小型 LNG船舶主动力系统选型研究

冯振

摘要：天然气最初作为燃料在船上使用源于LNG运输船上LNG货物会不断受热产生货物蒸发气(BOG)，为了对BOG加以利用，在LNG运输船上设置双燃料主锅炉，再驱动蒸汽轮机主推进装置。随着技术的进步，后来出现了双燃料电力推进系统。但这种系统也存在不足，需要对原有发动机进行重新设计并彻底改造。

关键词：小型LNG船舶；主动力系统选型；

随着LNG海运技术的稳定发展，LNG船的动力推进系统也由常规的蒸汽透平推进系统发展到柴油机电力驱动动力系统，加之严格的排放法规的限制，低污染双燃料中速柴油机更受船东的青睐。

一、小型LNG船舶的特点

小型LNG运输船主要针对LNG贸易引发的二程转运市场，考虑到不同的目标市场，小型LNG运输船可以分为沿海型船和进江型船两类。沿海型小型LNG运输船的货舱容积主要是根据消费市场的总量来确定，进江型LNG运输船则受到较多的航行条件限制。本文主要研究的是沿海型的小型LNG运输船。小型LNG运输船的用途主要包括：(1)干线LNG运输至主接收站后，用于从主接收站至卫星接收站的二程转运：(2)用于将作为燃料的LNG运送至船舶燃料储存库；(3)作为LNG燃料供应船向其它船舶加注燃料。小型LNG运输船是LNG运输产业链得到充分发展之后的一个新兴产物。它的设计基于已经发展成熟的大型LNG运输船，却也有些许不同。其主要特点包括：(1)LNG运输船的总体设计一般为尾机型，便于液货舱的布置。在船舶外形方面，其特有的舱室布置与结构特征，也较易识别；(2)由于液化天然气的密度比较小，液货舱不能作为压载舱，LNG运输船一般干舷较高，属于富裕干舷型，可以在舷侧设置单独的压载舱；(3)LNG是在常压下将气态的天然气冷凝结而成，所以LNG运输船液货舱要求具有较高的抗低温性能，为保证船舶整体结构的安全性，需要在设计阶段确定其可能承受的各种载荷，并符合相应的公约要求；(4)LNG运输船由于其液货的性质及对安全性较高的要求，所以具有较复杂的液货装卸系统、管路系统和监管系统，这些系统与其它专用设备对船舶电网的设置也有很大的影响；(5)小型LNG运输船的二程转运方式，使其需适应更复杂的航道及港口环境，尽可能提高船舶的操纵性能，这也对小型LNG船舶动力装置提出了新的要求；(6)小型LNG运输船营运周期短、载货量小、中转频繁等特点，使其不像大型LNG运输船要求具有较高的航速、续航性以及较低的自然蒸发率，只需根据需要控制在一定范围内即可。

二、小型LNG船舶主动力系统选型

1.船舶动力装置选型的原则性要求。对于动力装置的原则性要求主要有以下几个部分：(1)营运经济性：需要保证动力系统整体设计经济性最高，配合船舶总体性能，提高全船的营运经济性，降低营运费用。(2)可靠性：系统的设计和设备的选用应具有可靠性，应有一定的冗余度和备用方案。(3)操纵性：设备及系统应操纵简单、管理方便，避免繁复。(4)可维护性：系统布局与设备结构需设计合理，维修方便，便于维护。(5)建造经济性：应减少管路与设备的初投资费用，降低建造成本。且需布局合理，降低施工难度，减少人工费用。(6)重量、尺寸指标：通常是相对于一定的主机功率或船舶排水量而言，尽量减轻船舶动力装置重量，减小机舱所占容积。(7)振动、噪声指标：符合规定，创造适宜的工作及生活环境，使振动及噪声的影响最小。

