LNG作為燃料用于漁船的研究

王永生，李 超，李勝勇，趙新穎，諶志新

（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092）

LNG作為燃料用于漁船的研究

王永生，李 超，李勝勇，趙新穎，諶志新

（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092）

為減輕船舶航行對(duì)大氣造成的污染，實(shí)現(xiàn)船舶的節(jié)能減排，以液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）雙燃料漁船為目標(biāo)船，對(duì)LNG系統(tǒng)、冷能利用和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，LNG作為燃料用于漁船上，既經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，又符合規(guī)范對(duì)“綠色船舶”的要求。

一次能源；LNG漁船設(shè)計(jì)；冷能利用；經(jīng)濟(jì)效益

0 引 言

我國(guó)是漁業(yè)大國(guó)，漁船眾多，其中海洋漁船的能耗在全國(guó)漁船總能耗中的占比最大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，漁船每年的總?cè)加拖牧考s為790萬t，是漁業(yè)耗能的主要方面［1］。隨著環(huán)境越來越受重視和石油儲(chǔ)量越來越少，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）作為一種清潔能源進(jìn)入了船舶行業(yè)的視野，以降低CO2及硫化物的排放和營(yíng)運(yùn)成本。

這里在分析我國(guó)漁船現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)LNG作為燃料用于漁船上進(jìn)行分析，研究LNG儲(chǔ)罐的布置、LNG系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、冷能利用和經(jīng)濟(jì)效益等內(nèi)容，為以后LNG漁船的設(shè)計(jì)提供參考。

1 概 述

目前，我國(guó)漁船裝備的總體技術(shù)水平較為落后，耗能高，污染嚴(yán)重。為促進(jìn)我國(guó)漁業(yè)的現(xiàn)代化建設(shè)，開始在漁船上使用LNG燃料，這既能推進(jìn)我國(guó)漁船裝備技術(shù)的進(jìn)步，又符合國(guó)際節(jié)能減排潮流，將為造船和相關(guān)配套企業(yè)帶來不小的市場(chǎng)機(jī)遇。

天然氣是一種清潔能源，目前在船舶燃料中所占的比例較小，主要用于LNG運(yùn)輸船，用于漁船上的比例更小。但隨著環(huán)境問題日益受重視，對(duì)能源的環(huán)保、綠色和污染物排放的要求越來越高，天然氣在未來船舶燃料中所占的比例會(huì)越來越大。因此，在漁船上推廣使用LNG這種價(jià)格低廉、便于運(yùn)輸、使用安全的清潔能源，對(duì)促進(jìn)漁業(yè)節(jié)能減排、降低漁業(yè)捕撈成本具有重要意義。

1.1 國(guó)家政策

從我國(guó)農(nóng)業(yè)部漁業(yè)船舶檢驗(yàn)局制定的“十二五”發(fā)展規(guī)劃中可以看到，國(guó)家把提升漁船裝備的技術(shù)水平，降低漁業(yè)生產(chǎn)成本和能耗，實(shí)現(xiàn)漁船裝備現(xiàn)代化作為重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)，并謀劃以LNG作為漁船動(dòng)力燃料的戰(zhàn)略布局。

1.2 排放優(yōu)勢(shì)

隨著全球氣候變暖，減排與低碳已是大勢(shì)所趨，船舶行業(yè)責(zé)無旁貸。根據(jù)國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)制定的《船舶污染防治國(guó)際公約》（MARPOL公約）附則VI修訂案的相關(guān)規(guī)定：要求2010年7月以后在ECA（排放管制區(qū)域）航行船只所用燃料之含硫量≤1%，2015年1月1日以后≤0.1%；柴油機(jī)的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)要求在2016年以后要滿足Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)。MARPOL公約附則Ⅵ對(duì)NOx的排放限值見表1，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與NOx限值關(guān)系曲線見圖1［2］。

表1 MARPOL 公約附則Ⅵ對(duì)NOx的排放限值

圖1 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與NOx限值關(guān)系曲線

2 LNG漁船設(shè)計(jì)

以38m拖網(wǎng)漁船為例，對(duì)LNG罐的布置、燃料系統(tǒng)和安全系統(tǒng)等進(jìn)行分析。該船為鋼質(zhì)、艉機(jī)型、單機(jī)單槳拖網(wǎng)漁船，艉部線型采用寬整甲板面、圓艉封板，艏部線型采用前傾艏柱，主要作業(yè)區(qū)域?yàn)榻：絽^(qū)。該船總長(zhǎng)38.6m，型寬7.3m，設(shè)計(jì)航速10kn，續(xù)航力≥4000n mile，船員17人。

該船主推進(jìn)采用1臺(tái)雙燃料柴油機(jī)（淄柴），功率為385kW；另配有2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，滿足全船供電需求。在LNG儲(chǔ)罐艙內(nèi)設(shè)置一個(gè)LNG儲(chǔ)罐，容積約為8m3，供漁船航行工況下主機(jī)燃燒使用。

