液化天然气运输船 推进系统

发布时间：2009-08-04 来源：ABB评论

        世界能源需求的稳定增长迫使人 们寻找新能源。30 多年来， 天然气部分地满足了这种需求。世 界上大量天然气都是通过管道从天 然气田输送到用户 (穿越陆地和短距 离穿越海底，例如从北海到欧洲)。 从上世纪六十年代到七十年代，天 然气田的开发向海上、深水域延 伸，距离用户更加遥远，这推动了 LNG 生产以及其运输船的发展。天 然气运输船的建造配备了特殊绝热 储罐，LNG 可在 –162°C 温度下进行运输。
        从 2003 年签订第一艘运输船 合同以来，ABB 一直是 LNG 运输船队电推进系统首选 供应商。
        随着亚洲， 特别是日本， 对能源 需求的增加，LNG 的进口也稳步 增长， 需要投入更多容量更大的 LNG 运输船。上世纪七、八十年 代，LNG 运输船主要在日本建造； 但到了九十年代，韩国成为运输船 的主要生产国。上世纪九十年代末 和本世纪初，绝大多数 LNG 运输船 都在韩国制造。运输船规模逐渐增 加，标准货舱容量也从 138,000 增 至 145,000 m3。建造所有这些 LNG 运输船旨在长期租赁，期限可长达 30 年。当输气管线成本高或技术不 可行时，这些船只成为运送 LNG 的 专用运输船。建造运输船时，LNG 生产和接收终端，包括周围基础设 施，都按照天然气连续供应的要求 建造。也就是说，如果某一艘 LNG 运输船在装船中错过装载周期，将 造成严重的能源供应中断。 由于对运输船的可靠性要求非常 高，同时要求配备耐用的机械设备 和推进系统，因此对效率和燃料消 耗则相对重视不够。汽轮机推进系 统使用率最高，因为它们可提供优 良的可靠性， 而且还可使用船上 运载的天然气作为燃料。LNG 可 在 –162°C 的状态下运输，但根据 隔热效率和航程中的海面状况，小 部分天然气会在运输中损失。这部 分“ 蒸发” 的天然气， 辅之以重 油，可用来加热锅炉，产生驱动船 舶汽轮机所需的蒸汽。

        从汽轮机到燃气轮机电力推进
        虽然汽轮机可靠性很高，而且几乎 无需维护，但汽轮机赖以运转的锅 炉则要求定期维护。为了确保可靠 性，一般都安装有两台锅炉，但这 类系统的效率不到 30 %。如代之以 燃气轮机，其系统效率则达 45% 至 50 %，所以，改变推进系统节省燃 料的潜力巨大。尽管有此差距，由 于可靠性高，汽轮机推进系统仍然 是人们偏好的解决方案；LNG 运输 船是最后一批仍然使用这种形式推 进系统的主要运输船队。
        随着运输船吨位的增加，对于电力 装机容量的需要也在增加，主要为 了保障运行大型货舱泵。这些电动 泵下潜到 LNG 储罐内，在终端转 运站把天然气泵送出船舱。容积为 140,000 m3 运输船的发电功率已要 求增加到 10 MW 以上，在船只上 需要使用高压电力设备。第一艘装 备 3.3 kV 和 6.6 kV 高压发电厂设备 的 LNG 运输船于 2000 年订货。作 为市场上船用电力系统的主要供应 商，ABB 从 2000 年到 2006 年共设计 和提供了 40 多艘 LNG 运输船所使用 的高压空气绝缘组合电器。

        作为市场上船用电力系统的主 要供应商，ABB从2000年到 2006年共设计和提供了40多 艘LNG运输船所使用的高压空 气绝缘组合电器。
        2003 年，法国天然气公司 (现在为 GDF Suez) 从 Chantiers de l'Atlantique 公司 (现为 STX 欧洲公司) 定购了 第一艘装备有新型 DF E P 系统的 LNG 运输船。其他造船厂和船东纷 纷跟进。到 2005 年底，几乎所有容 积为 145,000 至 170,000 m3 的 LNG 运输船新订单都定购了 DFEP 系统(见图 2 )。法国天然气公司发布的 信息显示，由于使用清洁天然气作 为燃料，他们可以提供更多的天然 气，达到更高的使用效率。

        并非所有 LNG 运输船都选择电力推 进解决方案。卡塔尔天然气项目选 择了在容积高达 260,000 m3 的 LNG 运输船上使用传统两冲程发动机推 进系统，以及一个船载辅助装置重 新液化已气化的天然气并将其送回 储罐中。但是，这种系统仍需要一 个相当大的高压发电设备为货舱泵 和重新液化装置供应电力，其耗电 高达 6 MW。这种额外电力消耗远远 高于电力推进设备所需要的电力。 例如，对于推进功率为 30 MW 的电 力推进设备而言，其推进电站的电 力损失最高只有 2.5 MW (见图 3 )。 DFEP 双燃料电力推进系统不仅提 高了能源效率，而且还增加了货舱 容量。电力设备和推进设备的布置 均比机械推进系统要灵活。即使安 装了额外电器设备，DFEP 系统的 灵活性意味着它仍然可以容纳更 多货物。发动机可安装在高层甲板 上，减少了安装排气管道所占用的 容积，当发动机安装在下层甲板上 时，通常都需要安装排气管道。设 备 (如发电机、变频器、变压器和推 进电机) 之间没有机械连接，只有 电缆，所以优化设备布置可节省空 间。也就是说，容积为 150,000 m3 左 右的标准 LNG 运输船，在不改变运 输船外部尺寸的条件下，仍可扩大 6 % 以上。

