理“BOG”而展开。说这个题目之前先建立几个共识或者说假定的前提：1. 指用于国内水域，专门运输LNG的船。所谓小型或者Mini, 并无严格界分，通常指用于海上较短距离的数万方，直到用于内河或港湾的数千方船。LNG水上运输一直是大型或者超大型的。小型船是近年来才提出需求，至今尚未形成规模需求，正在试探的运输方式。2. 法规方面国际上有IGC-国际气体船规则，国内在法规层面上好像还没有只适用国内运输的相关规则。这里都暂以IGC为准。按照IGC, 气体船货舱分为整体式和独立

2、式2大类，独立式又细分为A,B,C,三型。我们现在讨论的小型LNG运输船，基本都采用“C”型独立舱，除了能耐LNG超低温外实际上就是一个压力容器。这个货舱必须不是船体结构的一部分，也不参与不影响船体结构。3. 在运输过程中，货舱内处于液相状态下的天然气（温度大约等于低于163）不可避免地要向外界“吸热”，也有说“跑冷”的，导致舱内液态天然气温度升高和气化，气化体积急剧增大，使压力容器内压强升高而变得不可接受。吸热蒸发产生的货物气体称为BOGboiled gas。C型舱小型气体船用于其他类气体早已是成熟的技术被大量应用，但对LNG,由于本身的物理特性，处理BOG更重要，更难。因此小型LNG船的技

3、术路线实际上主要围绕BOG处理路线。4. 国内特别是沿海，柴油包含重油燃料依然可使用。尽管LNG船货舱，相关管道，阀门，设备，过程容器等都采用了良好的隔热绝缘包扎，但小量的BOG还是产生。一般以日蒸发量衡量，在良好隔热措施下数量大致在0.20.4的货物总容量。舱容积大、舱表面积相对小，比例低，反之则大。也就是说小容积船，在相同条件下BOG的相对比例更大。大家知道在一个密闭和能接受大于相对压强大于0的密闭容器中，介质温度和压强呈确定的关系。对纯净的天然气，0压强温度大约是163， 5 bar g时大约140不到一点， 10 bar g 时大约是 125。温度再升高压强以更快的速度升高，在常温范围

4、压强将非产高。精确的数据可以查相关资料。从数据上看出LNG运输储存的难点就在此。下面回到正题：围绕如何对付和处理“BOG”,小型LNG船大致可以归纳为如下技术路线：1. 再液化re-liquefaction solution我简称为“R-方案“ 这是原先C型舱LEG/LPG船用的方式，也被考虑为LNG船的一种方式，作为尝试国外已经建造了一些这个路线的船。核心是船上设置一套天然气再液化系统，将货仓内的货物蒸汽制冷再液化，回送到货仓内。国内曾有不止一家船厂为国外船东建造过这个路线的船。2. 将BOG作为船舶动力的燃料-Fuel利用掉, 简称“F-方案“把BOG当作船舶主机，发电机等的燃料。 当今人

5、们谈论关注很多的双燃料机就是在传统的柴油机基础上，开发出也可以燃烧天然气，并且可以方便地在柴油和天然气之间转换。由于BOG被不断消耗，维持或降低货仓压强成为可能。3. 电力推进 EL-propulsion, “E-方案“。这实际上也是F-方案，但是因为具有其特点，在LNG运输船上更有其优点，被国际上比较广泛的使用，这里把它独立出来成为方案之一。船舶安装统一的燃气或双燃料发电机组，主推进由电动机承担。其他所有用电设备也由这个统一电网供电。转速调节、换向等采用变频技术。4. 不对“BOG”做处理，仅保压 pressure keeping, “P-方案”。仅把货仓设计为能承受相对较高的压强，作为短距

6、离/短时间的运输。马路上跑的LNG罐式卡车，LNG出租车就属P-方案，只是出租车不运LNG，只储存作为燃料，道理是同一个。以上 R, F, E, P 方案听起来都可行，国际上都被实际使用过或正在使用。但4个方案都各具十分强烈的优缺点。面对各自固有的长短， 随具体运输需求、环境、规模等，这些优缺点显示出不同程度的升降，甚至被规避和利用。为了扬长避短，也就产生了各自的第二层面上需要特别关注和解决好的问题。这里重点谈谈各自的优缺点和特别需要关注解决的问题。R-方案该方案只要保证再液化装置正常工作，是最可靠的技术路线。大量已经多年有效使用的半冷半压LPG/LEG船都是这个路线。它的突出优点是能维持货仓

