LNG船的燃气和蒸汽轮机推进器外文翻译资料

英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

LNG船的燃气和蒸汽轮机推进器

Edwin G.Wiggins

美国纽约新月海滩路298号韦伯研究所海洋工程部，邮编：11542

摘要：液化天然气（LNG）船的动力推进形式正在发生显著的改变。传统的蒸汽发电组因其较低的循环效率正在不断淡出市场。时下在LNG船上更多被应用的推进方式是中速电动柴油机或低速机械柴油机推进。而且更多该类船舶正在源源不断建造中。另一种受人青睐的动力选择是组合燃气轮机和蒸汽轮机（COGAS）驱动器。这种驱动装置较汽、柴油机有着显著的优势，本文着重介绍COGAS的具体情况。

关键词：LNG船、组合燃气轮机和蒸汽轮机（COGAS）驱动器、燃气轮机、经济形势

文章代码：1671-9433(2011)02-0175-09

1. 介绍

现在市场上正考虑采用各种新型推进方法运用于LNG船舶运输业务以替代传统的齿轮汽轮机，并且必须主要从经济性和排放控制的角度出发来选择。在不久的将来，可能会出现类似于税收形式的经济惩罚来迫使船舶减少排放。

尽管其他很多其他船型的船东开始选择更高效的推进方式，不少LNG船仍保持着传统的蒸汽机组推进。这其中最主要的原因是因为LNG船的推进锅炉燃烧产生的气体（BOG）易于处理。然而这样的光景并不会一直维持下去：持续的燃料燃烧产生高昂的成本，运送更多装载货物的欲望，促使船东们最近开始考虑更换其他的推进系统。现在，中速电动柴油机和低速机械柴油机驱动的LNG船正逐渐取代老式船型，并正在大量建造中。

在中速推进的LNG船中，锅炉燃烧产生的气体可在引擎中继续燃烧或被液化返回到货舱中。同时使用这两种推进方式的船舶已经开始被使用，在低速推进的船舶中，只有拥有再液化替代功能的船型正在在建造中。

在二冲程发动机中燃烧锅炉产生气体（BOG）需要天然气在250到300bar的压强下注入。这种系统已经处于进一步的研究之中，但是对于这种系统中高压气体产生的潜在威胁的担忧使不少船东望而却步。

LNG船于2008年交付到世界各地的订单约为43％蒸汽动力，40％与再液化低速柴油推进和17％的双燃料柴电推进。随着时间的推移，LNG蒸汽推进的市场份额稳定，而双燃料柴电推进的份额增长取决于低速柴油机推进船再液化的成本。

简易的燃气轮机循环效率较低，但燃气轮机、废热锅炉、和蒸汽涡轮机组成的推进系统可提供高达55%的循环效率，率高于慢速的柴油机。该值所表示的总效率由气体涡轮机系统和蒸汽涡轮机系统产生的总能量除以输入的总电力的功率所得。 （毛效率不减去寄生负载，如机械和住宿的电力）。而且，一个COGAS系统比同功率输出的低速柴油机系统体型更小，更轻。这样看来，应认真考虑组合燃气和蒸汽涡轮（COGAS）对传统形式推进的替代。

本文对LNG船的COGAS推进的情况--经济性和排放的方面进行分析，以证明COGAS优势。

1. COGAS推进系统的历史

COGAS机组自70年代末开始在岸上使用。截至到1996年，COGAS机组岸上发电的总装机容量达85万千瓦（Kelhofer，1999）。据全球燃气机与内燃机杂志（富津市，2007年）最近的新闻报道，东京电力公司的富津热电站到2010年的扩张计划完成后，将拥有能产生炒股票500万千万的COGAS机组。

