LNGC ME-GI低速机与TFDE电力推进对比

杨 波

(中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司，天津 300452)



LNGC ME-GI低速机与TFDE电力推进对比

杨 波

(中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司，天津 300452)

针对满足船舶的经济性和环保性要求，大型LNG运输船推进系统更新换代的问题,从技术角度着重对比目标船型ME-GI低速机推进与TFDE电力推进2种最新的推进方式。结果可见，ME-GI低速机推进系统不论是经济性还是环保性都优于目前主流的TFDE电力推进系统，将成为未来大型LNG运输船的主流推进形式。

LNG运输船;低速机;电力推进;经济性;环保

我国从2006年开始进口天然气，全部为LNG海运进口，2010年才首次进口管道气。“十一五”期间，我国共进口LNG约2 180万t，年均增长率达到120%。目前我国与国外签署的LNG进口合同数量超过1 000万t/年。有研究认为，未来15年内我国天然气需求年均增长率约为12%，2020年天然气在一次能源消费中所占比重将达到10%以上，年需求量超过2 000亿m3，对外依存度超过50%。据此推算，2020年我国LNG进口量将超过6 000万t[1]。

如此之多的LNG将大多通过海运进入我国，海上运输就需要大型的LNG运输船。据了解，日前中海油旗下海油发展与BG集团达成了在中国建造4艘17.4万m3大型LNG运输船协议，造船方为上海沪东-中华造船厂。该项目是中海油用于BG Group昆士兰柯蒂斯液化天然气项目，也是中海油与海外合作的首个大型LNG船建造项目。此次建造的4艘LNG运输船总长290 m，型宽46.95 m，型深33.40 m，设计吃水11.50 m，结构吃水12.50 m。采用薄膜型货物围护系统，配备4个液货舱，总舱容约17.4万m3，计划于2017—2019年陆续完工交船，届时由船舶公司租赁给承租人BG Group进行全球运营。

大型LNG运输船的动力系统正在不断地更新换代。由原来的燃气锅炉+蒸汽轮机推进，到后来的低速柴油机配完全再液化，再到目前主流的双燃料柴油机(TFDE)电力推进，最后到最新推出的双燃料低速机(ME-GI)直接推进[2-4]。每次推进系统的革新都需要经过技术论证及实船运营的检验。

目标船采用目前较为先进的双燃料柴油机(TFDE)电力推进。以此船为目标船型，研究其采用ME-GI低速机推进系统与采用双燃料柴油机(TFDE)电力推进系统的经济性及环保性。为将来再次建造类似船舶，在推进系统选择时提供技术参考。

1 推进形式技术特点及配置

1.1 TFDE电力推进系统

双燃料中速柴油机电力推进装置(TFDE)，主要是用多台双燃料中速柴油机带动发电机组产生电能，供推进电动机驱动螺旋桨。电动机经减速齿轮箱带动螺旋桨，但也可用低速电动机直接带动螺旋桨或者吊舱桨[5]。

推进电动机由变频器进行无级调速，可优化螺旋桨的推进性能，发动机和推进电动机都具有至少50%的冗余度，可在正常运行时对双燃料发动机进行维护，双燃料发动机可100%利用燃气作为燃料，与使用重油作为燃料的发动机相比，其硫化物和氮氧化物的排放几乎可忽略不计，二氧化碳的排放量可减少20%～25%。

该装置的特点是多台双燃料发电机组不同组合可获得更大更方便的使用，不需要另设发电装置，因此具有取得功率大、占用机舱体积小、重量轻的优点。由于需要进行多次的能量转化，因此其传动效率低，一般为86%～92%。

中海油在沪东中华在建的4艘17.4万m3LNG运输船配置见表1。

表1 17.4万m3 LNG运输船TFDE电力推进系统配置

1.2 ME-GI 低速机推进系统

MAN B&W公司研制的ME-GI(2冲程低速机)双燃料发动机是其ME电控喷射二冲程柴油机的清洁燃料应用替代方案，能够利用高压天然气附加引燃燃油稳定运行。这种方案与以重油为燃料的二冲程柴油机方案相比，其运行经济性更好，排放污染更小[5]。

ME-GI双燃料发动机与ME电控喷射柴油机在柴油机性能各方面完全相同，因此所有的ME电控喷射柴油机都可改为ME-GI双燃料发动机。MAN ME-GI双燃料发动机采用缸内高压直喷式，即在发动机压缩冲程末期，从喷油器喷入少量且油量固定的点火油作为点火燃料，随后向缸内高压喷入天然气，使天然气依靠微量点火油着火释放的能量进行燃烧。要求进气压力为30 MPa，所以向主机供气需要2级压缩，即常规的低压压缩机将货舱内的BOG压缩到0.3～0.5 MPa，再由活塞式高压压缩机将其压缩到30 MPa后进入柴油机的喷气嘴[2]。

