中小型LNG运输船推进系统选型分析

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300457)

随着世界能源结构的调整，各国对天然气的需求量与日俱增，因此，LNG运输船在造船工业中的份额不断加大。近年来，LNG运输船队迅速增多，针对远洋运输的大型LNG运输船体积越来越庞大，新一代Qmax级LNG运输船投入营运。另外，各国用于LNG各港口间调配运输的中小型LNG运输船队伍也日渐壮大。

中小型LNG运输船是LNG船型发展至今的一个新领域。中小型LNG运输船是指舱容范围在1 000 m3到80 000 m3的LNG船舶，在区域内供应数千吨至上万吨的液化天然气，可直接到达最终用户。中小型LNG运输船的设计建造技术和营运在北欧的挪威和亚洲的日本等国家已经成熟运用，相比大型LNG运输船和陆地槽罐车运输具有周转灵活、运输成本低、受影响因素少、安全性高等优点。中小型LNG运输船可以广泛应用于大型LNG接收终端和LNG卫星站之间的LNG二程转运。对于那些位于沿海沿江地区的LNG卫星站，采用中小型LNG运输船的运输方式可以大大提高运输的效率和安全性，节约运输成本。

目前在全球运营的LNG运输船所配备的推进系统，主要有蒸汽轮机推进系统、中(低)速柴油机推进系统加再液化装置和双燃料电力推进系统(DFDE)等。

1 几种常见LNG运输船推进系统

1.1 蒸汽轮机推进系统

目前世界上运营的LNG运输船大多采用双燃料蒸汽轮机推进系统，该系统主要由锅炉、蒸汽涡轮机、减速齿轮箱、冷凝器、蒸汽和给水管系，以及汽/水处理装置组成。锅炉产生的过热蒸汽通过蒸汽调节阀后分成两路，一路蒸汽经高压涡轮机和低压涡轮机进入主冷凝器；另一路蒸汽进入反向涡轮机进入主冷凝器，此路蒸汽的供应由控制阀控制，可避免两路蒸汽同时供应造成涡轮机损坏。蒸汽涡轮机产生的动力推动传动轴转动再经过减速齿轮减速后带动螺旋桨转动推动船舶航行。从涡轮机排出的废气经主冷凝器、密封压盖冷凝器、低压加热器、除气器等设备后，再由主给水泵泵入锅炉中。其工作原理见图1。

图1 蒸汽轮机推进系统工作原理

该系统最大的优点是充分利用了货物蒸发气，无须增添专用蒸发气再液化装置即可有效地控制货舱压力。但在全速航行的情况下，蒸发气量不够时，则需要燃烧重油来补充；其可靠性高且维护管理简单，为LNG运输船提供安全、环保和高度可靠的运输。蒸汽轮机技术成熟可靠、动力强劲、传动效率高，使用寿命长等。在制造、优化设计、使用等过程中，不断采用新的材料、理论、技术，改善其性能，不断提高安全可靠性、耐用性，在保证运行方便的基础上，增大单机功率和提高装置的热经济性。

然而，在蒸汽轮机推进系统的应用中，也表现出了它自身的缺点，其致命弱点就是燃油效率低，一般在25%左右，即使高效蒸汽轮机推进系统能效只能提高到30%左右，这一点随着国际能源格局变化、燃料价格上涨等因素显得越来越突出；其次，蒸汽轮机冷机启动时间长。虽然系统具有暖机设备但为防止蒸汽轮机外壳和转子叶片变形、裂纹等情况，暖机时间还需要充分保证；另外，蒸汽轮机机动性能差。蒸汽轮机工作介质为蒸汽，通过锅炉调节蒸发量时间长，通过调节透平蒸汽调节阀调节量也有限，调节过程中还要考虑过量蒸汽冲击等问题，所以机动调节较差；再有，蒸汽轮机为高速回转机构，结构紧凑，制造、装配精度高，系统复杂，占用的有限空间较大，因此对蒸汽轮机的管理要求很高，船员培训取证也比较困难；还有蒸汽轮机体积大、管路复杂、噪声大、低工况时油耗较高等一系列缺点[1]。

1.2 中(低)速柴油机推进系统加再液化装置

中(低)速柴油机推进系统是其他类型的货船普遍采用的方式：低速二冲程柴油机(或中速四冲程柴油机)通过齿轮箱、离合器直接驱动主推进轴桨装置。主机燃油为重油(HFO)，柴油发电机燃油为重油(HFO)或柴油(MDO)。对于LNG运输船来说，由于不能燃烧舱内蒸发的蒸发天然气(BOG)，需要配置再液化装置或者燃烧塔以保证舱内的蒸汽压力维持正常水平。同时需要多配备1～2台发电机组，提供足够的电力供再液化装置和艏侧推装置等其他设备使用。见图2。

图2 中(低)速柴油机推进系统的原理

该系统设备的配置显得较为复杂，但是其推进系统与电力系统配置灵活，在日常运行中，表现出很好的匹配性。该推进系统主要有初始投资较低、设备选型范围大、设备维护比较容易、对船员的素质要求相对较低等优点。但是其缺点也显而易见：该系统燃油成本较大，既有主推进发动机，还有供全船的发电机，燃油需求量大，成本高；机舱空间利用率较差，较其他系统设备多，布置困难，占用空间大；该系统主、辅机燃用重油或柴油，二氧化碳、氮化物、硫化物排放量高，很难达到环保要求，而且由于设备较多，维护保养成本较大[2-3]。

