LNG漁船油氣混合雙動力改造技術及其性能分析

林吉 汪鵬 劉全良

摘 要：為實現部分漁船的油氣動力改造，解決柴油機動力漁船的高能耗高污染問題，需要對漁船的油氣混合雙動力改造進行技術與經濟分析。以某型號漁船為例，研究了采用多點噴射及缸外直接噴氣的動力改裝技術，涉及儲罐相關設計、雙動力發動機改造、相關電控系統改造、燃料加注系統、監測報警系統及BOG回收處理等;同時對改裝漁船進行經濟和環保分析，研究結果可供相關漁船改裝推廣與應用研究參考。

關鍵詞：LNG漁船;改造技術;油氣雙動力

中圖分類號：U674.4? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）03-0094-04

目前，柴油機動力漁船不可避免存在著較為嚴重的高能耗、高污染問題，這與我國正在實施的“節能減排”發展戰略背道而馳。近年來，生態環境部對船舶在利用天然氣等清潔能源方面提出要求，鼓勵并且引導漁船油改氣，使船舶清潔化水平得到提升[1]。通過對現有柴油機漁船的油氣混合雙動力改造，可以減少環境污染，同時避免漁船資源的浪費，促進我國漁業裝備的更新換代。

與柴油相比，液化天然氣LNG（Liquefied Natural Gas）作為低碳清潔能源，具備經濟效率高、環保污染少、安全性能好等優勢。目前有不少研究機構和學者對漁船實施LNG-柴油雙動力改造方面進行了相關研究：如中國水科院漁業機械研究所黃文超等人對LNG漁船的儲罐布置、動力改造等方面做了分析[2];洛陽船舶材料研究院董升朝等人對LNG漁船的天然液化氣冷能回收利用進行研究，提出和對比分析三種冷能利用方案[3];哥倫比亞大學某研究機構對某款電控噴嘴進行升級，采用電控缸內直噴的油氣混合雙動力發動機改造技術[4-5];青島泰能汽車燃氣公司率先在嶗山區沙子口碼頭對油氣雙動力漁運60268進行了試驗，該示范船舶試航成功[6]。LNG替代或部分替代柴油用于漁船領域，將會促進我國漁船裝備的升級改造，新型油氣雙動力系統將是我國未來漁船動力的重要發展趨勢之一[7]。

1雙動力改造漁船

以某型號漁船為例，對該漁船進行油氣混合動力改造分析。該漁船是水平骨架、單槳單舵的鋼制艉機型漁船，其工作航區為近海，其船艙具體分布圖如圖1所示。

該漁船總長56m，型寬7.30m，設計吃水為3m。在設計吃水深度下、海面風力不大情況下，該漁船試航速度在16.8Kn左右。漁船主機為8氣缸的GN8320ZC2Y/3Y型的柴油機，標定轉速為600r/min，持續功率為2605KW，采用空氣馬達啟動，冷卻方式采用閉式水冷。

2雙動力改造技術分析

2.1 儲罐的選取與布置

LNG儲罐的選取及在漁船上的合理性安置是船體改造的關鍵。由于C型LNG儲罐成本低，建造相對容易，維護工作量少[8]，本次漁船動力改裝易選用C型獨立式全容儲罐。兼顧安全性能、經濟效益及漁船作業周期等，儲罐材料選擇為Ocr18Ni9。

LNG儲罐在船上的布置需滿足MSC.285（86）及船級社規范的要求[9-10]。儲罐在船上的安置可以分為2種，第一種是在漁船甲板上安置，第二種則是在漁船船艙內安置。考慮該漁船的特點，船體甲板的空間不大，儲罐無法安置在甲板上，所以考慮艙內布置。

由于進行油氣雙動力改造，柴油燃料的使用量大幅度減少，本次漁船改造將LNG儲罐安裝在儲油艙處，但須設置通風裝置。同時因儲罐容積較大，需額外增加一個安裝在魚艙位置處的A型儲液艙。綜合考慮漁船整體穩定性、漁船正常工作時的安全性以及在燃料存儲輸送等方面，可將原來的獨立儲罐改成兩個具有相同容積的C型小儲罐，將其對稱安裝在船體前側四分之三的位置。兩個C型小儲罐（儲罐A和儲罐B）在漁船上的具體安置圖如圖2所示。

