LNG燃料船技術新潮流
2011-09-15 08:16:58 來源：中國船檢 編輯：國際船舶網 我有話要說
與其他船用燃料相比，LNG燃料最主要的優點是對環境的影響較小，排放量最小。據了解，采用LNG燃料可以減少10%～20%的CO2排放量，90%的NOX排放量，100%的硫化物和顆粒物排放。而且，LNG燃料主機(產品庫 求購 供應)不需要安裝潤滑油(產品庫 求購 供應)清潔設備，內部環境較好。另外，LNG的一大優勢就是儲量巨大，截至2009年1月1日，世界天然氣探明儲量為177.1萬億m3。
但LNG作為船用燃料，則要改變主機和燃料艙的設計布置，圓柱形壓力罐所需空間約為等量柴油所需空間的3～4倍，特殊的儲氣罐和艙室結構增加了LNG儲存的重量，約為船用柴油的1.5倍，使建造成本增加約8%～20%，同時維護成本也會隨之增加。
波羅的海貨船幾種燃料方案的排放物對比
世界首艘LNG燃料渡船“M/F Glutra”號
挪威作為LNG生產大國，為了提高挪威氣體燃料技術和獲得良好的環境效應，1996年挪威議會決定分別建造采用CNG和LNG作為燃料的兩種類型車/客渡船。2000年，世界首艘采用LNG為燃料的渡船“M/F Glutra”號由阿克爾船廠建造完工。通過采用LNG燃料，該船可以減少80%的NOX排放量，總成本比采用柴油燃料的渡船高30%，但船廠和運營商認為由于屬于新技術的首次應用，費用的提高在可接受范圍內。
該渡船的LNG燃料推進原理是LNG從卡車儲氣罐注入到船上的不銹鋼(產品庫 求購 供應)儲氣罐，該不銹鋼儲氣罐布置在甲板下的雙壁不銹鋼容器中。LNG通過發動機(產品庫 求購 供應)冷卻劑蒸發后進入4臺超稀薄燃燒天然氣發動機中。每臺發電機(產品庫 求購 供應)與對應的發動機相匹配，通過變頻器(產品庫 求購 供應)將電能供應到1000kW的異步電動機(產品庫 求購 供應)，該電動機驅動位于船尾的雙槳，以提供較好的操縱性。
LNG儲存在2個真空、珍珠巖絕熱不銹鋼低溫儲氣罐中，該儲氣罐由AGA Cryo AB公司提供。每個LNG儲氣罐容積約為32m3，最大填充率為85%。儲氣罐的外層是不銹鋼容器，該容器為雙壁結構，中間填充礦物纖維。不銹鋼容器可以防止LNG逸出，還避免低溫液體對船體鋼板的冷卻侵蝕。對于氣體系統的要求之一是當船舶以最高速度與碼頭發生碰撞時不會出現任何損壞。2個儲氣罐設置在位于主甲板下的兩個獨立艙室，每個艙室還配有蒸發器，蒸汽通過雙管輸送至壓力為4bar的主機艙。
為了安全起見，發動機的布置遠離LNG儲氣罐，位于汽車主甲板上的一個狹小舷邊甲板。發動機采用4臺三菱GS12R-PTK型超稀薄燃燒天然氣發動機，轉速為1500r/m時單機功率為675kW，發動機在滿載時的熱效率為37%。4臺發動機分布在4個不同的、通風(產品庫 求購 供應)性好的機艙，可以通過一套系統中的多個氣體檢測器進行監控(產品庫 求購 供應)，能夠確保在氣體濃度超過某一水平時依靠截流閥(產品庫 求購 供應)切斷氣體流動。泄漏的氣體通過管道進入桅桿頂部。當任一機艙中的氣體混合物達到最低爆炸水平（LEL）的20%時，氣體檢測器會發出報警(產品庫 求購 供應)并且在發動機達到60% LEL時自動切斷氣體供應。機艙的爆炸分析表明：在最壞的情況下，主機的兩扇窗格門（sashed-door）將爆裂并立即釋放壓力而不影響其他主機室。在正常操作下，2臺主機可以為推進和其他能量消耗提供足夠的功率，第3臺發電機作為備用或用于增速或用于惡劣天氣條件下。第4臺發電機為其他主機維護時使用。通過這種配置，該船能夠進行2～3年的全年持續航行。
船上LNG燃料的補給由Statoil公司的卡車供應，通過舷側開口進行補給。卡車內的LNG在1臺空氣加熱蒸發器的壓力作用下輸送到渡船LNG儲氣罐。補給過程一般在夜間及無人登船的情況下進行，每次補給47m3或16t的LNG，耗時2個小時，補給周期約為每5或6天一次。
據了解，Fjord1集團目前共運營10艘LNG燃料船舶，該公司表示，通過多年的運營采用LNG作為燃料的渡船具有良好的環保性，可以減少19%的CO2、91%的NOX、100%的SO2和顆粒物，而且噪聲污染較低。不過建造費用可能會增加15%～20%，維護成本比柴油主機高。
