LNG動力船燃料冷能的綜合開發與利用

李博洋， 張運秋， 邱力強， 李迪陽(.青島遠洋船員職業學院，山東 青島 6607；.中遠集團研發/技術中心，北京 000；.大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 606)

LNG動力船燃料冷能的綜合開發與利用

李博洋1,2， 張運秋1， 邱力強2， 李迪陽3
(1.青島遠洋船員職業學院，山東 青島 266071；2.中遠集團研發/技術中心，北京 100031；3.大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

將中東至國內航線上的以液化天然氣(Liquified Natural Gas,LNG)為動力的超大型油船(Very Large Crude Carrier,VLCC)作為母型船，介紹為其設計的LNG供氣系統及利用LNG冷能的必要性，證明LNG冷能應用于船舶冷庫和空調的富余量非常大。設計出LNG冷能利用系統圖，論證并選擇合適的傳熱介質，提出控制方案和應急方案。計算結果表明：采用冷能利用裝置后，每年可從中獲得較多的直接和間接經濟效益，為船舶節能減排提供了一個很好的可行方案。

船舶工程； LNG動力船； LNG燃料； LNG冷能； 開發與利用

目前，船舶燃料油價格較高，且其燃燒排放物中有害氣體的含量難以滿足國際公約有關規定，因此尋找合適的替代能源迫在眉睫。液化天然氣(Liquified Natural Gas,LNG)能夠彌補燃油的不足，近幾年大有取而代之的趨勢，內河方面出現了非常多的小型LNG動力船，遠洋方面也出現了大型LNG動力船(如：北歐有許多大型近海LNG動力船，美國TOTE公司訂造的大型LNG動力集裝箱船即將下水)。大型LNG動力船消耗的LNG 的量比較大，這些LNG需要在氣化后送到船舶主機、副機和鍋爐燃燒，氣化到常溫氣體的過程中會釋放出830～860 kJ/kg的冷能。目前，LNG船上LNG的氣化主要靠柴油機的缸套冷卻水或鍋爐蒸汽，不僅會浪費大量熱源，而且還會浪費LNG的冷能。[1-5]基于此，對LNG的冷能進行充分開發與利用，將其應用于船舶冷庫和空調，這樣不僅可以節約船舶柴油機缸套水的熱能，而且能節約冷庫和空調的電能，對于船舶節能減排而言可謂一舉兩得。

1 母型船選擇和供氣系統介紹

1.1母型船的參數

以中遠集團科技應用計劃項目“船用LNG燃料儲運技術研究”中設計的基于超大型油船(Very Large Crude Carrier，VLCC)LNG動力船為母型船。[6-7]考慮到目前航運不景氣、全球大多數船舶通過降速來降低燃油消耗，且多數船舶以最大功率的70%左右的功率航行，設計取最大功率的67%。設計后的船舶主要參數及其他相關參數見表1。設計選取了由國內港口經新加坡至中東地區的航線，航線大部分在低緯度，船舶所經區域大部分時間氣候炎熱，船舶冷庫和空調(制冷)的負荷較大，且空調的制冷工況時間較長。

1.2供氣系統

為VLCC船設計的LNG供氣系統見圖1，儲罐內的LNG燃料先通過高壓泵增壓至30.0 Mpa，然后經過換熱器12(乙二醇溶液)加熱至40℃變為氣態天然氣送至主機，其中乙二醇溶液由船舶主柴油機的缸套冷卻水或船舶蒸汽加熱。在該過程中，LNG冷能不僅被浪費，同時還消耗大量的低溫熱源(缸套冷卻水)。由于該系統中的LNG主要是由主機(船舶柴油機)消耗的，只有少量被發電柴油機利用[8]，因此主要開發和利用主機消耗的LNG的冷能，在高壓氣化器之前加設冷能利用裝置7。

表1 VLCC主要參數及其他相關參數

圖1 LNG供氣系統

2 冷能利用裝置的設計

2.1冷量的比較計算

為使LNG燃料的冷能利用到船舶冷庫或空調中，首先要計算出LNG的冷能、船舶冷庫和空調需要的制冷量，驗證LNG的氣化冷能是否滿足系統中冷庫和空調的需求。

LNG的冷能根據表1中每天消耗的LNG燃料求出。[9]

QLNG=m·ΔHv

(1)

式(1)中：QLNG為每天LNG氣化產生的冷能；m為每天LNG的消耗量；ΔHv為LNG的氣化潛熱。得出QLNG為3.213×107kJ。

通過查閱船舶實際數據，根據經驗估算，船舶冷庫壓縮機的平均運行負荷為10 kW(相當于連續運行的負荷)，船舶空調壓縮機的實際運行功率為40 kW，可求出每天的總制冷量為

Q總=24×3 600(P冷庫+P空調)μ

(2)

