大型LNG船推進(jìn)型式研究

丁 舉

（中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七○八研究所 上海200011）

0 引 言

天然氣資源豐富，在21世紀(jì)天然氣的產(chǎn)量和消費(fèi)量將要超過(guò)煤炭和石油而躍居世界能源的首位。從事液化天然氣運(yùn)輸?shù)拇氨环Q為L(zhǎng)NG船。LNG船推進(jìn)裝置所采用的主蒸汽透平和雙燃料鍋爐與普通的液貨船有極大的不同。

大型LNG船，指Q-flex型LNG船，其貨艙載貨容積要達(dá)到20萬(wàn)立方米以上。本文對(duì)適合于大型LNG船的推進(jìn)型式進(jìn)行了分析研究和模型試驗(yàn)研究，包括單槳推進(jìn)和雙槳推進(jìn)的分析比較、雙槳推進(jìn)方式下的實(shí)船航速預(yù)報(bào)、雙槳內(nèi)旋和外旋的對(duì)比模型試驗(yàn)、內(nèi)旋操縱性模型試驗(yàn)研究等，對(duì)用于LNG船舶的不同類型的推進(jìn)裝置進(jìn)行了比較分析。目標(biāo)船的推進(jìn)型式最后選定雙槳內(nèi)旋推進(jìn)方式，選用常規(guī)槳配雙低速柴油機(jī)聯(lián)合再液化裝置［1，2］。

1 船型介紹

隨著LNG船的大型化，更大的艙容通過(guò)增加船寬和船長(zhǎng)來(lái)提供，而不是通過(guò)增加吃水來(lái)提供。從LNG船船級(jí)表1可見(jiàn)，最大吃水是12 m，這是由于港口條件限制。淺吃水的船體需要采用雙尾鰭線型和雙槳推進(jìn)。

目標(biāo)船型的船體要素如下：

表1 LNG船船級(jí)表

2 單槳推進(jìn)和雙槳推進(jìn)的比較

2.1 單槳推進(jìn)和雙槳推進(jìn)的航速比較

認(rèn)為船體阻力相同，在單槳推進(jìn)方式時(shí)螺旋槳收到功率Pd1取27 000 kW，在雙槳推進(jìn)方式時(shí)單只螺旋槳收到功率Pd2取13 500 kW，計(jì)算對(duì)應(yīng)的螺旋槳參數(shù)和敞水性能等。從表2可見(jiàn)，單槳推進(jìn)的螺旋槳直徑D比雙槳推進(jìn)大16.7%，敞水效率η0低8.7%，航速Vs低0.5 kn。目標(biāo)船型設(shè)計(jì)吃水T=12 m，則單槳推進(jìn)時(shí)直徑吃水比D/T高達(dá)75.8%，D過(guò)大。在同樣的航速下，比較單槳推進(jìn)和雙槳推進(jìn)的負(fù)荷系數(shù)Kt/J2，單槳比雙槳增加47%。在單槳推進(jìn)方式下，螺旋槳直徑更大，負(fù)荷更大，會(huì)導(dǎo)致螺旋槳空泡和脈動(dòng)壓力性能惡化。事實(shí)上，現(xiàn)有的Q-flex型LNG船均采用雙槳推進(jìn)方式。根據(jù)現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)資料，與單槳推進(jìn)船型相比，雙尾鰭船型雙槳推進(jìn)方式可減少9%左右的功率需求。綜上，選擇雙槳推進(jìn)作為目標(biāo)船型的推進(jìn)方式。

表2 單槳推進(jìn)和雙槳推進(jìn)的性能比較

2.2 雙槳推進(jìn)方式下只用單槳推進(jìn)的實(shí)船航速預(yù)報(bào)

雙槳推進(jìn)方式下，如果其中的一只槳或?qū)?yīng)主機(jī)發(fā)生故障，只能利用另一只槳推進(jìn)，此時(shí)的實(shí)船航速能達(dá)多少也是值得關(guān)心的。根據(jù)MAN B&W Diesel提供的低速柴油機(jī)主機(jī)功率曲線圖（見(jiàn)圖1）［3］，單槳推進(jìn)時(shí)對(duì)應(yīng)的功率限制值是98%Load，轉(zhuǎn)速限制值是96.3%Speed，以及70%Load、84.2%Speed連成的一條曲線。而螺旋槳在低于70%功率、84.2%轉(zhuǎn)速處運(yùn)行肯定沒(méi)有問(wèn)題。

