绿色船舶LNG燃料推进技术发展与应用

1、前言虽然世界经济仍然在快速发展，科学技术也在飞速进步，人类面对的问题似乎也越来越多，全球气候的不断恶化，化石燃料的消耗殆尽，在这两个重大问题之下，人们不得不找寻有效的，环保的方法，以逐渐解决当前的问题，而对于世界船舶工业来说更是如此。由于成品油价格不断上涨，国际污染公约日趋严格，使得整个船舶工业不得不寻求新的解决之道。船用LNG技术似乎给我们带来了希望，它不仅清洁，而且储量充沛，甚至比石油的储量还要丰富，如果应用LNG作为动力，似乎同时缓解了上述的两个问题，然而，对于现有的技术与政策而言，要实现全面的LNG化，我们还有相当长的路要走。下面我们将会对LNG船用技术作一些初步了解，对其技术特点和原

2、理应用进行详细的了解，并对整个行业的LNG化作出初步的探讨。1. LNG船用技术的背景和现状1.1 何为LNG？LNG就是液化天然气（Liquefied Natural Gas）的简称。” “先将气田生产的天然气净化处理，再经超低温（-162）加压液化就形成液化天然气。” LNG是英语液化天然气(liquefied natural gas)的缩写。主要成分是甲烷。LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，LNG的重量仅为同体积水的45%左右，热值为52MMBtu/t（1MMBtu=2.52×108cal）。据统计，世界航运业每年要消耗20亿桶燃油，排

3、放超过12亿吨二氧化碳，约占全球总排放量6%。为应对世界气候变化出台的环保法规，规定了船舶污染防治、减少排放的标准和时限。于是，在寻求节能减排新路径中，比石油便宜且储量丰富的液化天然气（LNG），以其环境效益显著的优势，成为了未来船用燃料的首选。 多年来，包括挪威船级社等专业及科研单位致力于推动“油改气”的研究，成果颇丰，目前建造使用LNG燃料的船舶在技术上已不存在困难，但“油改气”的道路还不平坦，因为建造或改建的成本费用较高，加装圆筒型LNG储罐会减少货物装载空间，船舶加气等补给配套尚不成熟。 尽管存在这些因素，但按照国际海事组织（IMO）的要求，各国船东必将选择使用液化

4、天然气。在可以预见的时间内，随着LNG基础设施的不断完善成网，造船技术的日臻提高，世界航运将迈入绿色航运的新时代。 1.2 船用LNG全球市场上的现状在全球船用LNG发展现状方面，现在，LNG作为船用燃料在全球范围内普及程度较低，只有零星几个国家在为数不多的轮渡、游轮等进行定点运输的船舶上用了LNG作为船用燃料，全球大部分船用LNG应用集中在挪威。LNG运载船多采用柴油和BOG双动力系统，其推进系统毫无例外都是蒸汽涡轮动力装置。目前全世界有300多艘LNGCs，BOG几乎都作为蒸汽涡轮装置的燃料来用。    然而，LNG燃料经济性优势正在推动船用LNG的

5、发展。国家原油供应紧张，油价维持在高价位，而国际LNG价格则在2009年以后大幅回落，油价与天然气价格之间的落差越来越大，从燃料成本等经济效益考虑，烧LNG比烧柴油合算。   同时，国际船舶排放标准将促使船用LNG快速发展。近年来，国际海事组织（IMO）加强了对海上船舶排放的强制性规定，如果各国都执行IMO的排放强制性规定的话，5-10年后世界上用于近海贸易的船只大多数都会使用LNG作为船用燃料。未来LNG船用燃料国际市场发展重点区域是波罗的海地区、北海和地中海地区。   目前，国际上LNG燃料船动力系统主要由瓦锡兰、MAN、罗尔斯·

6、罗伊斯和三菱重工四家公司供应，其中瓦锡兰和MAN以双燃料发动机为主，而罗尔斯·罗伊斯和三菱重工以气体发动机为主。  LNG船体制造方面，日本韩国为主要产地。三菱重工是多艘LNG燃料船舶主机的供应商，日本商船三井于2009年公布了采用LNG燃料的“ISHIN-II”号环保渡船的设计构想，大宇造船与海洋公司目前正在开发采用LNG燃料的大型集装箱船，该公司与MAN公司正在共同开发应用于14000TEU集装箱船的ME-GI发动机和DSME高压低温燃料供应系统。1.3 船用LNG在中国的发展 目前，国内船用LNG利用基本处于空白领域，我国内河航运燃料以柴油动力为主，尚未将L

7、NG燃料应用于船用领域，但近两年LNG行业内一些技术领先公司已经尝试将LNG船用燃料作为LNG行业未来发展的一个重要方向，已有多种型号的船舶主流柴油机已经进行台架测试，并通过了国家相关部门组织的鉴定验收，证明了技术和经济上的可行性。此外在政府“节能减排”政策指引下，内河船改装LNG燃料将成为重点发展领域。  从发展趋势来看，一方面，未来我国内河LNG船数量会快速增长。我国内河航运资源丰富，拥有大、小天然河流5800多条，河流总长43万公里，对内河船舶的需求量巨大。而在节能减排大背景下，在LNG接收站不断增加的基础上，发展内河LNG船舶对防治船舶污染，对保护江河水域环境，具有

