LNG船动力装置总体设计

1、上海交通大学 硕士学位论文 LNG船动力装置总体设计 姓名:徐春生 申请学位级别:硕士 专业:机械工程 指导教师:徐筱欣;韩如生 20040501·½±ãËæ×ÅÎÒ¹ú¾-¼Ã¿ìËÙÔö³¤ÌìÈ»ÆøÒ²¾Í³ÉÁË

2、5;îÀíÏëµÄȼÁÏÎÒ¹ú¹ã¶«Ê×½¨LNG 的大型储运站当天然气冷却到 -162摄氏度以下时其体积约为同量气态天然气体积的 1/600ËùÐèµÄÒº»¯ÌìÈ»ÆøÓÉ

3、76;Ä´óÀûÑǽø¿Ú»¦¶«-中华造船集团此次一举中标LNG 船是我国首次建造 难度大 LNG 船设计和建造的一大特点就是蒸汽动力装置给将要建造的 LNG 船的动力装 置的开发第一章 介绍了本课题的背景同时简述了 广东 LNG 项目的情况第三章 先论述了 LNG 船的发展历史及液货舱的型式第四章 通过分析 列举了 ͬʱ第五章 着重分析了蒸汽动力装置的组成和原理 蒸 汽透平等主要设备 并例举了典型

4、的热 线图针对广东项目的具体情况包括锅炉和蒸汽透平详细说明了推进装置的特点并对相关的系统作了分 析和说明 还设绘了该蒸汽动力装置的热线图和初步的机舱布 置图 关键词 液化天然气 蒸汽动力装置双燃料锅炉 学位论文原创性声明 本人郑重声明 是本人在导师的指导下 除文中已经注明引用的内容外 对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体 本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担徐春生 日期学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索 缩印或扫 描等复制手段保存

5、和汇编本学位论文 本学位论文属于 不保密请在以上方框内打 学位论文作者签名 徐筱欣 日期 2004年7月25日第一章 绪 论1.1研究背景众所周知 , 我国的能源结构是以煤为主 民用用能技术及交通运输 技术方面与先进国家有一定的差距 表 1-1给出了一次能源结构中国与世界和 OECD 国家的比较比世界平均水平高出 52个百分 点 由此造成的酸雨覆盖面积已扩大到 100万平方公里而天然气是碳氢比最高的矿物燃料 如消耗同样 数量的能源 比重油少 28%根 据工业发达国家签署的京都协议 的说法就可以减少 CO 2排放的四分之一有效治理大气污染城市燃气和发电将以天然气为主导能源一是用长距离输气管道将天

6、然气送往 用户 但管道长度在 1650-3300公里范围内才有 经济效益 的低温下使其变成液态1然后 为此 将 LNG 再度气化使其重返气体状态针对广东 LNG 项目 中国是世纪上第三大造船国 家 政府有关部门也始终坚持支持国内航运 支持 在 的大前提下一举中标也实现了中国造船史上的零的突破§1.2 研究目的虽然此次沪东 -中华造船集团在广东 LNG 运输项目上中标但如何保质保量按期完成 LNG 船 的建造确实是个全新的科题 LNG 船是高附加值船 难度大 它的技术独特性在于 1Òº»¯ÌìÈ»Æ

7、;øµÄ´¢Ô˺ͲÙ×÷Ðë´¦ÓÚ-163 0C 的超低温条件下 2其中蒸汽透平推进装置就是本课题所要研究的蒸汽透平推进装置相对来说比较陌生本课题旨在通过对目前 LNG 船蒸汽透平装置的研究设计和建造以启迪和帮助 1·ÖÎöºÍÕ¹Íû 2LNG 船所用锅炉的结构和功能 42§1.3.2 本论

8、文的主要工作目前占 LNG 船建造市场 90%份额以上的日本和南韩同时他们未必了解 LNG 船近几年来在动力推进方面的发展和 变化 因此本论文的主要工作就是在近几个月的搜集相关资料1±È½Ï¸÷ÖÖ¶¯Á¦Íƽø×°ÖõÄÌصã蒸汽动力装置的 基本配置及主要设备 透平的最新结构和功能 3 43第二章 天然气利用无味 主要成分为甲烷丙

9、烷和重质碳氢化合物 氧气 另外甲烷的分子结构是由一个碳原子和四个氢原子组成CH4 CO2ÌìÈ»ÆøȼÉÕʱ½öÅÅ·ÅÉÙÁ¿µÄ¶þÑõ»¯Ì¼·Û³¾ºÍ¼«Î¢