圖1 雙槳船主機(jī)功率曲線圖

根據(jù)模型自航試驗(yàn)結(jié)果，主機(jī)的MCR（額定功率）是18 250 kW，軸系效率0.99，轉(zhuǎn)速是91 r/min，不考慮海上裕度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。單槳推進(jìn)，另外一槳自由旋轉(zhuǎn)工況下，航速14.15 kn對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速裕度有1.38 r/min；航速16 kn對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速裕度有0.37 r/min，轉(zhuǎn)速裕度很小?？紤]到模型試驗(yàn)等各種誤差，預(yù)報(bào)單槳推進(jìn)的航速是15 kn，此時(shí)推進(jìn)螺旋槳轉(zhuǎn)速是82.9 r/min。如果有海上風(fēng)浪、污底等因素導(dǎo)致船體阻力增加，則螺旋槳轉(zhuǎn)速降低，收到功率也降低，導(dǎo)致船速也降低到15 kn以下。

3 內(nèi)旋和外旋的比較

3.1 快速性能

對(duì)內(nèi)旋和外旋的快速性能進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。在設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下，內(nèi)旋航速19.63 kn，外旋航速只有19.19 kn，內(nèi)旋比外旋高0.44 kn，達(dá)2.2%。一般而言雙尾鰭船會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向外的預(yù)旋流，內(nèi)旋槳旋向與預(yù)旋流方向相反，可回收船后水流旋轉(zhuǎn)能量，故內(nèi)旋槳推進(jìn)效率高。根據(jù)自航試驗(yàn)結(jié)果，19.5 kn對(duì)應(yīng)的內(nèi)旋槳推進(jìn)效率ηd=0.793，而外旋槳ηd=0.725，相差9.4%。從快速性能考慮，內(nèi)旋槳效率高，優(yōu)勢(shì)明顯。

3.2 操縱性能

LNG運(yùn)輸船為運(yùn)載危險(xiǎn)品貨物船，其航行安全性要求很高。一般而言，雙槳推進(jìn)的操縱性能優(yōu)于單槳推進(jìn)；雙槳外旋推進(jìn)的操縱性能優(yōu)于雙槳內(nèi)旋推進(jìn)的操縱性能（切向伴流為外旋方向）。對(duì)選定的雙槳內(nèi)旋推進(jìn)方式進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明操縱性能滿足IMO的標(biāo)準(zhǔn)。