8、十分重要的现实意义。预计未来3年总共会有5万多艘轮机船进行改装，直接带动能源设备价值高达260亿元人民币的市场增量。  另一方面，国家加大资金投入推进内河航运发展，对LNG船发展构成有力支持。交通运输部副部长徐祖远透露，“十二五”期间，中央将安排450亿元财政资金，加大航道、支持保障系统和中西部地区港口等的资金投入，同时安排50亿元财政引导资金，推进内河船型标准化和运力结构调整。这意味着“十二五”内河航运投资将比“十一五”期间增加2.7倍，增幅创造历史新高。 2.LNG船用技术的特点和绿色性2.1 船用LNG发展应用2.1.1 LNG燃料船的特点LNG是压缩天然气

9、的升级换代产品，具有一次充装量大，行驶里程远、系统低压运行更安全、更清洁等特点。使用LNG加柴油混合动力的船舶，可比单独使用柴油动力节约燃料费用25%左右，碳排放指数更低。相比其他替代能源，以LNG为燃料的船舶具有以下优势：首先，成本优势。按照目前的油价和LNG价格水平，使用LNG清洁能源比使用柴油节约40%60%的燃料费用。 按热值计算，LNG价格只有柴油的60%左右，且因为天然气燃烧彻底，不易积碳，减少维护费用逾50%。广东大鹏公司的LNG运载船使用BOG作为蒸汽涡轮装置的燃料来用，从燃料成本上比较，每年可节约近6千万元。大型LNG船经济性更加明显。  其次，环保优势。以天然气作

10、为船用燃料,比起重油可减少80%的二氧化氮排放量、二氧化碳排放量降低25%，二氧化硫以及颗粒物排放量减少100%。中国以及北欧各国LNG船用燃料的发展将很大程度上取决于各国政府船舶减排碳法规的日益严格，特别是如果对二氧化碳的排放所征收的费用越高，越能促进LNG船用燃料的发展。  第三，安全优势。LNG属低温液体，即使发生泄漏事故时也会很快自然气化，其密度比空气轻，泄漏后会自动向上溢开，不会对水体产生污染；加入特殊嗅剂后，天然气泄漏可及时被发现；天然气的燃点比汽柴油更高，瞬间着火比油慢，易扩散，不易达到爆炸极限。从使用安全性上来讲，天然气也比燃油好很多。  与此同时，使用LN

11、G作为船舶燃料也存在一定劣势：第一，LNG燃料系统体积大。LNG储罐燃料系统所占空间大，重量重，影响载货量。LNG储罐体积大，所占空间比传统的柴油燃料储存所占空间大4倍左右，重量也是后者的1.5倍。  第二，LNG燃料船的造价较高。目前LNG燃料船的造价高于传统柴油燃料船5%-20%左右，会带来一定的成本压力。  第三，LNG燃料缺乏技术安全通用规则。目前只有挪威船级社（DNV）对天然气燃料船做出了相关分类标准，但大部分国家还没有针对LNG船用燃料的技术标准规则等出台相关政府管制规定LNG实船应用也遇到一些困难。专家表示，阻碍LNG实船应用的因素主要有3

12、个：一是续航能力弱。目前，以LNG为燃料的船舶最高续航能力仅为22天，达不到远洋运输要求。究其原因，船舶燃油舱体积虽大，但可以在船上见缝插针随机安放；而LNG储存罐体积虽小，却系统复杂，布局难。这给船舶的设计和建造带来了很大的难度。二是港口LNG补给设施不配套。尽管LNG补给并不困难，但是港口方面却没有建立起完备且实用的配套体系。正如当前汽车加气站匾乏制约了燃气汽车普及，未来燃气船舶的普及也取决于港口的配套体系建设。三是初始成本较高。据了解，一个LNG储存罐的费用就要几百万美元，如果船东只算建造成本这笔账，往往会望而却步。  不过，由于所在区域对船舶排放要求日益严格，丹麦、

13、娜威等北欧国家目前已经不得不开始使用以LNG为燃料的渡船、滚装船、海岸警备船、LNG船和平台供应船。这说明，随着全球范围内对气体排放要求越来越高，石油资源越来越少，节能呼声越来越大，船东和港口方面的障碍正逐步被清除。据了解，目前国内已有船企接到过国外船东建造以LNG为燃料的冷藏船的询价。国内一家知名船企的机电专家甚至认为，很可能未来两三年国内将会出现以LNG为燃料的船舶的订单。不过，由于所在区域对船舶排放要求日益严格，随着全球范围内对气体排放要求越来越高，石油资源越来越少，节能呼声越来越大，船东和港口方面的障碍也正逐步被清除。2.2 LNG动力船舶绿色性研究LNG动力船舶一般船舶最主要的区别在

14、于他们动力装置的不同，这里研究LNG动力船舶的绿色性时，主要着眼于其动力装置。按照节能减排思想，船舶动力装置的绿色评价指标可包括能源和环境两个方面。2.2.1 能源属性船舶动力装置与能源属性的有关的指标有以下几个方面：能源类型、能源消耗量、能源利用效率、能源回收率等。能源消耗量和能源利用率一般是针对不可再生能源而言的，在对单个船舶动力装置进行评判的过程中，能源消耗量和能源利用率可整体表现为燃料的消耗率；而在动力装置的使用过程中可不考虑能源的回收率，故这里只对能源类型和燃料消耗率进行探讨。LNG动力船舶所采用的能源类型主要是LNG，即液化天然气的英文缩写。天然气是在气田中自然开采出来的可燃气体，

