LNG运输船的主动力装置

第24卷第1期 2009年1月 热 能 动 力 工 程 JOURNALOFENGINEERINGFORTHERMALENERGYANDPOWER v01．24。No．1 Jan．，2009 LNG运输船的主动力装置 文章编号：1001—2060(2009)01—0(107一∞ 吴 穷1，王建丰2，王 冲1，吉桂明I (1．中国船舶重工集团公司第七O三研究所，黑龙江哈尔滨150036；2．中海石油研究中心，北京100027) 摘要：了LNG(液化天然气)运 输船(简称LNG船)的各种主动力装 置。指出，尽管目前已出现从传统的 锅炉汽轮机装置向柴油机装置转变的 这一趋势，但是，在服役的LNG船中， 锅炉汽轮机装置仍占支配地位。为了 深入研究该技术。锅炉汽轮机装置正 在不断地改进完善。随着船用燃气轮 机在军民用船舶中得到大量应用，LNG 船主动力装置方面研究有一个新的趋 势，燃气轮机为未来几代LNG船提供 了一种经济耐用、环境污染小的主动 力装置。针对LNG船的应用，简述了 锅炉汽轮机装置和燃气轮机装置的设 计要点。简单介绍并分析了二冲程低 速柴油机和双燃料柴油机及其在12qG 船上的应用。 关键词：液化天然气运输船；主动 力装置；锅炉；汽轮机；燃 气轮机；柴油机 中图分类号：U695．2 文献标识码：A 己I皇[1—2】 -J_t----1 在能源结构中，世界各国对 天然气的需要量正13益增加，因 此，LNG船在造船工业中将占有 很重要的份额。在LNG船队迅 速扩大的同时，LNG船体积也在 不断加大，新一代Q一级LNG船 成具有265000m3的装载 量。 鉴于我国对天然气的需求急 剧增加，有相关信息表明，我国将 建立自己的LNG船队，近期将建 造LNG船38艘。CSSC(中国船 舶工业集团公司)将在上海外海 的长兴岛建造世界上最大的造船 厂，在2015年建成时，将使CSSC 能够建造高技术的船舶，如旅游 船和LNG船。由沪东中华造船 (集团)公司承建的我国第一艘 LNG船已于2007年末自航进坞。 对LNG船需求的急剧增加， 加速了与之相配套的主动力装置 的开发和研制。 的锅炉汽轮机装置。 当前，在LNG船动力装置方 面已出现了一个新的趋势，未来 的LNG船体积是很大的，无论从 重量和体积看，使用锅炉汽轮机 和柴油机是有不实用之处。分析 表明，在联合循环应用中并以电 力驱动螺旋桨的燃气轮机十分适 用于大型LNG船，与柴油机比 较，空间和重量的节省十分明显， 节省下来的空间可用于装货。 1历史、现状和展望 2锅炉汽轮机装置 传统上，所有大型LNG船都 采用锅炉汽轮机装置来驱动。如 从20世纪60年代建造的第一代 LNG船就采用了锅炉汽轮机装 置，由此奠定了在锅炉中燃烧 BOG(蒸发气)的技术基础，并一 直应用至今。这种推进系统已经 极大地证明了它的可靠性，但同 其它选择相比，其热效率较 低。 目前，对于LNG船的主动力 装置已经看到从传统的锅炉汽轮 机装置转变到柴油机装置，双燃 料柴油机的开发及其应用促进了 传统观念的改变。 但锅炉汽轮机动力装置仍占 支配地位，据统计表明，目前服役 的LNG船中，尤其是El本，正在 建造中的LNG船许多都将装用 三菱重工、三井和川崎重工制造 收稿日期：2008—02—22；修订日期：20∞一if3—1l 作者简介：吴穷(1981一)。男。吉林人，中国船舶重工集团公司第七O三研究所师 1997年以来，川崎重工开发 的UA型汽轮机：29400kW的 UA400、30900kW的UA420和 36800kW的UA500，截止2004 年已有20多台安装在LNG船 上，因其振动小、噪声低、功率大 和效率高而得到船东好评。 通常，在用于LNG船的锅炉 汽轮机装置中是两台锅炉配一台 汽轮机。沪东中华造船(集团)公 司承建的我国首制二艘LNG船 的主动力装置就是采用锅炉汽轮 机装置。该船为薄膜型、舱容 147200m3、设计航速19．5节，主 动力装置由两台锅炉和一台汽轮 机组成。 2．1主锅炉L3-4】 2．1．1参数和特性 我国首制LNG船的主动力 装置购自13本，锅炉由三菱重工 万方数据 · 8 · 热能动力工程 2009年 提供，锅炉型号为MB-4E型。其 主要参数和特性为： 过热器出口蒸汽压力：6．