2003年，Eidesvik公司向Kleven海事公司訂造的世界首艘LNG燃料供應船“Viking Energy”號投入使用。該船總長94.9米，型寬20.4米，總噸5073t，貨物甲板面積為1030m2。船上配有1個234m3的CRYO AB不銹鋼真空絕熱儲氣罐，設計壓力為9bar，LNG儲存量約為209m3。燃料補給周期為每10天1次。主機采用4臺2010kW的瓦錫蘭(船機庫 位置)6L32DF型雙燃料發動機，可以減少90%的NOX和30%的CO2排放量。為了保證主機的安全性，主機系統劃分為防火區和防爆區。
“Viking Energy”號的第2艘姐妹船“Viking Lady”號于2010年交付，該船是FellowSHIP項目的研究成果，該項目由Eidesvik公司、DNV、瓦錫蘭、Vik-Sandvik和CFC Solutions公司共同完成。
STX公司的PSV06LNG型
2010年STX挪威近海公司接獲Olympic航運公司1艘LNG燃料平臺供應船(船型 船廠 買賣)，預計2012年第一季度交付。該船采用PSV06LNG型設計，船長95米，寬20米。采用雙燃料主機驅動，當采用LNG驅動時，其NOX可減排92%，CO2可減排23%，SOX和顆粒物可減排100%。LNG液罐位于上層建筑下方，不影響貨物裝載量。
據了解，STX挪威近海公司至今共交付了6艘LNG燃料船舶，LNG燃料船舶手持訂單5艘，其中PSV12LNG型平臺供應船能夠使用LNG燃料、生物燃料和船用柴油，具有較低的燃料消耗。LNG儲氣罐采用獨特的布置方式，不僅不會減少船上貨物空間，而且貨物空間比同尺度的其它船舶更大。
2011年，瓦錫蘭公司公布了65000噸級LNG燃料豪華旅游船的設計方案。該船長260米，船寬34米，最大寬度為43.2米，船員650人，客艙780間，載客能力為1900人，航速19節。
船上安裝3個465m3的瓦錫蘭LNGPacs儲氣罐，LNG每天消耗量為45t，自持力為12天。35米長的C型儲氣罐安裝在游泳池甲板下面的艙壁甲板上，這種布置既不影響水密艙壁，還能夠通過船尾戶外甲板進入艙室。該船裝有2臺瓦錫蘭6L50DF型和2臺8L50DF型雙燃料發動機，主機總功率為27300kW，LNG為主燃料，柴油為備用燃料，有2個8000kW的電動機。燃料補給站布置在船尾貯存柜附近，既減少了管路長度，又可以保證安全。由于LNG儲氣罐容積較大，船舶的補給將通過駁船或者小型LNG運輸船完成。
此外，2009年STX集團和法國Stirling國際設計公司推出一型新概念旅游船EOSEAS，該船設置類似于LNG船上的儲氣罐，采用LNG作為燃料以驅動螺旋槳(產品庫 求購 供應)并提供船上所需電力。
Tarbit航運公司授予瓦錫蘭船舶設計公司一份化學品船(船型 船廠 買賣)改裝設計合同，計劃將柴油機(產品庫 求購 供應)推進改為LNG主機推進。該化學品船“Bit Viking”號原來的主機為2臺5850kW的瓦錫蘭6L46B型柴油機，輔機(產品庫 求購 供應)采用2臺1360kW的瓦錫蘭8L20型柴油機，改裝后將替換為2臺5700kW的瓦錫蘭W6L50DF型氣體發動機，80%載荷時續航力為12天。該船將安裝2個500m3的LNG儲氣罐，空重超過400t。
2010年12月，DNV公布了一型環保VLCC船“Triarity”號的設計構想。該船總長361米，船寬70米，型深27.52米，載重量291300t。該VLCC在20年內使用LNG燃料可以減少24%的CO2、80%的NOX、94%的SOX排放量和顆粒物。據了解，一艘VLCC在每個航程中會損失0.2%的液貨，為了減少貨物蒸汽的泄漏，該VLCC安裝有貨物蒸汽回收裝置，將貨物蒸汽提供給輔助鍋爐(產品庫 求購 供應)作為燃料，為貨油泵提供蒸汽動力。
2個可以儲存6750m3LNG的C型壓力罐設置在甲板室的貨物甲板，便于操作和提高艙室的安全性，續航力達到25000海里。主機采用2臺MAN Diesel&Turbo高壓雙燃料低速發動機，可以燃燒壓力為300bar的天然氣，船用汽油作為引燃燃料，輔機將采用低壓雙燃料發動機或氣體發動機，并配有三燃料鍋爐。燃料供應系統包括主機的高壓系統、輔機和鍋爐的低壓系統、增壓裝置和潛水泵等。燃料補給通過LNG船或燃料補給駁。
