LNG作为燃料用于渔船的研究

王永生，李 超，李胜勇，赵新颖，谌志新

（中国水产科学研究院 渔业机械仪器研究所，上海 200092）

LNG作为燃料用于渔船的研究

王永生，李 超，李胜勇，赵新颖，谌志新

（中国水产科学研究院 渔业机械仪器研究所，上海 200092）

为减轻船舶航行对大气造成的污染，实现船舶的节能减排，以液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）双燃料渔船为目标船，对LNG系统、冷能利用和经济效益进行研究。研究结果表明，LNG作为燃料用于渔船上，既经济、环保，又符合规范对“绿色船舶”的要求。

一次能源；LNG渔船设计；冷能利用；经济效益

0 引 言

我国是渔业大国，渔船众多，其中海洋渔船的能耗在全国渔船总能耗中的占比最大。据统计，渔船每年的总燃油消耗量约为790万t，是渔业耗能的主要方面［1］。随着环境越来越受重视和石油储量越来越少，液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）作为一种清洁能源进入了船舶行业的视野，以降低CO2及硫化物的排放和营运成本。

这里在分析我国渔船现状的基础上，对LNG作为燃料用于渔船上进行分析，研究LNG储罐的布置、LNG系统的设计、冷能利用和经济效益等内容，为以后LNG渔船的设计提供参考。

1 概 述

目前，我国渔船装备的总体技术水平较为落后，耗能高，污染严重。为促进我国渔业的现代化建设，开始在渔船上使用LNG燃料，这既能推进我国渔船装备技术的进步，又符合国际节能减排潮流，将为造船和相关配套企业带来不小的市场机遇。

天然气是一种清洁能源，目前在船舶燃料中所占的比例较小，主要用于LNG运输船，用于渔船上的比例更小。但随着环境问题日益受重视，对能源的环保、绿色和污染物排放的要求越来越高，天然气在未来船舶燃料中所占的比例会越来越大。因此，在渔船上推广使用LNG这种价格低廉、便于运输、使用安全的清洁能源，对促进渔业节能减排、降低渔业捕捞成本具有重要意义。

1.1 国家政策

从我国农业部渔业船舶检验局制定的“十二五”发展规划中可以看到，国家把提升渔船装备的技术水平，降低渔业生产成本和能耗，实现渔船装备现代化作为重点战略目标，并谋划以LNG作为渔船动力燃料的战略布局。

1.2 排放优势

随着全球气候变暖，减排与低碳已是大势所趋，船舶行业责无旁贷。根据国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）海洋环境保护委员会制定的《船舶污染防治国际公约》（MARPOL公约）附则VI修订案的相关规定：要求2010年7月以后在ECA（排放管制区域）航行船只所用燃料之含硫量≤1%，2015年1月1日以后≤0.1%；柴油机的NOx排放标准要求在2016年以后要满足Tier Ⅲ标准。MARPOL公约附则Ⅵ对NOx的排放限值见表1，柴油机转速与NOx限值关系曲线见图1［2］。

表1 MARPOL 公约附则Ⅵ对NOx的排放限值

图1 柴油机转速与NOx限值关系曲线

2 LNG渔船设计

以38m拖网渔船为例，对LNG罐的布置、燃料系统和安全系统等进行分析。该船为钢质、艉机型、单机单桨拖网渔船，艉部线型采用宽整甲板面、圆艉封板，艏部线型采用前倾艏柱，主要作业区域为近海航区。该船总长38.6m，型宽7.3m，设计航速10kn，续航力≥4000n mile，船员17人。

该船主推进采用1台双燃料柴油机（淄柴），功率为385kW；另配有2台柴油发电机组，满足全船供电需求。在LNG储罐舱内设置一个LNG储罐，容积约为8m3，供渔船航行工况下主机燃烧使用。

2.1 LNG储罐选取及布置

目前以LNG燃料作为动力的船中，LNG储罐基本上都选用C型独立罐。考虑到价格及渔船作业周期等因素，用于渔船上的LNG储罐一般选用不锈钢材料。LNG储罐的前端设有起保护作用的不锈钢环围，称作冷箱（Cold Box），里面设置换热器、控制阀等燃气处理设备。

LNG储罐在船上的布置需满足MSC.285（86）及船级社规范的要求。根据规范，LNG储罐既可布置在甲板上，也可布置在甲板下。若设置在甲板下，则需单独设LNG储存舱，并配有相关的通风装置等。对于渔船而言，LNG储罐一般设置在甲板下。

图2为LNG储罐的布置，该渔船采用压力式LNG储罐，设计压力为1.0MPa，材质为不锈钢304L。LNG储罐前部设有自增压供气单元（PBU），用于控制天然气出口的温度和压力。考虑到渔船作业工况及LNG晃动会产生过多蒸发气，该渔船的LNG储罐设于全船中间的甲板下围壁处所，气罐的外边缘与外板的间距均满足规范要求。