表3 單槳推進(jìn)航速預(yù)報(bào)表

雙槳內(nèi)旋推進(jìn)試驗(yàn)包括滿載和壓載兩種狀態(tài)，每種狀態(tài)均進(jìn)行以下試驗(yàn)：

（1）回轉(zhuǎn)試驗(yàn)：舵角 δ=±35°；

（2）Z形試驗(yàn)：

10°/10°，-10/-10°，20°/20°，-20°/-20°；

（3）緊急制動(dòng)試驗(yàn)；

（4）螺旋（線）試驗(yàn)；

（5）初始回轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

某一螺旋槳出現(xiàn)故障后，利用單槳運(yùn)行，單槳操縱下，操縱性能也滿足IMO操縱性衡準(zhǔn)。

綜上，選擇雙槳內(nèi)旋作為目標(biāo)船型的推進(jìn)方式。

4 推進(jìn)裝置選型

4.1 LNG船舶不同類型推進(jìn)裝置

4.1.1 傳統(tǒng)蒸汽輪機(jī)推進(jìn)裝置

傳統(tǒng)的LNG船舶一直采用蒸汽輪機(jī)推進(jìn)裝置［4，5］。因?yàn)樗梢岳迷谶\(yùn)輸過(guò)程中液貨艙產(chǎn)生的貨物蒸發(fā)氣BOG作為雙燃料鍋爐的燃料，鍋爐燃燒產(chǎn)生蒸汽，為推進(jìn)主透平和發(fā)電透平提供動(dòng)力。一般蒸汽輪機(jī)裝置包括兩個(gè)雙燃料鍋爐，可混合燃燒重油和BOG，也可單獨(dú)燃燒重油或BOG。在船舶推進(jìn)系統(tǒng)方面，分別配置一個(gè)高壓和低壓蒸汽透平，來(lái)自鍋爐的蒸汽先在高壓蒸汽透平中膨脹做功，高壓蒸汽透平的排氣再流入低壓蒸汽透平內(nèi)繼續(xù)膨脹做功，最后進(jìn)入冷凝器冷凝為水。高、低壓蒸汽透平的動(dòng)力輸出經(jīng)由減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)一個(gè)定距槳轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)船舶運(yùn)動(dòng)。在船舶電力系統(tǒng)方面，此系統(tǒng)配置兩臺(tái)蒸汽透平和一臺(tái)或兩臺(tái)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。蒸汽輪機(jī)由于利用BOG的便利性，安全可靠，維護(hù)保養(yǎng)量低，40多年來(lái)一直被LNG船舶采用。但近年來(lái)，由于蒸汽輪機(jī)推進(jìn)裝置熱效率遠(yuǎn)低于柴油機(jī)推進(jìn)裝置，蒸汽輪機(jī)推進(jìn)裝置正在被經(jīng)濟(jì)性更好的柴油機(jī)推進(jìn)裝置所取代。

4.1.2 雙燃料電力推進(jìn)裝置

雙燃料電力推進(jìn)和發(fā)電方案的核心是多個(gè)雙燃料發(fā)電機(jī)組。這些機(jī)組的數(shù)量和功率大小主要取決于船舶噸位和速度，也與設(shè)想的船舶營(yíng)運(yùn)方案有關(guān)。該種推進(jìn)方式采用雙燃料發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電能，供給船舶推進(jìn)電動(dòng)機(jī)組，經(jīng)減速裝置減速后驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)。也可用低速電機(jī)直接帶動(dòng)螺旋槳，不需要減速齒輪箱。推進(jìn)器可采用常規(guī)定距槳，也可采用吊艙槳。

雙燃料柴油機(jī)的主要特點(diǎn)是:采用燃油和天然氣（BOG）兩種燃料，功率較大，體積小，重量輕，占LNG船艙內(nèi)空間小，有害排放物少。一艘雙燃料電力推進(jìn)LNG船舶的推進(jìn)效率大約是41%，發(fā)電裝置的效率大約是44%，而蒸汽輪機(jī)對(duì)應(yīng)的效率才有29%和25%。

液貨艙載貨容積超過(guò)20萬(wàn)立方米的大型LNG船在運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的BOG，遠(yuǎn)超過(guò)電力推進(jìn)所需，故在大型LNG船上采用雙燃料電力推進(jìn)裝置還有一些問(wèn)題沒(méi)有解決。

4.1.3 雙低速柴油機(jī)聯(lián)合再液化裝置

目前采用雙低速柴油機(jī)聯(lián)合再液化裝置的LNG船舶是雙尾鰭結(jié)構(gòu)，兩臺(tái)主機(jī)分別布置在兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)艙內(nèi)，主機(jī)通過(guò)離合器驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸和定距槳。推力軸承位于離合器內(nèi)，傳動(dòng)軸有專用的鎖緊裝置。當(dāng)一臺(tái)主機(jī)在海上或港口需要維修時(shí)，脫開(kāi)離合器，用鎖緊裝置將傳動(dòng)軸鎖緊。采用雙低速柴油機(jī)聯(lián)合再液化裝置的LNG船舶，主機(jī)可以采用傳統(tǒng)的二沖程低速柴油機(jī)和性能更為優(yōu)越的智能柴油機(jī)。與蒸汽輪機(jī)30%左右的熱效率相比，柴油機(jī)的熱效率高得多，達(dá)50%左右，相應(yīng)的CO2排放量更少。目前在造的LNG船舶大部分采用的是MAN B&W公司的ME系列主機(jī)，而再液化裝置采用的是總部位于英國(guó)的漢姆沃斯公司的MOSS型再液化裝置。

