LNG燃料船技术新潮流
2011-09-15 08:16 | 中国船检 船市观察
与其他船用燃料相比，LNG燃料最主要的优点是对环境的影响较小，排放量最小。据了解，采用LNG燃料可以减少10%～20%的CO2排放量，90%的NOX排放量，100%的硫化物和颗粒物排放。而且，LNG燃料主机不需要安装润滑油清洁设备，内部环境较好。另外，LNG的一大优势就是储量巨大，截至2009年1月1日，世界天然气探明储量为177.1万亿m3。
但LNG作为船用燃料，则要改变主机和燃料舱的设计布置，圆柱形压力罐所需空间约为等量柴油所需空间的3～4倍，特殊的储气罐和舱室结构增加了LNG储存的重量，约为船用柴油的1.5倍，使建造成本增加约8%～20%，同时维护成本也会随之增加。
目前，建造最多的LNG燃料船舶是渡船，其中包括车/客渡船、滚装船、客滚船等，因为这些船舶多属于短途沿海航行，对LNG储气罐大小的要求较低。
波罗的海货船几种燃料方案的排放物对比
世界首艘LNG燃料渡船“M/F Glutra”号
挪威作为LNG生产大国，为了提高挪威气体燃料技术和获得良好的环境效应，1996年挪威议会决定分别建造采用CNG和LNG作为燃料的两种类型车/客渡船。2000年，世界首艘采用LNG为燃料的渡船“M/F Glutra”号由阿克尔船厂建造完工。通过采用LNG燃料，该船可以减少80%的NOX排放量，总成本比采用柴油燃料的渡船高30%，但船厂和运营商认为由于属于新技术的首次应用，费用的提高在可接受范围内。
该渡船的LNG燃料推进原理是LNG从卡车储气罐注入到船上的不锈钢储气罐，该不锈钢储气罐布置在甲板下的双壁不锈钢容器中。LNG通过发动机冷却剂蒸发后进入4台超稀薄燃烧天然气发动机中。每台发电机与对应的发动机相匹配，通过变频器将电能供应到1000kW的异步电动机，该电动机驱动位于船尾的双桨，以提供较好的操纵性。
LNG储存在2个真空、珍珠岩绝热不锈钢低温储气罐中，该储气罐由AGA Cryo AB公司提供。每个LNG储气罐容积约为32m3，最大填充率为85%。储气罐的外层是不锈钢容器，该容器为双壁结构，中间填充矿物纤维。不锈钢容器可以防止LNG逸出，还避免低温液体对船体钢板的冷却侵蚀。对于气体系统的要求之一是当船舶以最高速度与码头发生碰撞时不会出现任何损坏。2个储气罐设置在位于主甲板下的两个独立舱室，每个舱室还配有蒸发器，蒸汽通过双管输送至压力为4bar的主机舱。
为了安全起见，发动机的布置远离LNG储气罐，位于汽车主甲板上的一个狭小舷边甲板。发动机采用4台三菱GS12R-PTK型超稀薄燃烧天然气发动机，转速为1500r/m时单机功率为675kW，发动机在满载时的热效率为37%。4台发动机分布在4个不同的、通风性好的机舱，可以通过一套系统中的多个气体检测器进行监控，能够确保在气体浓度超过某一水平时依靠截流阀切断气体流动。泄漏的气体通过管道进入桅杆顶部。当任一机舱中的气体混合物达到最低爆炸水平（LEL）的20%时，气体检测器会发出报警并且在发动机达到60% LEL时自动切断气体供应。机舱的爆炸分析表明：在最坏的情况下，主机的两扇窗格门（sashed-door）将爆裂并立即释放压力而不影响其他主机室。在正常操作下，2台主机可以为推进和其他能量消耗提供足够的功率，第3台发电机作为备用或用于增速或用于恶劣天气条件下。第4台发电机为其他主机维护时使用。通过这种配置，该船能够进行2～3年的全年持续航行。
船上LNG燃料的补给由Statoil公司的卡车供应，通过舷侧开口进行补给。卡车内的LNG在1台空气加热蒸发器的压力作用下输送到渡船LNG储气罐。补给过程一般在夜间及无人登船的情况下进行，每次补给47m3或16t的LNG，耗时2个小时，补给周期约为每5或6天一次。
据了解，Fjord1集团目前共运营10艘LNG燃料船舶，该公司表示，通过多年的运营采用LNG作为燃料的渡船具有良好的环保性，可以减少19%的CO2、91%的NOX、100%的SO2和颗粒物，而且噪声污染较低。不过建造费用可能会增加15%～20%，维护成本比柴油主机高。
世界首艘LNG燃料供应船“Viking Energy”号
