lng燃料动力船舶技术发展与应用概论

LNG燃料动力船舶技术发展与应用前言二十一世纪是人类追求美好生活、实现美丽梦想的伟大时代，也是面临诸多问题、迎接挑战的变革时代。虽然世界经济仍然在快速发展，科学技术也在飞速进步，但是人类面对的问题似乎也越来越多，如全球气候的不断恶化等环境问题、煤炭和石油等化石燃料的消耗殆尽等能源问题，这两个重大问题也是二十一世纪人类必须要解决的。因此，世界各国、各行各业都在研究和找寻有效的解决方法。对于世界船舶工业来说更是如此。我们知道，物流业是仅次于制造业的石油消费第二大行业，而船舶长期以来一直是物流行业的消耗和排放的“大户”。由于成品油价格不断上涨，国际污染公约日趋严格，使得整个船舶工业不得不寻求新的解决之道。船用LNG技术似乎给我们带来了希望，它不仅清洁，而且储量充沛，甚至比石油的储量还要丰富，如果应用LNG作为动力，似乎同时缓解了上述的两个问题。然而，对于现有的技术与政策而言，要实现全面的LNG化，我们还有相当长的路要走。下面我们对LNG燃料动力船舶技术的现状、发展和应用进行初步的探讨。一、发展LNG燃料动力船舶的优势LNG就是液化天然气（Liquefied Natural Gas）的简称。将气田生产的天然气净化处理，再经超低温（-162）加压液化就形成液化天然气。” LNG主要成分是甲烷，它无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，重量仅为同体积水的45%左右，热值约为汽油的1.2倍。与传统的燃油相比，LNG具有以下优势：1.储量丰富。2009年已探明储量达188万亿立方米，可至少满足全世界需求150年以上。近几年科学家从深海中发现了“可燃冰”这种能源，它是一种“固态”型天然气，1体积“可燃冰”可分解成164体积的天然气和0.8体积水。据统计，地球上“可燃冰”所含能量相当于石油、天然气、煤总和的3倍。我国2008年底探明天然气储量达到63357亿立方米，具有广泛运用天然气的资源基础。2.经济性好。按照目前的油价和LNG价格水平（柴油8200元/吨，LNG5000元/吨），使用LNG比使用柴油节约40%60%的燃料费用。按热值计算，LNG价格只有柴油的60%左右（1立方米天然气产生的能量相当于1.2升柴油产生的能量），且因为天然气燃烧彻底，不易积碳，减少维护费用逾50%。3.环保性好。首先，LNG在液化前灰尘、硫、水分等杂质已被排除，是一种洁净能源；其次，与其它化石燃料比，在相同的能量输出下，LNG的污染物排放最少，一般来说可以减少10%20%的CO2排放量，90%的NOX排放量，100%的硫化物和颗粒物排放；最后，天然气燃烧时比较柔和，燃烧噪声小。4.安全性好。首先，天然气燃点为650（柴油为260，汽油为427）；其次，天然气发生爆炸的浓度区间是5-15%（柴油为0.5-4汽油为1-5%）；最后，天然气密度是空气的55%，泄漏后会直接扩散到空气中，如果加入嗅剂泄漏时可被及时发现，减少安全隐患。5.冷能利用。LNG 在气化时产生大量的冷能（860883kJ/kg）。在发动机设计或改装时可以给予考虑，持别船舶制冷和空调、渔船冷冻和冷藏等方面给予利用。LNG与CNG、LPG的区别：1. CNG是压缩天然气(Compressed Natural Gas)。目前在汽车上应用较多，技术也较成熟。它是天然气加压并以气态储存在容器中（20MPa），它与管道天然气的组分相同，CNG的体积能量密度约为汽油的26%。LNG的组成比CNG更纯净，不含水分，因而LNG的排放性能要优于CNG。 2.LPG是液化石油气(Liquefied Petroleum Gas)。经常容易与LNG混淆，其实它们有明显区别。LPG的主要组分是丙烷（超过95%），还有少量的丁烷。LPG在适当的压力下以液态储存在储罐容器中，常被用作炊事燃料和车辆燃料。二、发展LNG燃料动力船舶的背景分析1.节能减排的要求。据统计，世界航运业每年要消耗20亿桶燃油。我国是一个人均占有资源相对贫乏的国家，节能减排责任重大。2010年我国原油消耗达到4.55亿吨，需进口2亿吨才能满足要求，约为总需求的45%；预计2020年，原油消耗将达5.6亿吨，石油对外依存度将提高到60%。巨大的原油消费又会促使原油价格保持高位，提升船舶运营成本。因此，原油短缺会制约我国经济的发展，还会严重威胁国家的能源安全。随着原油的消耗，随之带来的就是排放污染。据统计，世界航运业每年要排放超过12亿吨二氧化碳，约占全球总排放量6%。为应对世界气候变化出台的环保法规，规定了船舶污染防治、减少排放的标准和时限。近年来，国际海事组织（IMO）加强了对海上船舶排放的强制性规定，如果各国都执行IMO的排放强制性规定的话，5-10年后世界上用于近海贸易的船只大多数都会使用LNG作为船用燃料。在我国物流业是仅次于制造业的石油消费第二大行业，全行业石油制品消耗占全国的34%左右，二氧化碳排放量占18.9%，并且这一比例仍逐年上升。而船舶长期以来一直是我国物流行业的消耗和排放“大户”，以我国内河为例，目前内河船舶柴油机每年产生的NOX、SOX和颗粒等污染物约100万吨，占港口区域总量的50%以上。