10、3;¿µÄÒ»Ñõ»¯Ì¼µªÑõ»¯ÎïÌìÈ»ÆøÊÇÒ»ÖÖÇå½àµÄÄÜÔ´ ÀäÈ´ÖÁÔ¼-16

11、2ÌìÈ»ÆøÓÉÆø̬ת±ä³ÉҺ̬Liquefied Natural GasÎÞζÆäÌå»ýԼΪͬÁ¿Æø̬Ìì&#

12、200;»ÆøÌå»ýµÄ1/600ÈÈֵΪ52MMBtu/tÒÁÀÊÊ×ÏÈ·¢ÏÖÁ˴ӵرíÉø³öµÄÌìÈ»Æø

13、ÌرðÊÇÔÚ½ñÈÕ°¢Èû°Ý½®µÄ°Í¿âµØÇø³ç°Ý»ðµÄ¹Å´ú²¨Ë¹ÈËÒò

14、¶øÓÐÁË"永不熄灭的火炬 " ÖйúÔÚ¹«ÔªÇ°211年 钻了第一个天然气气井 500 英尺 在今日重庆 的西部 天然气用作燃料来干燥岩盐 欧洲人才对它有所了解从 1790年开始 在北 美他们通过一根小口径导管将天然气输送至用户 3§2.2.天然气运输技术§2.2.1 管路运输当还没有合适的方法长距离输送大量天然气时工业发展中的应用能源主要还是煤和石油 燃气输送技术

15、发生了重大的突破 然而以至于在离气源地 160 公里 的地方 因 而 伴生气通常烧掉由于管线技术的进一步发展1927年至 1931年 每一个系统都配备了直 径约为 51 厘米 的管道 在二战之后更长的管线 十九世纪七十 年代初 例如全长 5470公里§2.2.2 LNG的船舶运输LNG 从六十年代开始商业化至今已有三十多年的历史液化成本比二十年前降低了 50%ʹLNG 船舶运输在国际天然气贸易总量中比例已上升到 25%1995年世界 LNG 的贸易量为 7500万吨 运输量为 1700亿吨海量 完成这一运输量的船 队由 99艘船只组成 进口接受端有 39个世界上

16、 LNG 船队已有 104艘组成LNG 的船舶运输更将蓬勃发展§2.2.3 LNG船LNG 船是指将 LNG 从液化厂运往接收站的专用船舶在该船舶的设计中对易挥发 /易燃物的处理 目前 135,000m3是较常见的尺寸 LNG 船的使用 寿命一般为 35年 -40年变成液态 便于储存和运 输§2.3 广东 LNG 接收站和输气干线项目简介 4§2.3.1 项目背景广东经济增长较快 能源自给率低为解决这一矛盾和优化能源结构 同时 电力需求增长迅速 改善电力 结构南海天然气在数量和时间上难以满足广东经济发展的需要1998年底 1999年底国家正式批 准广东 LNG 试

17、点工程总体项目一期工程立项以及配套新建 电厂 广东 LNG 接收站和输气干线项目是其 中项目之一 接收站和至各用户门站的输气干线和支干线§2.3.3 初步建设计划广东 LNG 接收站和输气干线项目一期规模 300万吨 /年 二 期规模达 500万吨 /年(1 接收站接收站位于深圳市东部大鹏湾东岸秤头角二期再增加一座约 10万立方米的储罐支干线共长 78.8公里年总输气量约 82亿立方米 , 包括南海 15亿立方米天然气投资估算和资金来源本项目为中外合资项目 中国海油 33%另港 灯和中华煤气各 3%ÏîÄ¿ºÏÓ&

18、#170;¹«Ë¾½«×÷ΪLNG 的总买方购买 LNG ½ÓÊÕÕ¾ºÍÊäÆø¸ÉÏßÒ»ÆÚ×ÜͶ×ÊÔ¼51 亿元人民币资本金 30%由参股各方自有资金注入第三章 LNG船及其发展§3.1 LNG船

19、建造技术发展 简史天然气有两种 含甲烷 90%以上甲烷含量较前一种少包括乙烷 其次含有少量的氮硫化氢等甲烷然而液化技术才开始应用于开采的天然气LNG储存在有 3.5%镍合金做成的 4个储液仓内这表明 3.5%的镍合金钢材的延展性过低由于设计建造制冷技术及管理的难度较高研究工作停滞了 10多年由于美国路易斯安那州的天然气产量日益丰富尤其当时一些大牧场急需得到天然气作为冬天取暖的燃料 并于 1952年认真作了大量的水上运输液化甲烷的试验工作将液化天然气运到芝加哥的航线船上竖放着 5个圆柱形的液货柜 美国康司脱公司和英国北 泰晤士气体公司联合进行 LNG 海上运输 的大规模可行性试验命名为 号 随后