7、内的货物温度不升，从而压强也不升。理论上只要再冷设备容量足够必要时还可以适当降低货物温度。因此可以“0”压强卸货，即163左右交货。当作为第三方运输，面对不同类型接收终端不受最高可接受温度（压强）限制，过程中还可按接受温度具体控制再液化量，达到节省制冷能耗的目的。特别针对某些不完善终端，当只能接受很低压强货物时，比如不超过0.5bar, 这个方案显示出优点。R-方案的核心是天然气再液化装置，大型天然气液化装置早已成熟使用。用于船上处理“BOG”被称为再液化装置。比如典型的Moss型气体船，除了运输其他气体货以外，也被广泛用于运输LNG。它的LNG再液化装置在工业领域中已经算是小型化的， 产能一

8、般为液相10吨/小时。 但对我们现在谈论的小型LNG船仍然太大。34万立方以下，甚至1万立方以下的小船需要的是超小型装置，工业界也被称为Mini-LNG装置，产能等级为每小时产出1吨液态天然气。按货舱日蒸发量0.3 估算，单套装置大约可用在20000立方左右的LNG运输船。适当放大或配备多套，一般可以对应到3000040000立方的小型LNG船。Mini-LNG工业化装置至今还是一项正在继续研发，优化的技术。据报道目前实测的能耗水平大约是0.650.7kWh电/千克液态天然气（从同温气态到同温液态）。可见能耗还是比较大，大约是大型装置的1.5倍或以上。比如一艘载货5000吨的LNG船 （大约相

9、当于12000立方）， 日蒸发量按0.3计， 把全部BOG再液化 （维持原温度），大约需要电能10000kWh。当然如前面所说，如果允许升一点温度，或者说升高一点压强到港，则电能耗将明显降低。更小规模的产品由于性价比，能耗比等因素目前还不现实。由于各种原因Mini-LNG装置目前还未形成规模生产，国内也未见这方面的产品。但业界从来未放弃进一步降低能耗，完善流程的努力。观察国内，由于半冷半压LPG/LEG船运输链至今基本没有，这也导致不少船东对再液化设备比较陌生。加上装置全部进口，价格较贵使不少国内船东望而生畏。实际上带再冷系统的LNG运输船有其不可比拟的优点，针对国内沿海较大型的船，是比较切合

10、实际的方案之一。老外船东在国内船厂建造过带有该类装置的所谓多用途气体船。他们在小型LNG运输方面的思路之一是：由于小型LNG船运输市场尚处于探讨阶段，并未大规模推开。究竟何时以何种规模推开还不确定。因此他们在原先很普遍、很标准的LEG船（104）基础上，增加LNG货种。即把货舱,管道阀门等材料改为能适应LNG, 同时增设天然气再冷系统，成为LPG/LEG/Ammonia/LNG多用途气体船。在小型LNG市场尚未兴起前先作为传统的LEG船营运，一旦有需求可以很快进入LNG市场，抢得先机。这不失为一种有远见的选择，事实上这些船至今依然主要作为LEG船在用。如果认为目前的Mini-LNG装置尚不完善

11、，可以预留不装，一旦时机成熟，简单加装就能成为小型LNG船，这个路线也值得国内船东探讨。相比单一货种的LNG船其他气体都不能运，在小型LNG市场将起未起的时段给船东决策造成为难。但要注意由于DF机气态模式只能是天然气，上述方案在运LEG范畴的货物时均不能作为机器燃料。因此这个方案还是常规柴油机模式推进。另外如果货罐材料选择强度较高的9镍钢满足LNG，但作为LEG船使用时不适宜装Ammonia. F-方案把BOG作为机器燃料，这是目前国内业主比较喜爱、考虑多的路线。其核心是使用双燃料推进主机和/或发电机组，Dual FuelDF机。我们这里说的双燃料机特指柴油和天然气即甲烷气。此前在使用气体燃料

12、方面单气燃料机早已出现和广泛应用。此类机多半使用火花塞点火，可以使用多种气体，有时也被称为Dual Fuel，很接近汽油机，但不能使用柴油。指的不是同一个概念。不言而喻，LNG运输船用DF机的F-方案听上去很美既环保有不多耗能。因此近年来几乎所有柴油机制造商都在开发DF机，本身也有不尽相同的技术路线。但目前能拿出产品的都还是低压燃料系统（10 bar以下）的中、高速机。低压燃料系统导致机器的外特性重新回到或部分回到汽油机状态，一句话输出特性比较软，响应速度比较慢。另外也因为以气体做燃料，气体燃料供应环节必须不仅在稳态，而且在瞬态都满足机器要求，否则进一步影响输出特性。用作主推进，和传统的柴油机

13、存在比较明显的区别，有必要脱离一点传统柴油机概念来评估和规划使用。以著名的Wartsila DF机为例：按Wartsila公布的资料目前一代的DF机（以DF34作为主推进机为例）：单缸额定功率：450kW比单柴油机小，约20或以上。燃料气压强最小为5.72 bar, 通常应为7bar. (GVU前)能源消耗约为88907710kJ/kWh, 在功率50100时， 作为概念理解约相当于标准热值柴油200g/kWh上下，其中34左右为Pilot-diesel. 可见“油耗”比中速柴油机大，比低速机要大很多。其次在气体模式下，要使机器发出额定功率燃料气体供应的压强，温度必须“时时”满足要求，否则实际