2.1 LNG儲(chǔ)罐選取及布置

目前以LNG燃料作為動(dòng)力的船中，LNG儲(chǔ)罐基本上都選用C型獨(dú)立罐?？紤]到價(jià)格及漁船作業(yè)周期等因素，用于漁船上的LNG儲(chǔ)罐一般選用不銹鋼材料。LNG儲(chǔ)罐的前端設(shè)有起保護(hù)作用的不銹鋼環(huán)圍，稱作冷箱（Cold Box），里面設(shè)置換熱器、控制閥等燃?xì)馓幚碓O(shè)備。

LNG儲(chǔ)罐在船上的布置需滿足MSC.285（86）及船級(jí)社規(guī)范的要求。根據(jù)規(guī)范，LNG儲(chǔ)罐既可布置在甲板上，也可布置在甲板下。若設(shè)置在甲板下，則需單獨(dú)設(shè)LNG儲(chǔ)存艙，并配有相關(guān)的通風(fēng)裝置等。對(duì)于漁船而言，LNG儲(chǔ)罐一般設(shè)置在甲板下。

圖2為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐的布置，該漁船采用壓力式LNG儲(chǔ)罐，設(shè)計(jì)壓力為1.0MPa，材質(zhì)為不銹鋼304L。LNG儲(chǔ)罐前部設(shè)有自增壓供氣單元（PBU），用于控制天然氣出口的溫度和壓力?？紤]到漁船作業(yè)工況及LNG晃動(dòng)會(huì)產(chǎn)生過多蒸發(fā)氣，該漁船的LNG儲(chǔ)罐設(shè)于全船中間的甲板下圍壁處所，氣罐的外邊緣與外板的間距均滿足規(guī)范要求。

圖2 LNG儲(chǔ)罐的布置

2.2 LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)及燃料系統(tǒng)

LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)分為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和氣體發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃料系統(tǒng)包括燃料充裝和燃料供給2部分。通過甲板注入管為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐加注；根據(jù)主機(jī)燃料的進(jìn)機(jī)要求，一般使用乙二醇的水溶液作為加熱介質(zhì)來加熱液態(tài)LNG燃料，使其達(dá)到所需的溫度和壓力并氣化。隨后，通過燃?xì)忾y單元（GVU）對(duì)主機(jī)的燃料氣體進(jìn)行進(jìn)機(jī)前的調(diào)節(jié)和控制。

該漁船選用的是國(guó)產(chǎn)雙燃料主機(jī)，圖3為L(zhǎng)NG燃料系統(tǒng)原理（PBU）。LNG從儲(chǔ)罐經(jīng)主閥出來后，經(jīng)氣化器單元、溫控閥、減壓調(diào)節(jié)單元、主氣體燃料閥進(jìn)入機(jī)艙，經(jīng)設(shè)于機(jī)艙內(nèi)的自動(dòng)截止閥進(jìn)入LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中。

圖3 LNG燃料系統(tǒng)原理（PBU）

2.3 監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)

該船采用本質(zhì)安全性機(jī)艙，設(shè)有2套獨(dú)立的燃料供給系統(tǒng)。機(jī)艙內(nèi)設(shè)有2套獨(dú)立的固定式氣體探測(cè)器，若可燃?xì)怏w濃度達(dá)到20%LEL時(shí)聲光報(bào)警，同時(shí)切斷燃?xì)夤?yīng)；此外還設(shè)有機(jī)械通風(fēng)裝置，具有每小時(shí)至少換氣30次的能力。設(shè)備監(jiān)測(cè)和報(bào)警內(nèi)容［3］見表2。

表2 設(shè)備監(jiān)測(cè)和報(bào)警內(nèi)容

3 冷能的利用

LNG作為船舶當(dāng)前理想的替代燃料之一，要在氣化后才能使用；而LNG本身含有大量的冷能，若能利用這部分冷能進(jìn)行魚艙制冷，則可起到節(jié)能環(huán)保的作用。

目前不考慮冷媒介質(zhì)是否有相變的問題，僅對(duì)總的冷量進(jìn)行計(jì)算。以該船為目標(biāo)船進(jìn)行分析，主機(jī)選用淄柴（Z6170），進(jìn)機(jī)壓力為0～4bar，進(jìn)機(jī)溫度為5～25℃。LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)溫度為-165℃，設(shè)計(jì)壓力為1.0MPa，將其汽化至20℃焓值約836kJ/kg，LNG儲(chǔ)罐約80m3；考慮儲(chǔ)罐為85%的貯液，熱量轉(zhuǎn)換率為80%。經(jīng)計(jì)算，產(chǎn)生的總冷量約為2.09×107kJ，制冷量為132kW。

