LNG運輸船冷能發電技術

李博洋， 張運秋， 張曉榮， 田東方， 于成龍

(1. 青島遠洋船員職業學院 機電系， 山東 青島 266071； 2. 中遠集團研發/技術中心， 北京 100031；3. 中國科學院 海洋研究所， 山東 青島 266071)

LNG運輸船冷能發電技術

李博洋1,2， 張運秋1， 張曉榮1， 田東方1， 于成龍3

(1. 青島遠洋船員職業學院 機電系， 山東 青島 266071； 2. 中遠集團研發/技術中心， 北京 100031；3. 中國科學院 海洋研究所， 山東 青島 266071)

Abstract: The application profiles and relevant policy background of LNG carrier fuel steam power plant are introduced and the objective conditions for the development and utilization of LNG cold energy is described. Several methods of LNG cold energy power generation are compared in their advantages and disadvantages and the LNG cold energy system is designed for generating electricity. The computational models of exergy, exergy efficiency and relative exergy efficiency are given and the power generation, the exergy efficiency and the relative exergy efficiency under different conditions are obtained by means of process simulation software. The calculation result shows that the cold energy generation system on LNG carrier will produce great amonunt of electric energy and reduce ship operating costs, which has significant economic benefits.

Keywords: ship engineering; LNG carrier; cold energy; exergy efficiency; power generation technology

近年來，我國液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)的進口量隨著國家能源結構的調整不斷增多，深圳、上海、大連、寧波、天津及青島等很多港口已相繼建設LNG接收站；國內各船公司目前擁有大型LNG運輸船近10艘，租賃國外公司的LNG運輸船有十幾艘，未來10 a營運的LNG運輸船將隨著LNG需求量的不斷增加達到50～70艘。[1]與此同時，國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)新的防污染公約對SOx和NOx排放提出更高要求，而LNG有較好的低排放特性和相對穩定的市場價格優勢，這就促使更多船舶選用LNG燃料來滿足新公約的相關要求。縱然已有很多內河和近海船舶將LNG作為燃料，但LNG船在使用LNG燃料方面具有其他船型無法比擬的優勢。LNG船的主動力裝置除了燃用貨艙產生的蒸發氣(Boil Off Gas, BOG)之外，還需要強制汽化部分LNG。LNG船動力裝置的功率(以蒸汽動力裝置為例)較大，每天需要大量蒸汽來將LNG加熱成氣態以滿足主鍋爐的需要，這樣不僅會消耗大量熱源，還會浪費LNG的冷量。一定壓力下的LNG具有大量的冷量和壓力，若以100%的效率轉換成電能，則每噸LNG可產生約250 kW·h的電能。目前國內外已有對LNG冷能和廢熱發電的研究[2-5]，提出低品位熱源與LNG冷能相互利用的動力循環，但是有關船舶的研究還基本處于空白狀態。基于此，對LNG船上的燃料冷能發電進行研究。

1 LNG船的主要參數和相關情況介紹

目前全球正在營運的400多艘LNG船的主動力裝置基本都是采用蒸汽動力，因此選擇該類動力裝置進行研究。LNG船主要參數見表1。

表1 LNG船主要參數

在LNG船實際營運中，其主鍋爐既可燒油也可燒天然氣，但在油價較高、LNG資源方要求及國際新公約排放限制等情況下通常采用全氣模式(只燒天然氣)。這樣，貨艙蒸發的BOG就不能滿足主鍋爐的燃料消耗，需要將貨艙內掃艙泵駁來的LNG通過強制汽化器(Forcing Vaporiser)，采用0.7 MPa的鍋爐蒸汽升溫并經加熱器(Gas Heater)加熱至25℃左右之后送入鍋爐。汽化器的加熱熱源為鍋爐產生的蒸汽，此時不僅消耗鍋爐蒸汽，而且LNG冷能得不到充分利用。因此，這里主要探討需要強制汽化的LNG冷能，BOG的冷能不作研究。[6]

2 冷能常用發電方法和冷能

2.1發電方法介紹

目前陸地上應用的LNG冷能發電方式主要有以下5種。

1) 直接膨脹法：發電流程見圖1，LNG經高壓泵加壓后由LNG汽化器汽化，變成常溫高壓蒸汽后采用透平膨脹機膨脹做功，帶動發電機發電，膨脹后再次經加熱器加熱后送至用戶。[7]

