LNG船推進裝置對比分析

宋 丹，郭 強

（1.曼恩動力設(shè)備（上海）有限公司，上海 201203；2.陜西省交通廳航運管理局，陜西 西安 710003）

LNG船推進裝置對比分析

宋 丹1，郭 強2

（1.曼恩動力設(shè)備（上海）有限公司，上海 201203；2.陜西省交通廳航運管理局，陜西 西安 710003）

以174000m3液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）船為例，對LNG船采用雙燃料發(fā)動機時采用何種推進裝置最為經(jīng)濟進行研究。從推進裝置的初投資成本和運營成本的角度出發(fā)，對比分析現(xiàn)代 LNG船廣泛采用的2種推進方式（機械推進和電力推進）在使用雙燃料機時的經(jīng)濟性，為船舶設(shè)計院及船東設(shè)計和建造LNG船提供參考。通過研究發(fā)現(xiàn)：二沖程雙燃料機械推進裝置在推進效率、運營成本和初投資成本方面均優(yōu)于四沖程雙燃料電力推進裝置。

液化天然氣船；雙燃料機；運營成本；初投資成本

0 引 言

隨著人們的海洋環(huán)境保護意識不斷增強，一些國家和地區(qū)針對某些特定的海域相應(yīng)地制定出一系列船舶柴油機排放方面的法規(guī)，比如波羅的海地區(qū)的硫氧化物控制區(qū)和北美的氮氧化物控制區(qū)等。

與傳統(tǒng)的柴油和重油相比，天然氣作為一種清潔能源得到了全球的普遍認可。世界上首艘LNG船為“Forerunner Suehiro Maru 8”號[1]，總?cè)莘e只有150m3；第2艘LNG船為27400m3容積的“Methane Princess”號，于1964年投入運營，采用蒸汽透平推進裝置[2]。在此后的很長一段時間內(nèi)，LNG船都采用蒸汽透平推進裝置。

由于蒸汽透平推進裝置的效率較低，因此目前建造的LNG船已很少采用這種推進裝置。隨著各大柴油機廠商相繼推出雙燃料機，雙燃料二沖程機械推進和雙燃料四沖程電力推進已成為LNG船推進裝置的首選方式。這里以某174000m3LNG船為例，對比分析雙燃料二沖程機械推進裝置與雙燃料四沖程電力推進裝置的經(jīng)濟性。

1 不同推進裝置分析

1.1 船型參數(shù)

該174000m3LNG船的船型參數(shù)見表1。LNG船在不同航線上的航行狀態(tài)會所有不同，但大致可分為8種（見表2）。

表1 某174000m3LNG船的船型參數(shù)

表2 LNG船航行狀態(tài)

1.2 雙燃料二沖程機械推進裝置分析

根據(jù)“1.1”節(jié)中給出的參數(shù)，考慮到機械軸系推進效率的損失為1%，單臺二沖程雙燃料機的推進功率為12650kW。因此，主機選型為2臺MAN的5G70ME-C9.5-GI，SMCR為12650kW×70.6r/min。發(fā)電機組為3臺6L35/44DF，功率為12700kW。具體二沖程機械推進裝置配置示意見圖1。

LNG船在航行過程中，其貨艙中的LNG會產(chǎn)生揮發(fā)氣[3]（Boil Off Gas, BOG），若不及時進行處理，會使貨艙壓力升高而產(chǎn)生危險。BOG的處理方式[4]主要有：

1 ) 通過再液化裝置再液化后送回貨艙中儲存；

2 ) 經(jīng)過處理后輸送給船用設(shè)備（如雙燃料主機、雙燃料發(fā)電機組及雙燃料鍋爐等）作為燃料使用；

3 ) 通過燃燒裝置燒掉。

具體選擇何種處理方式需根據(jù)船舶的運行特點、燃油/燃氣使用的比例及BOG生成量等因素來決定。

由于所研究的船型較大，BOG的生成量較多，因此采用將BOG通過壓縮機加壓后輸送給雙燃料主機和發(fā)電機組使用的處理方式，同時增加一個供氣單元保證可將處理后的LNG供給主機和發(fā)電機組使用[5]，具體供氣系統(tǒng)配置圖見圖2。

由于LNG的揮發(fā)率在船舶滿載和空載狀態(tài)下是不同的，因此BOG的生成量在船舶不同狀態(tài)下也不相同。同時，船舶在不同狀態(tài)下航行時，主機和發(fā)電機組的輸出功率及對BOG的消耗量也是不同的。該船BOG具體的供需情況見表3。

由表3可知：當(dāng)船舶在滿載狀態(tài)下慢速航行時（如過巴拿馬運河時），其BOG生成量遠大于雙燃料主機與發(fā)電機組的總需求量，由于船上沒有安裝再液化裝置，因此剩余的BOG需通過燃燒裝置消耗掉；而當(dāng)船舶壓載航行時，貨艙中殘留的LNG生成的BOG無法滿足雙燃料主機和發(fā)電機的需求。采用雙燃料二沖程機械推進裝置船舶全船的電功率消耗見表4。

表3 采用雙燃料二沖程機械推進裝置船舶的BOG供需情況

表4 采用雙燃料二沖程機械推進裝置船舶全船的電功率消耗 kW

1.3 雙燃料四沖程電力推進裝置分析

根據(jù)“1.1”節(jié)中給出的參數(shù)，考慮到電力推進的效率損失約為12.4%[6]，單槳需提供的推進功率為14296kW，總推進功率為28592kW。因此，主機選型為4臺MAN的9L51/60DF，總功率為36000kW。具體四沖程電力推進裝置配置示意見圖3。由于四沖程推進裝置的單位燃料消耗高于二沖程推進裝置，當(dāng)船舶滿載航行時貨艙內(nèi)的BOG不能滿足雙燃料機的需求，因此對于雙燃料四沖程電力推進裝置，通常不安裝再液化裝置。BOG的供需情況見表5。

