LNG渔船油气混合双动力改造技术及其性能分析

林吉 汪鹏 刘全良

摘 要：为实现部分渔船的油气动力改造，解决柴油机动力渔船的高能耗高污染问题，需要对渔船的油气混合双动力改造进行技术与经济分析。以某型号渔船为例，研究了采用多点喷射及缸外直接喷气的动力改装技术，涉及储罐相关设计、双动力发动机改造、相关电控系统改造、燃料加注系统、监测报警系统及BOG回收处理等;同时对改装渔船进行经济和环保分析，研究结果可供相关渔船改装推广与应用研究参考。

关键词：LNG渔船;改造技术;油气双动力

中图分类号：U674.4           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）03-0094-04

目前，柴油机动力渔船不可避免存在着较为严重的高能耗、高污染问题，这与我国正在实施的“节能减排”发展战略背道而驰。近年来，生态环境部对船舶在利用天然气等清洁能源方面提出要求，鼓励并且引导渔船油改气，使船舶清洁化水平得到提升[1]。通过对现有柴油机渔船的油气混合双动力改造，可以减少环境污染，同时避免渔船资源的浪费，促进我国渔业装备的更新换代。

与柴油相比，液化天然气LNG（Liquefied Natural Gas）作为低碳清洁能源，具备经济效率高、环保污染少、安全性能好等优势。目前有不少研究机构和学者对渔船实施LNG-柴油双动力改造方面进行了相关研究：如中国水科院渔业机械研究所黄文超等人对LNG渔船的储罐布置、动力改造等方面做了分析[2];洛阳船舶材料研究院董升朝等人对LNG渔船的天然液化气冷能回收利用进行研究，提出和对比分析三种冷能利用方案[3];哥伦比亚大学某研究机构对某款电控喷嘴进行升级，采用电控缸内直喷的油气混合双动力发动机改造技术[4-5];青岛泰能汽车燃气公司率先在崂山区沙子口码头对油气双动力渔运60268进行了试验，该示范船舶试航成功[6]。LNG替代或部分替代柴油用于渔船领域，将会促进我国渔船装备的升级改造，新型油气双动力系统将是我国未来渔船动力的重要发展趋势之一[7]。

1双动力改造渔船

以某型号渔船为例，对该渔船进行油气混合动力改造分析。该渔船是水平骨架、单桨单舵的钢制艉机型渔船，其工作航区为近海，其船舱具体分布图如图1所示。

该渔船总长56m，型宽7.30m，设计吃水为3m。在设计吃水深度下、海面风力不大情况下，该渔船试航速度在16.8Kn左右。渔船主机为8气缸的GN8320ZC2Y/3Y型的柴油机，标定转速为600r/min，持续功率为2605KW，采用空气马达启动，冷却方式采用闭式水冷。

2双动力改造技术分析

2.1 储罐的选取与布置

LNG储罐的选取及在渔船上的合理性安置是船体改造的关键。由于C型LNG储罐成本低，建造相对容易，维护工作量少[8]，本次渔船动力改装易选用C型独立式全容储罐。兼顾安全性能、经济效益及渔船作业周期等，储罐材料选择为Ocr18Ni9。

LNG储罐在船上的布置需满足MSC.285（86）及船级社规范的要求[9-10]。储罐在船上的安置可以分为2种，第一种是在渔船甲板上安置，第二种则是在渔船船舱内安置。考虑该渔船的特点，船体甲板的空间不大，储罐无法安置在甲板上，所以考虑舱内布置。

由于进行油气双动力改造，柴油燃料的使用量大幅度减少，本次渔船改造将LNG储罐安装在储油舱处，但须设置通风装置。同时因储罐容积较大，需额外增加一个安装在鱼舱位置处的A型储液舱。综合考虑渔船整体稳定性、渔船正常工作时的安全性以及在燃料存储输送等方面，可将原来的独立储罐改成两个具有相同容积的C型小储罐，将其对称安装在船体前侧四分之三的位置。两个C型小储罐（储罐A和储罐B）在渔船上的具体安置图如图2所示。

2.2  双动力发动机改造

油气双动力渔船动力装置的核心部分是双动力发动机[11-14]。渔船工作过程中一般包括8种工况：启动工况、停车工况、怠速工况、低负荷工况、高负荷工况、超负荷工况和正常航行工况。不同工况相应的燃油及燃气占比不同。油气双动力发动机的供油系统整体不发生变化，采用原先船上的供油系统。原柴油机机型为8缸柴油机，在改装过程中采用多点喷射技术及缸外直接喷气方式，喷气量与喷射时间由渔船自控系统根据渔船运行的不同工况下进行适应性调整。油气双动力发动机的整体动力改造需要针对天然气供给系统进行确定。针对不同工况，中央自动控制系统可以对柴油和LNG的供给量进行控制调整，从而满足改装后的油气双动力发动机的工作性能达到最佳理想状态。

LNG储罐液化气先经过气体加热器及高压汽化器转变成气体，汽化后的气体被送到储备气体的缓冲罐，在滤清器作用下，过滤LNG存在的细微杂质，确保系统不会产生不安全问题;接着经过稳压器控制好进入发动机的进气压力;然后经过低压电磁阀控制燃料供给的切断或恢复;再经过电控调压器控制天然气的喷射量;最后通过混合器和电子节气门控制好双燃料发动机的转速与负荷到发动机燃烧室。图3是LNG供给系统流程方案图。

