宋 丹，郭 強(qiáng)

（1.曼恩動(dòng)力設(shè)備（上海）有限公司，上海 201203；2.陜西省交通廳航運(yùn)管理局，陜西 西安 710003）

LNG船推進(jìn)裝置對(duì)比分析

宋 丹1，郭 強(qiáng)2

（1.曼恩動(dòng)力設(shè)備（上海）有限公司，上海 201203；2.陜西省交通廳航運(yùn)管理局，陜西 西安 710003）

以174000m3液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）船為例，對(duì)LNG船采用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)采用何種推進(jìn)裝置最為經(jīng)濟(jì)進(jìn)行研究。從推進(jìn)裝置的初投資成本和運(yùn)營(yíng)成本的角度出發(fā)，對(duì)比分析現(xiàn)代 LNG船廣泛采用的2種推進(jìn)方式（機(jī)械推進(jìn)和電力推進(jìn)）在使用雙燃料機(jī)時(shí)的經(jīng)濟(jì)性，為船舶設(shè)計(jì)院及船東設(shè)計(jì)和建造LNG船提供參考。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：二沖程雙燃料機(jī)械推進(jìn)裝置在推進(jìn)效率、運(yùn)營(yíng)成本和初投資成本方面均優(yōu)于四沖程雙燃料電力推進(jìn)裝置。

液化天然氣船；雙燃料機(jī)；運(yùn)營(yíng)成本；初投資成本

0 引 言

隨著人們的海洋環(huán)境保護(hù)意識(shí)不斷增強(qiáng)，一些國(guó)家和地區(qū)針對(duì)某些特定的海域相應(yīng)地制定出一系列船舶柴油機(jī)排放方面的法規(guī)，比如波羅的海地區(qū)的硫氧化物控制區(qū)和北美的氮氧化物控制區(qū)等。

與傳統(tǒng)的柴油和重油相比，天然氣作為一種清潔能源得到了全球的普遍認(rèn)可。世界上首艘LNG船為“Forerunner Suehiro Maru 8”號(hào)[1]，總?cè)莘e只有150m3；第2艘LNG船為27400m3容積的“Methane Princess”號(hào)，于1964年投入運(yùn)營(yíng)，采用蒸汽透平推進(jìn)裝置[2]。在此后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，LNG船都采用蒸汽透平推進(jìn)裝置。

由于蒸汽透平推進(jìn)裝置的效率較低，因此目前建造的LNG船已很少采用這種推進(jìn)裝置。隨著各大柴油機(jī)廠商相繼推出雙燃料機(jī)，雙燃料二沖程機(jī)械推進(jìn)和雙燃料四沖程電力推進(jìn)已成為L(zhǎng)NG船推進(jìn)裝置的首選方式。這里以某174000m3LNG船為例，對(duì)比分析雙燃料二沖程機(jī)械推進(jìn)裝置與雙燃料四沖程電力推進(jìn)裝置的經(jīng)濟(jì)性。

1 不同推進(jìn)裝置分析

1.1 船型參數(shù)

該174000m3LNG船的船型參數(shù)見(jiàn)表1。LNG船在不同航線上的航行狀態(tài)會(huì)所有不同，但大致可分為8種（見(jiàn)表2）。

表1 某174000m3LNG船的船型參數(shù)

表2 LNG船航行狀態(tài)

1.2 雙燃料二沖程機(jī)械推進(jìn)裝置分析

根據(jù)“1.1”節(jié)中給出的參數(shù)，考慮到機(jī)械軸系推進(jìn)效率的損失為1%，單臺(tái)二沖程雙燃料機(jī)的推進(jìn)功率為12650kW。因此，主機(jī)選型為2臺(tái)MAN的5G70ME-C9.5-GI，SMCR為12650kW×70.6r/min。發(fā)電機(jī)組為3臺(tái)6L35/44DF，功率為12700kW。具體二沖程機(jī)械推進(jìn)裝置配置示意見(jiàn)圖1。

LNG船在航行過(guò)程中，其貨艙中的LNG會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)氣[3]（Boil Off Gas, BOG），若不及時(shí)進(jìn)行處理，會(huì)使貨艙壓力升高而產(chǎn)生危險(xiǎn)。BOG的處理方式[4]主要有：