20、 英国壳牌公司联合康司脱运输公司成立一个技术 力量和资金更为雄厚的肯契 国际甲烷技术有限公司 肯契甲烷服务 公司 这家公司接受英国协会共同投资 命名为 和 400 m 3在康司脱公司前导工程取得进展的同时 为 了从阿尔及利亚运送天然气到英国 甲烷运输 经过 研究因此改装了一艘旧的自由轮通过试验得出结论 1962年法国的一个气体子公司订购了一艘 2550 m3容量的 号这艘船的建造成功是圆柱形 9%镍合金液舱结构的先驱57各种新的液舱结构型式不断被发展和采用§3.2 LNG船液舱形式根据 LNG 的运输特点设计的液舱§3.2.1 独立舱型式所谓独立舱就是指船体与液舱的结构是分

21、别独立的 , 独立舱设置在船体的中央 区 液舱热膨胀造成的变形不会直接影响船体所以绝热材料不直接受货重影响 因此 要求支承结构须有足够的强度和绝热性能 从保护船 体的角度考虑1964年的 LNG 海上商业运输就是采用了设有完全屏壁的方形独立舱的 LNG 船 实现运输的 为了提高货运的经济效益现在全球半数的 LNG 船均采用这种独立式球形舱液货的所有重量是通过液舱板材的膜 应力来承受的 球形壳体是利用圆筒形的支承结构固定在船体上 液舱的热膨胀变形可通过裙围的挠曲自然吸收液舱内壁覆盖金属薄膜薄膜的作用是防止液货的泄漏液货的重量直接经由绝热材料作用于船体 绝热结构不仅拥有隔热 性能Gaz Trans

22、port方式Gaz Transport 方式就是采用殷钢 作为液舱主屏壁所以无需考虑热膨胀措施次屏壁与主屏壁的作用材料相同Gaz Transport方式由 60年代开发 System No-82以来已作了各种改进现在以实际应用的是 System No-96ʹÕô·¢Á¿´ïµ½ÁË0.15%/日 采用 金属双头螺栓 /联接器系绑方式提高施工效率以提高结构的可靠性陆用的薄膜液舱液采用类似的方法防止热膨胀因此也可采用波纹以外形状 即使是波纹 结构其尺寸也是各

23、异的 最初的 MarkÒòÓû§¶ÔµÍÕô·¢Á¿µÄÒªÇóµÄÌصãÊÇ´ÎÆÁ±ÚÓÐ3²ã年在小型 LNG船上得到应用135000m3Mark所以极大 的减轻了LNG船的重量现在由GTT

24、公司统一管理其基本设想是 绝热材料用强化泡沫塑料 据 最 新 报 道§3.3液化天然气 船动力推进装置现状 LNG 船诞生之日起这是因为蒸汽透平装置可有效得利用液化天然气的蒸发气体 从而推动透平产生动力受热蒸发是不可避免的远低于柴油机装置的效率目前世界上正在建造和营运的LNG 船几乎都是蒸汽透平装置就是最好的佐证广东 LNG 项目也不例外随着液舱绝缘技术的改进BOG 其蒸发气体的数量已远不足以满足船舶推进的需求这样蒸汽透平装置热能转换的低效性就显得十分的突出高效和实用的推进方案近期法国大西洋船厂为法国燃气公司建造的 74000M 3的 LNG 船下一章将全面探讨第四章 LNG船动力装

25、置类型的比较§4.1 LNG船不同类型动力装置的应用§4.1.1前言 自从第一代液化天然气 船诞生起主要原因是蒸汽透平推进装置中的锅炉提供了一种简捷的利用 液态天然气的挥发气作为燃料的方式 LNGÊÇÒº»¯ÌìÈ»ÆøÔËÊ䴬װÔØΨһµÄ»õÎï

26、ΪÁ˳ä·ÖÀûÓÃÄÜÔ´²¢²»ÎÛȾ´óÆø¶èÐÔÆøÌå·¢ÉúÆ÷µÈÓÃ×÷ȼ

27、ÁÏÔÚLNG 船运领域即如何进一步降低船运费用本节围绕降低运输费用的问题应用以及相互间的优劣点并到目前为止仍占主导地位从而简便的达到利用挥 发气体中所含的能量的目的 BOG²ÕÄÚ²úÉú´óÁ¿µÄ»Ó·¢ÆøÌåÊÇͨ¹ý×ÔÈ»&