图2 LNG储罐的布置

2.2 LNG燃料发动机及燃料系统

LNG燃料发动机分为双燃料发动机和气体发动机，其燃料系统包括燃料充装和燃料供给2部分。通过甲板注入管为LNG储罐加注；根据主机燃料的进机要求，一般使用乙二醇的水溶液作为加热介质来加热液态LNG燃料，使其达到所需的温度和压力并气化。随后，通过燃气阀单元（GVU）对主机的燃料气体进行进机前的调节和控制。

该渔船选用的是国产双燃料主机，图3为LNG燃料系统原理（PBU）。LNG从储罐经主阀出来后，经气化器单元、温控阀、减压调节单元、主气体燃料阀进入机舱，经设于机舱内的自动截止阀进入LNG双燃料发动机中。

图3 LNG燃料系统原理（PBU）

2.3 监测与报警系统

该船采用本质安全性机舱，设有2套独立的燃料供给系统。机舱内设有2套独立的固定式气体探测器，若可燃气体浓度达到20%LEL时声光报警，同时切断燃气供应；此外还设有机械通风装置，具有每小时至少换气30次的能力。设备监测和报警内容［3］见表2。

表2 设备监测和报警内容

3 冷能的利用

LNG作为船舶当前理想的替代燃料之一，要在气化后才能使用；而LNG本身含有大量的冷能，若能利用这部分冷能进行鱼舱制冷，则可起到节能环保的作用。

目前不考虑冷媒介质是否有相变的问题，仅对总的冷量进行计算。以该船为目标船进行分析，主机选用淄柴（Z6170），进机压力为0～4bar，进机温度为5～25℃。LNG储罐的设计温度为-165℃，设计压力为1.0MPa，将其汽化至20℃焓值约836kJ/kg，LNG储罐约80m3；考虑储罐为85%的贮液，热量转换率为80%。经计算，产生的总冷量约为2.09×107kJ，制冷量为132kW。

假设上述冷量全部用于冷海水，则换热公式［4］为

式（1）中：η为LNG冷量的利用效率，取90%［5］；m为海水质量，kg；Cp为海水比热容，取4.3kJ/（kg·K）；t2为海水常温，取32℃；t1为冷海水温度，取0℃。

经计算，通过利用LNG冷量，可得到约136.7t的0℃冷海水。

4 经济效益

对于以LNG双燃料作为动力的渔船而言，LNG系统设备的初期投资较大，一般为常规燃料船造价的30%～50%。而根据国家油改气的优惠政策，会针对LNG动力船及改造船给予船东相关的补贴。此外，由于设有LNG储罐，鱼舱的容积会有所减少，这可能会影响渔民的经济收益。

由于渔船作业工况比较复杂，双燃料主机主要适于在航行工况下工作，因此仅考虑比较燃料的消耗。为论证LNG双燃料主机的燃料消耗比常规柴油机少，以38m拖网渔船（续航力为4000n mile，平均航速为10kn）为例，对采用常规柴油机和LNG双燃料主机的燃料消耗进行对比计算。

假设2种主机的功率均为385kW，平均取每个航次16.67d；考虑到每年有3个月的休渔期，取每年20个航次进行计算。LNG双燃料主机与常规柴油机对比见表3。

表3 LNG双燃料主机与常规柴油机对比

据查询，近期燃油价格约为6000元/t，而天然气约为4500元/t。按此计算，采用LNG燃料主机每年可节省燃料费约16.4万元，而一台常规柴油机的价格约为17万元，一台LNG双燃料主机的价格约为30万元，因此仅需一年就可以回收成本，且LNG作为船舶燃料的经济效益非常显著，前景广阔。

5 结 语

LNG燃料因具有低排放和低价格的优势而被认为是未来理想的发动机燃料。这对发展比较落后且又是能源消耗大户的渔船来说，为使用LNG燃料提供了新的机会，进而为推进渔船节能减排、为渔民增收等提供了有力支撑，对促进渔船业的发展发挥重要作用。

［1］ 徐皓，张祝利，张建华，等. 我国渔业节能减排研究与发展建议［J］. 水产学报，2011， 35 （3）： 472-480.

［2］ 王平安，吴桂涛，杜太利. LNG作为船舶动力燃料的效益分析［J］. 船海工程，2013， 42 （1）： 111-113.

［3］ 中国船级社. 天然气燃料动力船舶规范［S］. 北京：人民交通出版社，2013.

［4］ 魏鹏威，张建一，詹鋆. 混合动力渔船LNG冷量的应用分析［J］. 渔业现代化，2012， 39 （3）： 51-54.

［5］ 张继俊. 天然气/柴油机双燃料船用发动机电控系统研究［D］. 武汉：武汉理工大学，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

工信部高技术船舶科研项目：“南海渔船高效节能设计应用技术研究”

王永生，男，工程师，1981年生。2006年毕业于上海海事大学轮机工程专业，现从事船舶轮机研发设计工作。