2003年，Eidesvik公司向Kleven海事公司订造的世界首艘LNG燃料供应船“Viking Energy”号投入使用。该船总长94.9米，型宽20.4米，总吨5073t，货物甲板面积为1030m2。船上配有1个234m3的CRYO AB不锈钢真空绝热储气罐，设计压力为9bar，LNG储存量约为209m3。燃料补给周期为每10天1次。主机采用4台2010kW的瓦锡兰6L32DF型双燃料发动机，可以减少90%的NOX和30%的CO2排放量。为了保证主机的安全性，主机系统划分为防火区和防爆区。
“Viking Energy”号的第2艘姐妹船“Viking Lady”号于2010年交付，该船是FellowSHIP项目的研究成果，该项目由Eidesvik公司、DNV、瓦锡兰、Vik-Sandvik和CFC Solutions公司共同完成。
STX公司的PSV06LNG型
2010年STX挪威近海公司接获Olympic航运公司1艘LNG燃料平台供应船，预计2012年第一季度交付。该船采用PSV06LNG型设计，船长95米，宽20米。采用双燃料主机驱动，当采用LNG驱动时，其NOX可减排92%，CO2可减排23%，SOX和颗粒物可减排100%。LNG液罐位于上层建筑下方，不影响货物装载量。
据了解，STX挪威近海公司至今共交付了6艘LNG燃料船舶，LNG燃料船舶手持订单5艘，其中PSV12LNG型平台供应船能够使用LNG燃料、生物燃料和船用柴油，具有较低的燃料消耗。LNG储气罐采用独特的布置方式，不仅不会减少船上货物空间，而且货物空间比同尺度的其它船舶更大。
65000吨级豪华旅游船双燃料推进布置图
2011年，瓦锡兰公司公布了65000吨级LNG燃料豪华旅游船的设计方案。该船长260米，船宽34米，最大宽度为43.2米，船员650人，客舱780间，载客能力为1900人，航速19节。
船上安装3个465m3的瓦锡兰LNGPacs储气罐，LNG每天消耗量为45t，自持力为12天。35米长的C型储气罐安装在游泳池甲板下面的舱壁甲板上，这种布置既不影响水密舱壁，还能够通过船尾户外甲板进入舱室。该船装有2台瓦锡兰6L50DF型和2台8L50DF型双燃料发动机，主机总功率为27300kW，LNG为主燃料，柴油为备用燃料，有2个8000kW的电动机。燃料补给站布置在船尾贮存柜附近，既减少了管路长度，又可以保证安全。由于LNG储气罐容积较大，船舶的补给将通过驳船或者小型LNG运输船完成。
此外，2009年STX集团和法国Stirling国际设计公司推出一型新概念旅游船EOSEAS，该船设置类似于LNG船上的储气罐，采用LNG作为燃料以驱动螺旋桨并提供船上所需电力。
Tarbit航运公司授予瓦锡兰船舶设计公司一份化学品船改装设计合同，计划将柴油机推进改为LNG主机推进。该化学品船“Bit Viking”号原来的主机为2台5850kW的瓦锡兰6L46B型柴油机，辅机采用2台1360kW的瓦锡兰8L20型柴油机，改装后将替换为2台5700kW的瓦锡兰W6L50DF型气体发动机，80%载荷时续航力为12天。该船将安装2个500m3的LNG储气罐，空重超过400t。
DNV的LNG燃料油船“Triarity”号
2010年12月，DNV公布了一型环保VLCC船“Triarity”号的设计构想。该船总长361米，船宽70米，型深27.52米，载重量291300t。该VLCC在20年内使用LNG燃料可以减少24%的CO2、80%的NOX、94%的SOX排放量和颗粒物。据了解，一艘VLCC在每个航程中会损失0.2%的液货，为了减少货物蒸汽的泄漏，该VLCC安装有货物蒸汽回收装置，将货物蒸汽提供给辅助锅炉作为燃料，为货油泵提供蒸汽动力。
2个可以储存6750m3LNG的C型压力罐设置在甲板室的货物甲板，便于操作和提高舱室的安全性，续航力达到25000海里。主机采用2台MAN Diesel&Turbo高压双燃料低速发动机，可以燃烧压力为300bar的天然气，船用汽油作为引燃燃料，辅机将采用低压双燃料发动机或气体发动机，并配有三燃料锅炉。燃料供应系统包括主机的高压系统、辅机和锅炉的低压系统、增压装置和潜水泵等。燃料补给通过LNG船或燃料补给驳。