        船上配置与 ABB 的供货范围
       DFEP 有两项主要核心技术：双燃料 四冲程发动机 (一般市场上，特别 在船舶市场上相当新颖) 以及电力推进 (在 LNG 运输市场上属于新技 术，但该技术自上世纪八十年代以 来一直在使用，特别是在游轮上)。 但是，一般船运市场和 LNG 运输市 场相当保守。从成熟可靠的推进系 统改变成新颖推进系统需要一些时 间。在第一位船东订购之前，需要 一个产品成熟和能力验证阶段。当 其他船东和造船厂一旦了解到新系 统在节省空间和燃料方面的巨大优 势后，便会满怀信心地跟进购买。 由于运行成本节约潜力非常大，人 们无法对其视而不见。但是，只有 当这种新技术的可靠性与常规汽轮 机推进系统相媲美，该技术才会被 采用。
        开发初期就发动机数量、推进器数 量、冗余等方面的问题，曾讨论过 许多不同的配置方案。在这些方案 中，有两三种方案特别受到青睐， 其中一种最受欢迎的配置方案，已 被广泛采用 (见图 4 )。

        在最通常的设备布置中，电站的构 成包括四台中速双燃料发动机，每 台发动机带动一台发电机。发电 机额定功率根据各个项目的要求 稍有不同，但是，通常都经过优化 处理， 使之适合最为普通的运行 作业，如 LNG 的装船卸船和转运 等，每种作业所需功率要求不一。 高压发电设备被分割成四个不同部 分：两个主配电板和两个货物配电 板。分成两个类型的配电板的原因 主要是为了优化设施的空间布局。 推进系统也被分成两个单独的传动 系统，每个系统都配备有相应的变 压器、变频器和推进电机。最后， 两台电机通过一个公用齿轮箱相互 连接，用一根输出轴与推进器相连 接。这样的系统既简单又可靠。它 提供了足够的冗余，即使由于维护 或修理需要关闭其中一台发动机或 一个电气网络，也一样能让推进器 保持运转。在机械方面，推进系统 几乎与传统汽轮机系统完全一样， 配备一个齿轮箱和一根输出轴 (连接 到推进器)。有的方案配备了两个推 进器，为推进轴的运行提供 50 % 的 冗余。在电气方面， 除了控制系 统 (位于桥楼上) 以外，双推进器系 统与单推进器系统完全一样，因为 控制系统可单独控制每个推进器的 速度。
        电力推进器方面，特别是用于 游轮的电力推进，ABB 拥有悠 久的供货记录，已交付或手持 订单共 33 艘 LNG 运输船的电 力系统或推进系统。
        LNG 运输船的推进功率要求在 25 至 30 MW 之间，也就是说，每台推进 电机的额定功率通常在 12.5 和 15MW 之间。根据运输船的速度和船体设 计不同，额定功率各有不同。
        ABB 通常供应船舶上的所有高压电 器设备 (从发电机到推进电机) 以 及所有相关推进控制系统。ABB 在 电力推进方面供货记录悠久，特别 是用于游轮的推进系统需求和用于 LNG 运输船很相似。事实上，截至 2008 年 11 月，ABB 已交付或手持订 单共 33 艘 LNG 运输船的电力和推进 系统。
        ABB 生产的电力推进产品专注于船 舶应用。为了满足 LNG 运输船对高 可靠性的要求，ABB 吸收了游轮业 务及其成熟产品的丰富经验。ABB 的同步 AMG 发电机和 AMZ 电机 (见 图 5 ) 是市场上效率最高的产品之 一。在有的项目上，经过工厂测试 1)， 这些电机和发电机的效率分别达到 97.9 % 和 98.4 %。

        高压配电网络使用了 ABB 坚固耐用 的中压开关柜 (UniGear) 和空气绝 缘电机控制开关柜 (UniMotor)，包 括 HD4 (SF6 型) 和 VD4 (真空型) 断 路器。金属铠装的防电弧开关柜外 壳为工作人员 (即使在同一房间) 提 供了高水平保护。柜体门具有互锁 系统和电气小室分隔， 设备运行 时，可防止人员接近带电零部件。 推进系统的传动使用独特的 ABB 树 脂封装变压器 RESIBLOC® 和中压变 频器 ACS6000 (见图 6 )。