2.2? 雙動力發動機改造

油氣雙動力漁船動力裝置的核心部分是雙動力發動機[11-14]。漁船工作過程中一般包括8種工況：啟動工況、停車工況、怠速工況、低負荷工況、高負荷工況、超負荷工況和正常航行工況。不同工況相應的燃油及燃氣占比不同。油氣雙動力發動機的供油系統整體不發生變化，采用原先船上的供油系統。原柴油機機型為8缸柴油機，在改裝過程中采用多點噴射技術及缸外直接噴氣方式，噴氣量與噴射時間由漁船自控系統根據漁船運行的不同工況下進行適應性調整。油氣雙動力發動機的整體動力改造需要針對天然氣供給系統進行確定。針對不同工況，中央自動控制系統可以對柴油和LNG的供給量進行控制調整，從而滿足改裝后的油氣雙動力發動機的工作性能達到最佳理想狀態。

LNG儲罐液化氣先經過氣體加熱器及高壓汽化器轉變成氣體，汽化后的氣體被送到儲備氣體的緩沖罐，在濾清器作用下，過濾LNG存在的細微雜質，確保系統不會產生不安全問題;接著經過穩壓器控制好進入發動機的進氣壓力;然后經過低壓電磁閥控制燃料供給的切斷或恢復;再經過電控調壓器控制天然氣的噴射量;最后通過混合器和電子節氣門控制好雙燃料發動機的轉速與負荷到發動機燃燒室。圖3是LNG供給系統流程方案圖。

LNG供給過程中，儲罐中的LNG為高壓保存狀態，實際利用LNG時需減壓處理，一般降壓至0.2Mpa左右。從LNG儲罐中出來的LNG先后需經過過濾器、單向閥及氣體加熱器等器件，在空氣燃氣混合器處與外來空氣混合，再經過增壓閥，最終到發動機缸內實現燃燒做功。

2.3? 電控系統改造

在電控系統改造過程中，以不影響原機主體為基礎進行改造，采用額外添增一個對天然氣的供氣量與供氣時機進行控制的LNG電控系統ECU（Electronic Control Unit）。除此之外，噴氣量和噴氣時機需根據漁船發動機的當前工況進行相應的調整。當漁船發動機實時工況為高負荷工況時，漁船采用單燃料柴油供給驅動，由原機對噴油量和發動機進行控制;當其工況為低負荷工況時，漁船采用雙燃料驅動即采用少量柴油和天然氣雙動力驅動，柴油采用原機ECU進行控制，天然氣的噴氣量與噴射時機由新增的ECU進行控制。

2.4? 燃料加注系統

LNG加注流程包括：管道預冷處理、氮氣吹掃處理、噴淋預冷及燃料加注等方面。在燃料加注之前，先把LNG蒸發氣輸入到加注軟管中，進行吹掃達到降溫的目的。再通過輸送管道被運送到受注船儲罐。燃料完成加注之后，輸入氮氣對加注軟管吹掃，從而將軟管中保留下的LNG排出。除此之外，還需設有緊急切斷閥和脫離裝置，前者主要是為了防止操作異常或泄漏的情況，后者主要是用于避免加注方和受注方兩者之間產生過大的行程[8]。圖4為LNG加注流程圖。

2.5? BOG回收處理

根據文獻[15]可知，LNG漁船配備多個LNG儲罐時，儲罐內外壁的溫差較大，LNG氣化是無法避免的。通常設計儲罐時，其壓力默認小于常溫環境下的壓力，LNG汽化后生成的蒸發氣BOG會對罐內壓力產生影響。如果儲罐內部的壓力增大到一定程度，儲罐結構就會被損壞，嚴重時可能會產生爆炸等危險。如果直接將BOG排放放到大氣中，不僅會造成經濟損失，而且會破壞大氣環境，甚至危及船舶的安全航行。因此，對BOG進行回收處理是漁船雙動力改造的必要內容。圖5為回收處理BOG原理圖。

當BOG有少量產生的時候，此時需要打開閥2、閥6、閥7、閥8、閥15、閥14和閥12，其余關閉，目的是確保冷凝成液態天然氣回到儲罐中。當BOG較多時，光一個閥2管路無法滿足要求，這時需同時啟動閥2和閥3管路冷凝系統。根據冷凝情況調節冷凝器的使用，使BOG在任何情況下都可以完成冷凝要求，從而達到BOG的回收處理。