圖1 直接膨脹法發電流程

2) 朗肯循環法(二次媒體法)：發電流程見圖2，LNG與經過透平膨脹的低壓冷媒(如丙烷)蒸汽在冷凝器中換熱，冷媒凝結成液相；低壓冷媒液體經泵加壓吸熱后變成高壓氣體；高壓蒸汽經膨脹機變成低壓氣體，同時膨脹機帶動發電機發電。[8]

圖2 朗肯循環法發電流程

3) 聯合法：該方法是直接膨脹法與朗肯循環法的結合。

4) 布雷頓循環法(氣體動力循環法)：原理是在低溫工作條件下以N2為介質，與LNG直接膨脹發電的循環系統進行熱交換。該方法能顯著提高裝置的熱效率。

5) 混合媒體法：由于LNG的溫度在發電過程中是變化的，因此與單一媒體相比使用混和媒體可覆蓋低溫天然氣更大溫度范圍的冷能，可使LNG冷能得到梯級利用。但是，混合媒體本身的不穩定性使得其在應用中會遇到很多實際的困難。[9]

以上方法各有其優缺點，具體比較見表2。考慮到船上的布置空間、安全性和可操作性等因素，研究在直接膨脹法的基礎上進行優化設計和利用。

2.2LNG冷量

ex=h-h0-T0(s-s0)

(1)

表2 幾種LNG冷能發電方法的比較

exp=T0Rln(p/p0)

(2)

exT=cp(T-T0)+cpT0ln(T0/T)

(3)

在LNG汽化過程中，有些過程溫度變化較大、壓力變化較小，此時主要體現在溫度；有些過程溫度變化較小、壓力變化較大，此時主要體現在壓力。因此，可在計算過程中根據過程進行必要的取舍。

3 設計冷能發電系統和系統計算模型

3.1發電系統

在LNG運輸過程中，機艙蒸汽動力裝置可利用的低品位熱源有蒸汽輪機出口的乏汽和鍋爐的排煙余熱，有時甚至可能用到海水。設計的LNG冷能發電系統見圖3。

圖3 LNG冷能發電系統

該發電系統的流程為：從船舶貨艙掃艙泵駁運來的LNG首先經過高壓泵增壓，形成的低溫高壓LNG經換熱器2與蒸汽輪機提供的乏汽進行熱交換，變成氣態的天然氣，狀態點由b變成c；氣態天然氣在換熱器3中與船舶主鍋爐的排煙余熱進行熱交換，變成更高溫度的天然氣，狀態點由c變成d；高溫高壓的天然氣在膨脹機4中膨脹做功，帶動發電機發電，膨脹后的天然氣壓力為0.1 MPa，狀態點由d變成e；為確保膨脹后的天然氣在進入鍋爐之前溫度至少達到25 ℃，此時再經過換熱器5繼續與乏汽熱交換，狀態點由e變成f；最后進入鍋爐燃燒，汽輪機乏汽的狀態點由g變成h再變成i，鍋爐排煙的狀態點由j變成k。

采用HYSYS模擬軟件對該發電系統流程進行計算。系統中來自貨艙的LNG溫度為-163 ℃，進口乏汽溫度為45 ℃，主鍋爐排煙溫度為160 ℃(正常負荷時)，其中乏汽和鍋爐排煙熱量遠遠超過系統中LNG汽化所需要的加熱量。此外，即使排煙溫度低也不會產生低溫腐蝕，原因是所排煙中沒有硫的成分。根據文獻[11]，泵的效率取80%，電動機效率取94%，膨脹機等熵效率取85%。

3.2系統計算公式

EXin=EX2+EX3+EX5+EXLNG=m乏(exg-exi)+m煙(exj-exk)+mLNG(exa-exf)

(4)

Eout=EX4-EX1=W膨-W泵

(5)

式(5)中：W膨為膨脹機的功率；W泵為LNG高壓泵的功率。

(6)

在沒采用該發電系統時，LNG送至鍋爐燃燒之前需要高品位熱源(鍋爐蒸汽)加熱；在采用冷能發電之后，不僅系統能發電，而且可節約鍋爐蒸汽，節約的熱量≥EXLNG，即mLNG(exa-exf)。若考慮節約高品位的熱量，相當于提高了系統的效率，則相對效率為

(7)

