摘要：由双燃料发动机和电力推进技术相结合而产生的双燃料电力推进方式集合了两者的优点，与传统的蒸汽轮机推进相比，具有油耗低、排放低、控制性能好、载货空间大等突出优点。基于此，本文对LNG船双燃料电力推进及余热利用系统能效进行了探讨。
关键词：LNG船；双燃料发动机；余热利用系统
用于运输液化天然气的专用船称为LNG船。LNG在运输过程中不可避免地气化蒸发，所以必须及时处理蒸发气(BOG)，否则会给船舶运行带来危险。一般情况下，BOG的处理主要是将其引入燃气-燃油锅炉燃烧，产生蒸汽推动汽轮机带动螺旋桨，推动船舶，因此传统的大型液化天然气船采用蒸汽轮机装置。近年来，随着双燃料发动机的发展，双燃料发动机电力推进装置以其燃料经济性好、碳排放低、动力充足等优点，在LNG船舶上得到了广泛的应用，并逐渐替代了传统的蒸汽动力系统。
一、LNG船概述
LNG船(液化天然气船)是指专门运输液化天然气的船舶。最早的LNG船是1958年美国用普通旧油船改建成的5100平方米的“甲烷光铎”号。按液货舱的结构形式可分为独立储罐式和膜式。前者是将柱形、罐形、球形等形状的储罐置于船内；后者采用双壳结构，体内壳就是液货舱的承载壳体，与独立式比较，膜式的优点是容积利用率高，结构重量轻，因此新建的液化天然气船,尤其是大型的，多采用膜式结构。液化天然气船设备复杂，技术要求高，造价大。另外，LNG船是在162℃(-162)低温下运输液化气的专用船舶，是一种“海上超级冷冻车”，被喻为世界造船“皇冠上的明珠”。
二、双燃料电力推进装置余热利用系统工艺流程
双燃料电力推进系统由数台双燃料发动机带动发电机发电，并入船舶电网。电能经电网的传输与分配后，一部分作为动力用电，驱动供船舶行进的电动机及各类风机水泵等；余下的电能供船舶生活用电使用(如照明等)。
发动机的排气量大且温高，排气温度高达200～400℃。对于这部分余热，通常将排气增压后送入余热锅炉产生蒸汽，供全船使用；发动机的冷却水系统同样存在较大的余热资源，冷却水出口温度通常在90℃左右，流量通常在100m3/h以上，通常用作为热源供船舶制淡水或空调使用。
三、双燃料发动机的主要优势
瓦锡兰开发的双燃料发动机(dual fuel engine，简称DF发动机)是由瓦锡兰系列发电柴油机衍生变化而来的。如：瓦锡兰50DF发动机的结构部件与瓦锡兰46柴油机非常相似，设计转速为500转/分(或514转/分)，单缸功率为950千瓦。DF发动机以低压天然气作为主要燃料，船用柴油和重油作为备用燃料，燃料供应系统能迅速、无扰动实现燃料的转换：当天然气中断时，系统会自动切换到液体燃料供应，保证发动机的持续运转。双燃料发动机具有以下突出优点：
1、低油耗。瓦锡兰DF发动机能充分利用LNG货舱中蒸发的天然气气体进行发电。因此，用双燃料发动机能极大地提高热效率、减少燃料消耗，从而降低营运成本。
2、低排放。瓦锡兰DF发动机其排放物少，NOx排放物只有相同功率柴油机的十分之一，产生CO2排放物也少，这主要归功于天然气燃料本身所具有的优势。
四、余热利用系统
双燃料发动机排气热量较高，利用余热回收系统回收热量来提供蒸汽和电力。典型的回收系统如图1所示。
图1 发动机机组排气余热利用系统
排气经增压后进入余热锅炉进行换热，余热锅炉利用排气热量产生两种参数蒸汽，即：一种为饱和蒸汽，供船上的热用户使用；另一种为过热蒸汽，推动汽轮机带动发电机发电，产生的电能将并入船舶电网。汽轮机排汽经凝汽器冷凝，在热井与热用户的疏水汇集，通过给水泵送入预热器预热至给水温度，最后进入锅炉完成循环。
此外，余热锅炉主要利用发动机排气热量，不存在燃烧过程，因此，不存在化学不完全燃烧损失和机械不完全燃烧损失。在其余各项损失中，排烟热损失最大。双燃料发动机使用天然气为主要燃料时，由于天然气燃烧产生的灰渣很小，进而引起的灰渣热损失较小。
五、实例概况