关于COGAS船舶动力的研究是米尔斯于1977年和布雷迪于1981年提出的。一篇海军研究生院的理科研究生论文提供了详细的海军驱逐舰上COGAS系统的分析。COGAS系统的可行性的广泛研究是由乔治·G.夏普公司（吉布森1979年的研究）为美国海事管理局进行的。与此同时，HOWARD正在考虑LNG船的几种替代推进形式（1982年），他于早期的分析中否定了COGAS系统，但在之后SCOTT有关他论文的详细讨论中人们发现COGAS是非常可行的。为回应SCOTT的讨论，论文的作者HOWARD提出“在经济性上，我们不认为在与拥有再液化系统的柴油机推进相比COGAS系统更有优势，除非燃气价格在热力值基础上比重油价格低10%。本文的以下部分显示了天然气在2010年年底的价格大约是是重油价格的三分之一”。一份美国海军朗肯循环能量回收的分析建议（HALOKA,1983）详细地显示COGAS系统是具有优势的。在切萨皮克海洋工程学术研讨会上，哈巴克（1988）分析和优化了可以同时从柴油发动机和燃气涡轮机收集利用余热的蒸汽系统。近期，在迈阿密海洋贸易会议上，一个关于高档邮轮长远发展和保持皇家加勒比海区域繁荣的介绍演示指出，“通用电气公司原先的估计称，在原先为柴油机组设计的发动机室空间内组装COGAS系统后，邮轮上再增加多达50个客舱将成为可能。事实上，设计师已经规划好了空间，更多的客舱已安置好了。”

1. 燃油价格的问题

到底是燃烧还是重新液化燃烧锅炉产生的气体（BOG），应主要基于每种形式产生能量所消耗的BTU（BTU：英国热量单位）多少的比较。2010年底，天然气在纽约商品交易所的市面价值为每百万英热单位（BTU）约$4.25美元。此写为$ 4.25/ MMBTU。与此同时，IFO380在休斯敦成本为每吨488.50美元。对应于18500 BTU/磅的IFO热值，即相当于12.00$/ MMBTU，这大概是天然气约三倍的市面价值。

重油和天然气的价格都非常的不稳定，其价格随着港口的不同而变化，若将其价格变化绘制成一条函数曲线，则该函数曲线峰谷之间的斜率非常大。LNG船通常以20年包租，在这么长的时间段内预测IFO380指数与天然气之间的价格关系，可靠性是非常低的。目前有再液化系统的低速柴油机推进是卡塔尔项目中Q-Flex和Q-Max船的推进选择，并正在建造中。这似乎表明，很多船东认为，天然气价格将超过380 IFO的价格的情况在将来是可预见的。而且，如果当前的价格关系延伸到未来，那么很显然燃烧BOG在经济上是非常有优势的。

1. 排放问题

现存的四种主要由发动机产生的排放物有：氮（NOx）的氧化物，硫（硫氧化物），二氧化碳（CO 2）和微粒的氧化物。这四种物质进行简要讨论如下。

因为氮普遍存在于大气中，所以NOx的产生是不可避免的。但是，NOx的量与燃料呈函数的关系，并且与燃烧温度是更紧密的函数关系。更高的温度会导致更多NOx的产生，并且天然气的燃烧产生的氮气比重油燃烧产生的NOx要少。柴油发动机的峰值温度相对于燃气轮机要显著较高，所以它们产生更多的NOx。SOx的产生受燃料中的硫含量的制约。 重油通常包含大量的硫，但低硫重油可承受更高的消耗。天然气只含有微量的硫，因此，任何发动机燃烧天然气只产生很少的SOx。

二氧化碳的产生主要取决于氢与碳的燃料的比率和推进系统的循环效率。液体燃料如重油(HFO）和船用柴油（MDO）具有约2：1的碳氢比例，而甲烷--天然气中的主体构成有着4：1的碳氢比例。其结果是，液体燃料燃烧产生比天然气燃烧产生明显要更多的二氧化碳。颗粒是主要的碳粒子，它们从空燃比过低的局部区域产生。相对于燃气轮机的稳定燃烧，柴油机燃烧的间歇性质倾向于产生更多的颗粒。

下面的表1中的数字是基于热释放的以千瓦时为单位的值，所以在估算每千瓦时的机械能输出时，循环效率必须被分开处理。如果两个机组每千瓦时输出相同的热量，那么每千瓦时的机械能输出产生的排放少的那一组拥有较高的循环效率。

表1 排放比较 [ConocoPhillips]

