林建輝，陸 晟

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務公司，天津 200457；2.上海船舶研究設計院，上海 200032）

0 引 言

隨著人們對清潔能源的需求越來越多，對液態(tài)天然氣（LNG）的需求也隨之增加。許多沿海的小型LNG接收站應運而生，這種小型LNG接收站一般不具備接收傳統(tǒng)大型LNG船的能力，因此它的貨源不是來自上游天然氣液貨終端（出口國），而是來自鄰近的大型LNG接收終端。這一新的產業(yè)鏈模式催生了小型LNG運輸船，用于大型LNG接收終端到小型LNG接收站之間的LNG二程運輸。

1 小型LNG船推進方案

LNG運輸船由于其運送貨物的特殊性，在選擇推進系統(tǒng)時，必須結合貨物自然蒸發(fā)氣的處理方式來考慮[1]。傳統(tǒng)大中型LNG船的推進系統(tǒng)有雙燃料蒸汽透平引擎；燃油內燃機加再液化站（DRL）；雙燃料發(fā)動機（DF）等3種形式。

蒸汽透平因具可靠性及處理貨物蒸發(fā)氣能力，成為早期的LNG船的主流推進裝置[2]。2008年由滬東中華造船集團建造的“大鵬昊”號就是采用此種推進方式，蒸汽透平一般用于功率較大的船舶，對機艙空間的要求較高。以常規(guī)LNG船為例，機艙長度一般在50m或超過50m，即使是20000m3左右的小船，機艙長度也有40m左右。由于蒸汽透平的效率較低，在大型LNG船上的應用也越來越少，因此不推薦在小型LNG運輸船上使用此類推進方案。

燃油內燃機加再液化站（DRL）可以保證到港的貨物不減少。但是蒸發(fā)氣再液化需要消耗能源，如果油價持續(xù)走高，則運營成本會不斷增加。其優(yōu)點是貨物系統(tǒng)可以完全與推進系統(tǒng)分離?？ㄋ栐陧n國定制的部分Q-Flex和Q-Max系列船采用了該形式。

雙燃料發(fā)動機（DF）的效率要好于蒸汽透平。隨著低壓雙燃料發(fā)動機的成熟，越來越多的船東選擇雙燃料電力推進系統(tǒng)。2004年，世界上首條DFDE系統(tǒng)LNG船交船，其后有超過50條的LNG船選擇了DFDE系統(tǒng)。

對于小型LNG船來說，可選擇的推進系統(tǒng)有：常規(guī)內燃機（HFO）；雙燃料發(fā)動機機械推進（DFM）；雙燃料發(fā)動機電力推進（DFDE）；純天然氣發(fā)動機推進（GM）等4種形式。

1.1 常規(guī)內燃機推進

日本2500m3LNG船“真珠丸”號，采用常規(guī)內燃機，不設置再液化裝置。但該船型有其特殊性：艙容較小，2個貨艙，每艙1250m3；單次航程僅200n mile，且航行時間不到20h。為了控制艙內的溫度和壓力，貨艙增設了Shower降溫設備，并由電力輔助推進（PTI）提供緊急推進能力。這種配置的最大優(yōu)勢是造價低，建造簡單。但是由于缺少主動的貨物溫度壓力控制裝置，不適用于大艙容，航程遠的 LNG運輸船。

歐洲某船東建造的10000m3LPG/LNG多用途船是“DRL”配置的典型例子。采用了常規(guī)低速機加小型LNG再液化站的配置。外加LNG燃燒單元（GCU）作為安全裝置。該類配置的優(yōu)點在于采用了兩項主動式貨物溫度壓力控制裝置——再液化和GCU，貨物系統(tǒng)的安全冗余度高。缺點是再液化天然氣需要消耗能量。另外，再液化裝置和GCU的價格高昂，會抵消掉配置常規(guī)柴油機帶來的價格優(yōu)勢。