03 MPa： 过热器出口蒸汽温度：515 oC； 蒸发量： 最大额定值：65000kg／h； 正常额定值：56000kg／h； 效率： 基于燃油高发热值：88．5％； 基于气体燃料高发热值： 84．O％： 燃料消耗： 燃油： 最大额定值：4711ks／h； 正常额定值：4067kg／h； 气体燃料： 最大额定值：3867kg／h； 正常额定值：3337kg／h。 2．1．2双燃料燃烧器 LNG船主锅炉采用重油／气 体燃料[BoG(蒸发气)]分别单烧 和混烧的燃烧器，如图1所示。 由图可见，带雾化器的燃油喷嘴 位于中心，在其周围布置有一次 旋流器、二次旋流器和气体燃料 管。 图1双燃料燃烧器 燃烧器调节比，单烧气体时 不小于7：l，单烧重油时不小于 20：l；混烧时，重油燃烧量最小不 低于2％燃烧器容量。 2．1．3设计要点 (1)过热器设计点从原来标 准的80％一90％额定负荷改变 为60％额定负荷，以避免过热器 长期在过高温度情况下运行。 (2)采用炉顶点火，可以获 得稳定的火焰、均匀的炉膛热负 荷及均匀分布的过热器入口烟气 流量。 (3)作为尾部受热面，设置 省煤器(给水预热器)代替空气预 热器。 (4)主蒸汽温度调节采用喷 水方式来代替以前的汽包内装式 减温器。它是一种可改变喷水 量、大范围调节比并具有良好减 温性能的过热减温器。 2．2主汽轮机组[5-7】 2．2．1参数和特性 我国首制LNG船主动力装 置中的主汽轮机购自日本川崎重 工，汽轮机型号为UA-400型，其 主要参数和特性为： 进口蒸汽压力：6．0MPa； 进口蒸汽温度：510oC； 最大连续额定输出功率： 27300kW； 转速： 高压汽轮机：4777r／min； 低压汽轮机：3153r／min； 冷凝器真空(在27℃海水温 度下)：95．6kava。 2．2．2设计要点 汽轮机设计的目标是高效 率、高可靠性和长寿命。 (1)采用拉塔级(带小量反 动度的压力级)提高各级叶片的 性能，达到最佳的流动状态，以便 提高效率。 (2)改进动叶顶部的围带和 密封设计，达到降低漏泄损失的 目的。 (3)在末级和次末级叶片的 进汽边上堆焊上司太立特硬质合 金，并通过疏水，把动叶顶部的轮 周速度设计成比标准轮周速度低 约20％，减少相对速度，从而减 轻疏水对动叶的侵蚀作用。 (4)利用FEM(有限元法)进 行汽轮机整体的振动分析，避免 汽轮机与螺旋桨转速引起共振。 (5)除在强度上受制约的低 压末级外，高、低压汽轮机所有动 叶顶部都装有围带，以避免叶片 的共振。 (6)为了提高效率，采用再 热循环(川崎的UR型汽轮机)， 并提高蒸汽的初参数：压力提高 到12MPa，温度达520oC。 (7)管壳式冷凝器，冷却管 是钛管，管板为镍铝黄铜，通过有 限元分析优化其结构设计。在水 室内侧粘贴3mill厚的氯丁橡 胶，保护水室免受海水腐蚀，同时 安装低碳钢的阴极保护板，保护 管板免受电离腐蚀。 锅炉汽轮机推进装置输出功 率高、可靠性高、寿命长，可以燃 用包括蒸发气的双燃料，而且维 护成本较低。其缺点是效率低， 约30％左右(采用再热可提高到 34．5％)，有害物排放量高。 3柴油机装置 3．1二冲程低速柴油机[8。10】 MANB&W6S70ME．C型二 冲程低速柴油机，在转速9lr／ min下额定输出功率为18660 kW，该型柴油机已用于4艘 216000m3的LNG船。 卡塔尔最新一代14艘最大 的容量为265000m3的Qm戤级 LNG船每艘将由两台MANB& W7S70ME．C电子控制的二冲程 低速柴油机驱动，每台发动机在 转速91r／rain下的额定输出功率 为21770kW(单缸3110kW)。 万方数据 第1期 吴穷，等：LNG运输船的主动力装置 ·9· 二冲程低速柴油机功率大、效率 高，但只能烧液体燃料，这种发动 机通常用于超大型(150000m3 以上)LNG船。 英国Hamworthy(哈姆沃西) 公司的再液化系统可将蒸发的天 然气经再液化处理后送回LNC 罐，从而使低速柴油机能以LNG 船的BOG运行。再液化技术为 大型LNG船安装高效大功率的 二冲程低速柴油机铺平了道路。 与汽轮机装置比较，采用上述发 动机推进的LNG船每年可节省 200万到500万美元。 3．