因此，以技术创新为先导，大力提升船舶动力装置的节能减排能力，走绿色船舶动力发展之路已成为贯彻落实科学发展观、建设节能型社会的必然选择。2.降低噪声的要求。船员长期工作和生活在船上，强烈的噪音使船员精神疲劳，工作效率下降，严重时影响身心健康，危及航行安全。20世纪80年代，由于航运业的蓬勃发展，国际社会普遍关注船舶舱室的噪音问题，相关研究较多，也促使了我国一系列规范的出台。之后一段时间，随着造船技术的成熟，舱室噪音得到一定控制，关注度逐渐降低，国内相关研究也日趋减少。然而，目前的船舶动力装置普遍采用的是高噪音的柴油机，而且随着人们对工作、生活环境舒适度的要求日益提高，作为影响船员生活质量和工作质量的主要因素之一，噪音问题不容忽视。大型远洋船舶的技术标准和相关规范要求较高，且在机舱均设置隔音效果很好的集控室，一般能够满足我国运输船舶舱室噪音标准及运输船舶舱室噪音测量方法的要求。而内河小型船舶多采用高噪音的中、高速柴油机作为动力装置，且有很多小船根本没有集控室，轮机人员长期暴露在高噪音的冲击之下，长此以往，听力严重受损，身心健康无法保障。现代船用柴油机普遍采用高增压，其增压器转速可达20000rpm以上，对气流的作用可产生剧烈的高频噪音，是柴油机最大的噪音源；而柴油机气缸内的剧烈燃烧(爆压可高达20MPa)，亦会发出强烈噪音；四冲程柴油机进、排气阀周期性的启闭，也会发出刺耳的敲击声。3.国家高度重视。国家“十二五”发展规划把节能减排作为重要战略目标之一，各行各业提出了严格的节能减排目标。同时，温家宝总理在哥本哈根全球气候大会上向世界承诺到2020年前CO2排放量比2005年减少40%-45%。船舶燃料作为耗能和碳排放大户，必然会成为改造重点。2011年1月国务院正式颁布关于加快长江等内河水运发展的意见，将内河水运发展上升为国家战略，提出了我国内河水运的发展目标，明确要求利用10年左右的时间，建成畅通、高效、平安、绿色的现代化内河水运体系。国家船检总局也表示，国家船检总局和地方各级船检部门将一如既往地支持和关注LNG船舶的实践和推广。同年3月，交通部发布关于贯彻国务院关于加快长江等内河水运发展的意见的实施意见，明确指出要着力构建绿色内河水运体系。各地市也纷纷推出贯彻国务院关于加快长江等内河水运发展的意见的实施意见，都把利用绿色能源作为以后发展的重点。根据交通运输部规划，“十二五”期间，我国新节能减排技术的应用试点将逐步增加，内河柴油和LNG混合动力船舶技术正是其中的试点新技术之一。2012年1月，海事局又专门下发通知，对LNG燃料动力船舶改造试点工作进行明确。在渔业领域，根据农业部渔业船舶检验局的发展规划，“十二五”期间，我国将全力提升渔船装备技术水平，推动渔业船舶向现代安全、节能、环保、经济型方向发展转变。用LNG代替柴油作船舶燃料，符合国家“十二五”发展规划和科学发展观的总体要求，且能带来经济效益，必将成为国家大力支持的产业项目。可以预见，以天然气为主导的中国绿色海运时代即将开启。4.渔船领域需求。我国是世界上渔船最多的国家，现拥有渔船达106万艘以上，约为全世界渔船总量的25%，渔船功率总和超过1600万kw，而海洋渔船总能耗约占整个渔业能耗的70%，渔船燃料的费用约占渔业捕捞成本的75%。近年来，尽管国家出台的柴油补贴政策对渔船补贴进入常态化，但高起的油价和高油耗，使得渔民们难以接受，造成渔船被迫停港现象非常普遍，渔民生产生活也面临较大困难。与此同时，燃油的大量消耗，带来的污染物的排放较高。作为绿色能源的天然气，具有储量丰富，价格低廉，运输方便，使用安全等优点，替代柴油在渔船等领域推广使用，将推进渔船节能减排，促进渔民持续增收，对促进渔船的现代化发展将会起到重要的作用。农业部渔业船舶检验局与中海石油气电集团公司签署“绿色能源框架协议”。根据协议要求，中海油改造了天津北塘渔港的20条渔船，并与2012年11月13日对拥有“柴油-LNG”双动力的津塘渔03808和津塘渔03820渔船进行了试航，这是国内首批接受“油改气”改造的渔船。下一批30艘渔船的改造施工即将在北塘渔港进行，预计2012年内改造完成。农业部渔业船舶检验局2012年确定的渔船液化天然气（LNG）动力改造计划提出，到2020年，要使适用于LNG动力的渔船柴油消耗量中的70%被LNG代替。5.LNG动力船舶改造相关规范要求。任何产业的发展离不开政策规范的指导和约束，由于LNG动力船舶产业发展时间短，因此目前与LNG动力船舶制造、改造和检验的相关政策、规范不多，但国际海事组织、船级社和国内海事部门仍制定了相关的规范来促进该产业的健康快速发展，相关规范见表1。表1 LNG动力船舶相关规范序号规范名称颁布时间颁布单位1双燃料发动机系统设计与安装指南2007中国船级社CCS2气体燃料动力船检验指南2010中国船级社CCS3散装运输液化气体船舶构造与设备规范2005中国船级社CCS4内河散装运输液化气体船舶构造与设备规范2008中国船级社CCS5有关船上天然气燃料发动机装置安全性的临时指南2009IMO海事安全委员会MSC6LNG燃料动力试点船舶关键设备技术要求2012中国海事局7LNG燃料动力试点船舶技术要求2012中国海事局8LNG燃料动力船舶应用安全研究项目组织与实施方案2012中国海事局气体燃料动力船舶除满足以上技术要求外，尚应满足国内航行海船法定检验技术规则（2011）或内河船舶法定检验技术规则（2011）的相关要求。