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基于EEDI（船舶能效设计系数）能源选择的LNG船舶能源效率分析

作者：E. Ekanem Attah ,R. Bucknall

英国，英国伦敦学院大学托灵顿校区，机械工程学院

摘要：本文分析了考虑EEDI（船舶能效设计系数）时未来LNG运输船的能源选择。国际海事组织最近批准了MARPOL公约附则6的修正案，将EEDI的应用拓展到包括LNG的运输船。由于该修正案将在2015年9月强制实施，本文对未来LNG运营商必须考虑的EEDI条例所带来的冲击进行了调查。研究发现，由于目前被提议运用于大多数未来LNG运输船的双燃料柴油机电力推进已经实现了符合EEDI参考线的EEDI值，现有的EEDI参考线显然不足以对未来的LNG运输船进行评估。分析采用新的二冲程气体喷射柴油机推进系统的运输船的EEDI值，也得到了相似的结果。然而，当考虑了双燃料柴油发电机未燃的甲烷排放时，可以看出温室效应气体的排放指数飙升115%，这也意味着为了减缓全球变暖效应，EEDI的值有一定的限制。同时，本文提出并分析了对LNG运输船的EEDI参考线的修正方法，以及提出将甲烷逃逸排放计入目前EEDI值的计算系统中的措施。

关键字：LNG运输船 船舶推进 EEDI IMO附则6 船舶排放

介绍

在过去的十多年间，天然气被用作一种新型能源已经在不断地兴起，这主要是因为它的储量丰富，容易获取，更加廉价，同时比现有的化石能源排放性更加优良。为了便于储存和运输，通过制冷到-160℃，天然气被转换成它的液体状态（LNG，液态天然气）。这样一来，它的体积比它的气体状态缩小了600倍，从而能够使用特殊设计的冷冻船舶（LNGCs）通过海路对其进行运输。使用这些液态天然气运输船对天然气进行长距离的运输，输送到没有天然气管道的特制终端，在这里进行LNG的再次气体化并通过管道输送到其他地方，这样的整个过程的成本是可以接受的。在2014年7月，全球有335艘LNGCs投入使用，并且随着这些LNGCs的使用，在三种不同的推进方式中，蒸汽涡轮推进（STPS）优势显露，其余两种推进方式分别是柴油电力推进（DFDE）和配有液化站的传统低速两冲程柴油发动机（SSDR）。

由于LNG是在-160℃和接近大气压力的条件下进行运输，由于无法与外界绝对隔离和运输过程中的晃动，LNG的蒸发不可避免。正是这种在航行过程中处理船舶上的蒸发天然气的需要促使这些船舶采用蒸汽动力和驱动站这一在LNG运输船上拥有40年的主导权。蒸汽锅炉能够像燃烧化石燃料一样使用天然气，而其他传统的推进装置却做不到这一点。尽管与其他的推进装置相比，蒸汽轮机在这段时间内已经被证实极具可靠性，但由于其固有的性质和朗肯循环的局限，它们在能源消耗问题上是低效的。蒸汽船上的燃料消耗比柴油机船舶高得几乎难以忍受，由于是非LNG船舶上的应用，也因此蒸汽推进装置被其他的推进装置取代，比如低速二冲程柴油机，最后几乎完全消失。然而，对于10-30年前建造的LNG船舶，大家有很少或者没有任何去升级可替换的推进装置，因为在一个负载的航行中，天然气的蒸发气流足以提供船舶所有的燃料需求。然而，绝缘技术的发展在现代LNG运输船的设计中造成了更低的天然气蒸发率，这样一来供应推进系统的蒸发天然气不足，从而需要强制LNG的蒸发或者供应重油（HFO）。这已经促进了更多的可替代的能源动力推进以及再液化技术（将蒸发天然气转换成液态天然气），这样的系统与传统的蒸汽轮机相比具有经济性的优势。此外，经过这段时期，IMO开始引进规章制度来管理船舶废弃的排放问题，包括NOx和最近进入的CO2，这导致了LNGCs 的动力装置的设计发生了一个转变，从蒸汽轮机推进装置到双燃料柴油电推再到再液化推进（SSPR），以上结论可以从克拉克莱世界船舶登记数据分析得出。

从1960s到1990s，STPS被世界绝大数的LNG运输船采用，极少有例外。到了2000s，这一比例降低到了69%，而到了最近十年，降到了21%。而未来的订单目录则表明这一比例将位于12%。

本文从两个主体来评估了不同的LNG船舶动力装置的能源效率:A，回顾不同时代LNGC能源效率设计的不同，并通过实际的分析研究将其与今日的设计进行比较；B，调查这一旨在采用排放制度的推进装置的改变所带来的冲击，并分析能否带来CO2排放的下降（见图1）。