        RESIBLOC 变压器具有很高的机械强度，非常适合船用环境中的强烈振动和海上 激烈颠簸。RESIBLOC 变压器另外一 个设计特点是变压器绕组之间的线 性脉冲电压分布。这一设计特点对 于船舶应用特别重要，因为船上开 关电压瞬变比标准变压器设计中的 通常脉冲电压瞬变更为陡峭。 ABB 的 RESIBLOC 变压器具 有很高的机械强度，非常适合 船用环境中的强烈振动和海上 激烈颠簸。
        ACS6000 是电压源变流器 (VSI) 型变 频器，ABB 于 2000 年将其推向市场 (见图 7 )。采用 ABB 专利算法“直 接转矩控制 (DTC®)”进行控制，可 与非常成熟的同步 AMZ 电机配套使 用，这种电机满足了 LNG 运输船的 功率要求。

        海上试航经验
        从 2003 年第一艘电推进 LNG 运输 船订货以来，已有 6 艘配备 ABB 推 进系统的运输船交付使用。所有这 些运输船仍在使用中，其控制性能 和能源效率都达到或超过了设计期 望值。选用 DFEP 系统的一个关键 考虑因素是在运输船采用天然气模 式运行时，比采用标准柴油模式运 行对负荷变化更加敏感。因此，推 进传动系统 (船上的用电大户) 尽量 保持开关柜负荷的恒定极其重要， 即使在激烈颠簸的海上也应如此。 由此，控制系统配置为两种运行模 式：
        ■速度模式，即控制器维持接近于 恒定的转速。
        ■功率模式，即控制器维持接近于 恒定功率。
        运输船在机动工况下，为了对船长 的指令作出迅速响应，能自动选择 速度模式。在公海航行中，如果达 到一定功率水平之上 (>50 %)，便可 选择功率模式，这样，推进器上的 转速和扭矩可随海况波动，而动力 消耗仍保持恒定 (见图 8 )。在 6 小时 耐久性航行试验中，船舶以满功率 (即在功率模式下) 连续航行。采集 的数据表明，推进系统消耗的功率 确实保持恒定。获得这种独特性能 的原因之一，是 ACS6000 变频器中 使用的 DTC 算法能够在几毫秒内调 整电机扭矩，立即补偿由于波浪引 起的推进器扭矩变化。 向 ABB 的电力推进传动施 加最大 (100%) 负荷时，包 括齿轮箱在内的系统效率达 94.3 %。

        同时，还进行了紧急停车试验。结 果显示，该传动可使推进器反转产 生推力，迅速制动船舶将其停住 (见 图 9 )。在这种情况下，由于电机可 在任何转速状态下，给主轴提供稳 定的反向扭矩，因此电机比机械推 进更优越。在这种状态下，电机实 际上作为发电机运行，随着推进器 速度降低至零，将来自推进器的能 源反馈回传动系统。为了避免对主 发动机产生任何反向功率干扰，采 用单独制动电阻消耗逆向能量。试 验表明，船舶可在 7 分钟之内停住， 比使用传统汽轮机要迅速。据报 道，后者停车时间在 20 至 30 分钟。 电力推进的另一个重要特点是失 电预防功能， 即使在故障模式过 程中， 也能保持船舶继续航行。 最坏情况是一套发电机— 发动机跳闸， 由此产生的干扰导致另一 套发电机— 发动机也跳闸， 导致 完全停电。推进功率负荷的迅速减 少可保护其它发电机。只要检测到 发电机跳闸， 推进控制系统瞬时 降低推进功率，避免其它发电机负 荷过载。在海上，采用 3 × 11 MW 和 1 × 5.5 MW 的发电机配置，对这 项功能进行了测试。在测试中，3 台 11 MW 发电机被逐台有意跳 闸，只有 5.5 MW 小型发电 机继续保持运行。结果，发 电机得到了保护，设备通 过了试验，没有发生停电事 故 (见图 10 )。

        为了测量效率，船东安装了 KYMA2) 系统，这个系统使 用应力计测量驱动推进器主 轴的机械功率。通过比较推 进器主轴上通过开关设备供 给推进传动的电力负荷值， 可以获得包括齿轮箱在内的 推进传动系统的效率。
        向推进传动施加最大 (100%) 负荷 时，系统效率测量值是 94.3 % (见 图 11 )。相关设备预期效率的计算值 为 93.6 % (包括齿轮箱内的估计损失 1.5%)。这些测量值证明，系统效率 比理论计算的预测效率要高。

        LNG 市场正在发生变化，预计未来 数年内，船的载货量会比以往更快地 增加。LNG 运输船正在考虑各种 替代推进方法，如效率更高的汽轮 机、有注气功能的两冲程发动机 等。今天，租赁合同不再受三十年 租期的限制，LNG 运输船必须更加 灵活。为现货市场建造的运输船需 要在航行速度、续航里程、燃料类 型等方面具备灵活性。所有这些使 电推进系统更具吸引力。将来，航 行于北极的 LNG 运输船配备破冰 设计，会进一步提高电力推进的要 求；在这方面，ABB Azipod® 推进 装置已被证明具备成熟的功能和性 能。Azipod® 推进装置先前成功用于 破冰船和游轮，前不久，还用于运 输油轮和集装箱船等运输船舶。