15、主要成分由甲烷组成。LNG是通过在常压下气态的天然气冷却至-162，使之凝结成液体。天然气液化后可以大大节约储运空间和成本，而且具有热值大、性能高等特点。相对于目前船舶主要采用的能源柴油来说，LNG是一种清洁的能源，采用LNG燃料可以减少10%20%的CO2排放量，90%的NOX排放量，100%的硫化物和颗粒物排放。而且，LNG燃料主机不需要安装润滑油清洁设备，内部环境较好。目前，适合于船舶推进的开式循环燃气轮机的燃料利用效率也已经大大得到提高，一方面是由于添加了热交换器，用排气来预热压缩机和燃烧室之间的空气，另一方面是由于对低压和高压压缩机之间的空气进行冷却。2.2.2 环境属性一般产品的环

16、境指标主要包括在产品生命周期内的水环境指标、大气环境指标、固体废物排放指标、噪声和振动指标等。对于船舶动力装置而言，在其生命周期的不同阶段，其主要环境指标所包含的方面也不同，侧重点也不同。对于LNG动力船舶而言，不使用或使用很少量的柴油，所以其含油污水的排放很少，在这里主要考虑其在废气排放、噪音两方面的影响。2.2.2.1 废气排放在废气排放方面，LNG推进装置的尾气排放中不合铅和苯，硫含量极徽，CO、HC、NOx等有害排放物含量相对于柴油机和汽油机也均有不同程度的降低。LNG动力装置及发电机组装置在船艇上的推广应用能大大减轻尾气对环境造成的污染。2.2.2.2 噪音船员长期工作和生活在船上，

17、强烈的噪音使船员精神疲劳，工作效率下降，严重时影响身心健康，危及航行安全。20世纪80年代，由于航运业的蓬勃发展，国际社会普遍关注船舶舱室的噪音问题，相关研究较多，也促使了我国一系列规范的出台。之后一段时间，随着造船技术的成熟，舱室噪音得到一定控制，关注度逐渐降低，国内相关研究也日趋减少。然而，目前的船舶动力装置普遍采用的是高噪音的柴油机，而且随着人们对工作、生活环境舒适度的要求日益提高，作为影响船员生活质量和工作质量的主要因素之一，噪音问题不容忽视。大型远洋船舶的技术标准和相关规范要求较高，且在机舱均设置隔音效果很好的集控室，一般能够满足我国运输船舶舱室噪音标准及运输船舶舱室噪音测量方法的要

18、求。而内河小型船舶多采用高噪音的中、高速柴油机作为动力装置，且有很多小船根本没有集控室，轮机人员长期暴露在高噪音的冲击之下，长此以往，听力严重受损，身心健康无法保障。现代船用柴油机普遍采用高增压，其增压器转速可达20000rpm以上，对气流的作用可产生剧烈的高频噪音，是柴油机最大的噪音源；而柴油机气缸内的剧烈燃烧(爆压可高达20MPa)，亦会发出强烈噪音；四冲程柴油机进、排气阀周期性的启闭，也会发出刺耳的敲击声。LNG动力船舶所使用的燃气轮机，在使用时噪音主要有三种形式：进排气噪声、机体辐射噪声和结构噪声。一般情况下，其机体辐射和结构噪声要比柴油机小，但由于它需要的空气量大，所以它的进排气噪声

19、要比柴油机大。3LNG动力装置3.1 LNG混合动力系统所谓LNG混合动力就是在船舶现有柴油机的基础上，增加一套LNG供气系统和柴油LNG双燃料电控喷射系统，通过电子装换开关，可实现单纯柴油燃料状态下和油气双燃料状态下两种运行模式，将船舶单一的柴油动力改造为柴油LNG双燃料动力，通过采用LNG部分替代柴油燃料，达到节省燃油和降低排放的双重目的。3.1.1 LNG混合动力的特点船舶采用柴油LNG双燃料动力后，柴油的平均替代率达到60%至70%，可实现硫氧化合物减排减排85%90%，二氧化碳减排15%20%，同时，噪声污染、烟尘、废油水排放也大大降低。据测算，江苏苏北运河上3万艘船舶经过改造，使用

20、柴油LNG双燃料动力后，每年可减排硫氧化合物3.1万吨，氮氧化合物3.2万吨，二氧化碳37.5万吨。以柴油为燃料的船舶机舱油污重、噪音大，改装双燃料动力后，油污、烟尘和噪音都大幅下降，船员的工作生活环境得到很大改善。同时，由于装备了智能化的安全监测与处置系统，一旦有可燃气体泄露，就会自动报警，自动切断天然气管路，启动防爆通风机，隔开储罐与舱室和机舱，确保船舶运营安全和船员生命安全。此外，采用LNG燃料，即使船舶发生沉没事故，也不会出现由于使用柴油燃料导致大面积水域污染的现象。3.1.2 现有柴油动力到混合LNG混合动力的改装首先是船体改造。针对试验船船体本身的特点，进行了LNG储罐位于船体尾部