挪威NSK航运公司向土耳其TERSAN船厂订购了世界上首艘LNG燃料沿海货船，预计将于2012年初交付。该船能够运输超过2000t的鱼产品，预计将长期租借给BioMar公司在挪威海岸运营。船上将安装1台罗尔斯·罗伊斯气体发动机，配置1个90m3的储气罐。计划从BioMar公司附近的一个永久性加气站进行燃料补给，补给周期为每周一次。NSK航运公司认为新增的LNG投资将会通过燃料成本和税收而实现回收。
德国航运公司Reederei Stefan Patjens公司联合挪威船级社等公司正在对1艘4年船龄的5000TEU集装箱船进行改装，以采用LNG燃料，该项目预计将于2012年完成。据了解，2台辅机及辅助锅炉将替换为可以使用LNG燃料的设备，以便在排放控制区航行。靠近发动机室的货物区将被改装成一间气体技术室，并在甲板上增加额外的LNG容器，这样仅仅操作该容器就可以供应LNG。
2005年挪威皇家海岸警卫队与RemØy管理公司签订一份租借3艘警戒舰的合同，2009年挪威皇家海岸警卫队租借的首艘环保型沿海警戒舰“KV Barentshav”号开始服役，是世界上首艘采用LNG燃料和柴油驱动的舰艇。该型舰采用VS794CGV型设计，由Kleven Verft公司负责建造。
“KV Barentshav”号舰长93.2米，舰宽16.6米，吃水5.8米，满载排水量为4000t，舰员16人，最多可以容纳40人。舰上装有1个234m3的LNG储气罐，动力装置采用1台4000kW的Bergen B32型柴油机、3台2600kW的三菱GS16R型发电机以及1台642kW的三菱GS12R型电动机。采用混合动力推进可以降低25%的CO2、90%的NOX排放量，减少25%的燃油费用。该舰采用气体发电机时最高航速约为16.5节，采用柴油驱动时最高航速为18.5节，采用混合动力推进时航速超过18.5节。据了解，该型船的燃料补给由Barents NaturGass AS公司的移动式储气罐提供。
从LNG燃料船舶本身的技术发展来看，LNG储存、运输、补给、安全性等方面与普通柴油船舶均有较大的变化，涉及的LNG储气罐、动力装置、燃料补给等都属于LNG燃料船舶设计的重点考虑因素，此外还包括蒸发气、气阀和管路系统、控制系统等内容。
具体到目前正在运营和在建的LNG燃料船舶的配置来看，大部分船舶都为近海运营，因此LNG储气罐容积基本在250m3以下。从储气罐的类型来看，基本上都采用C型储气罐，主要优点是设计独立、压力灵活、便于安装、无气体泄漏、无需维护费用，缺点是需要大量空间。从采用的发动机来看，主要由瓦锡兰、MAN、罗尔斯·罗伊斯和三菱重工四家公司供应，其中瓦锡兰和MAN以双燃料发动机为主，而罗尔斯·罗伊斯和三菱重工以气体发动机为主。
从船舶的发展来看，欧洲国家在LNG燃料船舶方面的发展走在世界前列，特别是挪威在LNG基础设施、LNG燃料船舶技术和规范发展、政府对于LNG燃料发展的推动均具有领先优势和良好的示范效应。
从各型LNG燃料船舶的技术和设备发展来看，LNG燃料船舶的开发并不仅仅限于设计公司和船厂，更多的是船东、船级社、设备厂商、设计公司和船厂联合开展研究项目进行技术开发，而且许多项目还获得了政府的资助。
从研发项目来看，LNG燃料在主力船型的应用将是研究的重点，新的技术在不断开拓新的领域，如储罐的研究从C型扩展到A和B型，比如新燃料供气系统的开发等等。
除上述的欧洲一些主要的船厂和设计公司正在开发LNG燃料技术外，韩日造船企业目前也在积极准备LNG燃料船舶的开发。其中，三菱重工是多艘LNG燃料船舶主机的供应商，日本商船三井于2009年公布了采用LNG燃料的“ISHIN-II”号环保渡船的设计构想，大宇造船与海洋公司目前正在开发采用LNG燃料的大型集装箱船，该公司与MAN公司正在共同开发应用于14000TEU集装箱船的ME-GI发动机和DSME高压低温燃料供应系统。
LNG产业可谓是具有极大发展潜力并伴随较大不确定性的新兴产业，现阶段尚未实现大范围的推广和应用。目前，影响LNG燃料船舶快速发展的主要因素包括基础设施的缺乏、船舶技术的约束、规范发展的滞后、天然气价格相比于石油价格的优势不够明显、各国政府态度的不同以及公众对于天然气认识的不足等等，因此未来需要多方面的共同努力才能解决。
