基于LNG的游艇或游轮新动力探讨

徐燕铭，滕宪斌

（天津海运职业学院，天津 300350）

一、采用LNG作为游艇动力的背景分析

游艇是一种高级的水上娱乐设施，在发达国家，已经风靡，地位几乎与家庭小轿车一样，被人们所拥有，在我国，还处于起步发展阶段，发展空间以及潜力巨大。游轮的愿意是指航行于各大洋上，定期或者定线将游客运送至目的地的客轮。历史上，游轮的发展因为航空行业的兴起而被搁置，曾有退出历史舞台的危险。在今天，游轮是指航行在海洋上、专门用于旅游、休闲度假的一种客轮，应该具有奢华、动力强劲、高航速、清洁等特点。游艇和游轮的建造主要集中在欧美等发达国家，技术也比较成熟。随着韩国STX收购欧洲阿克尔造船厂，标志着世界第一的造船国家开始进军豪华游轮的建造，我国作为世界造船大国，也应该及早开始这方面的研究。

目前，各种类型的船舶广泛使用重质燃油作为动力，邮轮和游艇也不例外。重质燃油在运输、贮存、使用过程中危害较大，在燃烧以后，会产生大量的有害气体和杂质，对海洋环境和大气环境产生巨大污染。国际海事组织限制船用柴油机排放的Tier II标准于2011年1月起开始实施，更严格的Tier III标准也将于2016年开始实施，要求氮氧化物排放量比Tier I阶段降低约80%。为了能够有效的控制船舶污染物排放，船舶柴油主机的厂商，如MANB＆W和苏尔寿已经开发出采用气体作为燃料的主机，而且将LNG作为船用燃料的技术和操作可行性已在挪威得到验证。目前，采用LNG作为燃料的船舶不断问世，渐成时尚，那么将LNG燃料作为游轮或是游艇的动力也是完全可行的。

游轮相比于货轮，因为要承担更多人员的生活，因此它需要更加强劲的动力。著名的豪华邮轮玛丽皇后2号引擎必须产生足够4000人使用的电力；同时，为了横渡大西洋只用6天的时间，它配备了世界上最大的引擎和最先进的推进系统。对于以后建造相同情况的游轮，采用LNG作为船舶的动力，这些问题都可以解决。

天然气是一种清洁、方便、高效的优质能源。据研究，在燃烧方面，使用相同数量的能源，产生的二氧化碳比煤减少41%，比重油减少28%，比燃料油减少24%，这对于促进全世界范围内的二氧化碳排量，意义重大。目前，全球船用油每年消耗量约在1．95亿吨，价格大约在1300亿美元。一艘VLCC船舶采用重质燃油，每天花费在37000美元左右，如果采用LNG燃料，每天只需花费32260美元，随着世界能源危机以及环境保护形势的日益严峻，燃油价格上涨是必然的，这种节省下来的成本就非常可观了。

图1 船舶排放对比

二、LNG气体优点

LNG是经过油气田开采出来的天然气，经过脱水、脱酸性气和重质烃类，然后经过压缩、膨胀、液化而制成。经过液化后的LNG，其体积只有原来的1／600，但是在使用过程中，它的热利用率可以高达55%，远远高于原油和煤矿的热能利用率，其主要优势和特点如下：

1．高清洁度

在进行液化过程中，LNG去除了所有存在的杂质，就目前而言，它当是世界新能源中，最纯净、最环保、无污染的首选。

2．价格低廉

这些年来，石油、煤炭等矿产资源价格的居高不下，LNG因为其采掘成本比较低廉，价格相对比较平稳。与石油液化气（LPG）相比，价格只有其61%，与柴油相比，价格只有其50%，不管作为何种用途，它都能节省一大批开支。

3．安全系数高

LNG气态比重0．7～0．75kg／Nm3，液态比重43～470kg／m3，低位热值35～50MJ／Kg，将它和其他几种能源做比较，如表1，不难发现，它比LPG、汽柴油都更加安全。

表1 几种常用燃料的特性比较表

4．运输储藏方便

LNG经过液化以后，体积只有原来1／600，而且是低温常压，在贮藏运输方面更具灵活性。

三、游艇机舱设计及喷射系统

目前，比较成熟的LNG燃烧和供给系统主要用于LNG运输船舶，还没有在其他类型的船舶上面广泛使用。对于液化天然气船舶，液化天然气的供给则要简单很多，因为船舶上面有大量的LNG，我们只需要将其进行处理，以保证其可以被安全的供应。在最近几年里，随着燃油价格的波动和越来越严格的气体排放标准，LNG作为清洁型能源，将会被应用于更多其他种类的船舶。

经过液化处理后的气体系统与柴油机燃烧所需要的气体系统存在很多的不同之处，但是在这里，有两种不同的解决方案提供给LNG气体燃烧系统，如下图2和图3。其中一个系统通过压缩泵供给主机高压燃烧用的气体，而另外一个则是经过泵和蒸发器供给主机气体。