21、的空闲区，设计了一个高度为76厘米的底座。底座与甲板是焊接连接，储罐与底座是螺栓连接。储罐相邻厨房和起居室的一侧都加了一道隔离空仓。储罐顶部是敞开的。气化器占用了部分盥洗室的空间。其次，船用柴油LNG混燃系统。根据船的空间特点安装连接了船用柴油LNG混燃系统，依次为：LNG储罐、气化器、气体流量计、电动截止阀、不锈钢管路、阻火器、减压稳压阀、喷射阀、柴油机。第三，安全与消防。在LNG储罐位置安装了2个可燃气体探测器，在机舱内安装了4个可燃气体探测器。在机舱两侧顶部位置安装了两台轴流防爆风机。一旦有可燃气体泄露，浓度达到天然气燃爆点的20%就进行声光报警，并自动启动轴流风机进行强制排风换气。如果

22、浓度达到燃爆点的40%，则自动切断电动截止阀。上述动作过程全部是自动控制。另外在储罐位置和机舱内各摆放了两台干粉灭火器。最后，电路改造。根据船用发电电压不稳定的特点进行了稳压和电压逆变等设计，确保满足控制系统和轴流风机用电的需要。3.1.3 LNG混合动力的推广问题大量试验和研究表明，柴油LNG双燃料动力技术已经初步具备了推广应用的条件。为迅速把科研成果转化为现实生产力，还需进一步做好以下几个方面的工作。一是开展加油加气站规划。为满足柴油LNG双燃料动力船舶加油加气的需求，需沿河布置加油加气站，近期首先开展加油加气站布点规划。本着“先大船后小船、先京杭运河后两纵四横干线航道”的原则，初步规划，

23、力争2013年在京杭运河江苏段布置36座加油加气站，逐步形成京杭运河示范效应，力争2015年在江苏两纵四横干线航道上布置不少于100座加油加气站，打造江苏内河绿色水运。二是研究制定相关技术标准。目前，中国船级社已经完成气体燃料动力船舶检验指南（报批稿），江苏蓝色船舶动力有限公司初拟了柴油-LNG双燃料动力系统操作手册和船员安全作业及维护须知。为顺利实现LNG在运输船舶上的应用及推广，还将进一步研究制定相关技术标准，主要包括两个方面：一是进一步完善规范、标准体系。全力推进气体燃料动力船舶检验指南的出台；加快推进改装船厂评估和船舶设施设备产品的认证认可；进一步完善并颁布船员操作指南，开展船员培训和

24、发证工作。二是实现船舶改造技术标准化。进一步优化储罐及管路设计，针对不同类型、不同吨位的船舶，提出不同的设计方案，并制定相关的施工工艺流程，实现设计、施工的规范化和标准化。三是研究出台相关扶持政策。在试点推广初期，研究出台相关扶持政策，主要包括三个方面：一是资金扶持。研究通过建立专项补助资金、政府贴息、过闸费减免等方式，在推广初期对柴油-LNG双燃料动力改装船舶给予适当资金扶持。二是土地政策支持。在沿河加油加气站点、LNG和燃油储备库等基地的土地征用中给予适当政策支持。三是建立项目工作协调机制。针对加油加气站的布点规划和立项审批、船舶设施设备和船员发证等方面工作，采取集中处理和一站式处理等方式

25、，简化程序。3.2 目前应用较多的几种LNG动力装置介绍LNG船是载运LNG的专用船舶，它在航行的过程中需要充分的利用蒸发的天然气，相对于其他类型的船舶而言，LNG船在LNG动力技术研究上是比较成熟的，这里就以LNG船为例来介绍几种LNG动力装置。3.2.1 蒸汽轮机蒸汽轮机占据今天全球LNG船推进系统的主流，主要原因为：LNG船舶的航速要求一般较高，蒸汽轮机输出功率大，可以满足LNG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LNG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，LNG蒸发汽可以得到很好的利用；在只燃烧

26、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；LNG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，LNG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LNG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LNG船的标准主动力系统。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

27、桨转动，从而推动船舶前进。锅炉配备货物LNG蒸发气和燃油两套燃料供给系统。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31所示。图3-1 蒸汽轮机推进系统原理图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015左右，有些正在营运的船舶蒸发率可低到010左右。在压载航行时，可得到的蒸发汽量只有满载航行时的1050，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LNG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

28、再液化。LNG蒸发汽在空气中爆炸浓度范围是514，释放到大气不但不经济而且非常危险。LNG是在常压下运输的，通常液货舱安全阀设定压力为25KPa，真空压力设定为低于大气压1KPa，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LNG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。LNG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，LNG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

29、理是LNG船舶管理的重要环节。根据日本船级社1992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29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。3.2.2 燃气轮机在LNG船上采用燃气轮机推进装置，可采用机械式或电力式。燃气轮机重量较轻，无振动、并且可以使用双燃料(使

30、用重油作为备用燃料)。它的低效率某种程度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。罗尔斯罗伊斯燃气轮机公司，于2002年初推出了供LNG船选用的Trent30型燃气轮机。该机输出功率达36MW，且重量较轻，不到26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2096左右。如选用Trent30型燃气轮机作LNG船主机，船的总长可缩短19米，而载重量却可增加12，这对提高船舶经济效益至关重要。Trent30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

31、为LNG船提供燃气轮机。他们认为，LNG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LNG船市场推出了输出功率达17兆瓦的GT35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LM2500型和LM6000型燃气轮机也适合于LNG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LNG船冗余度方面的要求，可在一艘LNG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

32、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。3.2.3 双燃料电力推进该种推进方式采用双燃料发电机组产生电能，供给船舶推进电动机组，经减速装置减速后驱动螺旋浆转动。在建船舶中，己有LNG船采用此种推进方式，根据其配置的不同有多种型式可供选择，其原理如图32。图3-2 双燃料电力推进系统原理图由于双燃料发动机可使用低压气体，在发动机入口处压力在4bar