该机有3种运行模式：燃油运行模式(100%燃油)，最小燃油运行模式(点火油+天然气)，定量天然气运行模式(点火油+定量天然气)。当按燃油运行模式工作时ME-GI双燃料发动机便成为ME电控喷射柴油机。当ME-GI双燃料发动机按其他2种运行模式运行时，如果天然气系统出现故障，天然气将被控制系统中断，发动机将转成燃油运行模式。由于发动机使用以上3种运行模式运行时其燃料的硫分不同，因此不同运行模式应使用不同碱总值的气缸油。

对于ME-Gl发动机来说，从0%天然气、100%燃油到95%天然气、5%燃油之间。天然气和燃油以任何比率都能在25%负荷以上使用。经济性灵活性高，并且废气排放量低，具有ME型柴油机所有的功能。BOG气体不足时，通过船上的强制蒸发器进行补充。BOG气体富余时，过量的BOG气体可以通过气体燃烧塔进行燃烧或者通过再液化装置进行再液化处理。

针对17.4万m3LNG运输船选择ME-GI推进主要配置选择见表2。

表2 17.4万m3 LNG运输船ME-GI推进系统配置

2 推进形式经济性

2.1 推进效率及船舶能耗对比分析

2.1.1 推进效率

ME-GI 低速机为直接推进，只有轴承等部分机械损失，其推进效率约为99%。如图1所示(来自MAN)。单台主机的功率为12 650 kW，螺旋桨吸收的功率为12 523 kW。

图1 ME-GI 低速机推进系统示意

TFDE 电力推进系统，双燃料中速柴油机带动发电机组产生电能，电能通过配电板、变压器、变频器传输到推进电机。推进电机将电能再转化为动能到齿轮箱，最终由齿轮箱减速后传递到螺旋桨。这其中2次能量性质的转变加上电能的传输转化损失，其效率约为87.6%。双燃料中速柴油机的功率为14 296 kW，螺旋桨吸收到的功率为12 523 kW。

由此可知，ME-GI 低速机推进系统推进效率远远优于TFDE电力推进系统。

2.1.2 船舶综合能耗对比

对具体船舶而言，应当全面比较其综合能耗才能更加客观地反映其经济性。以17.4万m3LNG运输船为例，以1年为限，对分别使用ME-GI低速机直推与TFDE 电力推进的船舶从主推进单位油耗，主推进总消耗，全船电力总消耗等方面进行比较。

1)主推进柴油机单位油耗。查询主机出厂资料,燃气模式气耗对比，包含引燃油，相关信息见表3。

表3 燃气模式气耗对比 kJ/(kW·h)

燃油模式油耗对比，见表4。

表4 燃油模式气耗对比 g/(kW·h)

注：括号内的加项为机带冷却水泵和机带滑油泵所带来的燃油消耗增加。

由表3、4可以看出，ME-GI双燃料低速机不论是燃气模式还是燃油模式下，其单位油耗都远远优于TFDE 电力推进的双燃料四冲程发电机组。

2)全年主推进总耗能对比，见表5、6。

由表5，6可见，ME-GI低速机直推全年总能耗约1.165亿kW·h。

表5 ME-GI低速机全年总能耗表

TFDE电力推进全年总能耗约1.330亿kW·h。

ME-GI低速机比TFDE电力推进全年少消耗0.165亿kW·h。

3)全船电力消耗对比，见表7、8。

ME-GI低速机直推方案总电力消耗=P(A)+P(C)+P(P)。

P(A):日常电力消耗包括上建用电，液货泵，压载泵等。在ECA排放控制区，P(A)还包含主机的EGR电力需求。

表6 TFDE电力推进全年总能耗表

注：%时间为船舶全年运行时间百分比。

P(C):主机高压燃气压缩机电力消耗。

P(P):LNG高压泵电力消耗。

表7 ME-GI低速机直推电力消耗表

TFDE电力推进方案总电力消耗=P(A)+P(C)。

P(A):日常电力消耗包括上建用电，液货泵，压载泵等。在ECA排放控制区，P(A)还包含主机的EGR电力需求。

P(C):主机低压燃气压缩机电力消耗。

表8 TFDE电力推进系统电力消耗表(去除推进电力需求)