BOG：燃烧锅炉产生气体；HFO：重油；COGAS：组合燃气和蒸汽涡轮推进系统；MDO：船用柴油；

如表1所示，COGAS机组的四组排放处于所有六种推进系统的最低值。COGAS机组在所有替代推进形式中有最高的循环效率，这样看来它在排放性能上有着显著的优势。

1. 空间和重量问题

如前面所提到的，燃气涡轮机相对于其能输出的能量而言，它的体型是非常小和轻盈的。考虑到蒸汽系统日益增加的空间和重量的需求，组合系统被期望能比柴油机系统节省更多合理的空间。麦克森（2002）列举了一些供参考燃气轮机的尺寸和重量数。如劳斯莱斯特伦特引擎重26吨，占地44平方米，输出功率为47.5兆瓦。与此相比一台6缸k98mc低速柴油机MAN B＆W重1152吨，占地面积约60平方米输出功率为46.7兆瓦。当然，蒸汽系统将增加空间和重量以达到COGAS机组推进的需求。Halkola在1983年提供了一套关于蒸汽机械重量的估计，对于一台7500马力的蒸汽涡轮机（1kw=1.341hp；hp：马力），其所配备的蒸汽机械重量预计要达到27吨。在马特森1983年的报告中，在写到一台能输出8700马力的蒸汽系统时，他宣称“....虽然单个RACER系统将重达4060吨，原先几倍于该系统自身重力的燃油重量将大大减少。”在COMBS（1979）的论文中他估计，以18000马力运转的燃气轮机的废热锅炉容积可能达到12英寸x 12英寸x 7英寸。雅培（1974年）预测，整个余热锅炉在干燥时将达到59000磅（1磅=0.4536千克），充满水蒸气时将达到65000磅。他预测的所占容积如下：高度5.5英尺，长15英尺，宽11.5英尺。Abbott雅培预测的总机械重量，包括燃气涡轮机，将达到575吨。

除了机械，发动机燃烧所用的液体燃料所需的储存空间导致了现在整个容器尺寸的较大和位置的偏移。为卡塔尔项目所设计的超级FLEX船将携带9800吨重油和600吨船用柴油（诺伯，2007），其对应所需的容积将超过一万立方米。这些船被设计用来携带228500立方米的液化天然气（LNG）。

有了COGAS推进，锅炉产生的热气（BOG）将能提供主要的燃料，适当的燃料可以被携带作为应急用能源。因为不清楚携带重油（HFO）的需求会不会被限制，目前还无法判断货运能力能否大大提高。而且需要注意的是，如果液化天然气的气化率是0.11%每天，相当于每天气化掉250立方米的液化天然气；那么超级FLEX船所携带的液化天然气量只够维持40天。

1. 维护问题

相关资料显示，燃气轮机只需要较少的维护。麦克森（2002）指出，“相对于更换或在维修计划表上的主要零部件（柴油发动机经常会发生的问题），修理LM2500 燃气轮机主要集基于在常规内窥镜检查的观察条件下进行修复主要组件，并且只要大约每2500小时维修一次就够了。”他进一步指出“在上一次2001年一月对千禧年号进行的孔探检查中，服务工程师指出：在使用了5000小时的运行之后，内部组件仍然看起来像新的一样。照这个情况来看，美国通用电气公司（GE）的专家认为，分割维修运行了有15000小时的热区域的工作将比较轻松。”

上述评论仅限于燃气涡轮机，但是在COGAS系统中的蒸汽系统预计也不需要太多的维护。米尔斯（1977）指出“。。。。。。组合循环蒸汽发生器通常经历更温和的气侧温度并且这些常规锅炉没有类似于火焰，油，烟灰冲击等传统锅炉经常出现的问题。”马特森（1983）讨论设计了能显著改善美国海军提出的RACER（性能最佳性）系统的可靠性和可维护性的措施。他继续预测，蒸汽机械将需要“。。。。。。每周少于每人50小时的维护”这种估计适用于基于时间而不是性能的海上环境。

1. COGAS系统的描述

COGAS系统可以使一个或多个锅炉在不同压力下同时运行，多个锅炉的系统比单个锅炉的系统效率更高，不过也占用更多的空间和重量。这样的系统在陆上很常

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[151067]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word