28、#213;ô·¢¶ø»ñµÃÕâÒâζ×ÅÕâЩÕôÆû±ØÐëͨ¹ý¹ýÁ¿ÕôÆûÀäÄýÆ÷À´&

29、#207;ûºÄµô×÷Ϊ¹ø¯ȼÁϵĻӷ¢ÆøÌåµÄ¹©¸øÒ²ÓпÉÄÜÂú×ã²»ÁË&

30、#186;½ÐÐʱÕôÆû²úÁ¿µÄÐèÇóËùÒÔÕôÆû͸ƽÍƽø×°Öÿ´ÆðÀ´ÀûÓÃ&

31、#193;˻ӷ¢ÆøÌåÄÜÁ¿Í¬Ê±ÔËÊäЧÂÊÔ½µÍLNG 船技术发展重点之一就是致力于进一 步降低挥发率 这意味着保留在货舱内的货物将尽 可能的多 即至锅炉的挥发气体供给率能根 据锅炉操作的要求 这一系统大大减少了通过过量蒸 汽冷凝器的能量浪费蒸汽透平动力装置仍在推进装置中占主导地位当然 燃

32、油消耗不是评估船舶营运经济性的唯一因素 , 其经济性 评判的标准较为复杂 影响 LNG 船营运经济性的主要因 素有货舱最优化的挥发率燃油和挥发气 的价格差 3从船舶推进装置的观点来看降低推进所需的燃气因而下列动力推进装置得到了发展与应用 双燃料低速和中速柴油机 方案 2电力推进方案 燃用 HFO 或双燃料混合型 并提供对转螺旋桨 5 中速柴油机众所周知 柴油机推进装置是最主要的动力形式 而且在可靠性等技术方面得到不断改善 和长足的进步美国等技术先进国家一直在开发带有高压气体喷射系统的两 冲程低速双燃料柴油机因而高压 DFD 柴油机由于具有较高的热效率和功率比从燃用 HFO 的柴油机转换到高压

33、DFD 柴油机气体喷射控制设备和操纵油系统等一些主要的柴油机制造厂才成功的完成了台架试验有时这种双燃料柴油机又称燃 气柴油机又研制成功了燃用天然气的中速柴油机使该装置具有较低的有害废气排 放水平 延长了检修周期石油平台从燃用重油的中速柴油机转变到双燃料机也只需较小的改动有二种混合空气和天然气的方法 在气阀关闭后就像高压双燃料低速柴油机那样空气和天然气是在汽缸外 形成混合的虽然中速双燃料柴油机技术已相当成熟 但在保守 的 LNG 船运领域仍要求作更深入的调查和研究 还要针对整 个机器装置的配置§4.1.3.2挥发气体再液化系统与 燃 油 价 格 相 比 那么传统的柴油机和 BOG 再液

34、化系统相结合的方案将是提高 LNG 船总操作效率的最佳解决 方案之一 既能利用柴油机的良好的经济性和可靠性通过再液化装置将所有的挥发气体保留在货舱内因此再液化系统船用化只是一个良好的设想该装置的可靠性§4.1.3.3混合型系统 混合系统是由传统的带双燃料锅炉的透平推进装置和带对转螺旋桨 的 燃用重油的主柴油机组成 而后螺旋桨由 主柴油机驱动这一方案要比其他方案复杂的多 CRPÓ봫ͳµÄLNG 船推进系统相 比 因而较为节能由于 LNG 工业较为保守包括系统的可靠性和初投资的可行性表 4-1是不同类型

35、 LNG 船动力推进装置在组成 初投资和燃料消耗率 及排放等方面的比较很难判定哪个方案就是未 来 LNG 船推进系统的最佳选择 除了技术发展因素 外 船的尺寸大小表 4-2是各推进系统型式最新情况的归纳柴油机已被证明是现代推进的主导形式仍采用保守的蒸汽推进的方案该 LNG 项目中 运输船的数量船速与推进系统的发展是紧密相联的上海交通大学硕士学位论文 LNG船动力装置总体设计 14表 4-1液化天然气船推进装置的比较10Table 1 Comparison of main propulsion plants for LNG carrier推进装置 蒸汽透平双燃料柴油机柴油机 +再液化装置气体混合

36、循环装置 的 组 成BOGFO 低压透平高压透平 减速齿轮箱BOG 高压管路 付锅炉 至货舱FOBOG减速齿轮箱 燃气透平废气经济器蒸汽透平 优点可靠性高正常航行时可燃用 100% 的 BOG低油耗 BOG 可被柴油机燃用 低油耗机舱和货舱完全独立必须提供点火用的燃油BOG+HFOBOG+HFO HFO BOG or GASOIL8730上海交通大学硕士学位论文 LNG船动力装置总体设计 表 4-2是各个方案最新情况Table 2 latest information for different patterns 目前进展的 程度 组陆 用 和 石 油 平台用发电机组再 液 化 装 置 船用的

37、可靠性2高压天然气 供给管路系 统的可靠性 1µÍѹȼÆøµÄ¹©¸ø高压气体压缩机和高压燃气供给管路3船 用 再 液化 装 置 的可 靠 性 和经 济 性 的发展2应用于蒸汽 透平的 CRP 的可靠性的 开发上海交通大学硕士学位论文 LNG船动力装置总体设计§4.2 LNG船不同动力推进装置的经济性评价§4.2.1前言随着人类环保意识的觉醒 , 人们越来越注重环境的保护京都协 议 无不是在这一大背景下的大手笔在我国南方的广东其气源