1 ) 通過(guò)再液化裝置再液化后送回貨艙中儲(chǔ)存；

2 ) 經(jīng)過(guò)處理后輸送給船用設(shè)備（如雙燃料主機(jī)、雙燃料發(fā)電機(jī)組及雙燃料鍋爐等）作為燃料使用；

3 ) 通過(guò)燃燒裝置燒掉。

具體選擇何種處理方式需根據(jù)船舶的運(yùn)行特點(diǎn)、燃油/燃?xì)馐褂玫谋壤癇OG生成量等因素來(lái)決定。

由于所研究的船型較大，BOG的生成量較多，因此采用將BOG通過(guò)壓縮機(jī)加壓后輸送給雙燃料主機(jī)和發(fā)電機(jī)組使用的處理方式，同時(shí)增加一個(gè)供氣單元保證可將處理后的LNG供給主機(jī)和發(fā)電機(jī)組使用[5]，具體供氣系統(tǒng)配置圖見(jiàn)圖2。

由于LNG的揮發(fā)率在船舶滿載和空載狀態(tài)下是不同的，因此BOG的生成量在船舶不同狀態(tài)下也不相同。同時(shí)，船舶在不同狀態(tài)下航行時(shí)，主機(jī)和發(fā)電機(jī)組的輸出功率及對(duì)BOG的消耗量也是不同的。該船BOG具體的供需情況見(jiàn)表3。

由表3可知：當(dāng)船舶在滿載狀態(tài)下慢速航行時(shí)（如過(guò)巴拿馬運(yùn)河時(shí)），其BOG生成量遠(yuǎn)大于雙燃料主機(jī)與發(fā)電機(jī)組的總需求量，由于船上沒(méi)有安裝再液化裝置，因此剩余的BOG需通過(guò)燃燒裝置消耗掉；而當(dāng)船舶壓載航行時(shí)，貨艙中殘留的LNG生成的BOG無(wú)法滿足雙燃料主機(jī)和發(fā)電機(jī)的需求。采用雙燃料二沖程機(jī)械推進(jìn)裝置船舶全船的電功率消耗見(jiàn)表4。

表3 采用雙燃料二沖程機(jī)械推進(jìn)裝置船舶的BOG供需情況

表4 采用雙燃料二沖程機(jī)械推進(jìn)裝置船舶全船的電功率消耗 kW

1.3 雙燃料四沖程電力推進(jìn)裝置分析

根據(jù)“1.1”節(jié)中給出的參數(shù)，考慮到電力推進(jìn)的效率損失約為12.4%[6]，單槳需提供的推進(jìn)功率為14296kW，總推進(jìn)功率為28592kW。因此，主機(jī)選型為4臺(tái)MAN的9L51/60DF，總功率為36000kW。具體四沖程電力推進(jìn)裝置配置示意見(jiàn)圖3。由于四沖程推進(jìn)裝置的單位燃料消耗高于二沖程推進(jìn)裝置，當(dāng)船舶滿載航行時(shí)貨艙內(nèi)的BOG不能滿足雙燃料機(jī)的需求，因此對(duì)于雙燃料四沖程電力推進(jìn)裝置，通常不安裝再液化裝置。BOG的供需情況見(jiàn)表5。

表5 采用雙燃料四沖程電力推進(jìn)裝置船舶的BOG供需情況

由表5可知：當(dāng)船舶滿載和壓載航行時(shí)，BOG的生成量不能滿足電力推進(jìn)裝置的需求，需額外使用燃油來(lái)補(bǔ)充或使用強(qiáng)制揮發(fā)裝置生成額外的BOG。采用雙燃料四沖程電力推進(jìn)裝置船舶全船的電功率消耗見(jiàn)表6。

表6 采用雙燃料四沖程電力推進(jìn)裝置船舶全船的電功率消耗 kW

2 2種推進(jìn)裝置的經(jīng)濟(jì)性比較

MAN是世界領(lǐng)先的船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)及制造廠商，已成功研發(fā)出二沖程雙燃料機(jī)和四沖程雙燃料機(jī)。雙燃料機(jī)在使用燃?xì)鈺r(shí)，需用少量的點(diǎn)火油來(lái)引燃?xì)飧變?nèi)的天然氣。二沖程雙燃料機(jī)點(diǎn)火油的比例為3%，當(dāng)主機(jī)負(fù)荷＜10%時(shí)，主機(jī)無(wú)法使用燃?xì)?，主機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到燃油模式。四沖程雙燃料機(jī)點(diǎn)火油的比例為1%。不同種類(lèi)燃料的價(jià)格及低熱值見(jiàn)表7。

表7 不同種類(lèi)燃料的價(jià)格及低熱值

2.1 運(yùn)營(yíng)成本比較

從MAN的官方網(wǎng)站中得到雙燃料機(jī)在不同負(fù)荷下的燃料消耗，對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 雙燃料機(jī)在不同負(fù)荷下的燃料消耗值