挪威NSK航運公司向土耳其TERSAN船廠訂購了世界上首艘LNG燃料沿海貨船，預計將于2012年初交付。該船能夠運輸超過2000t的魚產品，預計將長期租借給BioMar公司在挪威海岸運營。船上將安裝1臺羅爾斯·羅伊斯氣體發動機，配置1個90m3的儲氣罐。計劃從BioMar公司附近的一個永久性加氣站進行燃料補給，補給周期為每周一次。NSK航運公司認為新增的LNG投資將會通過燃料成本和稅收而實現回收。
德國航運公司Reederei Stefan Patjens公司聯合挪威船級社(位置 聯系)等公司正在對1艘4年船齡的5000TEU集裝箱船(船型 船廠 買賣)進行改裝，以采用LNG燃料，該項目預計將于2012年完成。據了解，2臺輔機及輔助鍋爐將替換為可以使用LNG燃料的設備，以便在排放控制區航行。靠近發動機室的貨物區將被改裝成一間氣體技術室，并在甲板上增加額外的LNG容器，這樣僅僅操作該容器就可以供應LNG。
2005年挪威皇家海岸警衛隊與RemØy管理公司簽訂一份租借3艘警戒艦的合同，2009年挪威皇家海岸警衛隊租借的首艘環保型沿海警戒艦“KV Barentshav”號開始服役，是世界上首艘采用LNG燃料和柴油驅動的艦艇。該型艦采用VS794CGV型設計，由Kleven Verft公司負責建造。
“KV Barentshav”號艦長93.2米，艦寬16.6米，吃水5.8米，滿載排水量為4000t，艦員16人，最多可以容納40人。艦上裝有1個234m3的LNG儲氣罐，動力裝置采用1臺4000kW的Bergen B32型柴油機、3臺2600kW的三菱GS16R型發電機以及1臺642kW的三菱GS12R型電動機。采用混合動力推進可以降低25%的CO2、90%的NOX排放量，減少25%的燃油費用。該艦采用氣體發電機時最高航速約為16.5節，采用柴油驅動時最高航速為18.5節，采用混合動力推進時航速超過18.5節。據了解，該型船的燃料補給由Barents NaturGass AS公司的移動式儲氣罐提供。
從LNG燃料船舶本身的技術發展來看，LNG儲存、運輸、補給、安全性等方面與普通柴油船舶均有較大的變化，涉及的LNG儲氣罐、動力裝置、燃料補給等都屬于LNG燃料船舶設計的重點考慮因素，此外還包括蒸發氣、氣閥和管路系統、控制系統(產品庫 求購 供應)等內容。
具體到目前正在運營和在建的LNG燃料船舶的配置來看，大部分船舶都為近海運營，因此LNG儲氣罐容積基本在250m3以下。從儲氣罐的類型來看，基本上都采用C型儲氣罐，主要優點是設計獨立、壓力靈活、便于安裝、無氣體泄漏、無需維護費用，缺點是需要大量空間。從采用的發動機來看，主要由瓦錫蘭、MAN、羅爾斯·羅伊斯和三菱重工(船機庫 位置)四家公司供應，其中瓦錫蘭和MAN以雙燃料發動機為主，而羅爾斯·羅伊斯和三菱重工以氣體發動機為主。
從船舶的發展來看，歐洲國家在LNG燃料船舶方面的發展走在世界前列，特別是挪威在LNG基礎設施、LNG燃料船舶技術和規范發展、政府對于LNG燃料發展的推動均具有領先優勢和良好的示范效應。
從各型LNG燃料船舶的技術和設備發展來看，LNG燃料船舶的開發并不僅僅限于設計公司和船廠，更多的是船東、船級社、設備廠商、設計公司和船廠聯合開展研究項目進行技術開發，而且許多項目還獲得了政府的資助。
從研發項目來看，LNG燃料在主力船型的應用將是研究的重點，新的技術在不斷開拓新的領域，如儲罐的研究從C型擴展到A和B型，比如新燃料供氣系統的開發等等。
除上述的歐洲一些主要的船廠和設計公司正在開發LNG燃料技術外，韓日造船企業目前也在積極準備LNG燃料船舶的開發。其中，三菱重工是多艘LNG燃料船舶主機的供應商，日本商船三井于2009年公布了采用LNG燃料的“ISHIN-II”號環保渡船的設計構想，大宇造船與海洋公司目前正在開發采用LNG燃料的大型集裝箱船，該公司與MAN公司正在共同開發應用于14000TEU集裝箱船的ME-GI發動機和DSME高壓低溫燃料供應系統。
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