三、双燃料动力船舶的发展1.低速双燃料发动机的发展目前，全球推出的低速双燃料发动机仅有瓦锡兰的RTX5型和曼恩（MAN）的ME-GI型发动机，处于试验测试阶段。另外，日本三菱重工（MHI）和韩国现代重工（HHI）也开始启动这一技术。早在1973年，在被瓦锡兰兼并之前的著名低速机供应商-瑞士苏尔寿公司就已为LNG船“维纳托尔”号配备了一台低速双燃料7RNMD90型发动机。2010年秋季瓦锡兰正式启动低速双燃料发动机研制，2011年2月进行RTX5新型低速双燃料发动机的测试工作。早在1994年，作为占有全球80%低速机市场份额的巨头曼恩就开始低速双燃料发动机的研发工作。2011年5月18日，曼恩在哥本哈根举行了ME-GI型双燃料发动机的发布仪式。宣称，新型主机可较传统柴油机减少23%的二氧化碳排放，而NOX、SOX排放分别能减少80%和90%。2012年4月，曼恩在哥本哈根又举行第二次ME-GI型发动机测试展示会，宣称，韩国现代重工和日本三井造船将分别生产该机型的原型机，此举意味着ME-GI型发动机向商业化方面迈进了重要一步。预计2012年11月，韩国现代重工将生产1台8S70ME-GI型机，而三井造船则将在2013年下半年生产1台6S70ME-GI型机。2012年6月，日本三菱重工（MHI）着手开发一款低速双燃料船用二冲程发动机（UEC-LSGI：11000-18000kw,D=600mm）预计2015年推出。2012年6月，韩国现代重工（HHI）推出Himsen H35/40GV型单气体燃料发动机，作为一台发电用动力装置出现在中东的第一范例，也可用于商船、近海工程设施与钻井平台。目前，HHI在柴油发动机市场上占据了35%份额，2012年计划15%用于以气体为燃料的发动机替代。2.中速双燃料发动机的发展与低速双燃料发动机相比，中速双燃料发动机的发展明显领先。一方面，中速机一般作为中小型船舶的推进主机或发电机使用，功率相对较小，燃料需求量也较少，船舶燃料携带问题易解决。另一方面，由于中速双燃料发动机有能够广泛应用于沿海和内河船舶的前景预期，发展受到更多的关注。目前，全球推出中速双燃料发动机的制造商有瓦锡兰、曼恩、卡特彼勒等。其中，瓦锡兰遥遥领先，共推出三种机型，并获得大量订单；曼恩发展相对落后，但也推出两种机型，有部分订单；卡特彼勒只处于起步阶段。瓦锡兰截至2012年5月底，已为100艘LNG船提供了50DF双燃料发动机，加上目前的手持订单，使用该机型的LNG船占到了LNG船队总量的四分之一。推出的机型还有34DF、20DF，应用范围扩展到小型货船、渡船、拖船、船用发电机和陆用发电机，瓦锡兰已交付了720台双燃料发动机。曼恩于2007年才通过51/60DF中速双燃料发动机的最后测试，并首次用于船舶领域，并为西班牙航运公司的LNG船提供了5台8L51/60DF双燃料发动机。之后也为陆用和发电用提供了双燃料发动机。2012年5月，获得两台8L51/60DF和两台9L51/60DF订单（俄罗斯现代商船公司）。卡特彼勒于2011年底推出旗下MAK品牌的双燃料发动机MAK M46DF，该机型正在德国罗斯托克卡特彼勒发动机厂进行试验，预计首台将于2014年交付。 与欧洲船用发动机生产商相比，亚洲主要造船国的制造商目前均未能推出中速双燃料发动机。韩国方面，虽然现代重工自主品牌得的Himsen中速机已取得巨大成功（2015年5月），但也仅是推出了Himsen品牌的气体发动机，尚未能进一步拓展至双燃料发动机。目前，采取合作方式与瓦锡兰合资成立了瓦锡兰现代发动机公司，生产瓦锡兰50DF双燃料发动机，同时引进许可生产曼恩的ME-GI低速双燃料发动机。3.我国双燃料发动机的发展受限于较为落后的船用柴油机研发技术，我国目前尚未推出中速或低速船用双燃料发动机，但在促进内河船舶使用双燃料动力上依旧取得了不错的进展。长航集团、中兴恒河投资集团和富地石油控股集团联合开展的“长江绿色物流创新工程”，以及中国船级社和中国石油联合推进的“气化长江”等项目，都致力于我国内河船舶的“油改气”。船舶“油改气”的原理是：在不更换船舶发动机的条件下，将柴油-LNG双燃料系统加装到船舶上，将柴油、LNG按一定比例混合供给发动机，由LNG提供主要动力，而柴油用于点燃压缩状态下LNG的引燃燃料和部件的润滑剂，一旦LNG使用完毕或因故不能及时填充或燃气系统出现故障，船舶仍可以在纯柴油下运行。2010年以来，我国成功“油改气”的内河船舶不断增多，典型案例有：（1）2010年8月，由江苏宿迁海事局牵头、北京油陆集团出资研发的改造船3000吨级的“苏宿货1260号”，在京杭运河苏北段成功试航。（2）2010年8月，由湖北西蓝天然气公司与武汉轮渡公司合作改造的“武拖轮302号”在武汉试水成功。（3）2011年3月，由中国长航集团、中兴恒河投资集团和富地石油控股集团共同推进的改造船“长讯三号”散货船试航成功。（4）2011年4月，由中石油昆仑能源公司承担并组织研发的满载排水量5000吨的改造船在安徽芜湖举行试航仪式。