14、输出功率“减额“较大。增/ 减速（增/减负荷）时间过程长。对小型LNG运输船，虽然不必再设LNG燃料储存舱，只设LNG缓冲罐即可。但这个缓冲罐不宜过小，最好能保持气液共存处于较高压强状态下，让后续的气体传输供应系统能保持快速足够的量。对具体船而言：（1） 用作推进主机必须是可调桨，而且增加螺距的时间要比单柴油机长。（2） 必须使用纯度高于90的甲烷气，不能用其他燃料气。需要一整套供气系统，确保要求的流量、温度、压强。如果达不到则功率下降较大。（3） 气体安全隔离装置（GVU）。（4） 还需保留作为引燃的柴油Pilot diesel. 应为高质柴油。对国内船东而言突出的问题是DF主机不能用定矩桨

15、，必须是可调桨。我国在小型船舶中被普遍使用的中速柴油机机可逆转减速齿轮箱定矩桨推进模式， 或者单低速柴油机模式不可用。只能是DF机不换向减速齿轮箱调矩桨方式。这是F方案和R方案的最基本区别。调矩桨本身并不复杂，但桨叶是液压动作，在中国沿海或内河水比较脏（泥沙和杂物）的情况下，发生意外损伤而漏油的概率会增加很多。历史上国内沿海内河曾有过少量可调桨货船，但均未体现出节能，不少船东的常年跟综结果是能耗更高，渐渐被以后的新造货船放弃。作为发电机时突加负载和恢复性能也降低（船级社允许放宽）。由于和单柴油机的输出特性差异明显，2种发电机组并联运行不太适宜，或者需要加特别措施。目前的双燃料机相比同功率的单柴

16、油机体积增大，价格贵。以老外的著名品牌机为例大约是同公司同功率柴油机的1.6倍或以上。相比国产柴油机可算“贵得惊人”。此外还要增加“额外”的气体燃料系统。做主机还必须是可调桨及系统，因此建造初投资增加较多。越小载货量的船增加比例越高。目前可供选择的双料机较少，功率型谱稀松，可供选择的不多。在策划小型LNG运输船时，可能不得不“倒过来”，先确定合适功率和尺寸的机，再最终确定船舶的规模和航速。由于DF机体积大，对运输LNG的小船非货物空间增大，间接和长期营运成本也增加。比如一台6000kW的机，DF + 齿轮箱的占地长度至少比低速机长34米，损失了宝贵的货舱空间（大概8001000立方货舱容积）。

17、总之双燃料机听起来很美，但目前水平的DF机作为推进主机用起来不那么如意。在项目可行性阶段必须有足够的准备。需要强烈端正的概念是船舶“使用气体燃料的根本目的是减少有害排放，不是省钱”。国内近年也陆续推出一些在自主知识平台上的DF机，指标比上述当前先进水平还有差距。由于国产船用柴油机还未经历“共轨”技术阶段，这对研发DF机带来很大障碍和困难，性能指标也必定处于相对低的水平，但是价格亲民很多，用作国内运输也实际很多。为了保护环境，双燃料机毫无疑问是发展方向之一。目前仅是第一代，首先是可以用。相信和此前30年柴油机走过的路一样，DF机性能也必然会不断提高。比如国外正在研发高压燃料系统的低速机，据说供气

18、压高达200300bar，相信到那时，双燃料机将重回，至少部分重回柴油机的外特性，更加适合作为船用主机。假定我国沿海作为LNG南北运输主力运输的船是30000立方左右。传统低速机FPP推进+再冷，路线DF机减速可换向齿轮箱CPP 路线2个方案相比在动力范围内初投资规模很接近。使用DF机加必要配套所增加的投资相当于再冷系统。R方案的相同货舱容积船尺度减小，或者说相同尺度的船，货舱容积增大，间接效益高。F 方案用LNG燃料时，目前的燃料单价比燃料油略低或相当。对走长途的船总能耗相差不大，DF机增加的单耗（和低速机比），供再冷使用。对走短途的船，主机使用LNG的价格优势减少，甚至全无。按目前价格，单

19、位热能的LNG比MDO便宜，和180CST/HFO接近或便宜。大家可以针对各自的情况具体细算。R方案的最大好处是可以按卸货终端最大压强的要求提供货物。这在目前国内还缺乏“标准”的接收终端情况下，适应性强很多。F方案的突出优点是减少有害排放，按理不该摆在一起比较。这里只是在我国沿海尚未有强制规定下，给出一个建造成本和营运成本概念。E-方案电力推进方案。在非双料机时代电力推进早已被部分船使用。在LNG运输船和目前双燃料机的具体情况下，E方案的优点显著增加（不必调矩桨），缺点减小。在一些机动航行多的航区非常值得采纳。比如长江，港口供气等船上。这些地区靠近城市，对减少排放有贡献。电力推进由于增加发电、