2.船舶动力装置选型的具体要求。对于动力装置的具体要求主要有以下几个部分：(1)符合任务书、规格书、合同文本中对动力装置的相关要求；(2)符合船舶总体性能对动力装置的要求；(3)符合所入船级的船级社规范要求；(4)符合该船舶登记国有关法规；(5)符合该船舶受控的国际公约及法规要求；(6)符合船舶营运中所涉及港口和水域的相关规定；(7)符合设备厂商规定和推荐的系统设置要求，或经过协调，满足具体船舶的需求。目前，我国LNG船舶的设计与建造所涉及的相关规定主要有：《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》、、《气体燃料动力船检验指南》、《薄膜型液化天然气运输船检验指南》、《LNG燃料动力试点船舶技术要求》、《LNG燃料动力试点船舶关键设备技术要求》、《钢质海船入级规范关于双燃料柴油机的附录》以及《双燃料发动机系统设计与安装指南》等。

3．船舶主动力装置的选型流程。主动力装置是船舶动力装置的核心，其工作效率是由其本身质量和船东或船舶设计者的选择及使用情况所决定的。对船舶主动力装置的选择，需满足船舶动力装置的基本选型原则，在此基础上，还需考虑船舶对航速的要求，以及经一段时间使用后出现的设备性能降低、船体污损、螺旋桨结垢等情况。除此之外还需考虑船舶在不同水域、复杂海况、恶劣天气情况下的适应特性。因此，主动力装置的选型必须将船、机、桨有机结合才能达到最好的效果。

4.小型LNG船主机功率的预估。根据小型LNG船主动力装置的选型流程，首先需要确定其功率的大概范围，也就是对主机功率的预估。在目前的估算方法中，海军系数法是母型船数据估算方法中最常使用的一种方法，可以根据同类船型的相关数据方便的对目标船型的基本数据进行预估。螺旋桨作为船舶动力装置的重要组成部分，其性能对推进装置的整体效率有很大的影响。对于螺旋桨的基本参数，可以通过船舶主尺度进行估算。一般来说，螺旋桨的直径越大、转速越低螺旋桨的效率越高。但螺旋桨的直径受到船的吃水和尾框间隙等条件的限制，不能选择过大。螺旋桨在船后运转时，由于其抽吸作用使螺旋桨桨盘前方的水流速度增加。根据伯努利定理，水流速度的增加会造成压力降低，故在螺旋桨吸水作用所及的整个区域内压力都将下降，这会改变船尾处的压力分布，产生船舶附加阻力，这种由螺旋桨在船后运转引起的船舶附加阻力称为推力减额。推力减额分数确定与很多因素有关，包括螺旋桨运转状态、船型、螺旋桨尺寸、螺旋桨与船体的相对位置等，一般根据实船试验或船模自航试验的结果确定。

三、建议

加大科研投入，加强科技创新，提升ＬＮＧ系统性能。积极开展船用ＬＮＧ-柴油双燃料系统掺烧策略研究。掺烧策略对双燃料发动机运行安全性、动力性、经济性和排放特性等综合性能有重要影响，是双燃料发动机关键技术之一。建议不同型号的柴油机或同型号柴油机采用不同ＬＮＧ 系统进行双燃料改造时，应通过发动机台架试验确定其掺烧策略。突出ＳＯx 和ＰＭ排放优势，宽限ＮＯx 和ＨＣ 排放；第２ 阶段以新建发动机为主，重点研发和推广具有自主知识产权的高性能双燃料发动机和单一气体燃料发动机，充分发挥ＬＮＧ 燃料的减排优势。加快ＬＮＧ船用发动机动力系统的技术标准和规范的制定和完善工作，使发动机改造前期的产品规划、价格评估、技术评审等工作能做到有法可依。从船舶机舱改造、管路布置改造、发动机改造等方面考虑，建议整体考虑船舶燃气动力推广，争取获得国家更大力度政策扶持。随着船用ＬＮＧ 发动机使用逐渐增多，应进一步推进完善ＬＮＧ 发动机船舶供气站等基础配套设施建设。

本文从工程应用的角度出发，对小型LNG运输船主动力系统的选型进行了研

究。小型LNG运输船动力系统研究的相关课题还比较新颖，相关内容涉及广泛。结合小型LNG运输船的特点，分析认为小型LNG运输船较适宜的推进动力为双燃料发动机。

参考文献：

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2.王世荣．我国内河柴油-ＬＮＧ 双燃料动力船舶的现状分析与建议［Ｊ］．中国水运，２０１8，１１（７）：５．

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