LNG船電力推進船型的方案決策

傅曉紅 陸 瑋

（中國船舶工業(yè)集團公司第七○八研究所 上海200011）

0 引 言

LNG船是專門用來載運在標準大氣壓下沸點為-162℃的液化天然氣的船舶［1］。鑒于液化天然氣特殊的理化性質(zhì)，對LNG船的各方面性能要求極高。所以，LNG船被稱為是前所未有的高技術(shù)、高難度和高附加值的船舶，是一種 “海上超級冷凍車”，被喻為世界造船“皇冠上的明珠”。對LNG船而言，由于航行過程中LNG貨艙會不斷產(chǎn)生大量蒸發(fā)氣（BOG），如何合理處置這些氣態(tài)天然氣成為LNG運輸?shù)囊粋€顯著特征，這一特征甚至影響了船舶的推進動力選擇。傳統(tǒng)的LNG船大部分采用蒸汽透平推進的方式，裝載容量最大在150 000 m3左右。蒸汽透平推進方式雖然在以往的幾十年間被證明是可靠的運行方式，而且在利用BOG方面具有明顯優(yōu)勢，但是其推進效率僅約為30%。近年來，隨著全球?qū)NG的需求不斷增大，LNG運輸船的數(shù)量和單船裝載容量的需求也在增加，節(jié)省能源，降低排放，提高效率成為LNG船設(shè)計需要重點考慮的因素之一。

本文就預(yù)研中的大型LNG船雙燃料電力推進方式進行技術(shù)、經(jīng)濟性能分析，對LNG船設(shè)計中采用電力推進方式的可行性進行了探討。在要求低能耗、低排放的綠色船舶大背景下，如何將大功率電力推進應(yīng)用到運輸船上，值得我們深入探討。

1 電力推進船型的論證

1.1 技術(shù)性能分析

電力推進并不是一個新概念，早在100多年前就已經(jīng)出現(xiàn)，并在各種類型的船上得到應(yīng)用，在安全性、可靠性、冗余度、操縱性、裝置效率和環(huán)境友好方面均已得到充分驗證。但是電力推進系統(tǒng)中普通的柴油機組無法利用LNG船航行過程中液貨艙內(nèi)產(chǎn)生的BOG，只能通過氣體燃燒單元燒掉，造成能源浪費，所以電力推進系統(tǒng)一直未被LNG船采用。

隨著雙燃料發(fā)動機的成功研制和裝船使用，使得電力推進在LNG船上的使用成為可能。雙燃料發(fā)動機（Dual Fuel Engine，簡稱DF發(fā)動機）是由發(fā)電柴油機派生而來的，以LNG貨艙中蒸發(fā)的低壓天然氣作為主要燃料，船用柴油和（或）重油作為備用燃料，其發(fā)動機的結(jié)構(gòu)部件與柴油機非常相似，工作過程仍遵循柴油機的工作循環(huán)。工作效率比蒸汽透平機高許多，可以極大提高熱效率，減少燃料消耗，降低運營成本。此外，雙燃料發(fā)動機比蒸汽透平機及普通柴油機的排放物要少，NOx排放物只及相同功率柴油機的十分之一，產(chǎn)生CO2排放物也少，這主要歸功于天然氣燃料本身所具有的優(yōu)勢。

雙燃料發(fā)動機與電力推進技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的雙燃料電力推進方式，集合了兩者的優(yōu)點，與傳統(tǒng)的蒸汽透平機推進相比具有低能耗、低排放、操縱性能好、載貨空間大等突出的優(yōu)點。

1.2 動力裝置裝機功率比較

對于熱效率高于蒸汽透平推進方式的低速機推進和電力推進方式來說，雖然兩者的效率均在42%［2］左右，但是，從總裝機功率上還是有區(qū)別的。表1是預(yù)研中某LNG船采用不同推進方式所需要的裝機功率，可以看到，在艙容相同、航速相同的情況下，電力推進方案的總裝機功率要比低速機推進方案少4.7%，近2 320 kW。而且對于低速機推進來說，無法利用LNG船液貨艙中的蒸發(fā)氣，除非配置再液化裝置進行再液化處理，將液化后的天然氣輸送回液貨艙內(nèi)，否則只能在氣體燃燒裝置中將蒸發(fā)氣白白燒掉，經(jīng)濟損失很大。另外由于再液化裝置價格昂貴，很多船東傾向于不采用這種配置。

1.3 電力系統(tǒng)的可行性

由于采用電力推進方式，該LNG船的電站容量很大，對傳統(tǒng)運輸船來說是史無前例的，下面從系統(tǒng)電壓等級選擇、冗余度、短路容量、諧波限制等方面來分析電力系統(tǒng)的可行性。

表1 電力推進方案和低速機方案裝機功率比較

為滿足安全性和冗余度的要求，電力系統(tǒng)采用兩段6.6 kV主匯流排的設(shè)計，且兩個分段分別安裝在不同的艙室內(nèi)，以保證當任一匯流排出現(xiàn)故障或其所在房間發(fā)生火災(zāi)等意外情況時系統(tǒng)還能提供一半功率給電力推進設(shè)備，確保船舶的安全運行。

考慮到電站容量超過40 MW，且液貨系統(tǒng)設(shè)備普遍采用6.6 kV電制，采用6.6 kV的中壓系統(tǒng)是較為經(jīng)濟的選擇。由表2可見，在5臺發(fā)電機同時并網(wǎng)運行的情況下，6.6 kV匯流排處的最大短路電流為35 kA，而440 V匯流排處的最大短路電流為65 kA，在目前的技術(shù)條件下，主流配電系統(tǒng)供應(yīng)商均能提供相應(yīng)的配電系統(tǒng)，不存在技術(shù)難度。

