LNG船动力装置类型的比较
§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LNG 船诞生起蒸汽透平装置就在LNG船推进装置中占最主导地位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甲烷是液化天然气LNG 的主要成分是液化天然气运输船装载唯一的货物液态天然气极易蒸发为了充分利用能源并不污染大气它的挥发气体一般被船上的锅炉惰性气体发生器等用作燃料但随着双燃料柴油机技术的发展在LNG船运领域下列问题逐步被重视即如何进一步降低船运费用实现推进系统的优化以及采用先进的监测和控制系统等分析LNG船动力推进装置近年来的发展应用以及相互间的优劣点。
§4.1.2 降低运输费用
第一代LNG船采用蒸汽推进装置并到目前为止仍占主导地位是因为通过锅炉燃烧掉货舱内低温液态天然气遇热所产生的挥发气体从而简便的达到利用挥发气体中所含的能量的目的但气体挥发率BOG 是随货舱的绝缘厚度和形状而变化的舱内产生大量的挥发气体是通过自然蒸发而获得因而挥发率和挥发量不能通过机械来控制的这意味着在船正常运行状态下可能产生多余蒸汽这些蒸汽必须通过过量蒸汽冷凝器来消耗掉另一方面作为锅炉燃料的挥发气体的供给也有可能满足不了航行时蒸汽产量的需求
LNG的市场价比锅炉燃料油高得多所以蒸汽透平推进装置看起来利用了挥发气体能量但实际燃料成本费用增加了同时挥发越多运输效率越低为了降低运输成本和提高LNG的运输效率LNG船技术发展重点之一就是致力于进一步降低挥发率目前已达到每天0.15%或更低这意味着保留在货舱内的货物将尽可能的多这一趋势导致了强制蒸发系统的产生即至锅炉的挥发气体供给率能根据锅炉操作的要求通过强制蒸发器来加以控制这一系统大大减少了通过过量蒸汽冷凝器的能量浪费
虽然即使在现代LNG船上蒸汽透平动力装置仍在推进装置中占主导地位但蒸汽透平装置的热效率远低于现代柴油机推进装置的效率当然对于LNG船燃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包含许多不确定的因素影响LNG船营运经济性的主要因素有
1 货舱最优化的挥发率推进装置的燃料消耗率和操作的灵活性
2 燃油和挥发气天然气的价格差
3 强制蒸发系统及其控制系统优化
从船舶推进装置的观点来看提高LNG船的总操作经济性的基本概念为降低推进所需的燃气更好的利用燃气能量和缩短机舱长度来降低投资的方法有助于提高船的操作效率因而下列动力推进装置得到了发展与应用
1 双燃料低速和中速柴油机DFD 方案
2 带有再液化装置的柴油机方案
3 电力推进方案发电机由中速柴油机驱动燃用HFO或双燃料
4 混合型传统的蒸汽透平装置和柴油机混合型并提供对转螺旋桨CRP
5 带CRP的传统蒸汽透平装置
§4.1.3同类型动力装置特点
4.1.3.1 双燃料低速中速柴油机高压DFD机
众所周知在全世界民用海运领域柴油机推进装置是最主要的动力形式这不仅是因为柴油机有着热机中最高的效率而且在可靠性等技术方面得到不断改善和长足的进步自七十年代后期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该喷射系统是在汽缸的外面形成天然气-空气的混合物因而高压DFD柴油机有时被称作气体喷射柴油机高压DFD柴油机由于具有较高的热效率和功率比可获得与燃用重油的柴油机相等的高压缩比从燃用HFO的柴油机转换到高压DFD柴油机仅需修改气体阀气体喷射控制设备和操纵油系统等到1986年中期一些主要的柴油机制造厂才成功的完成了台架试验双燃料柴油机已在陆用工程和石油平台上使用有时这种双燃料柴油机又称燃气柴油机
自从七十年代以来又研制成功了燃用天然气的中速柴油机气体燃料实用性的增加促使这些机型的发展使该装置具有较低的有害废气排放水平降低了维护保养费用延长了检修周期中速燃气柴油机的制造厂商一开始就考虑了储油轮石油平台穿梭油轮和未来的LNG 船的需要