（5）2011年12月，由山东昆仑胜利能源公司与山东济宁市轮船公司合作改造的“鲁济宁货2535号”首航成功。（6）2013年4月，安徽省首艘LNG燃料动力试点船舶“红日166”轮，顺利取得船舶检验证书，成为自我国船舶实施LNG燃料动力试点改造以来，首艘取得船检验证书的船舶。2011年4月7日，“红日166”完成改造后，正式下水试航，在试运营的2年中，该船未出现任何故障，总体运行平稳，取得良好经济和社会效果。该船2012年10月10日通过国家海事局组织的专家审核，并随后取得LNG燃料动力试点船舶核准通知。2013年4月，对照LNG燃料动力试点船舶关键设备技术要求和LNG燃料动力试点船舶技术要求，经实船检验，该船顺利获得船检机构签发的LNG试点船舶检验证书。船舶的“油改气”技术中，LNG的替代率可达60-90%，系统改造成本大致为15-100万元左右（一年内可以收回），值得注意的是，虽然在没有解决双燃料发动机的情况下，推进内河船舶使用双燃料依旧取得了进展，但船舶可能在某些工况下面临动力不足问题，同时冷能也没有被充分利用。除了内河船舶“油改气”取得了一定进展外，在双燃料发动机改造、拓展、研制和开发方面，我国目前也做了大量有益的探索工作，代表性的有：（1）中石油旗下的济柴动力总厂自主研发推出了2000、3000系列高速双燃料发动机，应用于石油钻探动力。2011年5月，济柴投资10亿元在武汉江夏区兴建新能源船用发动机生产基地，规划投产后年销售额50亿元。2012年3月，济柴与中国长江航运集团签署战略合作协议，将为其146艘3000-10000载重吨的新建或现有内河船舶提供或改造成LNG双燃料动力。（2）淄博柴油机总公司，在原船用柴油机的基础上，以中国船级社气体燃料动力船检验指南、钢制海洋渔船建造规范等为主要研发依据，开发了Z170、210系列船用双燃料发动机。（3）2012年7月，江苏韩通船舶重工开始建造5万载重吨的双燃料散货船，预计2014年交付。（4）2012年10月，中国船舶重工集团711所签订了两艘1000吨运输船的双燃料改造合同。（5）2012年10月，中国北车大连机车车辆有限公司推出一款国内最先进的双燃料船用发动机，它是在原有的6240型柴油机的基础上进行系统研发而成，天然气替代率可达80%。（6）2012年5月，天津塘沽水产局与中海石油气电集团贸易分公司完成了“渔船LNG及柴油双燃料改造试验示范项目”协议签署，将对北塘50艘渔船进行油气混合动力改造。11月份已改造完成20艘，成为全国首批油气混合动力渔船，为全国“LNG能源上渔船”战略提供示范。(7)我国五大燃气公司（新奥燃气、港华燃气、华润燃气、中国燃气、中油燃气）均已在LNG船用市场取得一定成果。其中，华润燃气首艘LNG-柴油混合动力船舶已于2013年1月7日试航，中油燃气也于2012年在赣江等流域完成5艘LNG船舶改装并投入运营，另有10艘船舶正在改装阶段。四、LNG混合动力系统所谓LNG混合动力就是在船舶现有柴油机的基础上，增加一套LNG供气系统和柴油LNG双燃料电控喷射系统，通过电子装换开关，可实现单纯柴油燃料状态下和油气双燃料状态下两种运行模式，将船舶单一的柴油动力改造为柴油LNG双燃料动力，通过采用LNG部分替代柴油燃料，达到节省燃油和降低排放的双重目的。1.LNG混合动力的特点船舶采用LNG-柴油双燃料动力后，柴油的平均替代率达到60%至80%，可实现硫氧化合物减排85%90%，二氧化碳减排15%20%，同时，噪声污染、烟尘、废油水排放也大大降低，船员的工作生活环境得到很大改善。同时，由于装备了智能化的安全监测与处置系统，一旦有可燃气体泄露，就会自动报警，自动切断天然气管路，启动防爆通风机，隔开储罐与舱室和机舱，确保船舶运营安全和船员生命安全。此外，采用LNG燃料，即使船舶发生沉没事故，也不会出现由于使用柴油燃料导致大面积水域污染的现象。2.现有柴油动力到LNG混合动力的改装首先是船体改造。针对试验船船体本身的特点，将LNG储罐放置于船体尾部的空闲区，并设计一个底座（70-80厘米）。底座与甲板是焊接连接，储罐与底座是螺栓连接。储罐相邻厨房和起居室的一侧都要增加一道隔离空仓。储罐顶部是敞开的。气化器可占用部分盥洗室的空间。其次是船用LNG-柴油混燃系统。根据船的空间特点设计、安装、连接船用LNG-柴油混燃系统，依次为：LNG储罐、气化器、气体流量计、电动截止阀、不锈钢管路、阻火器、减压稳压阀、喷射阀、柴油机。第三是安全与消防。在LNG储罐位置应安装2个可燃气体探测器，在机舱内应安装4个可燃气体探测器。在机舱两侧顶部位置应安装2台轴流防爆风机。一旦有可燃气体泄露，浓度达到天然气燃爆点的20%就进行声光报警，并自动启动轴流风机进行强制排风换气。如果浓度达到燃爆点的40%，则自动切断电动截止阀。上述动作过程全部是自动控制。另外在储罐位置和机舱内各摆放了两台干粉灭火器。最后是电路改造。根据船用发电电压不稳定的特点要进行稳压和电压逆变等设计，确保满足控制系统和轴流风机用电的需要。3.LNG混合动力的推广应用大量试验和研究表明，LNG-柴油双燃料动力技术已经初步具备了推广应用的条件。为迅速把科研成果转化为现实生产力，还需进一步做好以下几个方面的工作。