由表7、8可见，ME-GI低速机直推全年总电力消耗约0.250亿kW·h。

TFDE电力推进全年总电力消耗(去除推进)约0.199亿kW·h。

ME-GI低速机比TFDE电力推进全年多消耗0.250-0.199=0.051亿kW·h。

将主推进消耗与全船的电力消耗相叠加可以得出使用ME-GI低速机直推比使用TFDE电力推进全年节省能源约0.114亿kW·h。

2.2 初投资及营运经济性对比分析

根据设备供应商的商务报价，TFDE和ME-GI 2种推进形式的初投资对比见表9。

表9 TFDE和ME-GI 2种推进形式的初始投资对比表 100万美元

TFDE 电力推进初始投资高于ME-GI 低速机130万美元。

根据主机制造商及船东反馈的信息，ME-GI主机维修保养费为11美元/(kW·年),四冲程双燃料发电机维修保养费为25美元/(kW·年)。由此，可知：①ME-GI低速机推进方案年保养维修费用约为60万美元；②TFDE电力推进方案年保养维修费用约为100万美元。可见，ME-GI低速机推进方案无论从初始投资还是从后期的维修保养都优于TFDE 电力推进方案。

3 推进形式环保性

排放法规越来越严，降低NOx、 SOx、CO2排放是衡量机型优劣的关注点之一。SOx排放基本取决于燃料中硫的含量。NOx的排放取决于燃烧温度。CO2的排放取决于装置总装机功率。另外还有双燃料柴油机甲烷气体的逃逸问题也值得考虑。甲烷的过量逃逸一方面会带来机组排气系统的危险，另一方面其温室效应是CO2的21倍。对于这一点往往会被忽略，相关的主机厂对于此问题也是避而不谈。

3.1 NOx排放

NOx排放的限制要求见图2，其中TierⅢ在欧洲排放控制区暂未生效，目前暂定2021年，但是在北美已经正式生效[6]。

图2 NOx排放的限制要求示意

高温、富氧和高温持续时间是影响柴油机NOx生成的主要因素。当反应温度高于2 200 K 时，温度每上升90 K，氮氧化物NOx的生成量会翻倍增加。ME-GI性能测试表明，与燃油模式相比，燃气模式下低负荷时NOx减排较小，在75% 负荷左右时NOx减排最显著。燃气模式比燃油模式NOx减排达24%，但也只能满足IMO Tier II 的NOx排放要求。因此，ME-GI 必须配备EGR(废气再循环)或SCR(选择性催化还原)系统才能满足Tier III 的NOx排放标准。ME-GI低速机属于狄塞尔循环，而低压双燃料四冲程中速机属于奥托循环。

由图3可见，狄塞尔循环中气缸内的最高燃烧温度明显高于奥托循环，高温持续时间也较长，因此当燃烧室氧气浓度相当时，狄塞尔循环中NOx的生成量要高于奥托循环。低压双燃料四冲程中速机在燃气模式下NOx排放可以满足Tier III排放标准。因此，从尾气NOx排放方面来说，低压双燃料四冲程中速机要优于ME-GI低速机，这也是ME-GI 发动机采用狄塞尔循环而产生的弊端[7]。但是ME-GI低速机可以通过配置EGR(废气再循环)或SCR(选择性催化还原)同样可以满足TierIII的要求。

图3 狄塞尔循环和奥托循环的温度比较

3.2 CO2排放

发动机尾气中CO2含量主要与进机燃料和发动机总功率相关。ME-GI低速机的单位油耗不论燃气模式还是燃油模式都低于低压双燃料四冲程中速机。同时ME-GI低速机综合效率也高于低压双燃料四冲程中速机。因此，从CO2排放及控制角度来看，ME-GI低速机低于低压双燃料四冲程中速机。

3.3 SOx排放

关于SOx排放的限制要求见图4。

图4 SOx排放的限制要求示意

1)燃油模式，假定燃用同样含硫量的燃油，很明显ME-GI低速机的硫排放一定是低于低压双燃料四冲程中速机。因为其单位油耗较低。

2)燃气模式， ME-GI低速机的点火油量一般在5%～8%之间，最新报道其点火油量可降低到3%，假如点火油量为5%,约8.33 g/(kW·h)。低压双燃料四冲程中速机点火油量一般在1%左右。则燃气模式下引燃油消耗为1.86 g/(kW·h)。

因此燃油模式下ME-GI低速机的硫排放低于低压双燃料四冲程中速机，但是在燃气模式下ME-GI低速机的硫排放高于低压双燃料四冲程中速机。

3.4 甲烷气体的逃逸问题

全球变暖，气候变化，与温室气体的大量排放有着很大的关系。以往只是关注CO2的排放产生的温室效应，但对甲烷的温室效应问题常常忽视。其实甲烷气体的温室效应能力要比CO2大的多(约21倍)。对于ME-GI柴油模式，燃气模式以及四冲程双燃料发动机的排气造成的温室效应见图5。

