LNG船動力系統(tǒng)

1、LNG 船動力裝置類型的比較 4.1 LNG 船不同類型動力裝置的應(yīng)用 3.14.1.1 前言自從第一代液化天然氣 LNG 船誕生起蒸汽透平裝置就在 LNG 船推進裝置中占最主導(dǎo)地位主要原因是蒸汽透平推進裝置中的鍋爐提供了一種簡捷的利用液態(tài)天然氣的揮發(fā)氣作為燃料的方式甲烷是液化天然氣 LNG 的主要成分是液化天然氣運輸船裝載唯一的貨物液態(tài)天然氣極易蒸發(fā)為了充分利用能源并不污染大氣它的揮發(fā)氣體一般被船上的鍋爐惰性氣體發(fā)生器等用作燃料但隨著雙燃料柴油機技術(shù)的發(fā)展在 LNG 船運領(lǐng)域下列問題逐步被重視即如何進一步降低船運費用實現(xiàn)推進系統(tǒng)的優(yōu)化以及采用先進的監(jiān)測和控制系統(tǒng)等分析 LNG 船動力推進裝置

2、近年來的發(fā)展應(yīng)用以及相互間的優(yōu)劣點。 3.1 降低運輸費用第一代 LNG 船采用蒸汽推進裝置并到目前為止仍占主導(dǎo)地位是因為通過鍋爐燃燒掉貨艙內(nèi)低溫液態(tài)天然氣遇熱所產(chǎn)生的揮發(fā)氣體從而簡便的達到利用揮發(fā)氣體中所含的能量的目的但氣體揮發(fā)率 BOG 是隨貨艙的絕緣厚度和形狀而變化的艙內(nèi)產(chǎn)生大量的揮發(fā)氣體是通過自然蒸發(fā)而獲得因而揮發(fā)率和揮發(fā)量不能通過機械來控制的這意味著在船正常運行狀態(tài)下可能產(chǎn)生多余蒸汽這些蒸汽必須通過過量蒸汽冷凝器來消耗掉另一方面作為鍋爐燃料的揮發(fā)氣體的供給也有可能滿足不了航行時蒸汽產(chǎn)量的需求 LNG 的市場價比鍋爐燃料油高得多所以蒸汽透平推進裝置看起來利用了揮發(fā)氣體能量但實際燃料成本

3、費用增加了同時揮發(fā)越多運輸效率越低為了降低運輸成本和提高 LNG 的運輸效率 LNG 船技術(shù)發(fā)展重點之一就是致力于進一步降低揮發(fā)率目前已達到每天 0.15%或更低這意味著保留在貨艙內(nèi)的貨物將盡可能的多這一趨勢導(dǎo)致了強制蒸發(fā)系統(tǒng)的產(chǎn)生即至鍋爐的揮發(fā)氣體供給率能根據(jù)鍋爐操作的要求通過強制蒸發(fā)器來加以控制這一系統(tǒng)大大減少了通過過量蒸汽冷凝器的能量浪費雖然即使在現(xiàn)代 LNG 船上蒸汽透平動力裝置仍在推進裝置中占主導(dǎo)地位但蒸汽透平裝置的熱效率遠低于現(xiàn)代柴油機推進裝置的效率當(dāng)然對于 LNG 船燃油消耗不是評估船舶營運經(jīng)濟性的唯一因素，其經(jīng)濟性評判的標(biāo)準(zhǔn)較為復(fù)雜包含許多不確定的因素影響 LNG 船營運經(jīng)濟性

4、的主要因素有1貨艙最優(yōu)化的揮發(fā)率推進裝置的燃料消耗率和操作的靈活性2燃油和揮發(fā)氣天然氣的價格差 3 強制蒸發(fā)系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)優(yōu)化從船舶推進裝置的觀點來看提高 LNG 船的總操作經(jīng)濟性的基本概念為降低推進所需的燃氣更好的利用燃氣能量和縮短機艙長度來降低投資的方法有助于提高船的操作效率因而下列動力推進裝置得到了發(fā)展與應(yīng)用 1 雙燃料低速和中速柴油機 DFD 方案2 帶有再液化裝置的柴油機方案 3 電力推進方案發(fā)電機由中速柴油機驅(qū)動燃用 HFO 或雙燃料4 混合型傳統(tǒng)的蒸汽透平裝置和柴油機混合型并提供對轉(zhuǎn)螺旋槳 CRP5 帶 CRP 的傳統(tǒng)蒸汽透平裝置 3.1 同類型動力裝置特點 3.1.3雙燃料低