38、将来自海外而这些液化天然气船将采用何种动力装置始终是人们所关注的一个问题多角度分析 希望能对 LNG 船的动力推进装置的选择提供一些有益的建议双燃料两冲程双燃料两冲程双燃料柴油机已能利用天然气与液态燃料的混合物作动力而且可以有不同的混合比 应用双燃料柴油机的电力推进也凸现出一些特点 列举 5种 LNG 船舶的推进方 案 BOG Òò¶øÒ²¾Í¼õÉÙÁ˳£¹æȼÁÏ

39、81;ÄʹÓÃÁ¿所有的举例都是基于 135,000 m3舱容 推进功率 为 21MW表 4-3推进系统的方案方案 主机 PTO 推进功率 辅机基本 蒸汽透平 无 26,200 kW 两台 2,900 kW蒸汽 定距桨 燃用蒸发 透平发电机BOG 2,900 kW的燃用轻 所产生的蒸汽推动透平1 一台两冲程的 9K80MC-C-Gl 2,400 kW 32,490 kW 三台 2,750 kW燃用 双燃料的柴油机直接与定距桨相联可燃烧天燃气 轻柴油的柴油机和重油2b 两台两冲程的 7S60MC-C-Gl 双 无 31,57

40、0 kW 三台 2,750 kW燃用 燃料的柴油机每台主机直接与一个变距桨相联上海交通大学硕士学位论文 LNG船动力装置总体设计3a 电力推进装置燃用天燃气和重油的混合物包括两台分别通过减速齿轮箱与定距桨相联的推进电机3b 电力推进装置所产生的电力供给船上的电站ȼÓÍÏûºÄ»¬ÓÍÏûºÄµÈ°üÀ¨Ç°ÃæÈý&

41、#184;öÒòËØ¿É¿¿ÐÔʵ¼ÊʹÓõľ-Ñé§4.2.3.1初投资表 2是不同方案在初投资方面的比较值把设备安装和启动的费用包含进去而低速柴油机安装的简便性已反映在其动力装置的初投资上表 4-4初投资比较基本方案 1方案 2a方案 2b方案 3a方案 3b方案机器设备 65.6 48.9 45.3 43.4 68.2 78.4安装

42、+启动 34.4 22.9 34.4 34.4 45.9 45.9 费用总费用 100 71.8 79.7 77.8 114.1 124.3上海交通大学硕士学位论文 LNG船动力装置总体设计§4.2.3.2燃油消耗众所周知 BOG¾Ý×ÊÁϽéÉÜ¿ÕÆø45 0C在压载状态下因而 蒸发气体越少考虑到船只每年必须通过不同的区域 一 般平均蒸发量可取 0.084%ÓëÀÏ´¬Ï

43、à±ÈÒâζ×ÅÐèȼÓͶîÍâµÄÏûºÄÁ¿Óë¹ø¯ + 蒸汽透平方案相 比 使得现今 LNG 船的推进装置采用柴 油机的方案更具有合理性 HFO+MDOÒ²ÊÇÒÔÕô

44、98;û͸ƽµÄ·½°¸Îª±È½ÏµÄ»ù´¡µÍËÙÁ½³å³Ì²ñÓÍ»úµÄȼÓÍ·ÑÓÃ

45、15;îµÍÊÇ·½°¸2b 两冲程双燃料柴油机的 224.2%µ«ÕôÆû͸ƽ¹¤×÷¿É¿¿Æäά»¤±£Ñø·ÑÓÃÔÚÕâÒ&

46、#187;ÏîÖÐÊÇ×î±ãÒ˵ĸ߰ºµÄµçÁ¦°²×°·ÑºÍ½Ï¶àÊýÁ¿µÄËijå³ÌÖ&

47、#208;ËÙ»ú¼°ÆäÏàÓ¦¶àµÄÆû¸×Êý由于有较多的汽缸在方案 2a 和 2b 之间 就像 2b 中的 主机没有 PTO ÒÔÂú×ãµçÁ¦µÄÐèÇó表 4-6维护保养费基本方案 1方案 2a方案 2b

48、方案 3a方案 3b方案所需费用 0.3 1.0 1.3 1.6 3.0 3.0占初投资的比例相对比例 100 307 395 490 913 895§4.2.3.4 滑油耗量和其它零星费用表 4-7反映了不同推进装置中的滑油每年的费用以及诸如锅炉水的添加 剂等额外的费用 柴油机是最昂贵的表 4-7滑油费用+其它基本方案 1方案 2a方案 2b方案 3a方案 3b方案 所需费用 0.1 1.3 1.5 1.5 0.9 0.8占初投资的比例相对比例 100 1054 1206 1176 685 672§4.2.3.5 总的运作成本总的运作费用包括燃油 +维护保养 +滑油 +其