33、至5bar之间，其压缩机组与目前使用蒸汽轮机推进装置的船舶基本相同。基于双燃料发动机的电力推进装置的总效率高于40，与蒸汽推进装置的30或者更低相比要好得多。至于选择单桨还是双桨，将基于航线情况及不同的冗余要求而定。发动机的数目及输出功率将由所需的轴功率及冗余度决定。通常来说，一艘135万立方米的LNG船所需功率大约为30唧，可由4台50DF发动机组组成，其MCR输出功率为950千瓦缸，热效率高达465“1。在转速为500rpm(50Hz)或514rpm(60Hz)，热效率可达48，推荐的装置为8缸机或9缸机。多台机使系统具有良好的冗余特性，同时也具有良好的机动性，适应不同的运营模式要求，如机

34、动操纵、在港口等待、装载及卸货等。在海上和港口中可进行灵活的预防性维护，这对蒸汽装置或者说大型二冲程发动机都是不可能的。近年来的研究表明，最有利的方案就是使用强制蒸发汽以代替燃油。这种推进方式冗余度高，操作灵活，可以保证LNG船具有较高的可靠性；提高了热效率，具有低排放的特性。3.2.4 双燃料推进系统双燃料发动机(燃油和蒸发气)的发展己经使有效利用蒸发气成为可能，双燃料发动机是从重油柴油机发展而来。因此双燃料发动机推进装置也是现代LNG船一个具有强有力竞争力的选择。该装置的系统简图见图3-3图3-3 双燃料发动机推进装置系统图双燃料发动机是一种经过特殊改造的可直接燃烧LNG蒸发汽和燃油的内燃

35、机，有高压型和低压型两种。高压型双燃料内燃机在喷射少量的点火柴油后，即可将船上蒸发的LNG气体高压喷射进入燃烧室燃烧；低压型双燃料柴油机可将船上蒸发的LNG气体以较低的压力(约4barcm2)喷射进入燃烧室，在轻油点火下燃烧。前者使用高压LNG管路有泄漏的危险，后者则需要额外配置点火装置。据有关资料，在挪威近海项目中，在小型LNG船上推进系统有直接采用了双燃料发动机作为主推进装置，但此系统需要和蒸发汽氧化装置配套使用。当前，天然气一柴油双燃料二冲程和四冲程发动机己经面市，使双燃料发动机作为液化天然气(LNG)船推进主机的构想变为现实。瓦锡兰50DF型柴油机就是一种以天然气和柴油作为燃料的双燃料

36、发动机。在正常工作时，仅使用9的天然气和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。在预燃室中喷入燃油启动发动机。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蒸发汽燃料，而且大大降低了燃油的消耗和运营成本，可节约燃料2030，提高发动机的效率。在一艘13.5万立方米LNG船上，MAN BW柴油机公司对烧重油的蒸汽轮机与烧重油和天然气的双燃料发动机进行了比较，后者每年可为船东节约250万美元左右的费用“1。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110，二氧化碳的排放也相当低。由于双燃料发动机可以在气体燃料和液体燃料两种模式下交

37、替工作，而且两种模式是自动切换，在停止气体燃料供应时，发动机不会停止运行，而是自动切换到液体燃料模式。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将成为今后LNG船主推进装置的一个重要选择。瓦锡兰双燃料发动机配有精确的电子控制设备，将布置在柴油机各位置上的传感器联系在一起，对各种参数如负载、转速、燃烧特性、废气排放温度等进行监控，控制系统对输入的信号与系统设定的数值进行分析比较，立即对天然气供气压力、供气量、供气正时和空燃比进行调整，以满足负荷要求或其它工作条件，如避免敲缸和熄火。因此当气体质量，周围环境温度变化时，所有的缸在任何条件下都有最佳的性能。

38、LNG货物蒸汽对瓦锡兰6L50DF发动机是一个很好的燃料，唯一需要考虑的是气体组成的变化，即氮气在蒸发汽中的含量。通常，氮对发动机不是有害的，发动机吸入的空气中氮含量就高达78，不过，因为它是惰性气体，对燃烧没有贡献，蒸发汽的能量(热值)比纯甲烷低。LNG蒸发汽中氮的含量可能会高达蒸发汽体积的30%，尤其是在航程开始时。这对瓦锡兰6L50DF发动机来说不是一个问题，控制系统会很好地调节功率输出，平抑波动。瓦锡兰双燃料发动机的热效率可达465，它在陆地上累计己有相当数量的运行时间，对用于海上来说己趋于成熟。换句话说，一切都己准备好，是其向LNG船主推进装置进军的时候了。3.2.5 小结在上述LN

39、G船不同类型推进系统的可能的方案中很难判定哪个方案就是未来LNG船推进系统的最佳选择因为仍有许多不确定的因素除了技术发展因素外诸如天然气和船舶主机用重油价格的预测和波动船的尺寸大小航行速度和参与预定贸易的LNG船的数量等。4LNG船用技术的适用性4.1 新船型积极采用LNG燃料（LNG船舶配置再液化装置可行性分析）去年，韩国造船界掀起了一股接单“旋风”，在LNG船、海洋工程船舶及装备、大型乃至超大型集装箱船领域频频出手，不断获得高额订单。据韩国韩联社报道，今年上半年韩国造船企业的接单情况仅次于市场景气度大好的2007年，接单总量在全球市场的占比达53.2%。与此同时，根据中国船舶工业行业协会的