5、速中速柴油機高壓 DFD 機眾所周知在全世界民用海運領(lǐng)域柴油機推進裝置是最主要的動力形式這不僅是因為柴油機有著熱機中最高的效率而且在可靠性等技術(shù)方面得到不斷改善和長足的進步自七十年代后期美國等技術(shù)先進國家一直在開發(fā)帶有高壓氣體噴射系統(tǒng)的兩沖程低速雙燃料柴油機該噴射系統(tǒng)是在汽缸白外面形成天然氣-空氣的混合物因而高壓 DFD 柴油機有時被稱作氣體噴射柴油機高壓 DFD 柴油機由于具有較高的熱效率和功率比可獲得與燃用重油的柴油機相等的高壓縮比從燃用 HFO 的柴油機轉(zhuǎn)換到高壓 DFD 柴油機僅需修改氣體閥氣體噴射控制設(shè)備和操縱油系統(tǒng)等到 1986 年中期一些主要的柴油機制造廠才成功的完成了臺架試驗雙

6、燃料柴油機已在陸用工程和石油平臺上使用有時這種雙燃料柴油機又稱燃氣柴油機自從七十年代以來又研制成功了燃用天然氣的中速柴油機氣體燃料實用性的增加促使這些機型的發(fā)展使該裝置具有較低的有害廢氣排放水平降低了維護保養(yǎng)費用延長了檢修周期中速燃氣柴油機的制造廠商一開始就考慮了儲油輪石油平臺穿梭油輪和未來的 LNG船的需要從燃用重油的中速柴油機轉(zhuǎn)變到雙燃料機也只需較小的改動在中速雙燃料柴油機中有二種混合空氣和天然氣的方法一種是在汽缸內(nèi)直接噴射低壓的天然氣在氣閥關(guān)閉后壓縮過程前另一種利用高壓氣體噴射就像高壓雙燃料低速柴油機那樣大多數(shù)陸用或海洋平臺上使用的四沖程燃氣柴油機空氣和天然氣是在汽缸外形成混合的在柴油機

7、的進氣系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生大量的可燃氣體雖然中速雙燃料柴油機技術(shù)已相當(dāng)成熟并在其他領(lǐng)域已早已應(yīng)用但在保守的 LNG 船運領(lǐng)域仍要求作更深入的調(diào)查和研究不僅針對機器本身還要針對整個機器裝置的配置如BOG 系統(tǒng)等因為 LNG 船更注重于安全性和可靠性方面的考慮4.1.3.2 揮發(fā)氣體再液化系統(tǒng)與燃油價格相比天然氣的價格相對較高點那么傳統(tǒng)的柴油機燃用 HFO 和 BOG 再液化系統(tǒng)相結(jié)合的方案將是提高 LNG 船總操作效率的最佳解決方案之一這樣既能利用柴油機的良好的經(jīng)濟性和可靠性又可像傳統(tǒng)的 LPG 船那樣通過再液化裝置將所有的揮發(fā)氣體保留在貨艙內(nèi)目前運用于 BOG 再液化系統(tǒng)的部件和熱循環(huán)系統(tǒng)都是根據(jù)陸用再

8、液化系統(tǒng)的經(jīng)驗因此再液化系統(tǒng)船用化只是一個良好的設(shè)想 LNG 船上的 BOG 再液化裝置至今尚沒有在實船上運用過該裝置的可靠性操作性和維護保養(yǎng)性有待更深入的研究 4.2.4.1合型系統(tǒng)混合系統(tǒng)是由傳統(tǒng)的帶雙燃料鍋爐的透平推進裝置和帶對轉(zhuǎn)螺旋槳 CRP 的燃用重油的主柴油機組成對轉(zhuǎn)螺旋槳的前螺旋槳由蒸汽透平驅(qū)動而后螺旋槳由主柴油機驅(qū)動從操作性和維護保養(yǎng)性來看這一方案要比其他方案復(fù)雜的多 4.2.4.2反轉(zhuǎn)螺旋槳 CRP 的常規(guī)蒸汽透平這一方案由常規(guī)蒸汽透平裝置和 CRP 系統(tǒng)組成與傳統(tǒng)的 LNG 船推進系統(tǒng)相比該方案由于具有 CRP 系統(tǒng)因而較為節(jié)能然而由于 LNG 工業(yè)較為保守因此 CRP 在

