基于LNG的游艇或游輪新動力探討

徐燕銘，滕憲斌

（天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院，天津 300350）

一、采用LNG作為游艇動力的背景分析

游艇是一種高級的水上娛樂設(shè)施，在發(fā)達(dá)國家，已經(jīng)風(fēng)靡，地位幾乎與家庭小轎車一樣，被人們所擁有，在我國，還處于起步發(fā)展階段，發(fā)展空間以及潛力巨大。游輪的愿意是指航行于各大洋上，定期或者定線將游客運(yùn)送至目的地的客輪。歷史上，游輪的發(fā)展因?yàn)楹娇招袠I(yè)的興起而被擱置，曾有退出歷史舞臺的危險。在今天，游輪是指航行在海洋上、專門用于旅游、休閑度假的一種客輪，應(yīng)該具有奢華、動力強(qiáng)勁、高航速、清潔等特點(diǎn)。游艇和游輪的建造主要集中在歐美等發(fā)達(dá)國家，技術(shù)也比較成熟。隨著韓國STX收購歐洲阿克爾造船廠，標(biāo)志著世界第一的造船國家開始進(jìn)軍豪華游輪的建造，我國作為世界造船大國，也應(yīng)該及早開始這方面的研究。

目前，各種類型的船舶廣泛使用重質(zhì)燃油作為動力，郵輪和游艇也不例外。重質(zhì)燃油在運(yùn)輸、貯存、使用過程中危害較大，在燃燒以后，會產(chǎn)生大量的有害氣體和雜質(zhì)，對海洋環(huán)境和大氣環(huán)境產(chǎn)生巨大污染。國際海事組織限制船用柴油機(jī)排放的Tier II標(biāo)準(zhǔn)于2011年1月起開始實(shí)施，更嚴(yán)格的Tier III標(biāo)準(zhǔn)也將于2016年開始實(shí)施，要求氮氧化物排放量比Tier I階段降低約80%。為了能夠有效的控制船舶污染物排放，船舶柴油主機(jī)的廠商，如MANB＆W和蘇爾壽已經(jīng)開發(fā)出采用氣體作為燃料的主機(jī)，而且將LNG作為船用燃料的技術(shù)和操作可行性已在挪威得到驗(yàn)證。目前，采用LNG作為燃料的船舶不斷問世，漸成時尚，那么將LNG燃料作為游輪或是游艇的動力也是完全可行的。

游輪相比于貨輪，因?yàn)橐袚?dān)更多人員的生活，因此它需要更加強(qiáng)勁的動力。著名的豪華郵輪瑪麗皇后2號引擎必須產(chǎn)生足夠4000人使用的電力；同時，為了橫渡大西洋只用6天的時間，它配備了世界上最大的引擎和最先進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)。對于以后建造相同情況的游輪，采用LNG作為船舶的動力，這些問題都可以解決。

天然氣是一種清潔、方便、高效的優(yōu)質(zhì)能源。據(jù)研究，在燃燒方面，使用相同數(shù)量的能源，產(chǎn)生的二氧化碳比煤減少41%，比重油減少28%，比燃料油減少24%，這對于促進(jìn)全世界范圍內(nèi)的二氧化碳排量，意義重大。目前，全球船用油每年消耗量約在1．95億噸，價格大約在1300億美元。一艘VLCC船舶采用重質(zhì)燃油，每天花費(fèi)在37000美元左右，如果采用LNG燃料，每天只需花費(fèi)32260美元，隨著世界能源危機(jī)以及環(huán)境保護(hù)形勢的日益嚴(yán)峻，燃油價格上漲是必然的，這種節(jié)省下來的成本就非?？捎^了。

圖1 船舶排放對比

二、LNG氣體優(yōu)點(diǎn)

LNG是經(jīng)過油氣田開采出來的天然氣，經(jīng)過脫水、脫酸性氣和重質(zhì)烴類，然后經(jīng)過壓縮、膨脹、液化而制成。經(jīng)過液化后的LNG，其體積只有原來的1／600，但是在使用過程中，它的熱利用率可以高達(dá)55%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原油和煤礦的熱能利用率，其主要優(yōu)勢和特點(diǎn)如下：