49、它 两冲 程的方案是最经济的方案初投资和运作费用的净值的总数应加入到船 的总寿命中 已假定整个 25年寿命里 2%的年通货膨胀率和 5%的 年利率 等同于一个 17.3的因子从表中可清楚的看出 BOGÊÇ×î¾-¼ÃµÄÕâÈýÖÖ·½°¸±Ë´Ë¼äµÄ²îÒìÊÇ&

50、#183;dz£Ð¡µÄÀýÈç°²×°µÄ¿É¿¿ÐÔ½ÓÏÂÀ´¾ÍÊÇË«»úÐ͵ķ½°¸其他方面的分析比较§4.2.4.1 安装

51、的安全性这里主要应考虑需提供气体给推进装置的安装型式在气体管路的安装方面有着相对的优点对于设备的安全来讲 但目前 的技术水平已允许使用这些完全成熟的而且充分实验过的系统 当使 用高压气体 时 且此时高压气体管的 最大直径只有 50mm´¬²°ÄܼÌÐøº½ÐеÄÄÜÁ¦¶Ô»úÆ÷µÄά

52、08;Þ±£ÑøÈç¹ûÆäÖÐһ̨Ö÷»úÍêȫʧЧÈçÖáϵ»òÂÝÐý½°Ê§Ð§µÈ而方案

53、 1仅仅只有一台主机 那么系统可通过 PTH 系统 驱动螺旋桨的转动与齿轮箱相联的发电机此时充当电动机POWER TAKE OFF功率输出系统这将使得船能以 11节航行在蒸汽装置严重失效时 进 而不可能在港口装卸货时完成维修保养这一不利因素虽然是可以容忍 仍然是一个较 明显的不足 实际使用的经验直至今日只有有限数量的双燃料柴油机运用在这种类型的船上如 FPSO Ö±½ÓȼÉÕ´ÓÓ;®Åç³öµ

54、6;¸ßѹÌìÈ»ÆøȼÓøßѹºÍµÍѹµÄÌìÈ»Æø对于双燃料二冲程柴油机自 1994年以来 , 一直运行良好AESA 在为 Knuten 和 Statoil 公司建造的穿梭油轮上已有了双燃料 柴油机应用的新业绩 几家著名公司正在研制可燃用易挥发的有机物 和天然气

55、的 柴油机小结上述讨论分析的各种因素 也有船厂方面的认识新的双燃料的柴油机对于传统的蒸汽透平的推进方案 来 说对于那些正在选择的船舶来说 见图 4-1另外 对 LNG 船图 4-12台二冲程柴油机+PTO+CPP 方案的概要图 第五章 蒸汽动力装置组成与热力循环§5.1.船舶蒸汽轮机动力装置的发展概况在船舶动力中在 19世纪末 机械制造的技术水平已发展到相当 的高度 1883年瑞典工程师拉伐尔 发 明了第一台工业冲动式汽轮机功率为 7.36 kW ͸ƽÄáÑDz¢Ô

56、18;Ì©ÎîÊ¿ºÓÉϽøÐÐÁËÊÔÑé该艇排水 量为 44.5吨 世界为之轰动无畏号 功率为 16912 kW由于汽轮机这种旋转式发动机的明显优点 国外 舰船蒸汽动力在第二次世界大战后发展极为迅速 提高经济 性实际上 它已成为舰用推进装置的主要 类型 各主要海军国家分别致力于发展自己的舰用汽轮机航空燃气轮机舰用化改装取得成功 但 是 现役水面大目前 超大型远洋商船中有运用蒸汽动力推进正逐渐

57、淡出商船领域蒸汽动力推进却是一枝独绣LNG ÕôÆû͸ƽװÖþÍÒÑÔÚLNG 船推进装置中占主导地位§ 5.2 船舶汽轮机动力装置的特点汽轮机是利用蒸汽的热能来作功的热力发动机然后再以高速度的气流作用在转动的叶片上汽轮机本身没有往复运动的部件 12 单 机功率大汽轮机的单机功率最大 在汽轮机 中蒸汽的流速很高 因此有大的单 机功率2紧凑 寿命长它没有曲柄 -连杆机构和进零件种类少 同时因而工作过程