LNG供给过程中，储罐中的LNG为高压保存状态，实际利用LNG时需减压处理，一般降压至0.2Mpa左右。从LNG储罐中出来的LNG先后需经过过滤器、单向阀及气体加热器等器件，在空气燃气混合器处与外来空气混合，再经过增压阀，最终到发动机缸内实现燃烧做功。

2.3  电控系统改造

在电控系统改造过程中，以不影响原机主体为基础进行改造，采用额外添增一个对天然气的供气量与供气时机进行控制的LNG电控系统ECU（Electronic Control Unit）。除此之外，喷气量和喷气时机需根据渔船发动机的当前工况进行相应的调整。当渔船发动机实时工况为高负荷工况时，渔船采用单燃料柴油供给驱动，由原机对喷油量和发动机进行控制;当其工况为低负荷工况时，渔船采用双燃料驱动即采用少量柴油和天然气双动力驱动，柴油采用原机ECU进行控制，天然氣的喷气量与喷射时机由新增的ECU进行控制。

2.4  燃料加注系統

LNG加注流程包括：管道预冷处理、氮气吹扫处理、喷淋预冷及燃料加注等方面。在燃料加注之前，先把LNG蒸发气输入到加注软管中，进行吹扫达到降温的目的。再通过输送管道被运送到受注船储罐。燃料完成加注之后，输入氮气对加注软管吹扫，从而将软管中保留下的LNG排出。除此之外，还需设有紧急切断阀和脱离装置，前者主要是为了防止操作异常或泄漏的情况，后者主要是用于避免加注方和受注方两者之间产生过大的行程[8]。图4为LNG加注流程图。

2.5  BOG回收处理

根据文献[15]可知，LNG渔船配备多个LNG储罐时，储罐内外壁的温差较大，LNG气化是无法避免的。通常设计储罐时，其压力默认小于常温环境下的压力，LNG汽化后生成的蒸发气BOG会对罐内压力产生影响。如果储罐内部的压力增大到一定程度，储罐结构就会被损坏，严重时可能会产生爆炸等危险。如果直接将BOG排放放到大气中，不仅会造成经济损失，而且会破坏大气环境，甚至危及船舶的安全航行。因此，对BOG进行回收处理是渔船双动力改造的必要内容。图5为回收处理BOG原理图。

当BOG有少量产生的时候，此时需要打开阀2、阀6、阀7、阀8、阀15、阀14和阀12，其余关闭，目的是确保冷凝成液态天然气回到储罐中。当BOG较多时，光一个阀2管路无法满足要求，这时需同时启动阀2和阀3管路冷凝系统。根据冷凝情况调节冷凝器的使用，使BOG在任何情况下都可以完成冷凝要求，从而达到BOG的回收处理。

3 改装性能分析

3.1 经济性分析

假设以该渔船要在海上作业时长为90日，每日作业平均时长10h进行分析，有：

式（1）中：M为柴油燃料年用量，P为最大持续功率，Q为柴油密度，N为柴油的热值，L为柴油发动机热效率，t为工作时长。

通过计算得出该渔船每年使用的柴油燃料量为429.3m3，考虑普通柴油市价A=7.6元/L，得出柴油的总费用T为3.26×106元。

按照天然气与柴油燃料消耗比例约6：4的比例计算：

式（2）中：K为改造渔船的热值消耗总量。由式（2）得到全年的船舶热值消耗为8.44×1012J。

式（3）中： T1为渔船40%柴油费用;C为柴油单价;R为发动机热效率。

式（4）中： T2为渔船每年60%柴油费用;C'为天然气单价;N'为天然气的热值。

节省费用?T：

费用降低百分比系数A%：

根据上述分析可知，以LNG与柴油燃料消耗比例为6：4的情况下，单只船舶三个月可节省燃料的费用高达将近53万元，费用开支降低16.3%。

3.2 环保性分析

在环保方面，LNG燃料相比燃油具有更好的环保性。LNG燃烧后排放的物质比较清洁，LNG燃烧生成物中颗粒较少，同时还能大幅降低SOx、NOx的排放量。而且LNG泄漏不会造成水体污染。根据国际海事组织制定的MARPOL公约：在2016年之后的柴油机NOx排放要符合Tier Ⅲ标准。MARPOL公约附则中对NOx的排放规定见下表1[16]。

表2为改装后的双动力发动机的污染物对比。可以发现改装后的油气双动力发动机的减少了近85%NOx排放量，除此之外，还减少了40%二氧化碳排放量。两者相比，经过双动力改造后的提升效果十分显著，不仅NOx和CO2的排放量大大降低，而且改装后的双动力发动机符合TireⅢ标准。

4结语

基于某渔船结构基础，实施对该渔船进行油气混合双动力发动机改装，重点研究了储罐选择与布局、双动力发动机改造、电控系统改造、燃料加注系统、监测报警系统及BOG回收处理等，同时对改装后的渔船和柴油机渔船做性能对比分析，其经济性和环保性能有显著提升，为相关渔船推广与应用研究提供参考基础。

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