刘成波，刘运新，张运秋，李博洋

（1. 山东海运股份有限公司安技部，山东青岛 266034；2. 青岛远洋船员职业学院，山东青岛 266071）

燃气轮机在LNG运输船上的应用

刘成波1，刘运新2，张运秋2，李博洋2

（1. 山东海运股份有限公司安技部，山东青岛 266034；2. 青岛远洋船员职业学院，山东青岛 266071）

介绍了燃气轮机的发展概况和工作原理，与柴油机动力装置和蒸汽轮机动力装置进行对比分析了燃气轮机的技术特点和优势，提出了当前LNG运输船燃气轮机存在的技术问题，总结了燃气轮机在LNG运输船上的应用现状及发展趋势。

燃气轮机 LNG运输船 柴油机

1 燃气轮机的发展历史和工作原理

1.1 发展历史

上世纪六十年代初，美国军舰历史上开创了先河—采用燃气轮机作为舰船的动力装置，把通用电气公司的J79航空涡轮喷气发动机改装为编号LM1500燃气轮机，用于炮艇的动力装置。近年来，随着技术的发展和优化，采用燃气轮机作为水面舰艇的主要动力装置已渐成趋势，不过受各种因素的影响，燃气轮机相对柴油机而言，在商船的应用为数不多。

但近些年这种情况得到了很大的改善，燃气轮机在商船上的应用逐渐增加，这源于逐步出台的国际公约法规提高了对动力装置排放的要求，以及快速发展的船舶燃气轮机技术。除此之外，燃气轮机也成了LNG船舶的动力选择。当前，采用较多的燃气轮机是LM2500，如图1所示。

1.2 工作原理

燃气轮机是一种以连续流动的气体为工质，把热能转换为机械功的旋转式动力机械。如图2所示的燃气轮机工作原理，燃气轮机的工作程序为：压气机不间断地从大气中吸入空气，然后经压缩了的空气进入燃烧室，和喷入其中的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，之后进入燃气涡轮中膨胀做功来推动涡轮叶轮带动压气机叶轮一起旋转，对外输出机械能。

图1 LM2500燃气轮机

2 燃气轮机的技术特点和优势

到目前为止，世界上大部分商船的动力装置主要以柴油机为主，与其相比，采用燃气轮机作为动力装置的船舶有如下优点：

图2 燃气轮机原理图

1）降低硫氧化物、氮氧化物的排放

船用柴油机需要加装复杂且昂贵的脱硫脱硝净化等装置才能达到新规则的要求，船用燃气轮机的技术包括：变几何燃烧室技术、分级燃烧室技术、贫油预混合预蒸发燃烧技术、催化燃烧技术、直接喷射燃烧室技术、可变驻留时间燃烧室技术、富油燃烧快速淬熄贫油燃烧室等高效低污染燃烧技术。这些技术的使用能够降低有害气体的排放，符合环保标准的要求。氮氧化物的排放在联合循环系统中能够降低至0.32 g/kw-hr，低于即将生效的Tier Ⅲ最低标准NOx＜ 2 g/kw-hr，与此同时，使用燃气轮机的LNG 船舶的硫氧化物排放量为零。

2）重量轻，体积小

燃气轮机采用箱装体结构，体积小，结构紧凑，方便布置船舶机舱，可以节省更多空间进行货物运输。此外大部分燃气轮机采用轻质材料，其重量和体积是同等功率的柴油机的25%-35%。

3）振动小，噪音低，运行平稳

燃气轮机为高速旋转机械，工作时低频振动小，极大地减少了噪音的产生，使得机舱工作环境以及船员生活环境都得到了改善。此外，柴油动力装置会破坏薄膜型LNG船的货舱，振动较小的燃气轮机LNG船则可避免这一点。

