LNG漁船油氣混合雙動(dòng)力改造技術(shù)及其性能分析

林吉 汪鵬 劉全良

摘 要：為實(shí)現(xiàn)部分漁船的油氣動(dòng)力改造，解決柴油機(jī)動(dòng)力漁船的高能耗高污染問題，需要對(duì)漁船的油氣混合雙動(dòng)力改造進(jìn)行技術(shù)與經(jīng)濟(jì)分析。以某型號(hào)漁船為例，研究了采用多點(diǎn)噴射及缸外直接噴氣的動(dòng)力改裝技術(shù)，涉及儲(chǔ)罐相關(guān)設(shè)計(jì)、雙動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)改造、相關(guān)電控系統(tǒng)改造、燃料加注系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)及BOG回收處理等;同時(shí)對(duì)改裝漁船進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和環(huán)保分析，研究結(jié)果可供相關(guān)漁船改裝推廣與應(yīng)用研究參考。

關(guān)鍵詞：LNG漁船;改造技術(shù);油氣雙動(dòng)力

中圖分類號(hào)：U674.4? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）03-0094-04

目前，柴油機(jī)動(dòng)力漁船不可避免存在著較為嚴(yán)重的高能耗、高污染問題，這與我國(guó)正在實(shí)施的“節(jié)能減排”發(fā)展戰(zhàn)略背道而馳。近年來，生態(tài)環(huán)境部對(duì)船舶在利用天然氣等清潔能源方面提出要求，鼓勵(lì)并且引導(dǎo)漁船油改氣，使船舶清潔化水平得到提升[1]。通過對(duì)現(xiàn)有柴油機(jī)漁船的油氣混合雙動(dòng)力改造，可以減少環(huán)境污染，同時(shí)避免漁船資源的浪費(fèi)，促進(jìn)我國(guó)漁業(yè)裝備的更新?lián)Q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(jīng)濟(jì)效率高、環(huán)保污染少、安全性能好等優(yōu)勢(shì)。目前有不少研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)漁船實(shí)施LNG-柴油雙動(dòng)力改造方面進(jìn)行了相關(guān)研究：如中國(guó)水科院漁業(yè)機(jī)械研究所黃文超等人對(duì)LNG漁船的儲(chǔ)罐布置、動(dòng)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(duì)LNG漁船的天然液化氣冷能回收利用進(jìn)行研究，提出和對(duì)比分析三種冷能利用方案[3];哥倫比亞大學(xué)某研究機(jī)構(gòu)對(duì)某款電控噴嘴進(jìn)行升級(jí)，采用電控缸內(nèi)直噴的油氣混合雙動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)改造技術(shù)[4-5];青島泰能汽車燃?xì)夤韭氏仍趰魃絽^(qū)沙子口碼頭對(duì)油氣雙動(dòng)力漁運(yùn)60268進(jìn)行了試驗(yàn)，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(lǐng)域，將會(huì)促進(jìn)我國(guó)漁船裝備的升級(jí)改造，新型油氣雙動(dòng)力系統(tǒng)將是我國(guó)未來漁船動(dòng)力的重要發(fā)展趨勢(shì)之一[7]。

1雙動(dòng)力改造漁船

以某型號(hào)漁船為例，對(duì)該漁船進(jìn)行油氣混合動(dòng)力改造分析。該漁船是水平骨架、單槳單舵的鋼制艉機(jī)型漁船，其工作航區(qū)為近海，其船艙具體分布圖如圖1所示。

該漁船總長(zhǎng)56m，型寬7.30m，設(shè)計(jì)吃水為3m。在設(shè)計(jì)吃水深度下、海面風(fēng)力不大情況下，該漁船試航速度在16.8Kn左右。漁船主機(jī)為8氣缸的GN8320ZC2Y/3Y型的柴油機(jī)，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為600r/min，持續(xù)功率為2605KW，采用空氣馬達(dá)啟動(dòng)，冷卻方式采用閉式水冷。

2雙動(dòng)力改造技術(shù)分析

2.1 儲(chǔ)罐的選取與布置

LNG儲(chǔ)罐的選取及在漁船上的合理性安置是船體改造的關(guān)鍵。由于C型LNG儲(chǔ)罐成本低，建造相對(duì)容易，維護(hù)工作量少[8]，本次漁船動(dòng)力改裝易選用C型獨(dú)立式全容儲(chǔ)罐。兼顧安全性能、經(jīng)濟(jì)效益及漁船作業(yè)周期等，儲(chǔ)罐材料選擇為Ocr18Ni9。

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[9-10]。儲(chǔ)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(nèi)安置。考慮該漁船的特點(diǎn)，船體甲板的空間不大，儲(chǔ)罐無法安置在甲板上，所以考慮艙內(nèi)布置。

