LNG船舶推進系统的现状和未来.doc

LNG船舶推进系统的现状和未来 王晟囡 张鹏里 (大连船舶重工集团有限公司) 目前，世界上天然气通过管道以气体的形式由产地输送到消费场所的情况最普遍，但当消费地距产地很远时，通过管道运输天然气就很困难了，通过船舶运输是我们的最佳选择。 通过船舶运输天然气最经济且最普遍的方法就是液化运输。天然气在气体状态下密度较小（约0.7kg/m3），单位重量的体积大，但若在产地修建冷却液化机械装置，就可以使天然气液化，使体积减少到原来的六百分之一。液化天然气必须通过专用船只运输，目前世界上专门运输液化天然气（Liquefied Natural Gas，以下简称LNG）的船舶约有200艘。本文就现有这些LNG船的推进装置的现状和将来作个解说。 LNG船的特征 液化天然气是在常压（1个标准大气压）下，通过极低的温度(-162摄氏度)使天然气液化而成的。运输这种液化天然气的船舶都有能存储极低温度液体的、具有特殊防热措施的专用货物储藏罐。但即使这种货物储藏罐防热性能再好，总还是有部分热量从外部侵入，使得罐内部分低温液化天然气蒸发为气态。这种由于外界热侵入蒸发而成的天然气叫蒸汽天然气(Boil Of Gas，以下简称BOG)。具体BOG的产生量根据船舶的不同而不同。在满载状态下，货物储藏罐平均每天产生相当于自身容积0.1～0.2%的BOG，如果不尽快释放这些BOG，货物储藏罐的压力就会不断上升产生危险，因此BOG必须尽快安全处理。目前BOG的处理方法主要有两种，一种作为燃料加以利用，另一种是重新将其冷却液化送回到储藏罐中。到目前为止所有的LNG船，BOG几乎都作为蒸汽涡轮装置的燃料来用。 LNG船的推进装置 2.1蒸汽涡轮装置 在最近40年里，LNG船的推进系统毫无例外都是蒸汽涡轮动力装置。由于蒸汽涡轮装置所具有的高可靠性并且能够安全处理BOG，所以尽管其它船舶几乎都换成了柴油发动机，但LNG船仍然保留使用蒸汽涡轮装置。 图1 蒸汽涡轮装置的构成 图2蒸汽涡轮装置配置图 典型的蒸汽涡轮装置由Ｃ柴油和BOG分别作为燃料的两台主锅炉和蒸汽涡轮、减速机、螺旋桨构成。另外还装配了两台普通蒸汽涡轮发电机和1台柴油发电机作为电力供给(图1、图2)。BOG用于主锅炉燃烧，使蒸发的蒸汽来驱动蒸汽涡轮作为使螺旋桨旋转的动力。当燃烧BOG提供推进动力不足时，燃烧C柴油，或提取液仓中的LNG，将其加热，强制蒸发燃烧其形成的蒸汽来补充必须的动力。相反，当对于提供必须推进动力的BOG剩余时，可以把蒸发的蒸汽导向用海水冷却的复水器处理。主锅炉燃烧所必须的BOG的供给压力和其它以气体作为燃料的主机相比较，因具压力低，大约只有1帕斯卡，安全性和可靠性较高，故现航行的所有LNG船几乎都采用蒸汽涡轮作为推进机械装置。 图3 主涡轮 图3显示的是具有代表性的主涡轮2体水管类型。燃烧器自火炉的上面朝下安装，燃烧喷嘴有用Ｃ柴油和用BOG的2种。 图5显示的是具有代表性的主发动机。蒸汽涡轮由高压涡轮和低压涡轮构成，转数约3000～4000rpm。为了使螺旋桨的转数减少到100rpm，配备了大型减速器。主涡轮不需要像普通柴油发动机一样，定期打开检查燃烧室进行维修的作业，并且工作效率高，这也是采用蒸汽涡轮机械装置原因之一。 图4 主发动机 图5 各种原动机的热效率 蒸汽涡轮装置的最大问题在于机械装置的热效率不到30%。这和热效率超过50%的发动机相比逊色了很多。和其它原动机的热效率比较如图6所示，船的输出功率一般在20MW-40MW的范围之间，可以看到与其它原动力机相比，蒸汽涡轮装置热效确实低下。热效率低，二氧化碳的排放量就多，最近使全球气候变暖的二氧化碳受到人们的关注，社会对减少其排放的关心程度也会越来越高。还有从其它的船舶已经更换了发动机的事情上看，熟练的蒸汽涡轮操作人员的不足也成为了一个不利的因素。 2.2替代的推进系统 30年前，无论是油船还是货船，蒸汽涡轮装置都曾经是最普遍的推进装置。但石油危机以后，节省能源成为课题，热效率好的发动机逐步开发出来。新发动机的热效率一步步提高，目前新发动机的热效率已超过50%，这是原蒸汽涡轮装置热效率的2倍。在LNG船领域，因蒸汽涡轮具有较高的可靠性和BOG处理上的优势，柴油发动机的使用没有什么进展。可是随着最近新船的不断增加、环境的要求和熟练操作人员的不足都是进一步促进采用替代推进装置的因素。 在LNG船方面，要替代现有的蒸汽涡轮推进装置，新动力装置应具备以下几个条件: 少在“可靠性”和“安全性”方面达到与蒸汽涡轮同样程度。 于“装置效率”、“环境特性”以及“冗余性”等方面必须达到甚至优于蒸汽涡轮。 对于BOG处理的问题，必须选择“把BOG作为燃料使用”或者把BOG再液化回收到货物储藏罐”。 以下就正在开发