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在中速双燃料柴油机中有二种混合空气和天然气的方法一种是在汽缸内直接喷射低压的天然气在气阀关闭后压缩过程前另一种利用高压气体喷射就像高压双燃料低速柴油机那样
大多数陆用或海洋平台上使用的四冲程燃气柴油机空气和天然气是在汽缸外形成混合的在柴油机的进气系统内产生大量的可燃气体
虽然中速双燃料柴油机技术已相当成熟并在其他领域已早已应用但在保守的LNG船运领域仍要求作更深入的调查和研究不仅针对机器本身还要针对整个机器装置的配置如BOG系统等因为LNG船更注重于安全性和可靠性方面的考虑
§4.1.3.2挥发气体再液化系统
与燃油价格相比天然气的价格相对较高点那么传统的柴油机燃用HFO 和BOG再液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这样既能利用柴油机的良好的经济性和可靠性又可像传统的LPG船那样通过再液化装置将所有的挥发气体保留在货舱内目前运用于BOG再液化系统的部件和热循环系统都是根据陆用再液化系统的经验
因此再液化系统船用化只是一个良好的设想LNG船上的BOG再液化装置至今尚没有在实船上运用过该装置的可靠性操作性和维护保养性有待更深入的研究
§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CRP 的燃用重油的主柴油机组成对转螺旋桨的前螺旋桨由蒸汽透平驱动而后螺旋桨由主柴油机驱动从操作性和维护保养性来看这一方案要比其他方案复杂的多
§4.1.3.4带反转螺旋桨CRP 的常规蒸汽透平
这一方案由常规蒸汽透平装置和CRP系统组成与传统的LNG船推进系统相比该方案由于具有CRP系统因而较为节能
然而由于LNG工业较为保守因此CRP在蒸汽推进上的运用将作更深入的研究包括系统的可靠性和初投资的可行性。
§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从世界上“京都协议”的签署到我国
的西气东输无不是在这一大背景下的大手笔人们越来越青睐于干净无污染的燃料---天然气在我国南方的广东将建立一座大型的天然气气站其气源将来自海外同时将建造专门的液化天然气船来越洋运输这些天然气
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本文着重从经济性的评估来多方面多角度分析比较这一问题希望能对LNG船的动力推进装置的选择提供一些有益的建议
§4.2.2不同推进装置的方案实例
目前双燃料两冲程四冲程柴油机的开发与使用经验促使我们对未来的LNG船的动力推进型式作进一步考虑双燃料两冲程四冲程柴油机的推进方案比传统的蒸汽透平推进方案有着更广阔的前景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其运用的范围比运用从重油到轻柴油作燃料的柴油机要广阔的多而且可以有不同的混合比同时应用双燃料柴油机的电力推进也凸现出一些特点下面我们将对照传统的蒸汽透平方案列举5种LNG 船舶的推进方案这些方案都是利用液货舱内天然气的蒸发气体BOG 作一部分燃料的因而也就减少了常规燃料的使用量就经济性方面具有可比性
所有的举例都是基于135,000 m舱容航速为19.5节的LNG船推进功率为21MW
§4.2.3经济性的分析比较
推进方案经济性分析比较主要考虑以下方面
初投资
燃油消耗
维护保养
滑油消耗等
总的运作费用，包括前面三个因素
可靠性
推进装置的富裕度
实际使用的经验
§4.2.3.1初投资
表是不同方案在初投资方面的比较值表格中的数值表示与蒸汽透平相比的百分比把设备安装和启动的费用包含进去电力推进的方案显然缺乏吸引力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它的初投资明显低于其他竞争对象
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+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
§4.2.3.2 燃油消耗