一是开展加气站规划。为满足LNG-柴油双燃料动力船舶加气的需求，需在港口和沿河布置加气站。据悉，中石油及港华燃气有限公司共同投建的3条LNG加气趸船有望在2013年6月左右下水试航，为来往船舶加气。预计2013年期间，国内将建成约10座水上加气点，且长江沿线未来共规划布局3000个船舶加气点。二是研究制定相关技术标准。目前，中国船级社已经完成气体燃料动力船舶检验指南，国家2012年也颁布了LNG燃料动力试点船舶关键设备技术要求和LNG燃料动力试点船舶技术要求，江苏蓝色船舶动力有限公司编制了柴油-LNG双燃料动力系统操作手册和船员安全作业及维护须知。为顺利实现LNG在船舶上的应用及推广，还将进一步研究制定相关技术标准，主要包括两个方面：一是进一步完善规范、标准体系。全力推进气体燃料动力船舶检验指南的出台；加快推进改装船厂评估和船舶设施设备产品的认证认可；进一步完善并颁布船员操作指南，开展船员培训和发证工作。二是实现船舶改造技术标准化。进一步优化储罐及管路设计，针对不同类型、不同吨位的船舶，提出不同的设计方案，并制定相关的施工工艺流程，实现设计、施工的规范化和标准化。三是研究出台相关扶持政策。在试点推广初期，研究出台相关扶持政策，主要包括三个方面：一是资金扶持。研究通过建立专项补助资金、政府贴息、过闸费减免等方式，在推广初期对柴油-LNG双燃料动力改装船舶给予适当资金扶持。二是土地政策支持。在港口和沿河加气站点、LNG储备库等基地的土地征用中给予适当政策支持。三是建立项目工作协调机制。针对加气站的布点规划和立项审批、船舶设施设备和船员发证等方面工作，采取集中处理和一站式处理等方式，简化程序。据挪威船级社统计，截至2011年底，全球有22艘LNG动力船舶已在商业化运营。到2015年，全球以LNG为燃料的新船订单将达到500艘，到2020年将升至数千艘。五、目前LNG船动力装置介绍LNG船是载运LNG的专用船舶，它在航行的过程中需要充分的利用蒸发的天然气，相对于其他类型的船舶而言，LNG船在LNG动力技术研究上是比较成熟的，这里就以LNG船为例来介绍几种LNG动力装置。1.蒸汽轮机蒸汽轮机占据今天全球LNG船推进系统的主流，主要原因为：LNG船舶的航速要求一般较高，蒸汽轮机输出功率大，可以满足LNG船对大功率推进系统的要求；同时系统功率裕量较大、可靠性较高，可以满足交货时效性的要求；在蒸汽轮机系统中LNG蒸发汽或重油均可用作锅炉的燃料，也可以采用一定比例混合燃烧方式，LNG蒸发汽可以得到很好的利用；在只燃烧蒸发汽时排出的排放物也较为清洁；维护不是很频繁且费用也相对较低；主锅炉和蒸汽透平结合的主推进系统有效地解决了蒸发汽的安全利用问题；LNG的应用技术在相当长的时期内只被少数几个发达国家所掌握，同时市场长期处于供过于求的状态，LNG价格较低，蒸汽轮机系统的整体经济性较好。而其他主推进系统方案相对地都或多或少存在一些技术瓶颈，成了作为LNG船主推进系统的障碍。经过几十年的发展，蒸汽轮机系统在某种程度上说已成为LNG船的标准主动力系统。蒸汽轮机推进系统主要由锅炉、蒸汽轮机和齿轮减速传动装置组成。其工作原理是锅炉产生的蒸汽通过蒸汽涡轮机将热能和压力势能转换成动能驱动涡轮转子转动，经减速装置减速后带动螺旋桨转动，从而推动船舶前进。锅炉配备货物LNG蒸发气和燃油两套燃料供给系统。锅炉可以单独燃烧蒸发气或燃油，也可以两种燃料同时使用。其工作原理如图1所示。蒸汽轮机保养费用相对较低，维修频次少，应用记录表明系统具有很高的可靠性。蒸发汽获取量取决于船舶设计及其工作环境条件，通常自然蒸发率设计为015左右，有些正在营运的船舶蒸发率可低到010左右。在压载航行时，可得到的蒸发汽量只有满载航行时的1050，具体比例取决于货舱留有用于预冷液货的量、海况和货舱温度的控制等综合因素。对LNG船来说，不管选择何种推进系统，都必须采取某种方式来处理蒸发汽，把它用作推进系统的燃料或进行再液化。LNG蒸发汽在空气中爆炸浓度范围是514，释放到大气不但不经济而且非常危险。LNG是在常压下运输的，通常液货舱安全阀设定压力为25KPa，真空压力设定为低于大气压1KPa，航行时要避免货舱超压或出现负压。图1 蒸汽轮机推进系统原理图安全在天然气运输中是极其重要的，蒸汽轮机主推进系统的可靠性、严格的安全操作规程以及成熟的系统设计使得LNG船有极好的安全记录。迄今为止，除发生过个别型号蒸汽轮机齿轮箱过度磨损事故外，并无其他重大机损事故报告。LNG船造价高昂，延长船舶使用寿命是降低船舶营运成本的重要措施之一。与其他船舶一样，LNG船使用寿命很大程度上取决于船体、货舱和主推进装置的服务寿命。船体、货舱和主推进系统的维护管理是LNG船舶管理的重要环节。根据日本船级社1992年的技术简报对防范非自持式液化气船舶事故的反思，通过对29艘非自持式液化气船舶的事故调查分析“，其结果表明液化气运输船舶的安全系数很高，货舱发生液化气泄漏的危险性很低。蒸汽轮机推进系统的主要缺点是：蒸汽轮机系统的燃油消耗率比低速柴油机高，系统整体热效率低，燃料消耗量大。只有当蒸发汽的价格与燃油的价格相比足够低时，此种方案的推进系统在营运的经济性方面才有一定的优势，越过了某一价格的临界点，系统的经济性差的问题便凸显出来了。