燃氣輪機在LNG運輸船上的應用

劉成波，劉運新，張運秋，李博洋

（1. 山東海運股份有限公司安技部，山東青島 266034；2. 青島遠洋船員職業(yè)學院，山東青島 266071）

燃氣輪機在LNG運輸船上的應用

劉成波1，劉運新2，張運秋2，李博洋2

（1. 山東海運股份有限公司安技部，山東青島 266034；2. 青島遠洋船員職業(yè)學院，山東青島 266071）

介紹了燃氣輪機的發(fā)展概況和工作原理，與柴油機動力裝置和蒸汽輪機動力裝置進行對比分析了燃氣輪機的技術特點和優(yōu)勢，提出了當前LNG運輸船燃氣輪機存在的技術問題，總結了燃氣輪機在LNG運輸船上的應用現狀及發(fā)展趨勢。

燃氣輪機 LNG運輸船 柴油機

1 燃氣輪機的發(fā)展歷史和工作原理

1.1 發(fā)展歷史

上世紀六十年代初，美國軍艦歷史上開創(chuàng)了先河—采用燃氣輪機作為艦船的動力裝置，把通用電氣公司的J79航空渦輪噴氣發(fā)動機改裝為編號LM1500燃氣輪機，用于炮艇的動力裝置。近年來，隨著技術的發(fā)展和優(yōu)化，采用燃氣輪機作為水面艦艇的主要動力裝置已漸成趨勢，不過受各種因素的影響，燃氣輪機相對柴油機而言，在商船的應用為數不多。

但近些年這種情況得到了很大的改善，燃氣輪機在商船上的應用逐漸增加，這源于逐步出臺的國際公約法規(guī)提高了對動力裝置排放的要求，以及快速發(fā)展的船舶燃氣輪機技術。除此之外，燃氣輪機也成了LNG船舶的動力選擇。當前，采用較多的燃氣輪機是LM2500，如圖1所示。

1.2 工作原理

燃氣輪機是一種以連續(xù)流動的氣體為工質，把熱能轉換為機械功的旋轉式動力機械。如圖2所示的燃氣輪機工作原理，燃氣輪機的工作程序為：壓氣機不間斷地從大氣中吸入空氣，然后經壓縮了的空氣進入燃燒室，和噴入其中的燃料混合后燃燒，成為高溫燃氣，之后進入燃氣渦輪中膨脹做功來推動渦輪葉輪帶動壓氣機葉輪一起旋轉，對外輸出機械能。

圖1 LM2500燃氣輪機

2 燃氣輪機的技術特點和優(yōu)勢

到目前為止，世界上大部分商船的動力裝置主要以柴油機為主，與其相比，采用燃氣輪機作為動力裝置的船舶有如下優(yōu)點：

圖2 燃氣輪機原理圖

1）降低硫氧化物、氮氧化物的排放

船用柴油機需要加裝復雜且昂貴的脫硫脫硝凈化等裝置才能達到新規(guī)則的要求，船用燃氣輪機的技術包括：變幾何燃燒室技術、分級燃燒室技術、貧油預混合預蒸發(fā)燃燒技術、催化燃燒技術、直接噴射燃燒室技術、可變駐留時間燃燒室技術、富油燃燒快速淬熄貧油燃燒室等高效低污染燃燒技術。這些技術的使用能夠降低有害氣體的排放，符合環(huán)保標準的要求。氮氧化物的排放在聯合循環(huán)系統中能夠降低至0.32 g/kw-hr，低于即將生效的Tier Ⅲ最低標準NOx＜ 2 g/kw-hr，與此同時，使用燃氣輪機的LNG 船舶的硫氧化物排放量為零。

2）重量輕，體積小

燃氣輪機采用箱裝體結構，體積小，結構緊湊，方便布置船舶機艙，可以節(jié)省更多空間進行貨物運輸。此外大部分燃氣輪機采用輕質材料，其重量和體積是同等功率的柴油機的25%-35%。

3）振動小，噪音低，運行平穩(wěn)

燃氣輪機為高速旋轉機械，工作時低頻振動小，極大地減少了噪音的產生，使得機艙工作環(huán)境以及船員生活環(huán)境都得到了改善。此外，柴油動力裝置會破壞薄膜型LNG船的貨艙，振動較小的燃氣輪機LNG船則可避免這一點。

