傅曉紅 陸 瑋

（中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七○八研究所 上海200011）

0 引 言

LNG船是專門用來(lái)載運(yùn)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸點(diǎn)為-162℃的液化天然氣的船舶［1］。鑒于液化天然氣特殊的理化性質(zhì)，對(duì)LNG船的各方面性能要求極高。所以，LNG船被稱為是前所未有的高技術(shù)、高難度和高附加值的船舶，是一種 “海上超級(jí)冷凍車”，被喻為世界造船“皇冠上的明珠”。對(duì)LNG船而言，由于航行過(guò)程中LNG貨艙會(huì)不斷產(chǎn)生大量蒸發(fā)氣（BOG），如何合理處置這些氣態(tài)天然氣成為L(zhǎng)NG運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)顯著特征，這一特征甚至影響了船舶的推進(jìn)動(dòng)力選擇。傳統(tǒng)的LNG船大部分采用蒸汽透平推進(jìn)的方式，裝載容量最大在150 000 m3左右。蒸汽透平推進(jìn)方式雖然在以往的幾十年間被證明是可靠的運(yùn)行方式，而且在利用BOG方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但是其推進(jìn)效率僅約為30%。近年來(lái)，隨著全球?qū)NG的需求不斷增大，LNG運(yùn)輸船的數(shù)量和單船裝載容量的需求也在增加，節(jié)省能源，降低排放，提高效率成為L(zhǎng)NG船設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的因素之一。

本文就預(yù)研中的大型LNG船雙燃料電力推進(jìn)方式進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性能分析，對(duì)LNG船設(shè)計(jì)中采用電力推進(jìn)方式的可行性進(jìn)行了探討。在要求低能耗、低排放的綠色船舶大背景下，如何將大功率電力推進(jìn)應(yīng)用到運(yùn)輸船上，值得我們深入探討。

1 電力推進(jìn)船型的論證

1.1 技術(shù)性能分析

電力推進(jìn)并不是一個(gè)新概念，早在100多年前就已經(jīng)出現(xiàn)，并在各種類型的船上得到應(yīng)用，在安全性、可靠性、冗余度、操縱性、裝置效率和環(huán)境友好方面均已得到充分驗(yàn)證。但是電力推進(jìn)系統(tǒng)中普通的柴油機(jī)組無(wú)法利用LNG船航行過(guò)程中液貨艙內(nèi)產(chǎn)生的BOG，只能通過(guò)氣體燃燒單元燒掉，造成能源浪費(fèi)，所以電力推進(jìn)系統(tǒng)一直未被LNG船采用。

隨著雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的成功研制和裝船使用，使得電力推進(jìn)在LNG船上的使用成為可能。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)（Dual Fuel Engine，簡(jiǎn)稱DF發(fā)動(dòng)機(jī)）是由發(fā)電柴油機(jī)派生而來(lái)的，以LNG貨艙中蒸發(fā)的低壓天然氣作為主要燃料，船用柴油和（或）重油作為備用燃料，其發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)部件與柴油機(jī)非常相似，工作過(guò)程仍遵循柴油機(jī)的工作循環(huán)。工作效率比蒸汽透平機(jī)高許多，可以極大提高熱效率，減少燃料消耗，降低運(yùn)營(yíng)成本。此外，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)比蒸汽透平機(jī)及普通柴油機(jī)的排放物要少，NOx排放物只及相同功率柴油機(jī)的十分之一，產(chǎn)生CO2排放物也少，這主要?dú)w功于天然氣燃料本身所具有的優(yōu)勢(shì)。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與電力推進(jìn)技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的雙燃料電力推進(jìn)方式，集合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的蒸汽透平機(jī)推進(jìn)相比具有低能耗、低排放、操縱性能好、載貨空間大等突出的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 動(dòng)力裝置裝機(jī)功率比較