不同LNGC推进科技的说明

2.1．蒸汽轮机的推进系统

STPS目前能够在71%的LNG船舶上发现，这主要是由于它在过去统治地位的延续：操纵简单，运行简单，极度安全。当运输船罐内压力升高，蒸汽轮机将蒸发天然气点燃，产生高压蒸汽来驱动与推进装置连接的涡轮。这一期间，如果能量和推进负载不足以消耗蒸发天然气的量，产生的蒸汽将会导入到主冷凝器中。正是这一简单的原理消除了GCU（气体燃烧单元）的需要，而这一单元在其他的两种推进系统SSDR/DFDE是必不可少的。

STPS的略图在图二中显示，它通常由两个由天然气或者重油供能，向复合双减速齿轮传动式汽轮机供应蒸汽，从而驱动推进装置。这些产生的蒸汽还向一些辅机供应，包括提供电力的涡轮发电机和供给泵。涡轮发电机的总发电量由使用电动货运泵时货运船全速行进期间所需要的总电力决定，同时为了冗余的需要，通常安装两个涡轮发电机。旧式的蒸汽LNG运输船已经安装了100%装机容量的辅助柴油发电机，和涡轮发电机组的发电容量相同，并且处于安全考虑，它能够在蒸汽系统因故障不能为发电机提供能量的时候发挥作用。而新式的蒸汽LNG船舶却装有两个50%装机容量的柴油发电机，防止一个停止工作带来的风险，这给电站熄火的恢复工作带来了困难。那些1964年以来开始服役的由蒸汽驱动的第一批LNG船如果没有大的改动，结构与以上说的略图是相似的。

2.2．带有再液化站的低速柴油机

SSDR是一个带有再液化站的单燃料（重油）柴油机械推进系统，在这个系统中天然气被再次液化被返回到储罐中，而不是在内燃机中燃烧。在图三中可以看出，这些系统中的低速柴油机推进系统配有双螺杆形式的低速柴油机，直接与两个推进轴连接。这个推进单元同样配置了一个GCU（气体燃烧单元）来处理蒸发天然气，以免蒸发天然气的量多于再液化站的处理量量。

蒸发天然气再液化的概念是基于一个封闭的氮循环，从蒸发天然气中获得能量。在这个循环中，船舶的蒸发气体通过一个小功率的压缩机从LNG罐中排出，然后被压缩到5bar的压力并且在一个低温热交换器中降温到-160℃。这样能够确保所有的碳氢化合物都被转换成LNG，而氮气和其他的非碳氢化合物成为LNG中的气泡。而这些气泡在一个液体分离机中被移除，LNG则随着富氮的不凝气体被泵回储罐中，既不会排到空气中，也不是在GCU中燃烧掉。对于现有尺寸的LNG运输船，额外的再液化系统将需要外加一个介于3MW到4MW的电力能源，尽管一些现在带有低速柴油机设备的LNG运输船运输量介于216000msup3;到260000msup3;，因此需要4.5-5.5MW的电力。

2.3．双燃料柴油机电力推进

如图4所示，DFDE推进系统的特征为属于传统柴油发动机的修改版，能够燃烧蒸发天然气和柴油。这样的设计采用多个柴油发电机来提供全船的能源需求，通常是4台，包括基于“电站原则”的主推进系统，双燃料柴油发电机产生电能，而电动机使用产生的电能去驱动整个船舶。然而，这样的基于天然气的内燃机在气体燃料预混合的进气管喷射燃料，或者使用液体燃料油，但是不能同时燃烧多种燃料，并且液体和气体的多种混合物不能被燃烧。这一点与蒸汽轮机相比是明显的劣势，后者可以同时燃烧多种燃料。

这种处理蒸发天然气的需要，尤其是当主推进系统不必使用气体燃烧单元装置时，安装量经常与一个典型加载行程的总的蒸发天然气量相同。提供多个柴油机发电组提高了操作的灵活性和冗余。

2.4．未来的趋势：喷气式柴油推进

尽管在三种推进装置中拥有最高的热效率，SSDR（带再液化站的低速柴油机机推进）在LNG船舶行业并没有占据明显的主导地位，这是因为在处理BOG（蒸发天然气）方面存在限制。尽管目前所有的LNG低速柴油机发动机都采用再液化技术来处理这些蒸发气体，由于现实问题，新的排放要求，还有经济性等因素的限制，再液化技术已经表明这样的解决方案不在合适，因为开始使用更清洁的蒸发天然气作为燃料，这明显是一个更方便的解决方案。

一种新型的气体喷射推进系统已经被MAN Bamp;W和瓦锡兰提出，它能够使用气体燃料，但是提供了两种不同的解决方案。其中MAN Bamp;W的方案是同时喷射气体燃料和柴油，而瓦锡兰则是在压缩冲程喷射气体燃料。MAN Bamp;W 的ME-GI系统方案是基于高压气体喷射原则并伴有燃料点燃，以此来确保能够实现与使用重油的柴油机燃烧过程一样的热效率，它宣称比现在的DFDEs采用的预混奥托循环具有优势，因为气体并不参与整个压缩过程，从未消除了敲缸的风险，高的压缩/膨胀比能够用来实现更高的能源效率和降低排放。正如以上提及的，二冲程柴油机推动装置占据LNGCs10%的订单份额，目前看来，其中的喷气式ME-GI内燃机与2014年6月以来这些类型中的60%已经进行匹配。概图见图5.