表5 采用雙燃料四沖程電力推進裝置船舶的BOG供需情況

由表5可知：當(dāng)船舶滿載和壓載航行時，BOG的生成量不能滿足電力推進裝置的需求，需額外使用燃油來補充或使用強制揮發(fā)裝置生成額外的BOG。采用雙燃料四沖程電力推進裝置船舶全船的電功率消耗見表6。

表6 采用雙燃料四沖程電力推進裝置船舶全船的電功率消耗 kW

2 2種推進裝置的經(jīng)濟性比較

MAN是世界領(lǐng)先的船用柴油機設(shè)計及制造廠商，已成功研發(fā)出二沖程雙燃料機和四沖程雙燃料機。雙燃料機在使用燃氣時，需用少量的點火油來引燃氣缸內(nèi)的天然氣。二沖程雙燃料機點火油的比例為3%，當(dāng)主機負荷＜10%時，主機無法使用燃氣，主機控制系統(tǒng)會自動切換到燃油模式。四沖程雙燃料機點火油的比例為1%。不同種類燃料的價格及低熱值見表7。

表7 不同種類燃料的價格及低熱值

2.1 運營成本比較

從MAN的官方網(wǎng)站中得到雙燃料機在不同負荷下的燃料消耗，對各數(shù)據(jù)進行整理，結(jié)果見表8。

表8 雙燃料機在不同負荷下的燃料消耗值

對于運營成本的比較，除了考慮燃料的消耗之外，還要考慮滑油消耗、維修保養(yǎng)成本及更換備件的成本等。

二沖程機汽缸油的消耗量為0.6g/(kW·h)，系統(tǒng)油消耗量為6.5kg/(缸/d)；四沖程機滑油消耗量為0.5g/(kW·h)。

根據(jù)MAN的售后維修服務(wù)經(jīng)驗，對于二沖程雙燃料機，其每年的維修保養(yǎng)成本約為11美元/kW；對于四沖程雙燃料機，其每年的維修保養(yǎng)成本約為25美元/kW，最高可達45美元/kW。

綜上，可得到二沖程雙燃料機機械推進與四沖程雙燃料機電力推進的運營成本比較見圖4。

2.2 初投資成本比較

對于174000m3LNG船推進裝置的選取，還需對每種推進方式的投資建造成本進行比較分析。通過向MAN公司及推進裝置相關(guān)輔助設(shè)備廠商詢價，統(tǒng)計得出2種推進方式的建造成本見表9。

表9 2種推進方式的建造成本比較 100萬美元

3 結(jié) 語

通過對174000m3LNG船的二沖程雙燃料機械推進裝置和四沖程雙燃料電力推進裝置的運營成本及初投資成本進行分析比較，可得出：

1 ) MAN二沖程雙燃料機配合固定螺距螺旋槳具有較高的推進效率；

2 ) 二沖程雙燃料機械推進裝置的運營成本相對較低；

3 ) 二沖程雙燃料機械推進裝置的初投資成本相對較低。

綜合分析比較運營成本、初投資成本及推進效率可得出，二沖程雙燃料機械推進裝置對于大型 LNG船而言比較經(jīng)濟，已被越來越多的船東所采用。

[1] 彭巖，朱玉崧.LNG船舶推進裝置對比分析[J].世界海運，2008, 31 (2): 36-37.

[2] 張則松，王言英.LNG運輸船船型淺析[J].船舶工程，2003, 25 (4): 25-30.

[3] 蔣瑋，朱新禮.液化天然氣作為船用燃料的可行性研究[J].船舶與海洋工程，2013, (3): 74-78.

[4] MAN.ME-GI Dual Fuel MAN Engines [EB/OL].Copenhagen, MAN, 2003.http://marine.man.eu/two-stroke/technical-papers.

[5] 唐浩.雙燃料發(fā)動機燃氣供給系統(tǒng)設(shè)計[J].船舶與海洋工程，2014 (4): 43-49.

[6] MAN.Propulsion Trends in LNG Carrier [EB/OL].Copenhagen, MAN, 2011.http://marine.man.eu/two-stroke/technical-papers.

Analysis and Comparison of Main Propulsion Units for LNG Carrier

SONG Dan1，GUO Qiang2

（1.MAN Diesel & Turbo Shanghai Office, Shanghai 201203, China; 2.Shaanxi Provincial Transport Department, Xi’an 710003, China）

Based on a 174000m3Liquefied Natural Gas (LNG) carrier, this paper studies the functions of propulsion units to find out the most efficient one for the dual fuel engine of LNG carriers.It compares and analyses the efficiency of two popular modern propulsion forms for the dual fuel engines of LNG carrier, i.e.mechanical propulsion and electrical propulsion, with the initial investment cost and operational cost into consideration to provide references for the design and construction of LNG carriers.The result shows that the two-stroke dual fuel mechanical propulsion unit has more advantages over the four-stroke dual fuel electrical propulsion unit in terms of propulsion efficiency, operational cost and initial cost.

LNG carrier; dual fuel engine; operation cost; initial investment cost

U664.3

A

2095-4069 (2017) 04-0043-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.009

2016-08-01

宋丹，男，助理工程師，1984年生。2009年畢業(yè)于大連海事大學(xué)，現(xiàn)從事船舶柴油機技術(shù)支持工作。