由于進(jìn)行油氣雙動(dòng)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(chǔ)罐安裝在儲(chǔ)油艙處，但須設(shè)置通風(fēng)裝置。同時(shí)因儲(chǔ)罐容積較大，需額外增加一個(gè)安裝在魚艙位置處的A型儲(chǔ)液艙。綜合考慮漁船整體穩(wěn)定性、漁船正常工作時(shí)的安全性以及在燃料存儲(chǔ)輸送等方面，可將原來的獨(dú)立儲(chǔ)罐改成兩個(gè)具有相同容積的C型小儲(chǔ)罐，將其對(duì)稱安裝在船體前側(cè)四分之三的位置。兩個(gè)C型小儲(chǔ)罐（儲(chǔ)罐A和儲(chǔ)罐B）在漁船上的具體安置圖如圖2所示。

2.2? 雙動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)改造

油氣雙動(dòng)力漁船動(dòng)力裝置的核心部分是雙動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)[11-14]。漁船工作過程中一般包括8種工況：?jiǎn)?dòng)工況、停車工況、怠速工況、低負(fù)荷工況、高負(fù)荷工況、超負(fù)荷工況和正常航行工況。不同工況相應(yīng)的燃油及燃?xì)庹急炔煌?。油氣雙動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的供油系統(tǒng)整體不發(fā)生變化，采用原先船上的供油系統(tǒng)。原柴油機(jī)機(jī)型為8缸柴油機(jī)，在改裝過程中采用多點(diǎn)噴射技術(shù)及缸外直接噴氣方式，噴氣量與噴射時(shí)間由漁船自控系統(tǒng)根據(jù)漁船運(yùn)行的不同工況下進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。油氣雙動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的整體動(dòng)力改造需要針對(duì)天然氣供給系統(tǒng)進(jìn)行確定。針對(duì)不同工況，中央自動(dòng)控制系統(tǒng)可以對(duì)柴油和LNG的供給量進(jìn)行控制調(diào)整，從而滿足改裝后的油氣雙動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能達(dá)到最佳理想狀態(tài)。

LNG儲(chǔ)罐液化氣先經(jīng)過氣體加熱器及高壓汽化器轉(zhuǎn)變成氣體，汽化后的氣體被送到儲(chǔ)備氣體的緩沖罐，在濾清器作用下，過濾LNG存在的細(xì)微雜質(zhì)，確保系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生不安全問題;接著經(jīng)過穩(wěn)壓器控制好進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力;然后經(jīng)過低壓電磁閥控制燃料供給的切斷或恢復(fù);再經(jīng)過電控調(diào)壓器控制天然氣的噴射量;最后通過混合器和電子節(jié)氣門控制好雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。圖3是LNG供給系統(tǒng)流程方案圖。

LNG供給過程中，儲(chǔ)罐中的LNG為高壓保存狀態(tài)，實(shí)際利用LNG時(shí)需減壓處理，一般降壓至0.2Mpa左右。從LNG儲(chǔ)罐中出來的LNG先后需經(jīng)過過濾器、單向閥及氣體加熱器等器件，在空氣燃?xì)饣旌掀魈幣c外來空氣混合，再經(jīng)過增壓閥，最終到發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃燒做功。

2.3? 電控系統(tǒng)改造

在電控系統(tǒng)改造過程中，以不影響原機(jī)主體為基礎(chǔ)進(jìn)行改造，采用額外添增一個(gè)對(duì)天然氣的供氣量與供氣時(shí)機(jī)進(jìn)行控制的LNG電控系統(tǒng)ECU（Electronic Control Unit）。除此之外，噴氣量和噴氣時(shí)機(jī)需根據(jù)漁船發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)前工況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。當(dāng)漁船發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)工況為高負(fù)荷工況時(shí)，漁船采用單燃料柴油供給驅(qū)動(dòng)，由原機(jī)對(duì)噴油量和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制;當(dāng)其工況為低負(fù)荷工況時(shí)，漁船采用雙燃料驅(qū)動(dòng)即采用少量柴油和天然氣雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，柴油采用原機(jī)ECU進(jìn)行控制，天然氣的噴氣量與噴射時(shí)機(jī)由新增的ECU進(jìn)行控制。

2.4? 燃料加注系統(tǒng)

LNG加注流程包括：管道預(yù)冷處理、氮?dú)獯祾咛幚怼娏茴A(yù)冷及燃料加注等方面。在燃料加注之前，先把LNG蒸發(fā)氣輸入到加注軟管中，進(jìn)行吹掃達(dá)到降溫的目的。再通過輸送管道被運(yùn)送到受注船儲(chǔ)罐。燃料完成加注之后，輸入氮?dú)鈱?duì)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(shè)有緊急切斷閥和脫離裝置，前者主要是為了防止操作異?；蛐孤┑那闆r，后者主要是用于避免加注方和受注方兩者之間產(chǎn)生過大的行程[8]。圖4為L(zhǎng)NG加注流程圖。