20、变频和电动3个转换环节，能源效率降低大约57，但也因为加入了电环节，本身具有变速，变向简单灵活，最低转速可以降到很低由此不再需要可调桨，可逆转齿轮箱。轴系不再含柴油机曲轴，成为简单的直轴传动。当变频调速调相机构设计成4象限工作时，减速过程的能量还可以反送，既节能又“控制”，这对机动工况比例大的船意义重大，也部分弥补了因增加转换环节而损失的能效。在某些需求下：比如A.双机双桨船，B.无合适功率DF机做主机时， C. 排放有严格要求的区域等E-方案的优点进一步放大，相当程度上减小了目前双燃料机的使用局限和缺点。其中尤其对需要双推进主机的船特别显得有利。2个驱动电机2套变频装置2个固定将和2台双燃料

21、机2个调矩桨的成本相差极大。这对我国内河通常使用双主机的小船十分有吸引力。电推进的核心是变频装置和变频电机，这些装置的价格随功率减小而减小的关联度很大。小功率变频装置（1500kw以下）相对成熟可靠，较小功率变频电机，国产化已不是难题。这样就大大降低了成本的门槛高度。此外，目前国内具有自主知识产权的双燃料机单机功率都还比较小，作为主机受到限制。但作为发电机组之一，单机功率限制减少，可以针对不同工况合理组合（本身需要组合），宽容度变大。LNG船装卸货特别是卸货电力需求较大，本身需要较大的发电装机容量。电站集中后，装卸货时主机不动，让出的功率足够作为装卸货使用。合理设计，合理组合可以大大降低初投资

22、。特别适合很小的LNG运输船作为动力方案。另外发电机组的布置比主机自由，给缩小机舱提供方便。同尺度船的货舱空间增大，对小型LNG船很可贵。实际上近年来国际上的大型LNG船，考虑到传统的蒸汽透平总热效率较低，同时DF机单机功率不够大，不少LNG船采用电推进方案，第一批已经实际建造和投入使用。在实际应用中，实施E方案的重点在针对各种运行状态，比如快速航行，港内机动，装卸货等，合理选择不同功率和数量的发电机组组成集中供电电站，合理选择各运行状态的电机功率和数量，目的是不让或少让发电机较长时间轻载运行。这里也顺便带出一个实用课题构思一种包含电推进在内的全船电力管理模式和产品。针对国内小船应用，举个粗粗

23、的例子，比如一艘内河3000立方（2000以下载重吨）左右的LNG船，配3台国产600kW DF发电机组（已有产品），（必要时另加一台小功率柴油发电机作为无货停泊使用）主推进2 x 500kW电动机，双固定桨。电制可取AC400 或690V, 在目前条件下可以基本国产化，从而大大降低建造和营运成本。个人感到作为海港的加气/加油船，双燃料机发电站电推进的优点也比较明显。既符合将来的环保要求，又具备较好的操纵和控制性能。内河及港口船比较靠近人类生活区，但船一般较小，因此E 方案值得船东探讨。需要特别提出的是：F, E方案虽然用掉了BOG， 当机器功率较大时也可能不仅用掉气体还将用掉部分液态货物，但

24、是产生BOG和消耗BOG在时间分布上并不一定均衡，多数是不平衡的。和R方案相比E, F方案货物温度不可能降低，多数情况下是升高的。也就是说卸货前的压强将大于装货时的压强。高于0压强的货物，或者高出很多的货物能否被各接收终端接受必须在规划运输，设定航线时加以特别关注。有人在规划设计C型舱LNG船时把货舱最大承受压强取得较高，比如7 bar a甚至10 bar a, 不一定总是有利合理，关键要看目标终端是否允许。另外装货时的货物温度也直接影响到卸货时货物温度。如果装货时货物温度已经较高于163（带压），则留给船舶的余地大大减少。P-方案不对BOG处理或者仅仅部分使掉用BOG，比如发电机，锅炉等。同时将货仓设计为能承受相对高的压强。在特定的短距穿梭航线上是可行的。只要装货时货物温度足够低，在良好的隔热绝缘条件下，计算和实验证明可以坚持30天甚至更长。和以上任何其他方案相比成本最低。实际上LNG罐式卡车就是陆地上的同样方案。该方案的缺点明显，但在特定短距航线下比如一周航程内，加以良好的组织和基地控制、指挥，仍然值得探讨。该方案的前提是：（1） 装货时能“气体回送到岸”，并且是温度较低的 (压强较低) 的货，比如来自大型无压的容器。保证启