1．高清潔度

在進(jìn)行液化過程中，LNG去除了所有存在的雜質(zhì)，就目前而言，它當(dāng)是世界新能源中，最純凈、最環(huán)保、無污染的首選。

2．價格低廉

這些年來，石油、煤炭等礦產(chǎn)資源價格的居高不下，LNG因?yàn)槠洳删虺杀颈容^低廉，價格相對比較平穩(wěn)。與石油液化氣（LPG）相比，價格只有其61%，與柴油相比，價格只有其50%，不管作為何種用途，它都能節(jié)省一大批開支。

3．安全系數(shù)高

LNG氣態(tài)比重0．7～0．75kg／Nm3，液態(tài)比重43～470kg／m3，低位熱值35～50MJ／Kg，將它和其他幾種能源做比較，如表1，不難發(fā)現(xiàn)，它比LPG、汽柴油都更加安全。

表1 幾種常用燃料的特性比較表

4．運(yùn)輸儲藏方便

LNG經(jīng)過液化以后，體積只有原來1／600，而且是低溫常壓，在貯藏運(yùn)輸方面更具靈活性。

三、游艇機(jī)艙設(shè)計及噴射系統(tǒng)

目前，比較成熟的LNG燃燒和供給系統(tǒng)主要用于LNG運(yùn)輸船舶，還沒有在其他類型的船舶上面廣泛使用。對于液化天然氣船舶，液化天然氣的供給則要簡單很多，因?yàn)榇吧厦嬗写罅康腖NG，我們只需要將其進(jìn)行處理，以保證其可以被安全的供應(yīng)。在最近幾年里，隨著燃油價格的波動和越來越嚴(yán)格的氣體排放標(biāo)準(zhǔn)，LNG作為清潔型能源，將會被應(yīng)用于更多其他種類的船舶。

經(jīng)過液化處理后的氣體系統(tǒng)與柴油機(jī)燃燒所需要的氣體系統(tǒng)存在很多的不同之處，但是在這里，有兩種不同的解決方案提供給LNG氣體燃燒系統(tǒng)，如下圖2和圖3。其中一個系統(tǒng)通過壓縮泵供給主機(jī)高壓燃燒用的氣體，而另外一個則是經(jīng)過泵和蒸發(fā)器供給主機(jī)氣體。

LNG燃料通過泵源源不斷的提供給整個系統(tǒng)，以供使用，這個系統(tǒng)包括一臺增壓泵、高壓泵和加熱器。在將LNG壓縮到一定壓力之后，通過熱交換的方法將LNG進(jìn)一步增壓，將增壓過的高壓氣體提供給機(jī)器燃燒，增壓以后的氣體將會至少達(dá)到300bar。通過海水循環(huán)泵進(jìn)行熱交換，提高LNG的壓力，機(jī)器的缸套水或者蒸汽作為熱交換的媒介，也可以不直接使用缸套水或者蒸汽，而使用閉式海水循環(huán)泵用于加熱LNG，這樣可以有效的防止LNG在機(jī)艙的泄漏。但是這些都是在LNG運(yùn)輸船舶的基礎(chǔ)上改裝而成，對于游輪或是游艇來說，它并沒有專門用于貯藏LNG的貨艙，所以在設(shè)計過程中，機(jī)艙的布局、設(shè)計，尤其是在安全方面的設(shè)計要更加嚴(yán)謹(jǐn)。

圖2 壓縮泵送系統(tǒng)

圖3 經(jīng)過泵和蒸發(fā)器供給系統(tǒng)

首先，游輪或是游艇的機(jī)艙必須被設(shè)計成能夠安全存放氣體燃料的一個空間，也就是說，不管在任何條件下，機(jī)艙都要能夠考慮到，并且保證安全。機(jī)艙空間內(nèi)的所有燃?xì)夤苈范急仨毷┘颖Ｗo(hù)裝置，目前廣泛采用的是一種雙壁管道。同時，氣體燃料管路不能通過艙室、人員生活區(qū)、集中控制室等，通過其它空間的氣體管道必須全部被封閉。

其次，游輪或是游艇要以LNG作為燃料，通常情況下還需要加裝的主要系統(tǒng)包括LNG儲罐和氣體處理系統(tǒng)，此外還需安裝一些輔助系統(tǒng)，如通風(fēng)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、自控系統(tǒng)等。對于游輪或者游艇來說，這些是比較難的，主要在于如何布置儲罐以及其他氣體燃料系統(tǒng)的子系統(tǒng)，以及LNG在液化、儲存、運(yùn)輸時所帶來的麻煩。