1.3 双燃料电力推进系统(DFDE)

新建LNG运输船逐渐采用DFDE推进系统，这是新的趋势。该系统的特点就是比蒸汽轮机节能15%～20%，其次是舱室利用率较高。比如一艘14.7万m3的蒸汽轮机LNG运输船，在船型不变的情况下，如果改成DFDE设计，那么其舱容就可以增加到16.0万m3左右。在全球范围内，目前有7%左右的LNG运输船采用了DFDE系统，都是应用在2005年以后新建的LNG运输船上。

DFDE推进系统主要有三种常见的主流电力推进方式：轴系推进系统、全回转推进系统和吊舱式推进系统。主要由几台发电机组、配电盘、变压器、变频控制器、主推进电机马达等构成。主发电机组发出的电，一部分供LNG运输船日常公用，一部分供船舶推进马达使用，为LNG运输船航行提供动力。其他的变压器、变频器等都是主马达的辅助设备，为主马达更加平稳运行提供保障。LNG运输船DFDE推进系统工作原理见图3。

图3 双燃料电力推进系统(DFDE)原理示意

多年来，LNG运输船电力推进技术得到了长足的发展，特别是近年来变频技术和吊舱推进技术的发展，为电力推进技术的应用和普及提供了极大的推动力。这一系统主要具有如下优点。

1)冷机启动时间短。在燃气模式和燃油模式下，主机均能很快启动。

2)低燃油消耗量。由于采用了货物蒸发气做燃料，减少了对传统燃油的依赖和消耗，燃料费用大大减少。

3)电站冗余量较大，船舶安全性提高。

4)船舶操作较为灵便可靠。

5)后期维护成本较低，节省安装、管理以及维修费用。

6)有效舱容增加，动力装置占用空间小，布置灵活，载货空间增大。

7)排放低，主要是排放废气中的NOx、SOx等含量低，产生的CO2排放物也少。

然而，双燃料电力推进系统实践时间较短，存在一定的风险。电力推进LNG运输船的初始建造成本较一般船舶高，前期投资比较大。本身是公认的高技术、高附加值船舶，建造和管理难度较大。另外该系统结构紧凑，制造、装配精度高，电气系统复杂，对电气工程师的设计水平要求较高[4]。

2 中小型LNG船推进系统选型

中小型LNG运输船由于其主要以沿岸、中短途运输为主，靠港频繁，要求船舶具有良好的操纵性能。仅从这一点考虑，蒸汽轮机主要是使用在大型LNG运输船上，在中小型LNG运输船上作为主推进显得优势不足。另外，在LNG运输船的操作中，对船员的能力要求比较高，目前国内难找[5]。

中(低)速柴油机推进系统加再液化装置与DFDE推进系统相比较，对于LNG运输船来讲，货舱的蒸发气可以用来作为燃料，一方面能够省去再液化装置，另一方面能够降低燃料成本，减少二氧化碳、硫化物及氮氧化物的排放，保护环境。这些优势是常规柴油机推进方式无法比拟的。

从经济性(航次成本)、船舶操纵灵活性、环境保护等各方面综合考虑， 中小型LNG船是最适合运用DFDE作为主推进系统的船型。随着DFDE技术的成熟和在船舶上的普及，2005～2009年4年间，DFDE推进系统在LNG运输船上的装机功率就从22.8 MW增长到了501.6 MW，增长了近22倍，越来越受到船东的青睐，是LNG运输船推进系统的发展趋势。随着设计的理论与方法正不断完善，由于其技术、经济、排放等方面的优势，必然会有广阔的发展前景。

3 结束语

传统的蒸汽涡轮推进系统仍在不断完善改进，依旧占有重要地位。随着对燃油经济性、船舶运行与管理、环境污染等因素的考虑，必将出现新的转型升级。另外，鉴于LNG运输船在航行过程中将不可避免地产生BOG，因此，无论是哪种推进装置都应该优先使用BOG作为主燃料。LNG运输船主推进装置趋向从蒸汽涡轮推进转变到柴油机推进，应加快能燃烧蒸发气BOG的双燃料柴油机的开发进程。

随着LNG运输船各种推进技术的不断完善，由于电力推进方式提供的电力既可以满足推进装置电力需求，还可以给全船系统供电，方便船舶动力布置，具有很高的冗余度和灵活性，未来将逐渐成为优先考虑的方案。电力驱动吊舱推进器、螺旋桨轴系推进、全回转推进等方式逐渐成为主流。

[1] 吴 穷，王建丰，王 冲，等．LNG运输船的主动力装置[J].热能与动力工程，2009,(1):7-11.

[2] 黄 飞．LNG船推进系统的几种方案[J].航海技术，2006,(1)：52-54.

[3] 刘 柱．几种船舶推进系统的比较[J].青岛远洋船员学院学报.2003,(3)：40-44.

[4] 李永鹏，陈爱玲，汪 洋．新型LNG船舶采用双燃料电力推进的优势分析[J].青岛远洋船员学院学报，2005,(4)：21-23.

[5] 范思奇．液化气体船[M]．大连:大连海运学院出版社，1993．