9、蒸汽推進上的運用將作更深入的研究包括系統(tǒng)的可靠性和初投資的可行性。 4.2.4.3LNG 船不同動力推進裝置的經(jīng)濟性評價隨著人類環(huán)保意識的覺醒，人們越來越注重環(huán)境的保護從世界上“京都協(xié)議”的簽署到我國的西氣東輸無不是在這一大背景下的大手筆人們越來越青睞于干凈無污染的燃料-天然氣在我國南方的廣東將建立一座大型的天然氣氣站其氣源將來自海外同時將建造專門的液化天然氣船來越洋運輸這些天然氣而這些液化天然氣船將采用何種動力裝置始終是人們所關(guān)注的一個問題本文著重從經(jīng)濟性的評估來多方面多角度分析比較這一問題希望能對 LNG 船的動力推進裝置的選擇提供一些有益的建議進裝置的方案實例目前雙燃料兩沖程四沖程柴油機

10、的開發(fā)與使用經(jīng)驗促使我們對未來的 LNG 船的動力推進型式作進一步考慮雙燃料兩沖程四沖程柴油機的推進方案比傳統(tǒng)的蒸汽透平推進方案有著更廣闊的前景雙燃料柴油機已能利用天然氣與液態(tài)燃料的混合物作動力其運用的范圍比運用從重油到輕柴油作燃料的柴油機要廣闊的多而且可以有不同的混合比同時應(yīng)用雙燃料柴油機的電力推進也凸現(xiàn)出一些特點下面我們將對照傳統(tǒng)的蒸汽透平方案列舉 5 種 LNG船舶的推進方案這些方案都是利用液貨艙內(nèi)天然氣的蒸發(fā)氣體 BOG 作一部分燃料的因而也就減少了常規(guī)燃料的使用量就經(jīng)濟性方面具有可比性所有的舉例都是基于 135,000m 艙容航速為 19.5 節(jié)的 LNG 船推進功率為 21MW的分

11、析比較推進方案經(jīng)濟性分析比較主要考慮以下方面初投資燃油消耗維護保養(yǎng)滑油消耗等總的運作費用，包括前面三個因素可靠性推進裝置的富裕度實際使用的經(jīng)驗投資表是不同方案在初投資方面的比較值表格中的數(shù)值表示與蒸汽透平相比的百分比把設(shè)備安裝和啟動的費用包含進去電力推進的方案顯然缺乏吸引力而低速柴油機安裝的簡便性已反映在其動力裝置的初投資上它的初投資明顯低于其他競爭對象表 4-4 初投資比較基本力案1 力菜2a 力菜2b 方案3a 力菜3b 方案機器設(shè)備65.648.945.343.468.278.4安裝+啟動費用34.422.934.434.445.945.9總費用10071.879.777.8114.11

12、24.3油消耗眾所周知提高液貨艙的絕緣厚度可有效地減少蒸發(fā)氣體 BOG 的數(shù)量據(jù)資料介紹在設(shè)計狀態(tài)下空氣 45海水 32最大的蒸發(fā)量每天是艙容的 0.127%在壓載狀態(tài)下這一數(shù)據(jù)將減少到原來的 45%因而對雙燃料動力裝置蒸發(fā)氣體越少燃油就消耗得越多考慮到船只每年必須通過不同的區(qū)域因而會有不同的環(huán)境溫度一般平均蒸發(fā)量可取0.084%這一蒸發(fā)量的減少量與老船相比對于推進裝置來說意味著需燃油額外的消耗量對長距離的航程來說與鍋爐+蒸汽透平方案相比現(xiàn)今 LNG 船的推進裝置采用柴油機的方案更具有合理性表 4-5 反映了不問推進裝置方案的燃料的基礎(chǔ)HFO+MDO2a 力柔的費用也是以袁2b 方殺 3aW