2双燃料柴油机[¨13】 双燃料柴油机的主要特点 是：采用燃油和天然气(BOG)两 种燃料，功率较大，体积小，重量 轻，占LNG船舱内空间小，有害 排放物少。双燃料柴油机通常用 于驱动容量不超过155000m3的 1W船。至今，Waensilae已接受 约55台双燃料柴油机订单，用于 驱动155000m3LNG船。 4燃气轮机装置[14] 4．1燃气轮机发电机组的配置 燃气轮机电力驱动系统的一 个优势就是能缩短发动机室的长 度。燃气轮机发电 机组置于主甲板高 度的箱装体内，位 于座舱之后，如图3 所示。 用于主推进电 动机的电气开关设 备和控制设备装在 发动机室的顶部， 而齿轮推进电动机 图2双燃料柴油机电力驱动系统简图 则布置在底部。这 种布置使得机械空 迄今第一艘由燃用BOG的 Waertsilae50DF双燃料柴油机电 力系统(DFDE)驱动的LNG船一 75000m3的GazdeFranceEnergy 已于2004年末投入营运。图2 为驱动该船的DFDE系统。 BritishEmerald(英国祖母绿) LNG船装载容量达到155000 o，由DFDE系统驱动，系统的总 效率(从燃料消耗到螺旋桨轴功 率)在额定负荷时约为43％。每 艘LNG船将装备3台12缸和1 台6缸Waertsilae50DF双燃料发 动机，总的输出功率为39．9MW。 在500r／rain转速下，12V50DF的 输出功率为11400kW，6L50DF 的输出功率为5700kW，单缸功 率为950kW。 间变短，从而在给定的船舶尺寸 内达到最大的货舱容积。 图3燃气轮机在大型 LNG船上的布置 4．2 COGES系统[15】 对于在230000．265000m3 载货量范围的大型LNG船，CO． GES(燃气轮机和汽轮机联合的 综合电力推进系统)是极具吸引 力的。 在COGES系统中，燃气轮机 的排气排人余热锅炉。余热锅炉 产生的蒸汽驱动汽轮机做功。燃 蒸联合循环中的燃气轮机和汽轮 机驱动发电机。发电机生产的电 力驱动推进用电动机并向船舶总 电网供电，燃蒸联合循环的效率 约为45％一50％。在使用低压 蒸汽时，COGES系统的能量利用 率高达80％。COGES系统具有 燃料灵活性，可以燃用重燃油、蒸 发气或两者的结合。 4．3双燃料发动机【14J 燃气轮机的主燃料是蒸发 气，如果需要可由气化的LNG作 为补充，应急备用燃料为液体燃 油。双燃料MT30发动机使用24 个双通路燃料喷嘴来向燃烧室供 应两种燃料——蒸发气和柴油。 4．4防冰措施 俄罗斯具有世界上最大的天 然气储量，其大部分位于俄罗斯 的北极地区。新一代LNG船将 常年在温度低于冰点的条件下航 行。下一代LNG船如果装用燃 气轮机将要考虑进气防冰的措 施，以便保护压气机安全运行。 4．5 MT30航改型燃气轮机 壳牌航运技术公司已推荐 MT30发动机作为下一代LNG船 的主动力装置。 MT30是Rolls．Royce研制的 第1l型航改型船舶燃气轮机，是 由航空Trent派生的一型三转子 发动机[14，16“7|。燃气发生器的 低压转子由8级轴流低压压气机 和1级轴流低压涡轮组成，高压 转子由6级轴流高压压气机和1 级轴流高压涡轮组成。动力涡轮 转子由4级轴流涡轮组成，如图 4所示。 万方数据 · 10· 热能动力工程 2009年 图4 MT30船舶燃气轮机 在ISO条件下，biT30的额定 功率为36MW，热效率为40％， 环形燃烧室能满足目前和未来的 NO戈、SO茗和C02排放和冒烟的 立法标准。 MT30可用于无人机舱，按视 情维护设计，日常的维护保养仅 限于检查液位和目视检查。 劳埃德船级社已完成了 MT30系统用于2500130m3LNG 船的认证。 4．6 SGT-500(GT35C)重型工业 燃气轮机【15] 卡塔尔天然气公司已指定 COGES作为其下一代LNG船优 先选用的推进系统。Simens公司 投标其sGT_50卜重型工业燃 气轮机用于上述LNG船项目。 SGT-500是一型(额定功率 为17MW)双燃料发动机，能够利 用作为液体燃料的重油来运行， 也可以利用蒸发气运行。 5各种主动力装置的比较 如上所述，LNG船的主动力 装置呈现三足鼎立的局面，即日 本三菱重工、川崎重工的锅炉汽 轮机装置、芬兰Waertsilae的双燃 料柴油机和德国MANB＆W的 二冲程低速柴油机。 