3 改裝性能分析

3.1 經濟性分析

假設以該漁船要在海上作業時長為90日，每日作業平均時長10h進行分析，有：

式（1）中：M為柴油燃料年用量，P為最大持續功率，Q為柴油密度，N為柴油的熱值，L為柴油發動機熱效率，t為工作時長。

通過計算得出該漁船每年使用的柴油燃料量為429.3m3，考慮普通柴油市價A=7.6元/L，得出柴油的總費用T為3.26×106元。

按照天然氣與柴油燃料消耗比例約6：4的比例計算：

式（2）中：K為改造漁船的熱值消耗總量。由式（2）得到全年的船舶熱值消耗為8.44×1012J。

式（3）中： T1為漁船40%柴油費用;C為柴油單價;R為發動機熱效率。

式（4）中： T2為漁船每年60%柴油費用;C'為天然氣單價;N'為天然氣的熱值。

節省費用?T：

費用降低百分比系數A%：

根據上述分析可知，以LNG與柴油燃料消耗比例為6：4的情況下，單只船舶三個月可節省燃料的費用高達將近53萬元，費用開支降低16.3%。

3.2 環保性分析

在環保方面，LNG燃料相比燃油具有更好的環保性。LNG燃燒后排放的物質比較清潔，LNG燃燒生成物中顆粒較少，同時還能大幅降低SOx、NOx的排放量。而且LNG泄漏不會造成水體污染。根據國際海事組織制定的MARPOL公約：在2016年之后的柴油機NOx排放要符合Tier Ⅲ標準。MARPOL公約附則中對NOx的排放規定見下表1[16]。

表2為改裝后的雙動力發動機的污染物對比。可以發現改裝后的油氣雙動力發動機的減少了近85%NOx排放量，除此之外，還減少了40%二氧化碳排放量。兩者相比，經過雙動力改造后的提升效果十分顯著，不僅NOx和CO2的排放量大大降低，而且改裝后的雙動力發動機符合TireⅢ標準。

4結語

基于某漁船結構基礎，實施對該漁船進行油氣混合雙動力發動機改裝，重點研究了儲罐選擇與布局、雙動力發動機改造、電控系統改造、燃料加注系統、監測報警系統及BOG回收處理等，同時對改裝后的漁船和柴油機漁船做性能對比分析，其經濟性和環保性能有顯著提升，為相關漁船推廣與應用研究提供參考基礎。

參考文獻：

[1]農業部.對十三屆全國人大三次會議第5173號建議的答復[EB/OL]. http：//www.moa.gov.cn/govpublic/YYJ/202009/P020200901377998299348.ofd， 2020-08-27.

[2]黃文超，趙新穎，諶志新.液化天然氣漁船改造相關技術分析[J].漁業現代化， 2014，41（06）：55-57+66.

[3]董升朝，種道彤，蔣鵬，余巍，李培躍，李晟.LNG動力漁船冷能回收利用技術研究[J].船舶工程，2016，38（04）：18-21+74.

[4] Jones H， Cowan J， Munshi S. Source Apportionment of Particulate Matter from a Diesel Pilot-Ignited Natural Gas Fueled Heavy Duty DI Engine[J].Natural Gas， 2005， 18（25）：21-29.

[5] Jie Liu， Fuyuan Yang ，Hewu Wang， Minggao Ouyang， Shougang Hao. Effects of pilot fuel quantity on the emissions characteristics of a CNG/diesel dual fuel engine with optimized pilot injection timing[J]. Applied Energy，2013，110.

[6]時濤，孫成良，何信.關于LNG-柴油雙燃料動力示范漁船可靠性試驗[C].中國土木工程學會燃氣分會.中國燃氣運營與安全研討會（第九屆）暨中國土木工程學會燃氣分會2018年學術年會論文集（上）.中國土木工程學會燃氣分會：《煤氣與熱力》雜志社有限公司，2018：421-426.

[7]甘輝兵. LNG船推進系統建模與仿真研究[D].大連海事大學，2012.

[8]汪鵬. 漁船發動機油氣混合動力改裝研究[D].浙江海洋大學，2018.

[9]張曉榮. VLCC船LNG燃料儲存技術研究[D].大連海事大學， 2016.

[10]中國船級社.天然氣燃料動力船舶規范[S].北京：人民交通出版社，2013.

[11]段長曉. LNG船主推進裝置的選擇和雙燃料發動機的經濟性研究[D].上海海事大學，2007.

[12]王虎林，陳仲.雙燃料發動機與普通柴油機的技術經濟對比分析[J].柴油機，2009（5）：19-20.

[13]黃海波. LNG船舶配置再液化裝置可行性分析[J].船舶，2009（1）：9-11.

[14]彭巖，朱玉崧. LNG船舶推進裝置對比分析[J].世界海運，2008（2）：36-38.

[15]吳潔，袁鑫. LNG運輸船BOG處理技術的發展態勢[J]. 船舶工程，2020，4（42）：21-25.

[16] DNV. Rules for classification of ships[S].