40、统计，16月，我国造船企业承接的新船订单同比下降了9.2%，且产品仍是以主流船型为主。毋庸置疑，正是由于接单船型的差异，让中韩两国造船界上半年在新接订单的金额、吨位尤其是总吨等方面产生了不小差距。严峻的现实提醒中国船舶工业：要追赶对手，不断做强，就决不能仅仅满足于当下的生产，更须着眼长远，紧盯市场需求结构的变化，提早做好新船型开发及高技术船舶预研工作。近年来，国际市场对石油 船员招聘、天然气等能源的需求不断增长，与此同时，全球尤其是欧洲各国在环保方面的要求日趋严格，各种规范频频出台，导致国际船舶市场对海工船及油气钻井平台等海工装备的需求量与日俱增，同时使各种“绿色”船型备受青睐。而韩国造船界近

41、几年一直坚持高技术、高附加值船型战略，根据上述市场需求提前安排船型开发，且几乎对所有船型进行了优化和创新，以满足各种海事新规。这样的战略正是韩国今年得以在新造船市场上“攻城掠地”的主要原因。与韩国相比，日本造船界在高技术船舶研发上走的更远，主要船企近两年将目光聚焦于概念船型的预研，其中三菱重工研发出采用其新型蒸汽涡轮发动机的LNG 船、采用空气润滑等环保技术的集装箱船 “MALS-14000CS”；商船三井研发出采用新能源的“ISHIN-I”汽车运输船、“ISHIN-II”渡船、“ISHIN-III”铁矿石运输船；大岛造船与DNV联合开发的“ECO-Ship 2020”项目， 海员之家已推出环

42、保型敞舱口散货船设计方案；石川岛播磨联合海事开发了低环境负荷型的13000TEU集装箱船“eFuture 13000C”，以及同系列的豪华游船“eFuture 310T”、散货船“eFuture 56B”。业内专家分析，经过这一轮新技术研发，日本造船界很有可能再次发力，在新造船市场夺回一定份额。通过对比日韩可以发现，在此次船舶市场需求结构调整的过程中，中国造船界显然没有很好地应对，不少船企忙于当前的生产任务，在新船型尤其是高附加值、环保船型研发方面力度不足，进而影响了新订单的承接。要改变这一现状，中国造船界必须尽快行动起来，一方面做好现有船型的升级工作，在提升效率、节能减排方面大力开展研发，进

43、一步巩固中国在三大主流船型市场的地位；另一方面应形成合力，使骨干船企、科研院所等单位在高端船型研发领域不断实现突破，抢占市场制高点。不仅如此，随着船舶市场需求结构的变化，船配市场也将随之发生改变，未来船东对节能高效的新型动力系统及压载水处理系统、高端钢材、涂料等配套产品的需求将会不断增加。为此，我国船舶配套行业也须有所作为，在尽快提高我国配套设备装船率的基础上，开展高技术、高附加值产品研发，为做强中国船舶工业夯实基础。鉴于船用燃油价格存在上涨空间 船员招聘网 ，加上国际法规对海运环保的要求越来越严格，LNG作为船用燃料的优势在逐步显现：与船用柴油与重油相比，其价格较低；能够使二氧化碳等废气及颗

44、粒物的排放量大幅减少；不仅如此，LNG的长期供给稳定。而在技术层面，不仅新建船舶可以使用LNG，在航船舶也能够通过改装，使用LNG或者采用LNG/柴油双燃料。因此，未来510年间，以LNG为燃料的船舶的数量将持续增加；预计10年后，以LNG为燃料的船舶所占的市场比例有望达到10%15%。4.1.1 现有船舶改装技术可行现有船舶要以LNG或者LNG/柴油为燃料，海员招聘 则必须加装LNG储存舱等装置。TGE Marine公司一家总部位于德国、从事船舶气体处理系统及储罐供应业务的企业负责人表示，通常情况下，在船舶改装过程中，加装的主要装置为LNG储罐和气体处理系统。此外，船上还需安装一些辅助系统，

45、如气体加热系统、惰气系统、通风系统、遥控阀门及安全系统、自控系统等。典型的船舶使用LNG方案为：LNG通过气体处理系统气化，天然气通过主控阀供给燃气发动机，进而使船舶获得动力。与会专家介绍，最易于改装的船型包括LPG船、近海成品油船/化学品船，改装难度较大的船型为客船、渡船、集装箱船，难度更大的船型则为大型集装箱船、散货船和超大型油船（VLCC）等远洋船舶。目前，在船舶“油改气”项目过程中，最大的挑战主要有两点：一是如何布置好储罐以及其他气体燃料系统的子系统；二是燃料系统如何满足船舶二冲程或四冲程主机的工作要求。举例来说，曼柴油机与透平公司的ME-GI双燃料发动机在燃用天然气的模式下，需要气体

46、以 250315巴（barg）的高压注入，则在船舶改装的过程中，就需要考虑在储罐中加装罐内增压泵及罐外的高压泵，则LNG通过加压后，再经过高压气化器和高压加热器处理，最终供给发动机。据了解，在一些已经实施的船舶改装项目中，主机厂商也积极参与相关工作，确保项目顺利完成。目前TGE Marine正与挪威船级社（DNV）、曼恩柴油机与透平公司等合作，开展德国“Reederei Stefan Patjens”号5000TEU集装箱船的改装项目，项目在2012年完成后，该船将成为全球首艘使用液化天然气燃料的集装箱船。4.1.2 新船型积极采用LNG燃料DNV可谓应用LNG燃料的“先锋”，在2001年就率