实际上，确定LNG船主动力 装置总运费率的变量包括燃油效 率、初投资费用、运行维护费用、 装置的使用寿命(全寿命周期费 用)和装置的重量尺寸(涉及载货 量多少)等。 至于适用性，即选择哪一种 动力装置，既要考虑总运费率、机 组的功率，还要兼顾本国的国情 (如日本在传统上制造并使用锅 炉汽轮机装置)等。 作为历史最悠久的一种动力 装置，锅炉汽轮机装置至今在现 役的LNG船中仍占支配地位。 它具有一些突出的优点：功率大、 可靠性高、使用寿命长、初投资费 用和运行维护费用低。但是不容 否认，由于其外燃式的局限性，其 燃料效率只达到30％左右，明显 低于柴油机和燃气轮机，尤其低 于COGES装置，即使应用再热循 环并提高蒸汽初参数，其效率也 仅达到约34．5％。 与锅炉汽轮机装置比较，柴 油机装置的效率要高得多，中速 柴油机通常大于43％，二冲程低 速柴油机的效率更高，接近 48％。但是它也有一些缺点，诸 如初投资费用高、运行维护费用 高、寿命较低等。由于缸径小，双 燃料柴油机单缸功率不超过 1 000kW，限制了每台机组的功 率，它通常被应用于舱容小于 150000m3的LNG船。二冲程低 速柴油机，虽然效率很高，但有部 分能耗要花费在再液化装置上。 它功率大，单缸功率超过3000 kW，但是尺寸重量要比燃气轮机 装置大得多。 作为最新一代船舶主动力装 置，燃气轮机具有一些突出的优 点，诸如效率高(当前第三代船舶 燃气轮机简单循环的热效率已达 到40％)、重量尺寸明显小于锅 炉汽轮机装置和柴油机装置、机 动性好、自动化程度高(可实现无 人机舱运行)。因此，燃气轮机装 置已在船舶中应用，至今已有16 台LM2500燃气轮机以COGES形 式应用于8艘排水量超过lO余 万吨、载客数千人的大型旅游船 中【18J。壳牌航运公司和Rolls— Royce公司的研究也已表明，CO— GES装置的总运费率比双燃料柴 油机低10％。它的缺点是使用 寿命明显低于锅炉汽轮机装置， 运行维护费用也比较高。 分析比较认为，具有当代最 先进技术的支撑，基于最新一代 船舶燃气轮机(MT30、SGT-500、 LM2500+G4等)的COGES装置， 在不久的将来必将在LNG船中 得到广泛的应用。 6结论 (1)尽管柴油机装置在LNG 船中的应用呈上升趋势，但作为 LNG船传统的主动力装置，锅炉 汽轮机装置仍在不断完善改进， 并在LNG船主动力装置中占有 重要的地位。 (2)LNG船主动力装置趋向 从锅炉汽轮机装置转变到柴油机 动力装置，能燃烧蒸发气的双燃 料柴油机的开发及其应用加快了 这一进程。 (3)燃气轮机动力装置为未 来几代LNG船提供了一种经济 耐用、环境友好的系统，尤其CO． GES系统更是这样。 (4)无论是双燃料柴油机驱 动，还是燃气轮机(包括CClGEs)驱 动，采用电力传动方式是应优先考 虑的方案，提供的电力可以满足推 进装置和全船的电力需求，并有利 于动力装置在船上的布置。 (5)鉴于LNG船在航行过程 中将不可避免地产生BOG，因 此，无论是锅炉汽轮机装置、柴油 机装置，还是燃气轮机装置都应 该优先使用BOG作为主燃料。 万方数据 第1期 吴穷，等：LNG运输船的主动力装置 ·11· 为此，开发双燃料燃烧器(对于锅 炉、双燃料柴油机和燃气轮机)和 BOG再液化装置(对于二冲程低 速柴油机)是LNG船主动力装置 发展的一个必然趋势。 (6)轮机是船舶的心脏。但 是，船舶主动力装置始终是制约 我国造船工业发展的一根软肋。 ING船也不例外，可供应用的本 国主动力装置至今尚属空白。为 此，我国有关部门应抓住时机，开 发用于LNG船的本国的主动力 装置，加快开发双燃料柴油机，尤 其是对有望应用于下一代ING 船的基于燃气轮机的COGF_强装 置应加大研制的力度。 本文在修改过程中。，魏应新同志 提供了许多有用的参考资料，作 者对此表示诚挚的谢意。 参考文献： [1]lVlCNI皿YM．INGfleet’8I酬删 [J]．Diesd＆c鹏T岫bineW∞ldwide， 2006．38(6)：2． [2]我国第一艘LNG船自航进坞[J]．国 际船艇，200r7，(6)：4． [3] 陆tsIlbisIIilteav',IlIdu鲥鹅L'rll’BQd． r惭圳GC州ecI[R]．Nimbi-ku。