13、汽透平的方案為比較表 4-5 燃料耗費比較1 力殺力殺3b 方案所需費用11.45.25.25.15.79.6占初投資的比例相對耗費10045.845.344.650.384.6正如所預(yù)料的低速兩沖程柴油機的燃油費用最低2b 兩沖程雙燃料柴油機的 224.2%護保養(yǎng)盡管蒸汽透平的維護保養(yǎng)要求有技能較高的專門人才護保養(yǎng)費用在這一項中是最便宜的而電力推進系統(tǒng)在這一項比較中處于不利的地位高昂的電力安裝費和較多數(shù)量的四沖程中速機及其相應(yīng)多的汽缸數(shù)使得其維護保養(yǎng)和備件數(shù)的費用遠遠高于兩沖程柴油機由于有較多的汽缸因而兩沖程柴油機的維護保養(yǎng)費用也高于基本型在方案 2a 和 2b 之間維護保養(yǎng)費用的差異是由輔

14、機引起的就像 2b 中的主機沒有 PTO 因而在其航行中至少有臺輔機必須在工作以滿足電力的需求下面將列表 4-6 反映維護保養(yǎng)費用的相對值4 其他方面的分析比較裝的安全性這里主要應(yīng)考慮需提供氣體給推進裝置的安裝型式對于燃用低壓氣體的蒸汽透平和柴油機的方案來說在氣體管路的安裝方面有著相對的優(yōu)點低成本及潛在的氣體泄漏的風(fēng)險相對較低對于設(shè)備的安全來講使用高壓氣體的系統(tǒng)包含著較大的風(fēng)險但目前的技術(shù)水平已允許使用這些完全成熟的而且充分實驗過的系統(tǒng)所以當(dāng)使用高壓氣體 200-350bar 時已不具有很高的風(fēng)險且此時高壓氣體管的最大直徑只有 50mm尤其是使得很顯然柴油機具有高效率的優(yōu)點而蒸汽透平每年的燃料

15、費最高是方案但蒸汽透平工作可靠易損件少其維表 4-6 維護保養(yǎng)費基本方案1 力殺2a 力柔2b 方案3a 力柔所需費用 0.31.01.31.63.0占初投資的比例3b 方案3.0相對比例 100307395490913895進的富裕度所謂推進富裕度是評估推進裝置在嚴重失效的情況下船舶能繼續(xù)航行的能力推進的富裕度包括在港口裝卸貨物時對機器的維修保養(yǎng)舉雙軸系的例子一如方案 2a,2b,3a 和 3b 一毫無疑問具有非常突出的富裕度如果其中一臺主機完全失效或平時不太可能發(fā)生的情況突然出現(xiàn)如軸系或螺旋槳失效等船舶仍有能力維持至少 15 節(jié)的航速而方案 1 僅僅只有一臺主機如果這臺主機失效那么系統(tǒng)可通過 PTH 系統(tǒng) POWERTAKEHOME 功率回輸系統(tǒng)驅(qū)動螺旋槳的轉(zhuǎn)動即主機通過一離合器和螺旋槳脫離與齒輪箱相聯(lián)的發(fā)電機此時充當(dāng)電動機通過一安裝在 PTO 系統(tǒng) POWERTAKEOFF 功率輸出系統(tǒng)上的增速齒輪箱組來驅(qū)動螺旋槳這將使得船能以 11 節(jié)航行對于常規(guī)方案在蒸汽裝置嚴重失效時船將完全喪失操作能力進而不可能在港口裝卸貨時完成維修保養(yǎng)但由于透平裝置和 2 個鍋爐具有較大的可靠性這一不利因素雖然是可以容忍但與其他方案相比仍然是一個較明顯的不足4.2.5 實際使用的經(jīng)驗直至今日實際上幾乎所有的 LNG 船都采用蒸汽透平作為主推進裝置只有有限數(shù)量的雙燃料柴油