47、先制定了LNG燃料有关的船舶规范。在此次峰会上，DNV介绍了与日本大岛造船有限公司联合开发的 “ECO-Ship 2020”项目。该项目的第一阶段已经结束，完成了敞舱口散货船的概念设计。该型船集成了多项创新解决方案，其中最引人注目的便是该船是一艘完全使用 LNG、不使用其他任何燃料，也不使用电力推进系统的商船。该船配备有4个C型高压储存仓，共能储存LNG3000立方米。罗尔斯罗伊斯公司为该船提供了2台四冲程中速燃气发动机，单机功率为4000千瓦。加上应用了废热回收、空气润滑等其他节能技术，该船满足IMO Tier III废气排放标准要求，其硫化物排放量为零，氮氧化物排放量可下降90%，二氧化碳

48、的排放量可下降50%以上。此外，DNV还在此次会议上展示了另一款未来船型：营运于澳大利亚至中国航线的环保概念矿砂船（The eco-friendly ore carrier）“Ecore”号。该船使用了灵活的燃料方案，采用了曼柴油机与透平公司的二冲程ME-GI燃气发动机，能够使用柴油机与天然气两种燃料。值得关注的是，该船采用了优化的设计方案，只设1个置中的货舱，其C型LNG储罐则位于船尾的驾驶舱下，这一方案有助于充分利用船体空间，确保LNG 储罐不会占用货舱空间及减少货运量。除了上述船型，近期DNV还在研发环保型VLCC。据称，该船将配备双燃料发动机；为配合使用LNG燃料，还将安装两个C型储罐

49、，每个储罐的容积将达 13500立方米。德国劳氏船级社（GL）近期公布的“阿芙拉型油船优加”设计概念也为安装天然气储罐预留了空间，可采用天然气燃料。此外，罗尔斯·罗伊斯公司推出的环保型船舶设计理念（Enviroship Concept），也把LNG作为集装箱概念船等船型的燃料。4.1.3 气体发动机技术较为成熟在船舶动力系统领域，国际几大发动机生产商经过多年的技术研发，其产品已经能够满足船舶应用LNG燃料的需要。在此次会议上，瓦锡兰集团、曼柴油机与透平公司分别介绍了其双燃料发动机技术。瓦锡兰集团目前推出了包括20DF、34DF和50DF型机在内的DF系列机，并已成功在多艘船舶上应用。

50、据介绍，与燃油模式相比，处于燃气模式的DF发动机可使船舶的一氧化碳排放量减少75%，二氧化碳排放量减少20%，氮氧化物的排放量减少80%，并实现硫化物的零排放，从而满足国际海事组织（IMO）Tier III标准。目前，DF双燃料发动机已成功应用在LNG船、近海供应船、FPSO、化学品船等船型上，其累计商业应用的时间已经超过了150万小时。而瓦锡兰自2005年至今获得的船用发动机订单中，DF双燃料发动机的订单占比达到了45%。MAN发动机与透平公司则在其传统ME-C发动机的基础上，研发出了型号相对应的ME-GI系列低速二冲程双燃料电喷发动机。今年5月18日，该公司在其位于哥本哈根的柴油机研发中心

51、举行了ME-GI双燃料发动机的首发仪式。ME-GI发动机能够燃用任何比例的天然气和柴油，甚至能燃用液化石油气或重油，可用作LNG船、LPG船、集装箱船等多种商用船舶的主推进系统。其中，在4T50ME-X型发动机基础上研发成功的4T50ME-GI 燃气发动机进行了一系列海试，已通过了各项性能验证测试。此外，DNV的环保概念矿砂船“Ecore”号就使用了2台该公司的 6S60ME-C8.2-GI型双燃料发动机。除了上述两家企业，罗尔斯·罗伊斯公司则于2007年开始推出卑尔根船用燃气发动机，并实船应用到挪威5艘近海客渡船上。该型机可以减少92%的氮氧化物以及23%的二氧化碳的排放，并能完全

52、消除硫氧化物及颗粒物，其燃料消耗效率可在现有双燃料发动机的基础上提高8%。4.1.4 采用小型LNG船进行燃料补给船舶尤其是大型远洋船舶如何进行LNG燃料补给是海事界十分关注的问题，目前，海上供气装置的缺乏是制约海运行业推广使用LNG的一大瓶颈。就目前成功的一些船舶改装项目和一些以LNG为燃料的概念船的设计方案来看，在缺少海上供气装置的条件下，船舶供气是一种较为可行的方案。根据目前挪威的一些成功案例，以LNG为燃料的船舶在靠泊，可通过岸上的管道补充燃料；而当船舶在海上营运时，则可通过小型的LNG船来实现燃料补给。不仅如此，一些新概念船型也采取类似的供气方案。此次DNV介绍的环保概念矿砂船“Ec