4.1.4 燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)聯(lián)合電力推進(jìn)裝置

燃?xì)廨啓C(jī)可以方便地利用LNG的BOG，隨著LNG船舶需求量大增，一些燃?xì)廨啓C(jī)公司紛紛提出了LNG船舶燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)方案。其中有代表性的是美國(guó)通用電器公司提出的采用LM2500型燃?xì)廨啓C(jī)的COGES方案，即燃蒸聯(lián)合電力推進(jìn)裝置。系統(tǒng)包括兩臺(tái)簡(jiǎn)單循環(huán)LM2500燃?xì)廨啓C(jī)，以LNG的BOG或者重油為燃料，各驅(qū)動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)，為驅(qū)動(dòng)螺旋槳的兩臺(tái)電機(jī)和其他用電設(shè)備供應(yīng)電力，電機(jī)通過(guò)減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)螺旋槳。燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣各進(jìn)入一個(gè)廢氣鍋爐產(chǎn)生蒸汽，所產(chǎn)生的蒸汽為一臺(tái)蒸汽輪機(jī)提供動(dòng)力，蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)也為推進(jìn)電機(jī)和其他用電設(shè)備供電。

COGES系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是能縮短發(fā)動(dòng)機(jī)室的長(zhǎng)度，燃?xì)廨啓C(jī)安裝所需空間小。為避免機(jī)艙有可燃天然氣的存在，燃?xì)廨啓C(jī)布置在居住甲板上。COGES系統(tǒng)具有燃料靈活性，可以燃用重燃油、蒸發(fā)氣或兩者的結(jié)合。

4.2 LNG船舶推進(jìn)裝置的比較及選型結(jié)果

與蒸汽輪機(jī)相比，上面介紹的其他幾種LNG船舶推進(jìn)動(dòng)力裝置都具有各自的優(yōu)點(diǎn)。很明顯，蒸汽輪機(jī)不再是常規(guī)或者大型LNG船舶推進(jìn)裝置的最合適選擇，雙燃料電力推進(jìn)裝置和雙低速柴油機(jī)聯(lián)合再液化裝置具有更好的營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性。鑒于LNG船在航行過(guò)程中將不可避免地產(chǎn)生BOG，因此，無(wú)論是鍋爐汽輪機(jī)裝置、柴油機(jī)裝置，還是燃?xì)廨啓C(jī)裝置都應(yīng)該優(yōu)先使用BOG作為主燃料。對(duì)于一定航線一定船型的LNG船而言，選擇推進(jìn)裝置時(shí)要考慮可靠性、冗余度、操縱性能、排放性和營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性等基本要求。

在當(dāng)前低排放綠色船舶的要求下，采用雙燃料電力推進(jìn)方式更有發(fā)展前景，不過(guò)在大型LNG船上采用雙燃料電力推進(jìn)裝置，目前尚有一些問(wèn)題沒(méi)有解決。

初步選擇雙低速柴油機(jī)聯(lián)合再液化裝置，低速柴油機(jī)型號(hào)為HHM-MAN B&W 6S70ME-C8 Tier II。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)大型LNG船的船型作了簡(jiǎn)介，對(duì)適合于大型LNG船的推進(jìn)型式進(jìn)行了分析研究和模型試驗(yàn)研究，對(duì)用于LNG船舶的不同類型的推進(jìn)裝置進(jìn)行了比較分析。目標(biāo)船的推進(jìn)型式最后選定雙槳內(nèi)旋推進(jìn)方式，選用常規(guī)槳配雙低速柴油機(jī)聯(lián)合再液化裝置。

本項(xiàng)目在研究過(guò)程中，得到了嚴(yán)利民、宋吉衛(wèi)、陳紅梅和劉小健等同志的大力支持，在此深表感謝。

［1］大型LNG船推進(jìn)型式研究報(bào)告［R］.七○八研究所，2007 K24161-001-03-10，2010.

［2］LNG船螺旋槳設(shè)計(jì)研究報(bào)告［R］.七○八研究所，2007 K24161-001-03-11，2010.

［3］Two-stroke Propulsion Trends in LNG Carriers［R］.MAN Diesel A/S，Copenhagen，Denmark，2010.

［4］黃飛.LNG船推進(jìn)系統(tǒng)的幾種方案［J］.航海技術(shù)，2006，（1）：52-54.

［5］劉雅玲，張道志.液化天然氣船推進(jìn)裝置分析及探討［J］.船舶，2007，18（1）：34-42.