58、连续 工作转数较高尺寸小 工作时很平稳检修间隔长 燃 用廉价劣质燃料汽轮机动力装置提供蒸汽工质的蒸汽锅炉可以燃烧廉价的劣质燃料 更显示了它的优越性4LNGÓÉÓÚ´¢ÔËLNG 是在 -1620C 的极低温条件下 货舱内会有液态天然气的挥发气而且气态的体积约是液态时的 600多倍 必 须及时的将挥发气排放货气 产生过热蒸汽 目前液化 天然气运输船的动力装置都无一例外的采用蒸汽透平的模式 据最新 报道§ 5.3 蒸汽轮机装置的组成汽轮机推进装置包括四大件 汽轮机 减速箱及轴系 等1在汽包的下半部和水筒中盛着

59、水 两者前后有水管束相连产生的热烟气流过水管束 受 热量也就不同 并沿受热较少的 后水管束下降至水锅 就形成了水循 环 饱和蒸汽由汽包再引入过热器锅炉烟气出口还装有空气预热器提高燃烧效率 在空气预热器前装设经济器充分利用烟气中的余热上海交通大学硕士学位论文 LNG船动力装置总体设计 2锅炉主要特性指标锅炉的特性指标是指表征锅炉的热力特性经济性安全性 蒸汽质量等特性的指标主要有蒸汽参数蒸发量锅炉效率 蒸发量 受 热面热负荷和炉膛容积热负荷等3 锅炉基本类型简介蒸汽锅炉根据水和水蒸气在蒸发受热面中的流动可分为自然循环式水 管锅炉和强制循环式锅炉 I 自然循环式水锅炉a 自然循环式水锅炉基本工作原理

60、蒸汽锅炉是一个高温高压热交换器为使受热面的金属不过热 水管锅炉受热面管子必须用工质来冷却 如果在水冷壁和蒸发管束受 热面中的炉水或汽水混合物是由于它们之间密度不同 而使炉水和汽水混合物沿着一定的方向流动则称之为自然循环式水锅炉13图 5-1 D形水管锅炉的工作示意图Fig. 5-1 sketh of D type boiler 简图如图 5-2 D 型锅炉的主要结构特点是存在直立的对流汽鼓和水鼓差不多位于同一直立平面内 D 所以得名工作性能比较完善同时可满足不同蒸发量的要求使得该种锅炉广泛用作蒸汽动力装置的主锅炉D 型水管锅炉的基本组成及其工作原理 II¹øÂ&#

61、175;µÄ¹¤×÷ѹÁ¦Óú¸ß¹ø¯Õô·¢ÃæÖеÄ×ÔÈ»Ñ-»·¾ÍÓúÄÑÐγÉÆûË®&

62、#177;ÈÖزîΪÁãÕâʱֻÄÜÒÀ¿¿Íâ½çµÄ¶¯Á¦ÆÈʹÊÜÈÈÃæÖеŤÖÊ&

63、#193;÷¶¯Æ乤×÷Ô-ÀíʾÒâͼÈçͼ5-4Ö±Á÷¹ø¯ºÍ¶à´ÎÇ¿ÖÆÑ-»·¹ø¯¸&#

64、248;Ë®´Ó¹Ü×ÓµÄÒ»¶Ë½øÈëÔÚÒ»´ÎÁ÷¶¯ÖÐÕô·¢ºÍ¹ýÈȹý³Ì¼ò³ÆÇ&#

65、191;ÖÆÑ-»·¹ø¯ 技术发展目前 大多是 D 型锅炉结构也越来越紧凑a. 效率提高 便于机舱布置便于维修保养使烟气流向畅通d. 管路布置简洁化 节省空间§ 5.3.2 汽轮机工作原理蒸汽透平的工作原理是基本蒸汽热能的应用 即蒸汽透平 当具有一定压力和温度的蒸汽连续不断的通过汽轮机时 蒸汽 压力和温度降低蒸汽的热能转变为动能 从喷嘴出 来的高速蒸汽进入由动叶 2组成的动叶珊汽道中 给叶片一 作用力 从而带动从动机械作功蒸汽的动能被转换成机轴转动的机械能2µ±Æ

66、;ûÂÖ»úµÄתËÙ½µµÍʱÓÉÓÚÂÖÖÜËٶȾø¶ÔÅÅÆûËÙ¶Èc 2在轮周方向的投影 c 2u为u 0-u 蒸汽 状态不变 则 c 1=c 10=常数而 c 1u =c

67、 1u0=常 数 汽轮机中的蒸汽的流速就不同 Ru u c c gGR c c g G R P M u u u u e +=+= ( 0020121R 为汽轮机叶轮的平均半径当 u 趋于 0时 当u=u 0 +u1u0+u2u0时 e eeen MwMN =30(5.2M 和 ne之间为直线关系 技术发展汽轮机技术经过一百多年的发展 现今汽轮机 的设计和构造一般具有如下特点且为级内高可控式布置b. 操作范围内的节流损失降到最小c. 部件模块化 维修用线图来表示热循环中的机械指明工质的流动方向和顺序等 根据热线图可以进行热平衡计算热线图可根据不同特征分类可以是回 热式或非回热式分为单级和多级预热