53、ore”号就采用了类似的解决方案，有燃料供给船来为该船提供液化天然气和燃油补给。“Ecore”号的LNG储量为4000立方米，燃料供给船通过直径68英寸的软管进行供给，补给时间为915小时。以LNG为燃料不仅能够使船舶符合IMO Tier III等废气排放标准，也是帮助船舶满足EEDI的一个有效途径，且海事业现有技术已能够满足船舶使用LNG的要求。为此，有业内人士预测，到2015 年，以LNG为燃料的船舶有望增加到8001000艘。目前一些国际组织已准备起草LNG燃料补给船相关接口、操作方面的规范、标准。而根据DNV等机构的预测，今后海上LNG补给装置也有望进一步增加。可以预计，在这些利好因素

54、的推动下，未来LNG燃料在海运业的应用范围将会得到不断拓展。4.2 LNG动力系统目前的成功应用LNG燃料早在1964年就开始应用于LNG运输船，但直到2000年才开始应用于其他类型船舶。据统计，20002010年全球采用LNG作为燃料的船舶共22艘（不包括LNG运输船）。与其他船用燃料相比，LNG燃料最主要的优点是对环境的影响较小，排放量最小。但LNG作为船用燃料，则要改变主机和燃料舱的设计布置，圆柱形压力罐所需空间约为等量柴油所需空间的34倍，特殊的储气罐和舱室结构增加了LNG储存的重量，约为船用柴油的1.5倍，使建造成本增加约8%20%，同时维护成本也会随之增加。目前，建造最多的LNG燃

55、料船舶是渡船，其中包括车/客渡船、滚装船、客滚船等，因为这些船舶多属于短途沿海航行，对LNG储气罐大小的要求较低。下面介绍几种LNG动力系统的船舶。4.2.1 世界首艘LNG燃料渡船挪威作为LNG生产大国，为了提高挪威气体燃料技术和获得良好的环境效应，1996年挪威议会决定分别建造采用CNG和LNG作为燃料的两种类型车/客渡船。2000年，世界首艘采用LNG为燃料的渡船“M/F Glutra”号由阿克尔船厂建造完工。通过采用LNG燃料，该船可以减少80%的NOX排放量，总成本比采用柴油燃料的渡船高30%，但船厂和运营商认为由于属于新技术的首次应用，费用的提高在可接受范围内。图4-1 LNG燃料

56、渡船“M/F Glutra”号该渡船的LNG燃料推进原理是LNG从卡车储气罐注入到船上的不锈钢储气罐，该不锈钢储气罐布置在甲板下的双壁不锈钢容器中。LNG通过发动机冷却剂蒸发后进入4台超稀薄燃烧天然气发动机中。每台发电机与对应的发动机相匹配，通过变频器将电能供应到1000kW的异步电动机，该电动机驱动位于船尾的双桨，以提供较好的操纵性。LNG储存在2个真空、珍珠岩绝热不锈钢低温储气罐中，该储气罐由AGA Cryo AB公司提供。每个LNG储气罐容积约为32m3，最大填充率为85%。储气罐的外层是不锈钢容器，该容器为双壁结构，中间填充矿物纤维。不锈钢容器可以防止LNG逸出，还

57、避免低温液体对船体钢板的冷却侵蚀。对于气体系统的要求之一是当船舶以最高速度与码头发生碰撞时不会出现任何损坏。2个储气罐设置在位于主甲板下的两个独立舱室，每个舱室还配有蒸发器，蒸汽通过双管输送至压力为4bar的主机舱。为了安全起见，发动机的布置远离LNG储气罐，位于汽车主甲板上的一个狭小舷边甲板。发动机采用4台三菱GS12R-PTK型超稀薄燃烧天然气发动机，转速为1500r/m时单机功率为675kW，发动机在满载时的热效率为37%。4台发动机分布在4个不同的、通风性好的机舱，可以通过一套系统中的多个气体检测器进行监控，能够确保在气体浓度超过某一水平时依靠截流阀切断气体流动。泄漏的气体通过管道进入

58、桅杆顶部。当任一机舱中的气体混合物达到最低爆炸水平（LEL）的20%时，气体检测器会发出报警并且在发动机达到60% LEL时自动切断气体供应。机舱的爆炸分析表明：在最坏的情况下，主机的两扇窗格门（sashed-door）将爆裂并立即释放压力而不影响其他主机室。在正常操作下，2台主机可以为推进和其他能量消耗提供足够的功率，第3台发电机作为备用或用于增速或用于恶劣天气条件下。第4台发电机为其他主机维护时使用。通过这种配置，该船能够进行23年的全年持续航行。船上LNG燃料的补给由Statoil公司的卡车供应，通过舷侧开口进行补给。卡车内的LNG在1台空气加热蒸发器的压力作用下输送到渡船LN

59、G储气罐。补给过程一般在夜间及无人登船的情况下进行，每次补给47m3或16t的LNG，耗时2个小时，补给周期约为每5或6天一次。据了解，Fjord1集团目前共运营10艘LNG燃料船舶，该公司表示，通过多年的运营采用LNG作为燃料的渡船具有良好的环保性，可以减少19%的CO2、91%的NOX、100%的SO2和颗粒物，而且噪声污染较低。不过建造费用可能会增加15%20%，维护成本比柴油主机高。4.2.2 瓦锡兰65000吨级LNG燃料旅游船图4-2瓦锡兰65000吨级豪华旅游船图4-3 65000吨级豪华旅游船双燃料推进布置图2011年，瓦锡兰公司公布了65000吨级LNG燃料豪华旅游船的设计方案。该船长260米，船宽34米，最大宽度为43.2米，船员650人，客舱780间，载客能力为1900人，航速19节。船上安装3个46