2.燃气轮机在LNG船上采用燃气轮机推进装置，可采用机械式或电力式。燃气轮机重量较轻，无振动、并且可以使用双燃料(使用重油作为备用燃料)。它的低效率某种程度上可通过联合循环系统来弥补。然而，燃气轮机对电站和气体压力的要求较高，这会使安装更复杂，费用更为昂贵。罗尔斯罗伊斯燃气轮机公司，于2002年初推出了供LNG船选用的Trent30型燃气轮机。该机输出功率达36MW，且重量较轻，不到26吨。与蒸汽轮机相比，这种燃气轮机在整个使用期间可以节约营运成本2096左右。如选用Trent30型燃气轮机作LNG船主机，船的总长可缩短19米，而载重量却可增加12，这对提高船舶经济效益至关重要。Trent30型燃气轮机具有模块化结构等特性，可维修性好，这己成为用户选用船舶主机的重要条件之一。阿尔斯通公司和通用动力公司也准备为LNG船提供燃气轮机。他们认为，LNG船采用燃气轮机推进可以节省很大的舱内空间和减轻主机重量。阿尔斯通公司已向LNG船市场推出了输出功率达17兆瓦的GT35型燃气轮机。该机是能使用柴油和天然气混合燃料的双燃料发动机，柴油和天然气的混合比为2：8。目前船东对这种燃气轮机很感兴趣。通用动力公司生产的LM2500型和LM6000型燃气轮机也适合于LNG船，这两型燃气轮机具有可靠性高、重量轻、单位重量的功率很大等特点。为了满足对LNG船冗余度方面的要求，可在一艘LNG船上可安装两台燃气轮机或采用燃气轮机加余热锅炉或采用燃气轮机与柴油机联合动力装置。复合涡轮机组(即燃气轮机发动机十蒸汽轮机发动机)，是在用燃气轮机燃烧蒸发汽的同时，利用废气能量产生蒸汽，驱动蒸汽轮机。这种发动机的燃料效率较一般的蒸汽轮机好，而且排放的废气与汽轮发动机相同，是比较清洁的。缺点是需要高质量的石油燃料，并且不能与蒸发汽混合燃烧。将来还可能考虑与电力推进装置相结合。从环保因素考虑将来有可能会采用此种方案的推进系统。3.双燃料电力推进该种推进方式采用双燃料发电机组产生电能，供给船舶推进电动机组，经减速装置减速后驱动螺旋浆转动。在建船舶中，己有LNG船采用此种推进方式，根据其配置的不同有多种型式可供选择，其原理如图2。由于双燃料发动机可使用低压气体，在发动机入口处压力在4bar至5bar之间，其压缩机组与目前使用蒸汽轮机推进装置的船舶基本相同。基于双燃料发动机的电力推进装置的总效率高于40，与蒸汽推进装置的30或者更低相比要好得多。至于选择单桨还是双桨，将基于航线情况及不同的冗余要求而定。发动机的数目及输出功率将由所需的轴功率及冗余度决定。通常来说，一艘135万立方米的LNG船所需功率大约为30唧，可由4台50DF发动机组组成，其MCR输出功率为950千瓦缸，热效率高达465“1。在转速为500rpm(50Hz)或514rpm(60Hz)，热效率可达48，推荐的装置为8缸机或9缸机。多台机使系统具有良好的冗余特性，同时也具有良好的机动性，适应不同的运营模式要求，如机动操纵、在港口等待、装载及卸货等。在海上和港口中可进行灵活的预防性维护，这对蒸汽装置或者说大型二冲程发动机都是不可能的。图2 双燃料电力推进系统原理图近年来的研究表明，最有利的方案就是使用强制蒸发汽以代替燃油。这种推进方式冗余度高，操作灵活，可以保证LNG船具有较高的可靠性；提高了热效率，具有低排放的特性。4.双燃料推进系统双燃料发动机(燃油和蒸发气)的发展己经使有效利用蒸发气成为可能，双燃料发动机是从重油柴油机发展而来。因此双燃料发动机推进装置也是现代LNG船一个具有强有力竞争力的选择。该装置的系统简图见图3。双燃料发动机是一种经过特殊改造的可直接燃烧LNG蒸发汽和燃油的内燃机，有高压型和低压型两种。高压型双燃料内燃机在喷射少量的点火柴油后，即可将船上蒸发的LNG气体高压喷射进入燃烧室燃烧；低压型双燃料柴油机可将船上蒸发的LNG气体以较低的压力(约4barcm2)喷射进入燃烧室，在轻油点火下燃烧。前者使用高压LNG管路有泄漏的危险，后者则需要额外配置点火装置。据有关资料，在挪威近海项目中，在小型LNG船上推进系统有直接采用了双燃料发动机作为主推进装置，但此系统需要和蒸发汽氧化装置配套使用。当前，天然气一柴油双燃料二冲程和四冲程发动机己经面市，使双燃料发动机作为液化天然气(LNG)船推进主机的构想变为现实。瓦锡兰50DF型柴油机就是一种以天然气和柴油作为燃料的双燃料发动机。在正常工作时，仅使用9的天然气和1的燃油混合燃料，只有在天然气系统出现故障时，才切换到燃油状态。在预燃室中喷入燃油启动发动机。与常规动力装置相比，使用这种双燃料发动机不但最大限度地利用了蒸发汽燃料，而且大大降低了燃油的消耗和运营成本，可节约燃料2030，提高发动机的效率。在一艘13.5万立方米LNG船上，MAN BW柴油机公司对烧重油的蒸汽轮机与烧重油和天然气的双燃料发动机进行了比较，后者每年可为船东节约250万美元左右的费用“1。同时，双燃料发动机具有很低的排放，其氮氧化物的排放量只相当于普通柴油机的110，二氧化碳的排放也相当低。由于双燃料发动机可以在气体燃料和液体燃料两种模式下交替工作，而且两种模式是自动切换，在停止气体燃料供应时，发动机不会停止运行，而是自动切换到液体燃料模式。