假設(shè)上述冷量全部用于冷海水，則換熱公式［4］為

式（1）中：η為L(zhǎng)NG冷量的利用效率，取90%［5］；m為海水質(zhì)量，kg；Cp為海水比熱容，取4.3kJ/（kg·K）；t2為海水常溫，取32℃；t1為冷海水溫度，取0℃。

經(jīng)計(jì)算，通過利用LNG冷量，可得到約136.7t的0℃冷海水。

4 經(jīng)濟(jì)效益

對(duì)于以LNG雙燃料作為動(dòng)力的漁船而言，LNG系統(tǒng)設(shè)備的初期投資較大，一般為常規(guī)燃料船造價(jià)的30%～50%。而根據(jù)國(guó)家油改氣的優(yōu)惠政策，會(huì)針對(duì)LNG動(dòng)力船及改造船給予船東相關(guān)的補(bǔ)貼。此外，由于設(shè)有LNG儲(chǔ)罐，魚艙的容積會(huì)有所減少，這可能會(huì)影響漁民的經(jīng)濟(jì)收益。

由于漁船作業(yè)工況比較復(fù)雜，雙燃料主機(jī)主要適于在航行工況下工作，因此僅考慮比較燃料的消耗。為論證LNG雙燃料主機(jī)的燃料消耗比常規(guī)柴油機(jī)少，以38m拖網(wǎng)漁船（續(xù)航力為4000n mile，平均航速為10kn）為例，對(duì)采用常規(guī)柴油機(jī)和LNG雙燃料主機(jī)的燃料消耗進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。

假設(shè)2種主機(jī)的功率均為385kW，平均取每個(gè)航次16.67d；考慮到每年有3個(gè)月的休漁期，取每年20個(gè)航次進(jìn)行計(jì)算。LNG雙燃料主機(jī)與常規(guī)柴油機(jī)對(duì)比見表3。

表3 LNG雙燃料主機(jī)與常規(guī)柴油機(jī)對(duì)比

據(jù)查詢，近期燃油價(jià)格約為6000元/t，而天然氣約為4500元/t。按此計(jì)算，采用LNG燃料主機(jī)每年可節(jié)省燃料費(fèi)約16.4萬元，而一臺(tái)常規(guī)柴油機(jī)的價(jià)格約為17萬元，一臺(tái)LNG雙燃料主機(jī)的價(jià)格約為30萬元，因此僅需一年就可以回收成本，且LNG作為船舶燃料的經(jīng)濟(jì)效益非常顯著，前景廣闊。

5 結(jié) 語(yǔ)

LNG燃料因具有低排放和低價(jià)格的優(yōu)勢(shì)而被認(rèn)為是未來理想的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料。這對(duì)發(fā)展比較落后且又是能源消耗大戶的漁船來說，為使用LNG燃料提供了新的機(jī)會(huì)，進(jìn)而為推進(jìn)漁船節(jié)能減排、為漁民增收等提供了有力支撐，對(duì)促進(jìn)漁船業(yè)的發(fā)展發(fā)揮重要作用。

［1］ 徐皓，張祝利，張建華，等. 我國(guó)漁業(yè)節(jié)能減排研究與發(fā)展建議［J］. 水產(chǎn)學(xué)報(bào)，2011， 35 （3）： 472-480.

［2］ 王平安，吳桂濤，杜太利. LNG作為船舶動(dòng)力燃料的效益分析［J］. 船海工程，2013， 42 （1）： 111-113.

［3］ 中國(guó)船級(jí)社. 天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范［S］. 北京：人民交通出版社，2013.

［4］ 魏鵬威，張建一，詹鋆. 混合動(dòng)力漁船LNG冷量的應(yīng)用分析［J］. 漁業(yè)現(xiàn)代化，2012， 39 （3）： 51-54.

［5］ 張繼俊. 天然氣/柴油機(jī)雙燃料船用發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)研究［D］. 武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

Research on LNG as Fuel for Fishing Vessel

WANG Yong-sheng，LI Chao，LI Sheng-yong，ZHAO Xin-ying，CHEN Zhi-xin
（Fishery Machinery and Instrument Research Institute， Chinese Academy of Fishery Sciences， Shanghai 200092， China.）

LNG system， cold energy utilization and its benefit are studied for Liquefied Natural Gas （LNG） duel fuel fishing vessel to reduce air pollution caused by shipping and to realize energy saving and emission reduction of the ships. The result shows that LNG used as the fuel of fishing vessels is more beneficial and more environmental friendly. It could meet the “Green Ship” requirements.

primary energy； design of LNG powered fishing vessel； cold energy utilization； economic benefit

F426.22；U674.4

A

2095-4069 （2016） 05-0050-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.05.010

2015-10-29

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目：“南海漁船高效節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)研究”

王永生，男，工程師，1981年生。2006年畢業(yè)于上海海事大學(xué)輪機(jī)工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶輪機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)工作。