對(duì)于運(yùn)營(yíng)成本的比較，除了考慮燃料的消耗之外，還要考慮滑油消耗、維修保養(yǎng)成本及更換備件的成本等。

二沖程機(jī)汽缸油的消耗量為0.6g/(kW·h)，系統(tǒng)油消耗量為6.5kg/(缸/d)；四沖程機(jī)滑油消耗量為0.5g/(kW·h)。

根據(jù)MAN的售后維修服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于二沖程雙燃料機(jī)，其每年的維修保養(yǎng)成本約為11美元/kW；對(duì)于四沖程雙燃料機(jī)，其每年的維修保養(yǎng)成本約為25美元/kW，最高可達(dá)45美元/kW。

綜上，可得到二沖程雙燃料機(jī)機(jī)械推進(jìn)與四沖程雙燃料機(jī)電力推進(jìn)的運(yùn)營(yíng)成本比較見(jiàn)圖4。

2.2 初投資成本比較

對(duì)于174000m3LNG船推進(jìn)裝置的選取，還需對(duì)每種推進(jìn)方式的投資建造成本進(jìn)行比較分析。通過(guò)向MAN公司及推進(jìn)裝置相關(guān)輔助設(shè)備廠商詢價(jià)，統(tǒng)計(jì)得出2種推進(jìn)方式的建造成本見(jiàn)表9。

表9 2種推進(jìn)方式的建造成本比較 100萬(wàn)美元

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)174000m3LNG船的二沖程雙燃料機(jī)械推進(jìn)裝置和四沖程雙燃料電力推進(jìn)裝置的運(yùn)營(yíng)成本及初投資成本進(jìn)行分析比較，可得出：

1 ) MAN二沖程雙燃料機(jī)配合固定螺距螺旋槳具有較高的推進(jìn)效率；

2 ) 二沖程雙燃料機(jī)械推進(jìn)裝置的運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)較低；

3 ) 二沖程雙燃料機(jī)械推進(jìn)裝置的初投資成本相對(duì)較低。

綜合分析比較運(yùn)營(yíng)成本、初投資成本及推進(jìn)效率可得出，二沖程雙燃料機(jī)械推進(jìn)裝置對(duì)于大型 LNG船而言比較經(jīng)濟(jì)，已被越來(lái)越多的船東所采用。

[1] 彭巖，朱玉崧.LNG船舶推進(jìn)裝置對(duì)比分析[J].世界海運(yùn)，2008, 31 (2): 36-37.

[2] 張則松，王言英.LNG運(yùn)輸船船型淺析[J].船舶工程，2003, 25 (4): 25-30.

[3] 蔣瑋，朱新禮.液化天然氣作為船用燃料的可行性研究[J].船舶與海洋工程，2013, (3): 74-78.

[4] MAN.ME-GI Dual Fuel MAN Engines [EB/OL].Copenhagen, MAN, 2003.http://marine.man.eu/two-stroke/technical-papers.

[5] 唐浩.雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)夤┙o系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].船舶與海洋工程，2014 (4): 43-49.

[6] MAN.Propulsion Trends in LNG Carrier [EB/OL].Copenhagen, MAN, 2011.http://marine.man.eu/two-stroke/technical-papers.

Analysis and Comparison of Main Propulsion Units for LNG Carrier

SONG Dan1，GUO Qiang2

（1.MAN Diesel & Turbo Shanghai Office, Shanghai 201203, China; 2.Shaanxi Provincial Transport Department, Xi’an 710003, China）

Based on a 174000m3Liquefied Natural Gas (LNG) carrier, this paper studies the functions of propulsion units to find out the most efficient one for the dual fuel engine of LNG carriers.It compares and analyses the efficiency of two popular modern propulsion forms for the dual fuel engines of LNG carrier, i.e.mechanical propulsion and electrical propulsion, with the initial investment cost and operational cost into consideration to provide references for the design and construction of LNG carriers.The result shows that the two-stroke dual fuel mechanical propulsion unit has more advantages over the four-stroke dual fuel electrical propulsion unit in terms of propulsion efficiency, operational cost and initial cost.

LNG carrier; dual fuel engine; operation cost; initial investment cost

U664.3

A

2095-4069 (2017) 04-0043-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.009

2016-08-01

宋丹，男，助理工程師，1984年生。2009年畢業(yè)于大連海事大學(xué)，現(xiàn)從事船舶柴油機(jī)技術(shù)支持工作。