采用LNG燃料作為動力來驅(qū)動主機(jī)，噴射系統(tǒng)也尤為重要，它直接關(guān)系到在整個系統(tǒng)過程中的燃燒質(zhì)量，影響推進(jìn)效率。如圖4所示，這種噴射系統(tǒng)可以由兩個燃油閥組成，F(xiàn)IVA（燃油噴射閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)）用于控制噴射氣體燃料的

形狀，ELGI（電子氣體噴射器）則用于打開和關(guān)閉燃油閥。此外，它還具有傳統(tǒng)燃油壓力增壓器，燃油壓力增壓器安有壓力傳感器用于測量在高壓側(cè)的先導(dǎo)油，這種傳感器監(jiān)測燃油閥的動作，如果在正常噴射中發(fā)現(xiàn)任何偏差，安全系統(tǒng)將不允許打開用于通過ELGI閥的控制油。在這種情況下，將不會有任何無氣體噴射。

在正常的情況下，如果燃油閥沒有故障，燃油氣閥在正確的曲柄轉(zhuǎn)角位置打開，氣體噴射進(jìn)去，直接供應(yīng)到燃燒室中。然而這樣，就會存在有部分氣體沒有燃燒，從而導(dǎo)致危險，最終通過活塞環(huán)并進(jìn)入掃氣箱。在每個循環(huán)中流入氣缸的氣體在集氣器通過檢測壓力降來檢查，通過這個系統(tǒng)，對于不正常的氣體流量，是否由于氣體噴射閥咬住或者是氣閥堵住，需要立即檢查。

圖4 氣體燃燒噴射系統(tǒng)原理圖

四、LNG動力游艇的局限性

綜上所述，對于游輪或者游艇使用LNG作為燃料，產(chǎn)生動力，無論是從技術(shù)上，效益上，還是對于減少有害氣體排放，都是完全可行的。但是就目前而言，在實(shí)際使用過程中，作為用于船舶的新型綠色能源，LNG應(yīng)用于游艇還是有一些必須要解決的條件。

第一，LNG作為船舶的燃料，會使船舶的續(xù)航能力收到影響。在存儲過程中，LNG燃料必須保存在低溫高壓的容器中，而船舶上存儲空間有限，LNG燃料的密度又是傳統(tǒng)燃油的0．5～0．6倍，在相同航程的情況下，LNG燃料需要更大、要求更加嚴(yán)格的空間體積；同時，LNG在正常情況下易燃易爆，整個燃料系統(tǒng)布置需要比傳統(tǒng)燃油更加嚴(yán)密的的空間，并且與整個機(jī)艙的其他布置保持安全距離；最后需要注意的就是LNG燃料的隔熱和汽化，為了防止過低的溫度傳導(dǎo)對船舶其他部件、空間和結(jié)構(gòu)造成損害，對整個機(jī)艙布置設(shè)計有更高的要求，這樣無形之中，就給船舶在建造過程中增加了預(yù)算，對船舶輪機(jī)人員操縱提出了更高的要求。

第二，航海沿線補(bǔ)給收到挑戰(zhàn)。發(fā)展至今，傳統(tǒng)燃油的加裝已經(jīng)十分方便，在世界各地，基本都能夠加裝到完全符合標(biāo)準(zhǔn)的燃油，但是如果采用LNG作為船舶燃料，加注方式會受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)，補(bǔ)給數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)還不是非常成熟和完善，這對于整個船舶運(yùn)行是非常不利的。目前，挪威沿海和峽灣水域已經(jīng)建成一些LNG加氣站，但是要想滿足LNG燃料船舶的供應(yīng)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，包括國內(nèi)的LNG加氣站網(wǎng)絡(luò)，仍處于規(guī)劃建設(shè)的初級階段。

采取船對船加注燃料是另外一種可行的方式，服務(wù)范圍廣，效率高，目前尚未看到有關(guān)專用LNG燃料加注船的報道，但已經(jīng)有業(yè)內(nèi)相關(guān)方面（DNV，TGE等）開始了相關(guān)船舶對船舶加注設(shè)備、接口標(biāo)準(zhǔn)等的研發(fā)工作。

［1］劉貴浙．世界兩大船用柴油機(jī)巨頭——MAN和瓦錫蘭公司發(fā)展情況［J］．船艇，2008，（16）．

［2］王傳榮．LNG船技術(shù)發(fā)展新動向［J］．船舶物資與市場，2005，（02）．