4）提高系统经济性：润滑油消耗量低，保养工作量少

燃气轮机的滑油消耗量普遍较低，和柴油机相比要小一个数量级。比如LM2500燃气轮机的最大滑油消耗率约0.9 kg/h，平均滑油消耗率仅有0.09 kg/h。模块化是现代燃气轮机的设计特点，这就会方便拆装和更换部件。此外，维修周期的延长是燃气轮机设计的另一优势，如采用LM2500，可在使用LNG燃料的条件下，满负荷安全运行25 000小时以上。以30 MW COGES动力装置与柴油机动力装置相比，每年能节省出的运行费用达147万美元，见图3。此外，燃气轮机的修理可以在机舱内进行，也可以通过排气管道直接吊出，在陆地上进行修理，维修方案灵活，可选择余地大。

图3 燃气轮机成本优势

5）初期投资费用低

初期投资在动力装置方面的费用包括船舶主机、辅助系统及含底座在内的安装费用。如果对柴油机和燃气轮机的功率都要求在10～20 MW以内，两者的推进系统的投资费用基本相同；而功率要求在20 MW以上时，燃气轮机的初期投资费用低于柴油机。并且，为了满足未来排放法规的要求，柴油机动力装置还需要安装费用昂贵的排气后处理装置，这些都无疑提高了柴油机船舶的建造成本。

6）单机功率大，功率重量比大，起动速性能好

对于大功率燃气轮机，备车时间短，起动加速性好，从冷态起动至全速工况时，柴油机往往需要几个小时，而燃气轮机仅只要2 min左右的时间。

3 船舶燃气轮机存在的技术问题

燃气轮机作为LNG船的动力装置，其优点如上所述，但它也存在许多技术问题：

1）在变工况时压气机性能变差，燃气初温降低，导致船舶燃气轮机变工况时经济性差

上述问题可采取压气机可转导叶、低负荷设计、变几何动力涡轮等措施适当解决，同时压气机中间冷却和回热循环方案也起到了降低燃气轮机在部分工况时燃油消耗的作用。

2）船舶燃气轮机动力装置的倒车需要复杂的传动装置

相比柴油机，燃气轮机不能反转，船舶倒车就必须依靠倒车齿轮箱、可逆转液力耦合器、电力传动装置或变距浆等方式。

3）船舶燃气轮机需要大尺寸的进排气装置

燃气轮机气体流量很大，因此只有大尺寸的进、排气装置设计才能保证进、排气装置中的较小的流动阻力损失。这样不仅要占据船舶后甲板的有效空间，而且在甲板上开孔较大对船舶强度也会产生一定影响。

4）船舶燃气轮机的翻修寿命较短

燃气轮机的翻修后寿命较柴油机、蒸汽轮机短很多，这主要与燃气轮机的热负荷高、动负荷大、低温和高温腐蚀等有关。但通过新型的冷却方式可以使这一问题得到了较大的改善。

5）管理人员稀缺

目前的大多数船舶公司管理员和船员只对柴油机的维护比较熟悉，缺乏对燃气轮机的相关知识，如果有类似的船舶，需要花较大的人力物力来培养管理人员。

4 燃气轮机在LNG船舶上的应用及发展

到目前为止，世界范围内大约有300艘LNG船的动力采用蒸汽轮机，还有100多艘LNG船采用柴油机作为动力装置。

现在燃气轮机越来越受到LNG船舶的欢迎，多家船厂和船级社正在考虑采用这种方案。比如，美国通用公司、大连船舶重工和劳氏船级社正在进行一个合作项目，建造一个以GE燃气轮机为基础的联合燃气轮机电力和蒸汽（COGES）系统。可采用的动力装置的情况如下：

1）燃气轮机发电机组

燃气轮机电力驱动系统由于体积小可缩短发动机室的长度，其发电机组可置于机舱上部的箱装箱内，主推进电动机的配电设备和控制设备可装在发动机室的顶部，而齿轮推进电动机则布置在底部。如图4所示，这种布置的优点是机械处所空间减小，能在给定的船舶尺寸内达到最大的货舱容积。如此就解决了LNG船货诸如货物密度小需要更大舱容的问题。