1.2 雙燃料發(fā)動機機械推進

以雙燃料發(fā)動機取代常規(guī)柴油機作為主機，驅動軸系和螺旋槳，目前的雙燃料發(fā)動機必須配置可調螺距槳。

雙燃料發(fā)動機分為高壓燃氣噴射發(fā)動機（GD）和低壓雙燃料發(fā)動機（DF）。高壓機的優(yōu)點在于效率高，缺點是對燃氣壓力要求高，一般超過30MPa，因此市場份額很小。本文所指雙燃料發(fā)動機僅指低壓雙燃料發(fā)動機。

目前缺乏采用雙燃料發(fā)動機機械推進方案的LNG運輸船實船運營資料。德國邁爾船廠建造的16000m3LNG運輸船采用DFM推進方案，將于2012年交船。

1.3 雙燃料發(fā)動機電力推進

DFDE推進方案已經被廣泛地應用于 LNG運輸船上。其優(yōu)點是可直接采用貨物系統(tǒng)的自然蒸發(fā)氣作為機艙燃料。發(fā)動機既是主推進的原動機，又是貨物系統(tǒng)的溫度壓力控制裝置，省去了安裝價格昂貴的再液化設備。

1.4 純天然氣發(fā)動機電力推進

純天然氣發(fā)動機是電火花點火的氣體發(fā)動機，工作原理與汽油機類似。優(yōu)點是效率高，燃氣要求壓力低，動態(tài)響應性能好。缺點是燃料冗余度不佳，由于只能燃用天然氣，一旦 LNG貨物系統(tǒng)的應急切斷系統(tǒng)被觸發(fā)，主機將失去燃料供應。

荷蘭船東AnthonyVeder于2007年交船的“珊瑚甲烷”號配置了純天然氣發(fā)動機和燃油發(fā)動機2套機艙，并采用全回轉舵槳電力推進系統(tǒng)。這種方案解決了主機燃油冗余度的問題，但是初期投資大。在大型LNG運輸船的電力推進方案中，還未見采用。

2 小型LNG船推進系統(tǒng)選型方法

小型LNG船的推進系統(tǒng)選型可以分成2個步驟，首先確定使用何種燃料，然后再確定是采用機械推進還是電力推進。

2.1 燃料選擇

目前船用的燃料主要有重油（HFO），船用柴油（MDO）和輕質柴油（MGO）。HFO的價格最低，一般用于主機。MDO和MGO的價格接近，一般要比重油的價格高40%～50%左右，因此在船上主要用于輔機和應急發(fā)電機。重油屬于蒸餾后的殘渣油，含較多的顆粒雜質，含硫量也較高，因此對環(huán)境的污染很大。在一些排放控制區(qū)域（ECA），含硫量高的燃油已被禁止使用。

隨著各國政府對環(huán)境問題的日益重視，對能源的環(huán)保要求也越來越高。天然氣是一種清潔能源，主要用于LNG運輸船。目前歐洲已經在客滾船上使用LNG。

和傳統(tǒng)燃料油相比，天然氣燃料具有以下優(yōu)勢：1)降低排放污染物。NOx減少約80%～90%； SOx接近零排放；CO2排放減少約20%～25%；顆粒雜質接近零排放。不同推進方式排放對比見圖1。根據國際海事組織的要求，對氮氧化物排放的要求會越來越高。采用天然氣為能源的發(fā)動機可以滿足IMO Tier III的要求，見圖2。

圖1 不同燃料排放對比

圖2 IMO對氮氧化物排放要求

2)天然氣的價格優(yōu)勢。天然氣具有豐富的儲量，據BP統(tǒng)計，天然氣的探明儲量約為62.8年開采量，而石油為45.7年[3]。近年來，原油價格不斷上漲，而天然氣的價格則相對較低。近年的價格走勢見圖3。