式(2)中：Q總為每天空調和冷庫的總制冷量；μ為制冷系數，通常為3～4，取最大值；P冷庫為冷庫平均功率；P空調為空調的運行功率。得出Q總為1.736 8×107kJ。

由式(1)和式(2)的計算結果可看出，每天LNG氣化產生的冷能遠大于冷庫和空調需要的制冷量，即使考慮到高壓下LNG的氣化潛熱值會略微變小，也不會影響到兩者的大小關系，且LNG的氣化溫度遠低于冷庫和空調的溫度。因此，LNG氣化升溫的冷量完全可以滿足船舶冷庫與空調系統的要求。

2.2冷能利用裝置的設計與優化

針對普通LNG動力船供氣系統存在能源浪費的問題，對該系統進行優化設計，增加冷能利用裝置(如圖1中的7)。為其設計的系統原理見圖2，冷能用于船舶冷庫和空調，設計中既考慮到冷能的梯級利用[10-12]，又為避免船舶空調的空氣冷卻器結霜而把空調設計成一個單獨的循環。

注：1為流量調節閥；2為冷媒循環泵；3為流量調節閥；4為流量調節閥；5為換熱器；6為高溫庫換熱器；7為低溫庫換熱器；8為載冷劑循環泵；9為換熱器；10為空氣冷卻器；11為換熱器；12為循環泵；13為高壓氣化器

圖2 設計的冷能利用系統圖

圖2中的換熱器5為圖1中的12。在圖2中，冷媒首先在換熱器5中被LNG降溫，經過循環泵2后分為2路，一路經流量控制閥4到達低溫庫換熱器7與冷庫貨物換熱，另一路經流量控制閥3到達高溫庫換熱器與冷庫貨物換熱。通常情況下，船舶高溫庫一般在0～5℃，低溫庫在-20～-18℃。為達到該要求，流量調節閥3和流量調節閥4根據冷庫出口處冷媒的溫度控制冷媒進入冷庫和旁通的流量。考慮到冷庫換熱器中冷媒的不間斷循環，換熱器的傳熱溫差控制在5～6℃，這樣低溫庫出口的冷媒在-25～-23℃，高溫庫出口的冷媒在-2～2℃。

由于LNG冷能的富余量比較大，從低溫與高溫冷庫出來的冷媒混合后的溫度通常低于0℃，同時直接運用空調使用的空氣冷卻器對空氣進行降溫處理會在空氣冷卻器中產生霜層，堵塞冷卻器的通道，失去換熱效果，因此在冷庫出口后加設換熱器9，與循環泵8和空氣冷卻器10中的載冷劑(乙二醇溶液)進行換熱。對于空氣冷卻器10的溫度，同樣可以通過旁通乙二醇的流量來控制(旁通管路圖中未具體畫出)，這樣就避免了空冷器溫度過低(低于0℃)而結霜的問題，通常讓其壁面溫度控制在2～5℃。

2.3傳熱介質的選擇

對于冷庫循環，需要一個合適的傳熱介質——冷媒，冷媒選擇是否恰當直接影響到冷庫循環的性能。本系統與LNG換熱冷媒需具備以下幾點要求。

1)因與LNG直接換熱，冷媒的凝固點不應高于LNG溫度(-162℃)太多，否則容易凝固而阻塞管路。

2)因用于船舶伙食冷庫循環，應盡量不要有爆炸和燃燒的危險，且無毒。

3)盡量選常用的傳熱介質，容易在市場上購買和制取，且價格相對低廉。

4)沸點較高，由于2個冷庫的庫溫要求不一樣，且控制庫溫是通過流量調節的，因此冷媒在傳熱過程中不要發生相變過程，否則庫溫較難控制。

表2列出了幾種常用冷媒的物理性質，從中可以看出，烷烴類冷媒是易燃易爆的工質，盡量不要選用；凝固點較高的冷媒(如丙二醇和乙二醇)盡量不選用，否則容易堵塞管道；標壓沸點盡可能地高于低溫庫和高溫庫的庫溫，這樣可避免冷媒在低壓下發生相變。然而，冷庫的溫度不容易精確控制，因此表中的前7種冷媒不合適，這樣，確定R30和R11為冷庫系統循環的合適冷媒。考慮到希望凝固點盡可能地低以免發生凝固，最終選擇R11。

表2 幾種常用的冷媒

空調循環的冷媒可選擇在工業應用中較為成熟的乙二醇作為載冷劑。

2.4應急預案

只要船舶在航行就會有LNG消耗，系統就會一直存在可利用的LNG冷能。由于該船舶的設計航線主要為國內至中東，經過的海域大部分在低緯度，因此船舶的冷庫和空調均以較大負荷運行，使得LNG冷能得以最大限度地被利用。但是冬季在國內的北方海域航行時，外界的氣溫比較低，船舶冷庫負荷也相對較低，船舶空調降溫工況停用，大量的LNG冷能無法利用，這就使得從冷庫來的冷媒(R11)進入換熱器5的溫度較低，進而可能導致空調中的冷媒乙二醇因凝固點較高而結冰，甚至出現R11凝固的現象。為避免這種極端現象出現，可采取以下2種措施。