图4 燃气轮机在LNG船的布置3D图

2）采用COGES装置

载货舱容50000 m3的大型LNG船，大功率的燃气轮机的排气温度较高，含有大量热能。可采用COGES系统（即燃气轮机和汽轮机联合的综合电力驱动系统）来提高热效率，如图5所示。

在COGES系统中，燃气轮机驱动发电机发电的工质是LNG 蒸发气或燃料油，产生的高温废气排入废气锅炉，废气锅炉产生的蒸汽先驱动汽轮机发电，然后再供给机舱其他设备或加热舱柜。双燃料内燃机采用LNG 蒸发气或燃料油驱动发电机发电。三台发电机共同向船舶总电网供电，以供给推进装置和满足全船电力需求。燃蒸联合循环的效率约为45%～50%。使用低压蒸汽时，COGES系统的能量利用率高达80%左右，比效率较低的LNG船蒸汽轮机有较大的优势。

图5 COGES系统

3）采用MT30航改型燃气轮机

该机型是由罗斯罗伊斯研制的航改型船舶燃气轮机，是航空Trent派生的一种三转子发动机，被壳牌航运技术公司推荐作为下一代LNG船的主动力装置。

MT30的额定功率为36 MW，热效率为40%，环形燃烧室能满足目前和未来的NOx、SOx和CO2相关排放标准。当前，劳氏船级社已完成了该系统用于250000 m3LNG船的认证。

4）采用SGT-500重型工业燃气轮机

SGT-500（额定功率为17 MW）是Simens公司研制的一种双燃料发动机，既能利用液体燃料重油来运行，也能利用蒸发气运行。目前COGES已经被卡塔尔天然气公司指定作为其下一代LNG船优先选用的推进系统，Simens公司也已经为上述LNG船项目进行了投标。

随着燃气轮机技术的不断发展和进步，燃气轮机的联合装置将是LNG船在主动力装置选择上的新方向和新趋势。

5 结语

愈来愈多的海域施行排放限制，海事领域限排条款要求越来越严格，排放控制区(ECAs) 逐渐增多，促使LNG船原有的蒸汽动力装置和柴油机动力装置不断完善改进以满足新的要求，而燃气轮机独有的环保、成本和设计布局等方面的优势将会占领一席之地，并且与其它类型动力机械的联合使用，使得船用燃气轮机的性能不断提高，潜力将得到进一步发挥，这些都为燃气轮机在LNG船上广泛应用奠定基础，并且未来在LNG燃料船上也可能得到进一步的应用。

[6] 李博洋, 张运秋. 液化天然气船货物操作仿真器的设计与实现[J]. 中国航海, 2014, 37(3): 76-80.

[7] 李品友.液化气体海运技术[M]. 大连: 大连海事大学, 2003.

[8] sailing on LNG [R]，“2013中国LNG船舶论坛”瓦锡兰研究报告.

[9] 李博洋, 胡德栋. VLCC船LNG燃料储罐的设计[J].船舶工程, 2015, 37(3), 20-24.

Application of A Gas Turbine to LNG Carrier

Liu Chengbo1, Liu Yunxin2, Zhang Yunqiu2, Li Boyang2
(1. Shandong Shipping Corporation, Qingdao 266034, Shandong, China; 2. Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, Shandong, China)

This paper introduces the development and working principle of gas turbine and analyzes the characteristics and advantages of gas turbine by comparing with fuel power and steam turbine. It raises the technical questions with the gas turbine of LNG carrier, and summarizes the application and tendency of the gas turbine of LNG carrier.

gas turbine; LNG carrier; diesel engine

TM31

A

1003-4862（2015）04-0048-03

2015-01-06

中国远洋运输（集团）总公司应用研究计划项目（2013-1-H-007）

刘成波 （1974-），硕士，工程师。研究方向：船舶安全技术与船舶电气。