LNG燃料船冷能利用技術探討

王福秋，王 強，李博洋

LNG燃料船冷能利用技術探討

王福秋，王 強，李博洋

（青島遠洋船員職業學院，山東 青島 266071）

本文通過分析LNG冷能利用技術國內外研究現狀，探討LNG冷能利用方式，設計LNG冷能梯級利用方案、船舶空調和船舶冷庫利用方案、低溫冷凍法海水淡化裝置、LNG冷能發電方案、模擬軟件開發等，并進行實船經濟效益分析，得出，LNG冷能利用技術在船舶上具有多種應用形式，具有廣闊的應用空間和應用價值。

LNG燃料船 冷能 方案 效益

0 引言

最新版《中國天然氣發展報告》指出，隨著綠色低碳能源戰略的持續推進，到2020年中國天然氣在一次能源消費結構中占比將提高到10%，年消費量達到3600億立方米，力爭到2030年，天然氣在一次能源消費中的占比達到15%左右，年消費量達到6000億立方米。因此，未來天然氣的需求量、貿易量將進一步增長。

天氣貿易量的增長促進了LNG運輸船和浮式LNG接收終端（LNG-FSRU）數量的持續快速增長。目前國內各船運公司擁有的大型LNG運輸船10余艘，未來5年內營運的LNG運輸船將達到50-70艘左右。另一方面，陸上常規LNG接收站建設存在項目審批時間長、投資大、建造周期長的限制，而LNG-FSRU利用LNG運輸船進行改造或新建，建造周期短，安全性高，審批時間短，近年發展迅速。

國際海事組織（IMO）新標準指出，將加強全球海洋燃料許用含硫量的管控，到2020年，全球范圍內海洋燃料的含硫量不得高于0.5%，北海、美國和加拿大污染物排放管制區（ECA）更是要求不超過0.1%，傳統以燃料油為動力的遠洋商船硫排放量遠高于該標準，脫硫脫硝成本較高。LNG動力船以其污染小，幾乎沒有硫排放，NOX排放也相對較好，因此，隨著天然氣產能的不斷增大，LNG動力船逐漸成為未來航運市場的主流船型，船舶數量將來會非常巨大。

LNG在壓力1atm、溫度-162℃升至0℃的條件下氣化，釋放出約8.41×105 kJ/t的冷量，釋放冷量十分可觀。而前述大型遠洋商船LNG燃料的消耗量較大，以30萬噸級VLCC為代表船型的LNG動力船，每天消耗LNG可達到150 m3（液態體積計）左右；LNG運輸船多采用燃料鍋爐，每天消耗的LNG和BOG的消耗總量達240m3（液態體積計）左右；LNG-FSRU氣化外輸總量更為龐大，高峰期可達320 T/h（以天津中海油項目為例，），因此LNG相關大型遠洋商船利用或者外輸LNG時存在大量高品位的LNG冷能。現階段船舶LNG氣化主要采用高溫熱源或者海水進行加熱，不僅浪費了很多熱能，而且浪費大量LNG冷能。

LNG在壓力1atm、溫度-162℃升至0℃的條件下氣化，釋放出約8.41×105 kJ/t的冷量，釋放冷量十分可觀。而前述大型遠洋商船LNG燃料的消耗量較大，以30萬噸級VLCC為代表船型的LNG動力船，每天消耗LNG可達到150m3（液態體積計）左右；LNG運輸船多采用燃料鍋爐，每天消耗的LNG和BOG的消耗總量達240 m3（液態體積計）左右；LNG-FSRU氣化外輸總量更為龐大，高峰期可達320 T/h（以天津中海油項目為例，如圖1所示），因此LNG相關大型遠洋商船利用或者外輸LNG時存在大量高品位的LNG冷能。現階段船舶LNG氣化主要采用高溫熱源或者海水進行加熱，不僅浪費了很多熱能，而且浪費大量LNG冷能。

LNG冷能作為一種高品位的低溫冷能，可以用于船舶冷能發電、船舶空調、船舶冷庫和低溫冷凍海水淡化等。LNG運輸船、LNG動力船和LNG-FSRU數量持續快速增加，且消耗或者外輸的LNG總量大，LNG氣化過程釋放的冷量多，如果對其開展冷能開發利用，未來將在整個航運市場產生巨大的經濟效益。

1 國內外研究現狀

利用LNG冷能發電，現已發展出包括直接膨脹法、二次冷媒朗肯循環法、布雷頓循環法等。圖2所示為利用LNG冷能的二次冷媒法朗肯循環發電。LNG與經過膨脹機膨脹后的低壓冷媒（如R290、R170）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后，采用工業余熱（鍋爐煙氣等）加熱成高壓氣體；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。

海水淡化技術主要分為蒸餾法、膜法和冷凍法。現在大型遠洋商船上多采用蒸餾法進行海水淡化，能耗較高，維護相對麻煩。而采用LNG冷能進行低溫冷凍法海水淡化，能夠有效降低設備能耗。目前，以上海交通大學為代表，對LNG低溫冷凍法海水淡化進行了機理研究，為低溫冷凍法海水淡化提供了一定的理論基礎。但市場上缺乏有效可行的低溫冷凍法海水淡化設備，尤其適用于大型遠洋商船的海水淡化裝置更是匱乏，因此亟待開發低溫冷凍法海水淡化裝置，以滿足市場需求。

LNG冷能空調和冷庫，通常采用冷媒與低溫LNG換熱，攜帶冷量供應至空調或冷庫應用。國內外在該方面做了大量的理論研究工作。哈工大熱泵空調研究所對LNG冷能用于冷庫制冷性能進行熱力學分析和經濟性分析，以提高冷?利用效率。H.I. Nabih建立了一種分析空氣溫度、流率、環境熱負荷變化對LNG冷能用于空氣冷卻影響的數學模型，發展了LNG冷能用于空調與冷庫的理論基礎。以上研究為LNG冷能在冷庫和空調的實際應用提供了堅實的理論基礎。