4 系統計算和經濟性分析

4.1系統計算

從船舶貨艙中駁運的LNG的壓力為0.3 MPa，溫度為-163 ℃;進入主鍋爐燃燒之前的壓力為0.064 MPa (MCR時)，溫度為25 ℃。船舶每天產生的BOG量不同，需要強制汽化的LNG為120～170 m3，根據實船調研并參考相關文獻，每天的汽化量按定值150 m3計算，這些客觀參數已確定。因此，系統中發電功率的大小主要由進入膨脹機時天然氣的壓力和溫度及膨脹機出口的壓力和溫度決定。當然，進入膨脹機之前的溫度最高不能超過鍋爐的排氣溫度(160 ℃)。考慮到換熱器3的傳熱溫差和主鍋爐的不同負荷運行問題，換熱器3中被加熱的天然氣的溫度為130～150 ℃，因此取膨脹機進口溫度為150 ℃，140 ℃和130 ℃進行模擬計算，得出溫度和壓力與發電功率的關系(見圖4)。

圖4 溫度和壓力與發電功率的關系

從圖4中可看出，膨脹的壓力和溫度越高，其發電功率就越大；在船舶MCR時，膨脹機進口溫度150 ℃對應的最大功率為274.9 kW;與機艙電網并網后，其功率可滿足海上定速航行后許多重要設備的供電需要，且增加了電網的冗余度。

同理可計算出膨脹機進口溫度為150 ℃和140 ℃時系統的效率和相對效率(見表3)，通過數值對比可看出：膨脹機壓力和溫度越高，其效率就越高，因此應盡可能開發和利用高溫廢熱；相對效率比效率高出很多，證明該發電系統的開發不僅利用了冷能，而且節約了更多的高品位熱源。因此，通過冷能發電不僅可以提高系統的熱效率，而且能增加系統的發電量，具有較好的經濟性意義。

表3 系統的效率和相對效率

表3 系統的效率和相對效率

壓力/MPa150°C140°Cηexηex1ηexηex150．250．640．230．61100．270．670．250．63150．290．690．270．65200．320．620．290．68250．350．640．310．71300．360．660．330．73350．350．650．320．72

4.2經濟性分析

LNG運輸船采用LNG冷能利用方案后在海上定速航行時可產生274.9 kW的電能。以大鵬—澳洲航線為例，16 d為一個航次，扣除船舶修理、靠泊和機動航行等因素，每年的航行時間按照280 d計算，得到每年節約的成本見表4。

表4 每年節約的成本

由表4可知，每年僅發電就可節約277萬元，再考慮到節約的LNG汽化需要的高溫蒸汽，經濟效益會更加顯著。因此，在航運業燃料成本居高不下的情況下，LNG運輸船的冷能發電不僅有很好的經濟性意義，而且是綠色船舶發展的一個很好的方向。

5 結束語

1) 介紹LNG運輸船舶蒸汽動力裝置燃料的應用概況和相關政策背景，論述動力裝置中具備LNG冷能開發利用的客觀條件。

2) 對LNG冷能發電的幾種方法進行比較，指出各種方法的優缺點，并基于LNG運輸船的特點選擇直接膨脹法發電。

3) 基于船舶機艙的低品位熱源進行優化和利用，設計出LNG冷能發電系統，給出和效率的計算模型，提出相對效率的概念。通過流程模擬軟件計算出不同條件下可發電的功率、效和相對效率。其最大的發電負荷為274.4 kW，其功率可滿足海上定速航行后許多重要設備的供電需要，同時增加了船舶電網的冗余度。

4) 計算出采用冷能發電系統后可產生大量電能和節約大量的鍋爐蒸汽，可節省船舶發電費用和鍋爐燃料費用，從而降低船舶營運費用。因此，該發電技術具有非常好的經濟效益和開發潛力。

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PowerGenerationbyColdEnergyonLNGCarrier

LIBoyang1,2，ZHANGYunqiu1，ZHANGXiaorong1，TIANDongfang1，YUChenglong3

(1. Marine Engineering Department, Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, China；2.COSCO Development & Technology Center, Beijing 100031, China；3.Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

2015-12-11

中國遠洋運輸(集團)總公司應用研究計劃項目(2015-1-H-010)

李博洋(1974—)，男，山東臨沭人，副教授，主要從事船舶節能減排的教學與研究。E-mail:qdlby@126.com

1000-4653(2016)01-0091-04

U664.1；TE89

A