2.5? BOG回收處理

根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知，LNG漁船配備多個(gè)LNG儲(chǔ)罐時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)外壁的溫差較大，LNG氣化是無法避免的。通常設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐時(shí)，其壓力默認(rèn)小于常溫環(huán)境下的壓力，LNG汽化后生成的蒸發(fā)氣BOG會(huì)對(duì)罐內(nèi)壓力產(chǎn)生影響。如果儲(chǔ)罐內(nèi)部的壓力增大到一定程度，儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)就會(huì)被損壞，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生爆炸等危險(xiǎn)。如果直接將BOG排放放到大氣中，不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)破壞大氣環(huán)境，甚至危及船舶的安全航行。因此，對(duì)BOG進(jìn)行回收處理是漁船雙動(dòng)力改造的必要內(nèi)容。圖5為回收處理BOG原理圖。

當(dāng)BOG有少量產(chǎn)生的時(shí)候，此時(shí)需要打開閥2、閥6、閥7、閥8、閥15、閥14和閥12，其余關(guān)閉，目的是確保冷凝成液態(tài)天然氣回到儲(chǔ)罐中。當(dāng)BOG較多時(shí)，光一個(gè)閥2管路無法滿足要求，這時(shí)需同時(shí)啟動(dòng)閥2和閥3管路冷凝系統(tǒng)。根據(jù)冷凝情況調(diào)節(jié)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(dá)到BOG的回收處理。

3 改裝性能分析

3.1 經(jīng)濟(jì)性分析

假設(shè)以該漁船要在海上作業(yè)時(shí)長(zhǎng)為90日，每日作業(yè)平均時(shí)長(zhǎng)10h進(jìn)行分析，有：

式（1）中：M為柴油燃料年用量，P為最大持續(xù)功率，Q為柴油密度，N為柴油的熱值，L為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，t為工作時(shí)長(zhǎng)。

通過計(jì)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(jià)A=7.6元/L，得出柴油的總費(fèi)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(jì)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(fèi)用;C為柴油單價(jià);R為發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

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

節(jié)省費(fèi)用?T：

費(fèi)用降低百分比系數(shù)A%：

根據(jù)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(gè)月可節(jié)省燃料的費(fèi)用高達(dá)將近53萬元，費(fèi)用開支降低16.3%。

3.2 環(huán)保性分析

在環(huán)保方面，LNG燃料相比燃油具有更好的環(huán)保性。LNG燃燒后排放的物質(zhì)比較清潔，LNG燃燒生成物中顆粒較少，同時(shí)還能大幅降低SOx、NOx的排放量。而且LNG泄漏不會(huì)造成水體污染。根據(jù)國(guó)際海事組織制定的MARPOL公約：在2016年之后的柴油機(jī)NOx排放要符合Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)。MARPOL公約附則中對(duì)NOx的排放規(guī)定見下表1[16]。

表2為改裝后的雙動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物對(duì)比?？梢园l(fā)現(xiàn)改裝后的油氣雙動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)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(jīng)過雙動(dòng)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(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)符合TireⅢ標(biāo)準(zhǔn)。

4結(jié)語

基于某漁船結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，實(shí)施對(duì)該漁船進(jìn)行油氣混合雙動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)改裝，重點(diǎn)研究了儲(chǔ)罐選擇與布局、雙動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)改造、電控系統(tǒng)改造、燃料加注系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)及BOG回收處理等，同時(shí)對(duì)改裝后的漁船和柴油機(jī)漁船做性能對(duì)比分析，其經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能有顯著提升，為相關(guān)漁船推廣與應(yīng)用研究提供參考基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]農(nóng)業(yè)部.對(duì)十三屆全國(guó)人大三次會(huì)議第5173號(hào)建議的答復(fù)[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(guān)技術(shù)分析[J].漁業(yè)現(xiàn)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(dòng)力漁船冷能回收利用技術(shù)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(shí)濤，孫成良，何信.關(guān)于LNG-柴油雙燃料動(dòng)力示范漁船可靠性試驗(yàn)[C].中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)燃?xì)夥謺?huì).中國(guó)燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)與安全研討會(huì)（第九屆）暨中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)燃?xì)夥謺?huì)2018年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（上）.中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)燃?xì)夥謺?huì)：《煤氣與熱力》雜志社有限公司，2018：421-426.

[7]甘輝兵. LNG船推進(jìn)系統(tǒng)建模與仿真研究[D].大連海事大學(xué)，2012.

[8]汪鵬. 漁船發(fā)動(dòng)機(jī)油氣混合動(dòng)力改裝研究[D].浙江海洋大學(xué)，2018.

[9]張曉榮. VLCC船LNG燃料儲(chǔ)存技術(shù)研究[D].大連海事大學(xué)， 2016.

[10]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.

[11]段長(zhǎng)曉. LNG船主推進(jìn)裝置的選擇和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性研究[D].上海海事大學(xué)，2007.

[12]王虎林，陳仲.雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與普通柴油機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析[J].柴油機(jī)，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(jìn)裝置對(duì)比分析[J].世界海運(yùn)，2008（2）：36-38.

[15]吳潔，袁鑫. LNG運(yùn)輸船BOG處理技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)[J]. 船舶工程，2020，4（42）：21-25.

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