众所周知提高液货舱的绝缘厚度可有效地减少蒸发气体BOG 的数量据资料介绍在设计状态下空气45°海水32 °最大的蒸发量每天是舱容的0.127 % 在压载状态下这一数据将减少到原来的45%
因而对双燃料动力装置蒸发气体越少燃油就消耗得越多
考虑到船只每年必须通过不同的区域因而会有不同的环境温度一般平均蒸发量可取0.084%
这一蒸发量的减少量与老船相比对于推进装置来说意味着需燃油额外的消耗量尤其是对长距离的航程来说与锅炉+ 蒸汽透平方案相比很显然柴油机具有高效率的优点使得现今LNG船的推进装置采用柴油机的方案更具有合理性
表4-5反映了不同推进装置方案的燃料HFO+MDO 的费用也是以蒸汽透平的方案为比较的基础
表4-5 燃料耗费比较
基本方案1方案2a方案2b方案3a 方案3b 方案
所需费用11.4 5.2 5.2 5.1 5.7 9.6
占初投资的比例
相对耗费100 45.8 45.3 44.6 50.3 84.6
正如所预料的低速两冲程柴油机的燃油费用最低而蒸汽透平每年的燃料费最高是方案2b两冲程双燃料柴油机的224.2%
§4.2.3.3 维护保养
尽管蒸汽透平的维护保养要求有技能较高的专门人才但蒸汽透平工作可靠易损件少其维护保养费用在这一项中是最便宜的而电力推进系统在这一项比较中处于不利的地位高昂的电力安装费和较多数量的四冲程中速机及其相应多的汽缸数使得其维护保养和备件数的费用远远高于两冲程柴油机
由于有较多的汽缸因而两冲程柴油机的维护保养费用也高于基本型在方案2a和2b之间维护保养费用的差异是由辅机引起的就像2b中的主机没有PTO 因而在其航行中至少有一台辅机必须在工作以满足电力的需求
下面将列表4-6反映维护保养费用的相对值
表4-6 维护保养费
基本方案1方案2a方案2b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. 4 其他方面的分析比较
§4.2.4.1 安装的安全性
这里主要应考虑需提供气体给推进装置的安装型式对于燃用低压气体的蒸汽透平和柴油机的方案来说在气体管路的安装方面有着相对的优点低成本及潜在的气体泄漏的风险相对较低
对于设备的安全来讲使用高压气体的系统包含着较大的风险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所以当使用高压气体200-350bar 时已不具有很高的风险且此时高压气体管的最大直径只有50mm
§4.2.4.2 推进的富裕度
所谓推进富裕度是评估推进装置在严重失效的情况下船舶能继续航行的能力推进的富裕度包括在港口装卸货物时对机器的维修保养举双轴系的例子—如方案2a,2b,3a和3b—毫无疑问具有非常突出的富裕度如果其中一台主机完全失效或平时不太可能发生的情况突然出现如轴系或螺旋桨失效等船舶仍有能力维持至少15节的航速
而方案1仅仅只有一台主机如果这台主机失效那么系统可通过PTH系统POWER TAKE HOME 功率回输系统驱动螺旋桨的转动即主机通过一离合器和螺旋桨脱离与齿轮箱相联的发电机此时充当电动机通过一安装在PTO系统POWER TAKE OFF功率输出系统上的增速齿轮箱组来驱动螺旋桨这将使得船能以11节航行
对于常规方案在蒸汽装置严重失效时船将完全丧失操作能力进而不可能在港口装卸货时完成维修保养但由于透平装置和2个锅炉具有较大的可靠性这一不利因素虽然是可以容忍但与其他方案相比仍然是一个较明显的不足
§4.2.5 实际使用的经验
直至今日实际上几乎所有的LNG船都采用蒸汽透平作为主推进装置只有有限数量的双燃料柴油机运用在这种类型的船上以天然气为燃料的柴油机的应用主要在海上平台部门和陆用电力电站如
海上石油平台FPSO 采用大功率柴油机直接燃烧从油井喷出的高
压天然气
少数陆用的联合发电装置燃用高压和低压的天然气，对于双燃料二冲程柴油机在日本千叶县有一台12K80MC-Gl 柴油机燃用重油和天然气的混合物自1994年以来,一直运行良好。另外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此外几家著名公司正在研制可燃用易挥发的有机物VOC 和天然气的柴油机。