對(duì)于熱效率高于蒸汽透平推進(jìn)方式的低速機(jī)推進(jìn)和電力推進(jìn)方式來(lái)說(shuō)，雖然兩者的效率均在42%［2］左右，但是，從總裝機(jī)功率上還是有區(qū)別的。表1是預(yù)研中某LNG船采用不同推進(jìn)方式所需要的裝機(jī)功率，可以看到，在艙容相同、航速相同的情況下，電力推進(jìn)方案的總裝機(jī)功率要比低速機(jī)推進(jìn)方案少4.7%，近2 320 kW。而且對(duì)于低速機(jī)推進(jìn)來(lái)說(shuō)，無(wú)法利用LNG船液貨艙中的蒸發(fā)氣，除非配置再液化裝置進(jìn)行再液化處理，將液化后的天然氣輸送回液貨艙內(nèi)，否則只能在氣體燃燒裝置中將蒸發(fā)氣白白燒掉，經(jīng)濟(jì)損失很大。另外由于再液化裝置價(jià)格昂貴，很多船東傾向于不采用這種配置。

1.3 電力系統(tǒng)的可行性

由于采用電力推進(jìn)方式，該LNG船的電站容量很大，對(duì)傳統(tǒng)運(yùn)輸船來(lái)說(shuō)是史無(wú)前例的，下面從系統(tǒng)電壓等級(jí)選擇、冗余度、短路容量、諧波限制等方面來(lái)分析電力系統(tǒng)的可行性。

表1 電力推進(jìn)方案和低速機(jī)方案裝機(jī)功率比較

為滿足安全性和冗余度的要求，電力系統(tǒng)采用兩段6.6 kV主匯流排的設(shè)計(jì)，且兩個(gè)分段分別安裝在不同的艙室內(nèi)，以保證當(dāng)任一匯流排出現(xiàn)故障或其所在房間發(fā)生火災(zāi)等意外情況時(shí)系統(tǒng)還能提供一半功率給電力推進(jìn)設(shè)備，確保船舶的安全運(yùn)行。

考慮到電站容量超過(guò)40 MW，且液貨系統(tǒng)設(shè)備普遍采用6.6 kV電制，采用6.6 kV的中壓系統(tǒng)是較為經(jīng)濟(jì)的選擇。由表2可見(jiàn)，在5臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)并網(wǎng)運(yùn)行的情況下，6.6 kV匯流排處的最大短路電流為35 kA，而440 V匯流排處的最大短路電流為65 kA，在目前的技術(shù)條件下，主流配電系統(tǒng)供應(yīng)商均能提供相應(yīng)的配電系統(tǒng)，不存在技術(shù)難度。

表2 某大型LNG船電力系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

對(duì)于由大功率推進(jìn)變頻器引起的電網(wǎng)諧波，由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)采用24脈沖變頻器，據(jù)理論計(jì)算分析可知，6.6 kV和440 V匯流排處的諧波畸變率分別為3.1%和2.47%，不用增加任何濾波器就能滿足各個(gè)船級(jí)社對(duì)諧波的相關(guān)要求和規(guī)定。

1.4 推進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分析

圖1 LNG船中速電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)單線圖

圖1為上述大型LNG船中速電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)單線圖，全船配置5臺(tái)雙燃料發(fā)電機(jī)組，在裝載航行工況下（裝載航行為L(zhǎng)NG船最大運(yùn)行工況），有4臺(tái)發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行，1臺(tái)備用，保證了主電源的備用要求。同時(shí)，采用24脈沖PWM（脈寬調(diào)制）變頻器對(duì)推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，推進(jìn)電機(jī)為同步中速電機(jī)，通過(guò)減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)定螺距槳，而雙機(jī)雙槳的配置保證了推進(jìn)的冗余度。根據(jù)理論分析及船模試驗(yàn)，在一個(gè)槳出現(xiàn)故障停機(jī)而無(wú)法提供推進(jìn)功率的情況下，單槳運(yùn)行還可以保證約70%的航速。

在預(yù)研LNG船的過(guò)程中，還對(duì)低速電力推進(jìn)電機(jī)方案進(jìn)行了論證，與上述中速電機(jī)推進(jìn)方案比較，低速電機(jī)推進(jìn)不需要減速齒輪箱，由低速電機(jī)與定螺距槳通過(guò)軸系直接連接，提高了推進(jìn)效率；但是低速電機(jī)的體積龐大，重量也較中速電機(jī)多約三分之一左右，從整個(gè)系統(tǒng)的總體布置和造價(jià)來(lái)說(shuō)，并不存在明顯優(yōu)勢(shì)，但是其在噪音方面的優(yōu)勢(shì)則較明顯。從使用者對(duì)經(jīng)濟(jì)性的考慮來(lái)看，目前低速電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)昂貴的價(jià)格限制了其在LNG船上的應(yīng)用，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，在解決了成本問(wèn)題后，這也不失為L(zhǎng)NG船推進(jìn)方式的一種好的選擇。