4）提高系統經濟性：潤滑油消耗量低，保養(yǎng)工作量少

燃氣輪機的滑油消耗量普遍較低，和柴油機相比要小一個數量級。比如LM2500燃氣輪機的最大滑油消耗率約0.9 kg/h，平均滑油消耗率僅有0.09 kg/h。模塊化是現代燃氣輪機的設計特點，這就會方便拆裝和更換部件。此外，維修周期的延長是燃氣輪機設計的另一優(yōu)勢，如采用LM2500，可在使用LNG燃料的條件下，滿負荷安全運行25 000小時以上。以30 MW COGES動力裝置與柴油機動力裝置相比，每年能節(jié)省出的運行費用達147萬美元，見圖3。此外，燃氣輪機的修理可以在機艙內進行，也可以通過排氣管道直接吊出，在陸地上進行修理，維修方案靈活，可選擇余地大。

圖3 燃氣輪機成本優(yōu)勢

5）初期投資費用低

初期投資在動力裝置方面的費用包括船舶主機、輔助系統及含底座在內的安裝費用。如果對柴油機和燃氣輪機的功率都要求在10～20 MW以內，兩者的推進系統的投資費用基本相同；而功率要求在20 MW以上時，燃氣輪機的初期投資費用低于柴油機。并且，為了滿足未來排放法規(guī)的要求，柴油機動力裝置還需要安裝費用昂貴的排氣后處理裝置，這些都無疑提高了柴油機船舶的建造成本。

6）單機功率大，功率重量比大，起動速性能好

對于大功率燃氣輪機，備車時間短，起動加速性好，從冷態(tài)起動至全速工況時，柴油機往往需要幾個小時，而燃氣輪機僅只要2 min左右的時間。

3 船舶燃氣輪機存在的技術問題

燃氣輪機作為LNG船的動力裝置，其優(yōu)點如上所述，但它也存在許多技術問題：

1）在變工況時壓氣機性能變差，燃氣初溫降低，導致船舶燃氣輪機變工況時經濟性差

上述問題可采取壓氣機可轉導葉、低負荷設計、變幾何動力渦輪等措施適當解決，同時壓氣機中間冷卻和回熱循環(huán)方案也起到了降低燃氣輪機在部分工況時燃油消耗的作用。

2）船舶燃氣輪機動力裝置的倒車需要復雜的傳動裝置

相比柴油機，燃氣輪機不能反轉，船舶倒車就必須依靠倒車齒輪箱、可逆轉液力耦合器、電力傳動裝置或變距漿等方式。

3）船舶燃氣輪機需要大尺寸的進排氣裝置

燃氣輪機氣體流量很大，因此只有大尺寸的進、排氣裝置設計才能保證進、排氣裝置中的較小的流動阻力損失。這樣不僅要占據船舶后甲板的有效空間，而且在甲板上開孔較大對船舶強度也會產生一定影響。

4）船舶燃氣輪機的翻修壽命較短

燃氣輪機的翻修后壽命較柴油機、蒸汽輪機短很多，這主要與燃氣輪機的熱負荷高、動負荷大、低溫和高溫腐蝕等有關。但通過新型的冷卻方式可以使這一問題得到了較大的改善。

5）管理人員稀缺

目前的大多數船舶公司管理員和船員只對柴油機的維護比較熟悉，缺乏對燃氣輪機的相關知識，如果有類似的船舶，需要花較大的人力物力來培養(yǎng)管理人員。

4 燃氣輪機在LNG船舶上的應用及發(fā)展

到目前為止，世界范圍內大約有300艘LNG船的動力采用蒸汽輪機，還有100多艘LNG船采用柴油機作為動力裝置。

現在燃氣輪機越來越受到LNG船舶的歡迎，多家船廠和船級社正在考慮采用這種方案。比如，美國通用公司、大連船舶重工和勞氏船級社正在進行一個合作項目，建造一個以GE燃氣輪機為基礎的聯合燃氣輪機電力和蒸汽（COGES）系統?？刹捎玫膭恿ρb置的情況如下：

1）燃氣輪機發(fā)電機組

燃氣輪機電力驅動系統由于體積小可縮短發(fā)動機室的長度，其發(fā)電機組可置于機艙上部的箱裝箱內，主推進電動機的配電設備和控制設備可裝在發(fā)動機室的頂部，而齒輪推進電動機則布置在底部。如圖4所示，這種布置的優(yōu)點是機械處所空間減小，能在給定的船舶尺寸內達到最大的貨艙容積。如此就解決了LNG船貨諸如貨物密度小需要更大艙容的問題。