與傳統(tǒng)燃料油相比，天然氣燃料的缺點是：發(fā)動機的初始投資大，可選機型較少。以W?rtsil?的雙燃料機和Rolls-Royce的純氣機為例，其可供的機型如表1所示。和傳統(tǒng)柴油機相比，同功率的雙燃料機/天然氣發(fā)動機的價格要高40%～60%，這會直接造成投資加大。

圖3 燃料價格

表1 雙燃料機和純天然氣機機型

2.2 推進方式選擇

確定采用何種燃料后，再選擇機械或電力推進方式。

1)采用重油為燃料。采用重油為燃料的目的主要是為了采用常規(guī)的船用主機，以降低初始投資成本。因此適合選用常規(guī)的機械推進方式。對于小型LNG運輸船，根據其功率要求，可配置低速或中速柴油機。由于貨物的自然蒸發(fā)氣無法用作燃料消耗掉，還需要配置獨立的蒸發(fā)氣處理設備。最簡單可靠的是安裝投資較低的氣體燃燒單元（GCU）。對于小型LNG運輸船，一個GCU的價格約為40萬～60萬美元。缺點是貨物蒸發(fā)氣不能被有效利用，嚴重浪費能源。還有一種方案就是安裝天然氣再液化裝置?？梢园沿浳锏淖匀徽舭l(fā)氣重新液化，回到貨艙。優(yōu)點是沒有貨物損耗，缺點是投資大且能耗高。以10000m3LNG船為例，其小型再液化裝置的造價約為300萬美元，功耗則達到約2500kW。

2)采用天然氣為燃料。在發(fā)動機的選擇上有雙燃料發(fā)動機和純天然氣發(fā)動機2種機型。純天然發(fā)動機的效率和動態(tài)響應性能優(yōu)于雙燃料發(fā)動機，但目前存在燃油冗余度低[4]，可選機型少等缺點，在LNG運輸船上的應用還有待研究。雙燃料發(fā)動機的最大優(yōu)勢是在燃氣供應停止的情況下，可立刻啟動燃油模式，安全冗余度高，因此在大型LNG運輸船上已經得到廣泛應用。

采用雙燃料發(fā)動機作為原動機，既可以選擇機械推進方式，也可以選擇電力推進方式。機械推進的優(yōu)勢在于其初始投資低于電力推進，在航行期間的推進效率由于減少了電能轉換的中間環(huán)節(jié)也略高于電力推進。電力推進的優(yōu)勢則在于全船的電站統(tǒng)一管理，可以減少總裝機容量，機艙布置靈活，推進系統(tǒng)的冗余度高，推進器可無級調速，不需采用調距槳。

目前，雙燃料機直接用于機械推進的實際案例較少，其工程應用的效果還需時間檢驗。但是這種推進方式既能充分發(fā)揮天然氣這一清潔能源的優(yōu)勢，造價又低于雙燃料電力推進系統(tǒng)，因此是一個值得研究的課題。

3 結 語

小型LNG船是當前造船市場上的一個熱門話題，但是對該型船的推進系統(tǒng)尚缺乏系統(tǒng)的研究。本文通過對多種小型LNG運輸船的推進系統(tǒng)進行比較發(fā)現(xiàn)，該船型的推進方案選擇多樣，且各有優(yōu)劣，如表2所示。在實際選擇推進方案時，可根據船東的要求，營運區(qū)域的環(huán)境政策法規(guī)作最合適的選擇。

表2 各種推進方案總結

[1] 中國船級社.散裝運輸液化氣體船舶構造與設備入級規(guī)范[R]，2005.

[2] 陳建國等.LNG船建造技術的消化吸收與自主創(chuàng)新[J].上海造船，2010, (1): 22-25.

[3] 胡 健.船舶替代能源的發(fā)展與展望分析[J].上海造船，2010, (3): 39-42.

[4] 中國船級社.雙燃料發(fā)動機系統(tǒng)設計與安裝指南[R].2007.