表2 某大型LNG船電力系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

對于由大功率推進變頻器引起的電網(wǎng)諧波，由于在系統(tǒng)設(shè)計時就已經(jīng)采用24脈沖變頻器，據(jù)理論計算分析可知，6.6 kV和440 V匯流排處的諧波畸變率分別為3.1%和2.47%，不用增加任何濾波器就能滿足各個船級社對諧波的相關(guān)要求和規(guī)定。

1.4 推進電動機轉(zhuǎn)速分析

圖1 LNG船中速電機推進系統(tǒng)單線圖

圖1為上述大型LNG船中速電機推進系統(tǒng)單線圖，全船配置5臺雙燃料發(fā)電機組，在裝載航行工況下（裝載航行為LNG船最大運行工況），有4臺發(fā)電機投入運行，1臺備用，保證了主電源的備用要求。同時，采用24脈沖PWM（脈寬調(diào)制）變頻器對推進電機進行變頻調(diào)速控制，推進電機為同步中速電機，通過減速齒輪箱驅(qū)動定螺距槳，而雙機雙槳的配置保證了推進的冗余度。根據(jù)理論分析及船模試驗，在一個槳出現(xiàn)故障停機而無法提供推進功率的情況下，單槳運行還可以保證約70%的航速。

在預(yù)研LNG船的過程中，還對低速電力推進電機方案進行了論證，與上述中速電機推進方案比較，低速電機推進不需要減速齒輪箱，由低速電機與定螺距槳通過軸系直接連接，提高了推進效率；但是低速電機的體積龐大，重量也較中速電機多約三分之一左右，從整個系統(tǒng)的總體布置和造價來說，并不存在明顯優(yōu)勢，但是其在噪音方面的優(yōu)勢則較明顯。從使用者對經(jīng)濟性的考慮來看，目前低速電機推進系統(tǒng)昂貴的價格限制了其在LNG船上的應(yīng)用，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，在解決了成本問題后，這也不失為LNG船推進方式的一種好的選擇。

1.5 經(jīng)濟性能分析

LNG船的運營成本主要由以下幾個部分組成：燃料消耗、船舶折舊費、維護費用、船員工資（包括培訓(xùn)費用）等。其中燃料消耗所占的比例最大，采用高效的電力推進方式所帶來的經(jīng)濟效益是顯而易見的。根據(jù)相關(guān)公司的測算結(jié)果，一條應(yīng)用雙燃料電力推進的145 000 m3LNG船在中東地區(qū)和日本來回航行，較同等大小蒸汽透平機推進船每年可節(jié)省幾百萬美元。

雙燃料電力推進所擁有的幾項突出優(yōu)勢使其極具誘惑力，一些大型的天然氣開發(fā)、運輸公司看中了它未來發(fā)展的潛力，迅速作出反應(yīng)。從CLARKSONS截止至2009年11月底的統(tǒng)計中可以看出，交船期在2009年9月至2012年4月的共42艘LNG船中，就有26艘采用了雙燃料電力推進系統(tǒng)。由此可見，具有雙燃料發(fā)動機的電力推進應(yīng)用前景已被逐漸看好。

2 電力推進船型的意義

2.1 大功率電力推進的重要突破

大型LNG船所需推進功率一般都大于20 MW，有的甚至超過30 MW，這就意味著單機功率大于10 MW，如此大功率的推進電機和變頻驅(qū)動系統(tǒng)對于船用設(shè)備來說是一個很大的挑戰(zhàn)。目前，采用PWM變頻驅(qū)動技術(shù)的變頻器功率及推進電機已經(jīng)能覆蓋所有船型所需推進功率的需求，加上PWM技術(shù)能很好的控制變頻系統(tǒng)帶來的諧波污染，大功率電力推進技術(shù)已經(jīng)可以成熟應(yīng)用于LNG船。

2.2 促進運輸船電力推進船型的開發(fā)

雖然電力推進方式在操縱性、安全性、油耗、排放方面的優(yōu)勢顯而易見，但一直以來，除了在豪華郵輪及需要動力定位的船舶上曾使用，一般運輸船上極少應(yīng)用，船東多因其初次投資費用較其他推進方式昂貴而望而卻步。但在某些具有大功率電站的運輸船上，若電站功率主要用于非航行工況，就完全可能得出如表1所列的裝機功率比較，即使采用普通柴油機也有可能采用電力推進。

本船的分析為不同類型的運輸船采用電力推進技術(shù)提供了一條探索途徑。

3 目前進展情況及對未來的關(guān)注

LNG船預(yù)研是國內(nèi)首次對大型LNG船設(shè)計進行深入、全面的分析，對于LNG船采用雙燃料電力推進技術(shù)進行了論證，探索我國自主設(shè)計LNG船的技術(shù)途徑。從目前的研究情況來看，150 000 m3級的LNG船較適合采用電力推進方式，但液貨艙艙容超過200 000 m3的超大型LNG船在運輸過程中會產(chǎn)生更多的蒸發(fā)氣，遠超過電力推進所需要的功率，此類船是否應(yīng)用電力推進還值得我們進一步探討。

［1］ABS.LNG Carriers［R］.Shanghai，2005.

［2］J.F.Hansen，R.Lysebo Electric Propulsion for LNG carriers［J］.LNG Jourrd，September/October 2004：11-12.