方法

一个系统的能源效率是指系统能量输出于能量输入之间的比值，在船舶的术语中，就经常理解为所需的燃料带有的能量转换为输出功德程度。能量效率已经成为了一个通用术语，因此并没有一个能源效率的明确程度，只是通过依靠不同类似的指示参数来量化能源效率的提升。大多数的指示参数是基于使用更少的能量来的得到同等的效果或者有效的输出这样简单的原则。但还是产生了一种量化能源效率的趋势，就是关注环境方面的收获，比如减少人为的排放。

这就是IMO的EEDI所涉及的案例之一，它基于一个用来将计算CO2排放量的方程式：动力装置在特定工况下，每转换功（公制海里）所排放的CO2的量。而实际的EEDI的使用方程式计算，发布则是收到IMO的指导，得到的指示数值必须低于一个规定的基准值，以便收紧在未来五年内逐渐递增的趋势，并希望在未来得到更多有效的设计。CO2被作为一项基准，是因为根据2014年IMO的温室气体的研究，关于排放量和相关的全球变暖这一问题的潜力（GWP），而其他的温室气体并没有像CO2那样带来严重的后果。本文使用EEDI作为一项分析工具，用以分析目前的LNGC船舶的效率。

尽管EEDI只适用于新型船舶，许多研究已经试图去使用EEDI作为工具来分析现有的船舶设计，以便能够预测新规定对推进技术的冲击，或者发展中速机的情况，为未来的船舶设计提供新的EEDI值。由于大部分LNG运输船使用非传统的推进系统从而被排除在最初的EEDI规定中，绝大多数研究都集中在那些非传统推进系统的EEDI计算方案。一份来自造船工程师和轮机工程师群体的研究第一次提出估算DFDE/SSDR的大致方法。在这之后，科学和技术机构快速跟进，而他们之前的文章更多是通过改变设计参数来提升船舶的EEDI数值，比如设计船速，灯塔船或者加载曲线。然而没有文章去分析蒸汽船的EEDI数值，即使在当时它们占据了80%的总量。然而在2011年，许多详细的研究涌现，覆盖更多的推进系统种类，国际气体船运输与码头经营者协会发表了一系列关于蒸汽轮机推进系统（STPS）和DFDE的EEDI计算模型。这些研究被IMO采用，并成为目前的LNGCs的EEDI规章的蓝本所在。国际气体船运输与码头经营者协会（SIGTTO）对这三种技术的设计理念进行了总结，此外还提出了一份基于这些研究的分析参考图表。在2013年，这些研究得到了国际MEPC的进一步总结整理，并在2014年4月得到全部通过。

EEDI分析措施的一个主要有点在于它是基于一套完备的规章制度体系，因此它与未来LNGC的相关性不能被夸大。可以预期的是，2014年被采用的新EEEDI制度将会对2015年以后新下水的船舶强力实施。而它的另一项优势在于，作为一种分析效率的方法，它十分的详细，而且能够特定地适合LNG运输船，就像那些蒸汽涡轮推进装置，双燃料电力推进以及喷气式柴油推进一样能够被清晰地定义。未来的燃气推进系统通过这样的方法也能够被详细地定义，从而整个过程中都保持着最少的简化的假设。此外，使用环境排放指数的能效测量也有利于减少人为的排放污染。

这个使用EEDI的分析方法并没有考虑除了CO2以外其他气体的排放污染。尽管其他的排放的绝大部分都由已有的制度限制，但有些气体，比如甲烷却没有被任何规章制度限制，而EEDI是一个每功耗的规章，这就意味着，可能在降低CO2排放的过程中，其他气体的排放却加重了，比如甲烷。此外，三项技术的共同EEDI基准值和他们相关的效率的使用很有可能造成这样一种现象：当我们从低效率的蒸汽轮机推进装置转到更加高效的柴油推进装置的过程中产生大量的分散数据点（见表1）。

EEDI分析措施

EEDI提出的主要目的就是量化船舶的CO2的排放量，从而确定新船舶设计的基准线，并得到更加高效的船舶设计。EEDI已经被许多新型柴油机驱动船舶设计采用，比如2-13年以来的油轮，散装货船和集装箱船。那个时候LNG运输船被排除在这些制度之外，这是因为早期时计算蒸汽轮机的EEDI数值存在较大困难，而柴油电力推进占据了目前的LNG船舶和未来订单的90%。随着LNG船舶正在处于蒸汽推进向未来的柴油电力推进的变革之中，行业有限的专业知识和不足的必要学术数据不能发展出一条可靠的EEDI参考曲线。然而，经过全面的审查，IMO同意了2014年4月的防污公约附则6的修正案，将EEDI的使用范围拓展到LNG运输船领域，预计到2015年9月可以实现这一点。已经采用的LNG运输船的及基准线在表2的相分布的方程中有所体现:

基准值=2253.7 X 载重

4.

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