圖4 燃氣輪機在LNG船的布置3D圖

2）采用COGES裝置

載貨艙容50000 m3的大型LNG船，大功率的燃氣輪機的排氣溫度較高，含有大量熱能。可采用COGES系統（即燃氣輪機和汽輪機聯合的綜合電力驅動系統）來提高熱效率，如圖5所示。

在COGES系統中，燃氣輪機驅動發(fā)電機發(fā)電的工質是LNG 蒸發(fā)氣或燃料油，產生的高溫廢氣排入廢氣鍋爐，廢氣鍋爐產生的蒸汽先驅動汽輪機發(fā)電，然后再供給機艙其他設備或加熱艙柜。雙燃料內燃機采用LNG 蒸發(fā)氣或燃料油驅動發(fā)電機發(fā)電。三臺發(fā)電機共同向船舶總電網供電，以供給推進裝置和滿足全船電力需求。燃蒸聯合循環(huán)的效率約為45%～50%。使用低壓蒸汽時，COGES系統的能量利用率高達80%左右，比效率較低的LNG船蒸汽輪機有較大的優(yōu)勢。

圖5 COGES系統

3）采用MT30航改型燃氣輪機

該機型是由羅斯羅伊斯研制的航改型船舶燃氣輪機，是航空Trent派生的一種三轉子發(fā)動機，被殼牌航運技術公司推薦作為下一代LNG船的主動力裝置。

MT30的額定功率為36 MW，熱效率為40%，環(huán)形燃燒室能滿足目前和未來的NOx、SOx和CO2相關排放標準。當前，勞氏船級社已完成了該系統用于250000 m3LNG船的認證。

4）采用SGT-500重型工業(yè)燃氣輪機

SGT-500（額定功率為17 MW）是Simens公司研制的一種雙燃料發(fā)動機，既能利用液體燃料重油來運行，也能利用蒸發(fā)氣運行。目前COGES已經被卡塔爾天然氣公司指定作為其下一代LNG船優(yōu)先選用的推進系統，Simens公司也已經為上述LNG船項目進行了投標。

隨著燃氣輪機技術的不斷發(fā)展和進步，燃氣輪機的聯合裝置將是LNG船在主動力裝置選擇上的新方向和新趨勢。

5 結語

愈來愈多的海域施行排放限制，海事領域限排條款要求越來越嚴格，排放控制區(qū)(ECAs) 逐漸增多，促使LNG船原有的蒸汽動力裝置和柴油機動力裝置不斷完善改進以滿足新的要求，而燃氣輪機獨有的環(huán)保、成本和設計布局等方面的優(yōu)勢將會占領一席之地，并且與其它類型動力機械的聯合使用，使得船用燃氣輪機的性能不斷提高，潛力將得到進一步發(fā)揮，這些都為燃氣輪機在LNG船上廣泛應用奠定基礎，并且未來在LNG燃料船上也可能得到進一步的應用。

[6] 李博洋, 張運秋. 液化天然氣船貨物操作仿真器的設計與實現[J]. 中國航海, 2014, 37(3): 76-80.

[7] 李品友.液化氣體海運技術[M]. 大連: 大連海事大學, 2003.

[8] sailing on LNG [R]，“2013中國LNG船舶論壇”瓦錫蘭研究報告.

[9] 李博洋, 胡德棟. VLCC船LNG燃料儲罐的設計[J].船舶工程, 2015, 37(3), 20-24.

Application of A Gas Turbine to LNG Carrier

Liu Chengbo1, Liu Yunxin2, Zhang Yunqiu2, Li Boyang2
(1. Shandong Shipping Corporation, Qingdao 266034, Shandong, China; 2. Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, Shandong, China)

This paper introduces the development and working principle of gas turbine and analyzes the characteristics and advantages of gas turbine by comparing with fuel power and steam turbine. It raises the technical questions with the gas turbine of LNG carrier, and summarizes the application and tendency of the gas turbine of LNG carrier.

gas turbine; LNG carrier; diesel engine

TM31

A

1003-4862（2015）04-0048-03

2015-01-06

中國遠洋運輸（集團）總公司應用研究計劃項目（2013-1-H-007）

劉成波 （1974-），碩士，工程師。研究方向：船舶安全技術與船舶電氣。