1) 對于乙二醇結冰的問題，可通過對R11經過換熱器9時外加旁通管路(圖中未畫)的方式解決，不經過換熱器9,以免乙二醇結冰。

2) 對于R11凝固的問題，可采用LNG流量控制閥1進行旁通調節，以解決進入換熱器5時R11溫度過低的問題。對LNG流量控制閥1的精度要求不用太高，可采用雙位控制。

船舶在停靠碼頭、錨泊、修理時會因主機停車而無LNG冷能，此時采用船舶原有的冷庫或空調的制冷系統，在設計船舶時，可為該系統配置一套制冷系統，以備上述特殊情況和應急使用。

3 經濟性分析

普通商船的空調和冷庫是船舶營運過程中的重要耗電裝置，因此主要通過計算利用LNG冷能后每年減少的因運行冷庫和空調制冷機組而產生的電力費用來分析其經濟性。設計的船舶航線是中東至國內，空調每年制冷運行的時間較長，通過調研和查閱相關資料得到船舶冷庫與空調節約費用計算表(見表3)，表中的平均功率指換算成相當機組每天連續運行時的平均功率，每年減少壓縮機組運行時間指扣除船舶修理、靠泊、機動航行和不需要制冷時的剩余時間。同時，由于LNG冷能利用制冷模式、船舶冷庫與空調采用壓縮機組制冷模式都需要循環泵，因此節約的功率主要是機組運行時壓縮機原動機的功率。

表3 機器狀況得分評定表

通過計算可看出，采用冷能利用裝置后每年可節約26萬kW·h左右的電能，約合電費40萬元。此外，通過冷能利用提高LNG的溫度，減少了LNG進入主機前對缸套水或蒸汽的加熱量的需要，間接節約熱量價值也非常大。因此，在采用LNG冷能利用裝置之后，不僅能節約大量的船舶費用，而且可降低能源消耗、減少碳排放，是綠色船舶發展的一個很好的方向。

4 結束語

針對設計的中東至國內航線的以LNG為動力的VLCC，進行冷能的開發與利用研究，為船舶節能減排提供了一個很好的可行方案。

1) 計算每天LNG的消耗量、LNG釋放的冷能、船舶冷庫和空調的負荷，并進行負荷比較，證明LNG的冷能富余量非常大。

2) 通過優化設計LNG冷能利用系統圖，提出船舶高溫、低溫冷庫的溫度控制方案，并針對船舶空調采用載冷劑控制空氣冷卻器壁面溫度，以免發生結霜等問題。此外，還提供船舶在外界氣溫較低時的應對方案以及靠泊、錨泊和修理時的應急方案。

3) 基于LNG的低溫特性和冷庫溫度控制需求，選擇合適的傳熱冷媒，滿足低溫不凝固、溫度高不發生相變的要求。

4) 計算出采用冷能利用裝置后船舶節約的電能和每年節約的直接費用，可看出采用冷能利用裝置能獲得非常好的經濟效益。

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ComprehensiveDevelopmentandUtilizationofColdEnergyofFuelinLNGPoweredShip

LIBoyang1,2，ZHANGYunqiu1，QIULiqiang2，LIDiyang3
(1. Qingdao Ocean Shipping Mariners College ，Qingdao 266071, China；2. COSCO Development & Technology Center ，Beijing 100031, China；3. Marine Engineering College, Dalian Maritime University ，Dalian 116026, China)

The Liquified Natural Gas(LNG) supply system designed for a LNG powered Very Large Crude Carrier(VLCC) sailing between the Middle East and China ports is introduced and the necessity for the LNG cold energy utilization is argued seeing that there is a large amount of surplus of LNG cold energy for the ship refrigerator and air-condition. The system diagram of LNG cold energy utilization is designed and the suitable medium of heat transfer is investigated and selected. The control scheme and contingency plans are proposed. Calculation indicates that the cold energy utilization device provides a good workable solution for energy conservation of the ships and will bring ship owners significant annual direct and indirect economic benefits.

ship engineering; LNG powered ship； LNG fuel; LNG cold energy； development and utilization

2015-05-25

中國遠洋運輸(集團)總公司應用研究計劃項目(2013-1-H-007;2015-1-H-010)

李博洋(1974—)，山東臨沭人，副教授，主要從事液化氣船新技術應用、船舶節能減排的教學與研究。E-mail:qdlby@126.com

1000-4653(2015)03-0108-04

U662.2

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