LNG燃料通过泵源源不断的提供给整个系统，以供使用，这个系统包括一台增压泵、高压泵和加热器。在将LNG压缩到一定压力之后，通过热交换的方法将LNG进一步增压，将增压过的高压气体提供给机器燃烧，增压以后的气体将会至少达到300bar。通过海水循环泵进行热交换，提高LNG的压力，机器的缸套水或者蒸汽作为热交换的媒介，也可以不直接使用缸套水或者蒸汽，而使用闭式海水循环泵用于加热LNG，这样可以有效的防止LNG在机舱的泄漏。但是这些都是在LNG运输船舶的基础上改装而成，对于游轮或是游艇来说，它并没有专门用于贮藏LNG的货舱，所以在设计过程中，机舱的布局、设计，尤其是在安全方面的设计要更加严谨。

图2 压缩泵送系统

图3 经过泵和蒸发器供给系统

首先，游轮或是游艇的机舱必须被设计成能够安全存放气体燃料的一个空间，也就是说，不管在任何条件下，机舱都要能够考虑到，并且保证安全。机舱空间内的所有燃气管路都必须施加保护装置，目前广泛采用的是一种双壁管道。同时，气体燃料管路不能通过舱室、人员生活区、集中控制室等，通过其它空间的气体管道必须全部被封闭。

其次，游轮或是游艇要以LNG作为燃料，通常情况下还需要加装的主要系统包括LNG储罐和气体处理系统，此外还需安装一些辅助系统，如通风系统、安全系统、自控系统等。对于游轮或者游艇来说，这些是比较难的，主要在于如何布置储罐以及其他气体燃料系统的子系统，以及LNG在液化、储存、运输时所带来的麻烦。

采用LNG燃料作为动力来驱动主机，喷射系统也尤为重要，它直接关系到在整个系统过程中的燃烧质量，影响推进效率。如图4所示，这种喷射系统可以由两个燃油阀组成，FIVA（燃油喷射阀执行机构）用于控制喷射气体燃料的

形状，ELGI（电子气体喷射器）则用于打开和关闭燃油阀。此外，它还具有传统燃油压力增压器，燃油压力增压器安有压力传感器用于测量在高压侧的先导油，这种传感器监测燃油阀的动作，如果在正常喷射中发现任何偏差，安全系统将不允许打开用于通过ELGI阀的控制油。在这种情况下，将不会有任何无气体喷射。

在正常的情况下，如果燃油阀没有故障，燃油气阀在正确的曲柄转角位置打开，气体喷射进去，直接供应到燃烧室中。然而这样，就会存在有部分气体没有燃烧，从而导致危险，最终通过活塞环并进入扫气箱。在每个循环中流入气缸的气体在集气器通过检测压力降来检查，通过这个系统，对于不正常的气体流量，是否由于气体喷射阀咬住或者是气阀堵住，需要立即检查。

图4 气体燃烧喷射系统原理图

四、LNG动力游艇的局限性

综上所述，对于游轮或者游艇使用LNG作为燃料，产生动力，无论是从技术上，效益上，还是对于减少有害气体排放，都是完全可行的。但是就目前而言，在实际使用过程中，作为用于船舶的新型绿色能源，LNG应用于游艇还是有一些必须要解决的条件。

第一，LNG作为船舶的燃料，会使船舶的续航能力收到影响。在存储过程中，LNG燃料必须保存在低温高压的容器中，而船舶上存储空间有限，LNG燃料的密度又是传统燃油的0．5～0．6倍，在相同航程的情况下，LNG燃料需要更大、要求更加严格的空间体积；同时，LNG在正常情况下易燃易爆，整个燃料系统布置需要比传统燃油更加严密的的空间，并且与整个机舱的其他布置保持安全距离；最后需要注意的就是LNG燃料的隔热和汽化，为了防止过低的温度传导对船舶其他部件、空间和结构造成损害，对整个机舱布置设计有更高的要求，这样无形之中，就给船舶在建造过程中增加了预算，对船舶轮机人员操纵提出了更高的要求。

第二，航海沿线补给收到挑战。发展至今，传统燃油的加装已经十分方便，在世界各地，基本都能够加装到完全符合标准的燃油，但是如果采用LNG作为船舶燃料，加注方式会受到严重挑战，补给数量和网络还不是非常成熟和完善，这对于整个船舶运行是非常不利的。目前，挪威沿海和峡湾水域已经建成一些LNG加气站，但是要想满足LNG燃料船舶的供应，还远远不够，包括国内的LNG加气站网络，仍处于规划建设的初级阶段。

采取船对船加注燃料是另外一种可行的方式，服务范围广，效率高，目前尚未看到有关专用LNG燃料加注船的报道，但已经有业内相关方面（DNV，TGE等）开始了相关船舶对船舶加注设备、接口标准等的研发工作。

［1］刘贵浙．世界两大船用柴油机巨头——MAN和瓦锡兰公司发展情况［J］．船艇，2008，（16）．

［2］王传荣．LNG船技术发展新动向［J］．船舶物资与市场，2005，（02）．