1.5 經(jīng)濟(jì)性能分析

LNG船的運(yùn)營(yíng)成本主要由以下幾個(gè)部分組成：燃料消耗、船舶折舊費(fèi)、維護(hù)費(fèi)用、船員工資（包括培訓(xùn)費(fèi)用）等。其中燃料消耗所占的比例最大，采用高效的電力推進(jìn)方式所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見(jiàn)的。根據(jù)相關(guān)公司的測(cè)算結(jié)果，一條應(yīng)用雙燃料電力推進(jìn)的145 000 m3LNG船在中東地區(qū)和日本來(lái)回航行，較同等大小蒸汽透平機(jī)推進(jìn)船每年可節(jié)省幾百萬(wàn)美元。

雙燃料電力推進(jìn)所擁有的幾項(xiàng)突出優(yōu)勢(shì)使其極具誘惑力，一些大型的天然氣開(kāi)發(fā)、運(yùn)輸公司看中了它未來(lái)發(fā)展的潛力，迅速作出反應(yīng)。從CLARKSONS截止至2009年11月底的統(tǒng)計(jì)中可以看出，交船期在2009年9月至2012年4月的共42艘LNG船中，就有26艘采用了雙燃料電力推進(jìn)系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，具有雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的電力推進(jìn)應(yīng)用前景已被逐漸看好。

2 電力推進(jìn)船型的意義

2.1 大功率電力推進(jìn)的重要突破

大型LNG船所需推進(jìn)功率一般都大于20 MW，有的甚至超過(guò)30 MW，這就意味著單機(jī)功率大于10 MW，如此大功率的推進(jìn)電機(jī)和變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于船用設(shè)備來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。目前，采用PWM變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的變頻器功率及推進(jìn)電機(jī)已經(jīng)能覆蓋所有船型所需推進(jìn)功率的需求，加上PWM技術(shù)能很好的控制變頻系統(tǒng)帶來(lái)的諧波污染，大功率電力推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)可以成熟應(yīng)用于LNG船。

2.2 促進(jìn)運(yùn)輸船電力推進(jìn)船型的開(kāi)發(fā)

雖然電力推進(jìn)方式在操縱性、安全性、油耗、排放方面的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，但一直以來(lái)，除了在豪華郵輪及需要?jiǎng)恿Χㄎ坏拇吧显褂?，一般運(yùn)輸船上極少應(yīng)用，船東多因其初次投資費(fèi)用較其他推進(jìn)方式昂貴而望而卻步。但在某些具有大功率電站的運(yùn)輸船上，若電站功率主要用于非航行工況，就完全可能得出如表1所列的裝機(jī)功率比較，即使采用普通柴油機(jī)也有可能采用電力推進(jìn)。

本船的分析為不同類型的運(yùn)輸船采用電力推進(jìn)技術(shù)提供了一條探索途徑。

3 目前進(jìn)展情況及對(duì)未來(lái)的關(guān)注

LNG船預(yù)研是國(guó)內(nèi)首次對(duì)大型LNG船設(shè)計(jì)進(jìn)行深入、全面的分析，對(duì)于LNG船采用雙燃料電力推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了論證，探索我國(guó)自主設(shè)計(jì)LNG船的技術(shù)途徑。從目前的研究情況來(lái)看，150 000 m3級(jí)的LNG船較適合采用電力推進(jìn)方式，但液貨艙艙容超過(guò)200 000 m3的超大型LNG船在運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更多的蒸發(fā)氣，遠(yuǎn)超過(guò)電力推進(jìn)所需要的功率，此類船是否應(yīng)用電力推進(jìn)還值得我們進(jìn)一步探討。

［1］ABS.LNG Carriers［R］.Shanghai，2005.

［2］J.F.Hansen，R.Lysebo Electric Propulsion for LNG carriers［J］.LNG Jourrd，September/October 2004：11-12.