图5 推进系统不同工作模式下温室效应示意

基于高压燃气直喷理念的ME-GI双燃料发动机高压燃气直接喷入气缸，并且由于该发动机是二冲程低速机，不存在气门重叠角，因此燃气不会随废气从排气门直接窜出气缸，解决了四冲程双燃料发动机甲烷逃逸(Methane Slip)的问题，将甲烷逃逸率降低到了与液体燃料发动机相当的水平。根据FTIR废气测量方法测得ME-GI双燃料发动机的甲烷逃逸率仅为0.2 g/(kW·h)，并且与负荷无关。大部分采用奥托循环的四冲程双燃料发动机的甲烷逃逸率约4～8 g/(kW·h)[8]。

因此，采用奥托循环的四冲程双燃料发动机对活塞环的密封性要求较高，需要监测和安全保护措施。奥托循环的四冲程双燃料发动机安装燃气阀传感器检查燃气阀的动作，当燃气阀误动作时，切断燃气供应，发动机切换到纯燃油模式，但仍有可能因燃气喷射阀阀面/阀座接触不良，致使发动机在活塞越过燃气喷射阀后燃气泄漏进入扫气箱，所以其危险性也高于ME-GI双燃料发动机。

通过以上的分析，从排放环保的角度而言，ME-GI 低速机、TFDE 电力推进似乎各有优劣。对于NOx的排放，ME-GI低速机可以通过配置EGR或SCR进行弥补。SOx的排放主要还是取决于油品自身的含硫量。而CO2排放高和甲烷的逃逸问题，TFDE 电力推进系统无法弥补，所以综合考虑从环保角度而言ME-GI低速机推进系统还是优于TFDE电力推进系统。

4 结论

1)ME-GI低速机推进系统具有更高的效率，远远优于TFDE电力推进系统；

2)ME-GI低速机推进系统不论从初始投资还是运营成本方面都低于TFDE电力推进系统；

3)ME-GI低速机推进系统配备有高压气体压缩机可以实现LNG的部分液化，实现运营的最大经济性；

4)ME-GI低速机推进系统和TFDE 电力推进系统在系统复杂程度方面各有优劣，但ME-GI低速机推进系统相对更加简单可靠，且符合大多数船员的操作习惯；

5)从环保角度而言ME-GI低速机推进系统也是优于TFDE电力推进系统。

因此，今后新建17.4万m3LNG大型运输船的推进系统，应当采用ME-GI低速机直接推进方式。配置2台5G70ME-C9.5-GI-EGR(SMCR为12 650 kW)分别驱动2只固定桨，同时配置4台6L35/44DF(总功率12 700 kW)发电机组。

[1] 智库数据研究中心. 2014—2019年中国海运市场深度调研及发展战略研究[J].北京：中国产业信息，2014(4):64.

[2] 李源.大型LNG船设计演变轨迹[J].中国船检，2012(5)：58-62.

[3] 吴穷,王建丰,王冲,等.LNG运输船的主动力装置[J].热能动力工程，2009(1)：7-11.

[4] 中国船舶工业集团公司.船舶设计实用手册:轮机分册[M].北京:国防工业出版社,2013.

[5] 国际海事组织.防污公约(MARPOL)附则VI防止船舶造成空气污染规则[S].2011.

[6] 马义平,王忠诚.曼恩和瓦锡兰船用二冲程双燃料发动机之比较[J].船舶动力装置2013(5)：94-99.

[7] 高子朋，詹宇，王民，等.船用ME-GI双燃料发动机技术分析[J].中国船检，2014(10)：68-70.

Comparative Analysis of LNGC ME-GI Low-speed Engine and TFDE Electric Propulsion

YANG Bo

(CNOOC Energy Technology & Service-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

In order to satisfy the economy and environmental protection requirements of the ship, large LNG carrier propulsion system was improved. In view of the target ship, from a technical point the two latest propulsion ways of the ME-GI low-speed engine propulsion and TFDE electric propulsion were analyzed emphatically. The analytical results showed that the ME-GI low-speed engine to promote both economic and environmental protection systems are better than the current mainstream TFDE electric propulsion system, it will gradually become the mainstream of future large LNG carrier form.

LNG carrier; low-speed engine; electrical propulsion; economy; environment protection

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.018

2016-07-10

工信部项目(工信部联装[2014]498)

杨波(1981—)，男，硕士，工程师

U664.121;U665.13

A

1671-7953(2016)05-0070-06

修回日期：2016-08-10

研究方向:轮机技术

E-mail:yangbo8@cnooc.com.cn