68、的热线图可分为最简单的热线图16§ 5.4.2 典型热线图图 5-9所示是一船舶汽轮机的热线图图 5-9与图 5-10基本相似 简单说明一下系统主锅炉由沸腾炉床和锅炉组成 约 13Mpa,5000C µÚ¶þ¼¶¹ýÈÈÆ÷³ö¿ÚµÄÕôÆûΪԼ3Mpa用于驱动主透平 中 压和低压透平组成 引入再热器加热后低压透平作功 冷

69、凝器内的凝水由凝水泵抽出除氧器内的给水泵抽出 再进入经济器其中 高压给水预热器 1的加热 蒸汽来自中压透平的抽汽12 第六章 广东项目 LNG 船推进装置主要设备的选择与机舱布置§6.1 主锅炉的选型选定蒸汽透平后 根据透平的需要 可基本确定锅炉所需的蒸发量约为65000kg/h 55000kg/h 62kg/cm 2,温度为 5250C 液化天然气船蒸汽锅炉的主要制造商是日本的三菱 (MITSUBISHI和川崎 (KAWASAKIÆäÖÐÈýÁâµÄÊг

70、;¡Õ¼ÓÐÂʸߴïÔ¼67% 表 6-1 三菱蒸汽锅炉市场占有率我们以三菱锅炉为主根据三菱蒸汽锅炉的选型表图 6-1是该锅炉的示意图使用寿命长 i. 结构坚固 炉膛采用焊接水冷壁结构 减少泄漏压力部件焊接成梯形结构不但结构坚固而且在受热时会在各个方向发生热膨胀Biii. 过热加热器易清洁不需要巨大的支撑结构过热加热器内部几乎不会集灰与此同时减轻了经济器的 重量 操作安全可靠i. 炉膛内的火焰稳定可靠ii. 燃烧器系统的布置是经过精心研究的iii. 垂直式可排水

71、的过热器iv. 每个燃烧器有一火焰观察孔 维护保养简单易行i. 过热器内的管子与集管的联结都是直接式的ii. 炉膛内水管为顺列布置iv. 过热器内空间较充裕4易于维修为自承重结构不会产生局部应力集中表 6-2 三菱双燃料锅炉选型表 Fig.6-1 MB-E Boiler§6.1.2 MB-E型锅炉的结构MB-E 型锅炉的主要部件主要部件由锅炉主体 蒸汽史空气加热器和燃油 /天然气双燃料燃 烧器组成 锅炉内部结构锅炉压力部件由二个锅炉筒 墙式水管集管参见图 6-3主锅炉结构示意图所有管子接头都是焊接至汽筒和水筒上 蒸发水管束成直列式布置 参见图 6-3两列蒸 发管束联结汽筒和水筒底部的

72、集管布置在炉膛壁的底部上部的前后集管联结至上升管上升管直接焊接在汽筒上18 图 6-3锅炉内部结构Fig.6-3 Construction of Boiler水筒 水筒直径约为 500mm ,在前端有人孔 该温 度控制过热减热器通过控制流过浸没在水筒中直管的蒸汽流量来调节蒸汽的 最终温度 a 不结垢b 没有热冲击c 蒸汽流量不发生变化汽筒 汽筒直径约为 765mm ,在前端有人孔用来分离所产生的饱和蒸汽换热方式为辐射和对流型参见图 6-7Ó뼯¹ÜÏຸ½ÓÖ&

73、#208;ÎÂÇøºÍµÍÎÂÇøµÄͨµÀ»¥Îª¶ÀÁ¢ÔÚ¹ýÈÈÆ÷³ö¿Ú×°ÓÐÖ÷ÕôÆû½&

74、#216;Ö¹·§ÊÇΪÁË¿ØÖƹýÈÈÕôÆûµÄζÈÓÃÓÚµ÷½Úͨ¹ý¼õÈÈÆ÷µÄÕ&

75、#244;ÆûµÄÁ÷Á¿Î¶ȽµµÍ×îÖÕ¶ÔÖ÷ÕôÆûζȽøÐе÷½ÚºÍ¿ØÖÆͼ6-6为示意图

76、 图 6-6控制过热减热系统示意图Fig.6-6 Desuperheater control system经济器经济器利用排出锅炉的高温燃气将给水在进入锅炉前进行 加热 提高锅炉热效率经济器由许多连续的间距很近的受热管组成参见图 6-7ÊÜÈȹܵIJÄÁÏΪÄ͸¯Ê´¸Ö²ÄÁÏÔòÌ¿¸Ö¹Ü²ÉÓõÄÊÇÄ͸¯Ê