随着船舶动力装置的不断发展，双燃料发动机以其可使用两种燃料、重量轻、制造成本较低等优点将成为今后LNG船主推进装置的一个重要选择。图3 双燃料发动机推进装置系统图瓦锡兰双燃料发动机配有精确的电子控制设备，将布置在柴油机各位置上的传感器联系在一起，对各种参数如负载、转速、燃烧特性、废气排放温度等进行监控，控制系统对输入的信号与系统设定的数值进行分析比较，立即对天然气供气压力、供气量、供气正时和空燃比进行调整，以满足负荷要求或其它工作条件，如避免敲缸和熄火。因此当气体质量，周围环境温度变化时，所有的缸在任何条件下都有最佳的性能。LNG货物蒸汽对瓦锡兰6L50DF发动机是一个很好的燃料，唯一需要考虑的是气体组成的变化，即氮气在蒸发汽中的含量。通常，氮对发动机不是有害的，发动机吸入的空气中氮含量就高达78，不过，因为它是惰性气体，对燃烧没有贡献，蒸发汽的能量(热值)比纯甲烷低。LNG蒸发汽中氮的含量可能会高达蒸发汽体积的30%，尤其是在航程开始时。这对瓦锡兰6L50DF发动机来说不是一个问题，控制系统会很好地调节功率输出，平抑波动。瓦锡兰双燃料发动机的热效率可达465，它在陆地上累计己有相当数量的运行时间，对用于海上来说己趋于成熟。换句话说，一切都己准备好，是其向LNG船主推进装置进军的时候了。六、国外LNG动力船舶的几个实例1.世界首艘LNG燃料渡船挪威作为LNG生产大国，为了提高挪威气体燃料技术和获得良好的环境效应，1996年挪威议会决定分别建造采用CNG和LNG作为燃料的两种类型车/客渡船。2000年，世界首艘采用LNG为燃料的渡船“M/F Glutra”号由阿克尔船厂建造完工。通过采用LNG燃料，该船可以减少80%的NOX排放量，总成本比采用柴油燃料的渡船高30%，但船厂和运营商认为由于属于新技术的首次应用，费用的提高在可接受范围内。该渡船的LNG燃料推进原理是LNG从卡车储气罐注入到船上的不锈钢储气罐，该不锈钢储气罐布置在甲板下的双壁不锈钢容器中。LNG通过发动机冷却剂蒸发后进入4台超稀薄燃烧天然气发动机中。每台发电机与对应的发动机相匹配，通过变频器将电能供应到1000kW的异步电动机，该电动机驱动位于船尾的双桨，以提供较好的操纵性。LNG储存在2个真空、珍珠岩绝热不锈钢低温储气罐中，该储气罐由AGACryoAB公司提供。每个LNG储气罐容积约为32m3，最大填充率为85%。储气罐的外层是不锈钢容器，该容器为双壁结构，中间填充矿物纤维。不锈钢容器可以防止LNG逸出，还避免低温液体对船体钢板的冷却侵蚀。对于气体系统的要求之一是当船舶以最高速度与码头发生碰撞时不会出现任何损坏。2个储气罐设置在位于主甲板下的两个独立舱室，每个舱室还配有蒸发器，蒸汽通过双管输送至压力为4bar的主机舱。为了安全起见，发动机的布置远离LNG储气罐，位于汽车主甲板上的一个狭小舷边甲板。发动机采用4台三菱GS12R-PTK型超稀薄燃烧天然气发动机，转速为1500r/m时单机功率为675kW，发动机在满载时的热效率为37%。4台发动机分布在4个不同的、通风性好的机舱，可以通过一套系统中的多个气体检测器进行监控，能够确保在气体浓度超过某一水平时依靠截流阀切断气体流动。泄漏的气体通过管道进入桅杆顶部。当任一机舱中的气体混合物达到最低爆炸水平（LEL）的20%时，气体检测器会发出报警并且在发动机达到60%LEL时自动切断气体供应。机舱的爆炸分析表明：在最坏的情况下，主机的两扇窗格门（sashed-door）将爆裂并立即释放压力而不影响其他主机室。在正常操作下，2台主机可以为推进和其他能量消耗提供足够的功率，第3台发电机作为备用或用于增速或用于恶劣天气条件下。第4台发电机为其他主机维护时使用。通过这种配置，该船能够进行23年的全年持续航行。图4 LNG燃料渡船“M/F Glutra”号船上LNG燃料的补给由Statoil公司的卡车供应，通过舷侧开口进行补给。卡车内的LNG在1台空气加热蒸发器的压力作用下输送到渡船LNG储气罐。补给过程一般在夜间及无人登船的情况下进行，每次补给47m3或16t的LNG，耗时2个小时，补给周期约为每5或6天一次。据了解，Fjord1集团目前共运营10艘LNG燃料船舶，该公司表示，通过多年的运营采用LNG作为燃料的渡船具有良好的环保性，可以减少19%的CO2、91%的NOX、100%的SO2和颗粒物，而且噪声污染较低。不过建造费用可能会增加15%20%，维护成本比柴油主机高。2.瓦锡兰65000吨级LNG燃料旅游船2011年，瓦锡兰公司公布了65000吨级LNG燃料豪华旅游船的设计方案。该船长260米，船宽34米，最大宽度为43.2米，船员650人，客舱780间，载客能力为1900人，航速19节。船上安装3个465m3的瓦锡兰LNGPacs储气罐，LNG每天消耗量为45t，自持力为12天。35米长的C型储气罐安装在游泳池甲板下面的舱壁甲板上，这种布置既不影响水密舱壁，还能够通过船尾户外甲板进入舱室。该船装有2台瓦锡兰6L50DF型和2台8L50DF型双燃料发动机，主机总功率为27300kW，LNG为主燃料，柴油为备用燃料，有2个8000kW的电动机。燃料补给站布置在船尾贮存柜附近，既减少了管路长度，又可以保证安全。