某型LNG船货舱装载容积约为74000m3，LNG蒸发率小于0.15％/d，动力装置采用了三台瓦锡兰12V50DF及一台6L50DF双燃料发动机，总装机功率40950kW；发电机总装功率39520kW；主推进电机两台，总功率14000kW。
瓦锡兰50DF双燃料发动机运行模式有三种，即：气体运行模式、备用模式、燃油模式。发动机以后两种模式运行时，均采用燃油作为燃料；以第一种模式运行时，以“天然气+微喷引燃喷油”方式燃烧。LNG船正常航行时，为解决BOG问题，通常采用第一种模式运行。以下计算正常航行(发动机为75％负荷运行)，即发动机采用天然气为主要燃料时的热效率。
1、发动机热平衡计算。瓦锡兰50DF发动机相关参数为：6L50DF输出功率4275P/kW，有效能量消耗率7480G/kJ·kWh-1，涡轮出口排气温度703.15K，排气流量25920GW/kg·h-1；12V50DF输出功率8550P/kW，有效能量消耗率7480G/kJ·kWh-1，涡轮出口排气温度703.15K，排气流量51840GW/kg·h-1。
当以天然气模式运转，75％负荷时，对于发动机的排气，由于排气的主要成分为CO2，故排气的定压比热容按CO2选取，即排气平均定压比热容为1.13kJ/(kg·℃)；发动机的进气温度与船舱温度相近，取发动机进气温度为35℃。
冷却水系统中，取水的密度1×103kg/m3，相应的平均定压比热容为4.192kJ/(kg·℃)。滑油系统中，取滑油的密度为0.86×103kg/m3，相应平均定压比热为2.0kJ/(kg·℃)，提供了滑油进出口油温及流量。由上述已知参数，可得到如表1所示的计算结果。
表1 双燃料发动机组热平衡计算
2、余热利用系统的计算。实际发动机机组排气余热利用系统热力过程温熵图如图2所示。该LNG船并未采用预热器加热给水，由于管道损失，因此，3点温度比2点低。
图2 实际发动机机组排气余热利用系统热力过程温熵图
该型发动机自带排气增压系统，可直接进入余热锅炉换热，涡轮出口排气温度即增压后的排气温度。
由瓦锡兰50DF发动机相关参数可知，涡轮出口排气温度为430℃，取管道损失为5℃，则进入余热锅炉的烟气温度为425℃；为防止余热锅炉低温腐蚀，排烟温度不低于175℃，取排烟温度为180℃；取锅炉散热损失为1％，即散热损失/排气进入锅炉的总热量=1％；航行工况下，需0.7MPa饱和蒸汽约1000kg/h，即饱和蒸汽产量=1000kg/h。取发电机效率99％。
各类蒸汽温熵图对应点及相应参数如表2所示。可计算余热锅炉效率、过热蒸汽产量及汽轮机热效率，计算结果如表3所示。
表2 各类蒸汽温熵图对应点及相应参数
3、计算结果。该型LNG船主机及其余热利用系统综合热效率达54.51％，其中双燃料发动机机组热效率为48.09％，余热利用系统为16.69％。余热利用系统的热效率较低，这是由于余热发电系统中凝汽器凝汽损失了大量热能，且这部分热能无法回收利用。
有两种途径能提高余热系统热效率，即：
1)设置锅炉给水预热器。该船的余热利用系统未使用预热器来加热给水，根据建立的模型，进气温度和排烟温度一定时，只能通过提高锅炉给水温度来提高系统热效率，因此，通过设置预热器，能提高系统热效率。
2)利用发动机机组冷却水系统热量。对于这部分热量，可有多种用途，如造水机制淡水、余热锅炉给水预热及吸收式制冷热源等。如能充分利用冷却水系统热量，主机系统热效率能进一步增加。
六、结语
本文通过计算某型LNG船航行工况下的主机及余热利用系统的热效率，并分析了提高热效率的可能途径。其结果表明，双燃料发动机由于自身燃烧热效率高，与蒸汽动力系统相比，不存在凝汽所导致大量热损失，因此，热效率要高于后者；采用了余热回收系统后，热效率有较大的提升，所提供的热量能满足航行状态时全船热负荷，不必另外使用其他能源介质；余热汽机提供的电能将减少主机系统的能耗；因此采用余热系统是有意义且必要的。
参考文献：
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