Ydb hltnllt．-Mit&lbislliHegvyIMushies胁嚣 Systems，2004． [4]SUZUKIK，DOKOItN。OI@DAs．1tlit盟Ii 咖IiIleⅡ幽boikhING嘶[J] ．如nal0ftheM耐mEIlgineeringSoci- etyinJstⅪn，1988，23(9)：36—43． [5]＆州昭akiltea”,hl如幽LTD’8a妇 I．小IC,Cpoject[11]．Tlkyo：2004． [6] I'SUToMUMIZlJMOTO．The0l翻融既is． tiesofKillmBriI把瑚jlIturbinefor圳G [J]．如jnlaloftIleⅡME，2005，40(3)：25 —30． [7]MERCERM．Gt龇b蝴designedh el蛳ngLNGcItl-l-ilsr帕eds[J]．Diesel＆ G∞TurbineWol'ldwide，20晒，”(9)：38． [8]MERcERM．LNGcarrier鲫mIldnl髓[J] ．Diesel&GasTIl惭∞W耐dwi&。2006。 38(7)：22—25． 【9]MANB＆rW二冲程发动机应用于液化 天然气船[J]．国际船艇，200f7(11)： 49． [10]‰oahy赢得再液化系统的订单 [J]．国际船艇，2005(5)：43． [11]ltllJI／删SP．LNG：∞IIpdate[J]．Diesel ＆GasTⅢbineW0rldwide．2005，37 (6)：10—13． [12]SVFA、lSSONB．WⅢtsilae&ml-fuel∞． 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吴穷,王冲,吉桂明(中国船舶重工集团公司第七○三研究所,黑龙江,哈尔滨,150001)， 王建 丰(中海石油研究中心,北京,100027) 刊名： 热能动力工程 英文刊名： JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWER 年，卷(期)： 2009，24(1) 引用次数： 0次 参考文献(18条) 1.MCNEELY M LNG fleet's rapid growth 2006(6) 2.我国第一艘LNG船自航进坞 2007(6) 3.Mitsubishi Heavy Industries LTD's Chinese LNGC project 2004 4.SUZUKI K.DOKOH N.OKADA S Mitsui marine main boiler for LNG Carrier 1988(9) 5.Kawasaki Heavy Industries LTD's Chinese LNGC project 2004 6.TSUTOMU MIZUMOTO The Characteristics of KHI marine main turbine for LNG 2005(3) 7.MERCER M C Gearboxes designed for changing LNG Cartier needs 2005(9) 8.MERCER M LNG carrier conundrum 2006(7) 9.MAN B＆W二冲程发动机应用于液化天然气船 2007(11) 10.Hamworthy赢得再液化系统的订单 2005(5) 11.MULLINS P LNG:an update 2005(6) 12.SVENSSON B Waertsilae dual-fuel engines propel LNG Cartier market 2005(6) 13.用于LNG船的双燃料发动机 2004(1) 14.CAMERON I Propulsion systems debate sails on 2006(6) 15.SVENSSON B COGES to power next LNG carriers? 2005(6) 16.ASHMORE C MT30 flat-rated at 36 000 kW ard 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