由于LNG储气罐容积较大，船舶的补给将通过驳船或者小型LNG运输船完成。此外，2009年STX集团和法国Stirling国际设计公司推出一型新概念旅游船EOSEAS，该船设置类似于LNG船上的储气罐，采用LNG作为燃料以驱动螺旋桨并提供船上所需电力。图5瓦锡兰65000吨级豪华旅游船图6 65000吨级豪华旅游船双燃料推进布置图3.LNG燃料VLCC2010年12月，DNV公布了一型环保VLCC船“Triarity”号的设计构想。该船总长361米，船宽70米，型深27.52米，载重量t。该VLCC在20年内使用LNG燃料可以减少24%的CO2、80%的NOX、94%的SOX排放量和颗粒物。据了解，一艘VLCC在每个航程中会损失0.2%的液货，为了减少货物蒸汽的泄漏，该VLCC安装有货物蒸汽回收装置，将货物蒸汽提供给辅助锅炉作为燃料，为货油泵提供蒸汽动力。2个可以储存6750m3LNG的C型压力罐设置在甲板室的货物甲板，便于操作和提高舱室的安全性，续航力达到25000海里。主机采用2台MANDiesel&Turbo高压双燃料低速发动机，可以燃烧压力为300bar的天然气，船用汽油作为引燃燃料，辅机将采用低压双燃料发动机或气体发动机，并配有三燃料锅炉。燃料供应系统包括主机的高压系统、辅机和锅炉的低压系统、增压装置和潜水泵等。燃料补给通过LNG船或燃料补给驳。图7 DNV的LNG燃料油船“Triarity”号七、LNG动力船舶改造技术1.发动机改造技术船用LNG发动机改造目前有两种方式。方式一：不改变柴油机机体结构，只改造进气岐管，增设燃气混合器、进气总管和一套控制系统，适用于小功率柴油机，比如170机型，改造费用较低。方式一发动机改造流程见图8。图8 方式一发动机改造流程图方式二：改变柴油机机体结构，更换气缸盖，在机体上加设燃气总管，各缸空气进口支管内增设燃气喷嘴，另外增加一套控制系统，适用于较大功率柴油机改造，比如210、250机型，改造费用较高。方式二发动机改造见图9。图9 方式二发动机改造图方式一和方式二的主要差别为： （1）方式二是在气缸进气歧管内设置了燃气喷嘴， 喷嘴定时定量地喷出燃气并与空气一起进入气缸内混合，而方式一则是燃气在机体外就与空气混合，还需经涡轮增压器、总管等，还需经过一段路程。（2）方式二可以根据单缸的负荷变化，来进行延时或提前变量地喷出燃气，而方式一无法做到这点，而且从本质上，安全性能不及方式二。2.船体改造（1）储罐舱设计储罐舱工艺流程如图10。当液罐处于98%充装率下时，LNG靠重力流向储罐增压器，气化后气体回到液罐，随着气体的增加，罐内压力达到0.50MPa时，增压调节阀关闭，液体停止流入；随着LNG的使用，液位下降，压力降低，当降至0.45MPa时，增压调节阀打开，重新流出液体气化进入，因为气化器出口和罐内压力相通，液体留出的动力靠液位差。当船舶停航LNG长期不用时，由于漏热蒸发，罐内的压力会持续上升，当达到0.52MPa时，减压调节阀打开，将部分BOG排至强制气化器加热进入膨胀罐。当压力回到0.50MPa，加压阀关闭。 图10 储罐舱工艺流程图（2）气化撬间设计气化撬间工艺流程如图11。气化器的液体进口前设置一个压力控制阀，压力信号采至膨胀罐内压力，当罐内压力高于设定压力时，阀门关闭，阻止液体进入气化器。设置该阀的原因是当膨胀罐和储罐的压力差较大时，输液管进液速度较快，此时，气化速度也很快，由于储罐和膨胀罐的压力平衡有个延时效应，此时，气化器内已积聚了部分液体，所以必须阻止后续液体继续进入气化，压力控制阀及时地切断输液管。膨胀罐和输液管上也同时设置了安全阀。 气化器气体出口上设置了温度控制阀，温度信号采至气化器气体出口，当温度低于设定温度时，阀门关闭，直至温度达到设置温度以上，才开启。该阀的作用是防止膨胀罐受到低温气体的冲击。 由于膨胀罐要维持不小于0.35MPa的柴油机进口压力，所以液罐的压力等于膨胀罐与储罐和气化器的高度差加上流动阻力，也就是0.35MPa加4米扬程和流阻，再考虑适当余量，所以确定液罐的工作压力0.450.50MPa。 图11 气化撬工艺流程图（3）机舱系统设计机舱系统流程图如图12。从V1出来的是稳压、干燥、常温的气源，经阀V2、V4和V5后进入柴油机的燃气总管，然后分配至发动机各气缸内燃烧。其中V1阀设于机舱外面，为电磁遥控阀，可在机舱内遥控关闭。 阀V2、V3和V4为电磁遥控阀，当机舱内出现抽风机失效，燃气管系压力不正常，燃气泄漏、柴油机故障等现象时，要求V2和V4关闭，V3打开，三个阀门是同时动作的。 机舱内的燃气管路是布置在通风管道内的，通风的管道设计应能将包括阀门在内的管路附件包覆其中，同时与柴油机上的通风岐管联接起来，形成一个从柴油机燃气阀为起点，上塑至燃气管进机舱壁止的通风管道，然后通过一台设置在机舱外面的管道风机，将整个通风管路内压力维持在大气压之下。 V5为供气管道上的最后一个阀，是一个手动截止阀，确保在发动机维修期间能进行安全有效地隔离。 图12 机舱系统流程图（4）整体系统布置将上面三部分有机结合起来，组成一个整体，就是LNG燃料船舶的动力系统。LNG燃料船舶供气系统的整体流程如图13。图13 LNG燃料船舶供气系统的整体流程图八、LN