此外，近幾年利用LNG冷能進行精餾法空氣分離和低溫粉碎技術也得到較快的發展，目前多設想在大型LNG接收站開展上述項目。但低溫精餾法空氣分離和低溫粉碎設備通常較大，原料和產品的儲藏占地較大，在移動物體船舶上開展具有一定條件限制。

LNG冷能利用技術應用前景廣闊，但由于研究起步較晚，目前僅在陸地上的LNG接收站開展初步應用。國外方面，日本在接收站冷能利用領域處于領先地位，其東京灣根岸接收站將冷能綜合用于空氣分離、制取干冰、冷能發電、冷庫。法國FOS-SUR-MER LNG接收站冷能回收系統實現了冷能高效用于空氣分離。國內方面，福建莆田開展了我國第一個LNG接收站冷能利用項目，之后該接收站又進行了深冷分離精細膠粉生產項目。華南理工大學邊海軍根據某LNG衛星氣化站的冷能情況，提出了包括冷庫項目、冷能發電、深冷粉碎和室內滑冰場和冷水空調的利用方案，并對方案進行了經濟技術指標分析。

2 LNG冷能利用方式

針對目前LNG動力船將LNG送至主機（雙燃料柴油機或者燃料鍋爐）利用或者氣化外輸時，直接采用高溫熱源加熱，大量冷能未加以利用，造成極大的浪費。LNG冷能在大型遠洋船舶的研究與應用，許多關鍵技術尚未得到有效解決，目前尚無實例應用，項目以大型超級油輪船VLCC（LNG動力船代表船型）為研究對象分別開展了相關研究。

2.1 LNG冷能梯級利用方案設計

通過計算不同溫段下LNG釋放冷量，并與船舶空調、船舶冷庫和船舶海水淡化裝置所需冷量進行對比。結果表明，在LNG相關大型遠洋商船開展冷能利用，LNG冷量可完全滿足海水淡化裝置、船舶空調和船舶冷庫的冷量需求，且有較大富余，因此LNG相關船舶上可實現LNG冷能的梯級利用，且還可考慮將富余的冷量用于低溫冷能發電。根據船舶工況的特點和能量品級的利用原則，并結合船舶熱源，確定了如圖3所示的冷能梯級總體利用方案。

萬華化學集團股份有限公司是領先的丙烯、異丁烷及其衍生物制造商，主營產品包括異氰酸酯（MDI，TDI，ADI），丙烯，環氧丙烷（PO），叔丁醇（TBA），甲基叔丁基醚（MTBE），丙烯酸/丙烯酸酯（AA/AE），正丁醇、新戊二醇（NPG），液化丙烷，液化丁烷和液化石油氣（LPG）。

在總體方案的設計基礎上，通過化工流程模擬軟件Aspen HYSYS進行方案模擬和設計，最終得到LNG動力船、LNG運輸船和LNG-FSRU具體冷能梯級利用方案。圖4所示為VLCC船為代表的LNG動力船冷能綜合利用方案流程圖。

為提高方案LNG冷能利用的效率，同時優選更為合理的冷媒工質，以?為目標函數，對系統進行計算與分析，確定系統方案最佳的參數設置和冷媒選擇，最終得到不同船型的LNG冷能高效利用方案。圖5為LNG動力船冷能利用方案部分關鍵參數優化計算過程。

為詳細表征不同工況下各船型冷能利用系統的運行狀態，在方案優化過程中，充分考慮各船型不同負載、近海與遠洋狀態、不同季節等影響因素，得到了全面的工況參數，可為后續模擬軟件的開發或相關船舶的設計提供大量的數據支持。

2.2船舶空調和船舶冷庫優化設計

現階段船舶空調和船舶冷庫多采用蒸汽壓縮式制冷（制熱）模式，為實現LNG冷能替代電能運行方式，設計了LNG冷能船舶空調和船舶冷庫系統方案，為船舶空調和船舶冷庫的設計或改造提供參考。船舶LNG冷能空調系統采用LNG冷能換熱器與蒸汽式換熱器并列布置，可應對各種運行工況，同時反饋調節系統可根據房間溫度，調節冷媒流量，從而穩定控制送風溫度。冷庫采用盤管式換熱器，具體如圖6所示。該種設計方法，可使冷庫內空氣依靠自然對流，實現換熱過程。

2.3低溫冷凍法海水淡化裝置設計

根據大型遠洋船舶的淡水需求量和LNG供應情況，設計了一種基于間接冷凍法LNG冷能海水淡化工藝。通過Aspen HYSYS進行工藝模擬計算，采用?分析的方法，對工藝方案進行模擬優化，得到合理的工藝參數。針對設計工藝，設計了一套包含換熱器、結晶器、轉筒、收集桶、驅動裝置等部件在內的利用LNG冷能進行海水連續冷凍淡化裝置，如圖7所示。該裝置設計產水24t/d，采用LNG冷能使海水淡化結晶，洗滌融化后產生淡水。除海水結晶后的冰晶融化需要消耗少部分能量外，其他部分幾乎不消耗電能，全面減小了設備能耗。

2.4 LNG冷能發電方案設計

根據不同船型LNG冷量的供應情況，在滿足船舶空調、船舶冷庫和海水淡化等冷量硬需求的條件下，將富余冷量用于發電，增大LNG冷能的經濟效益。為此，針對LNG動力船設計了發電-空調方案，針對LNG運輸船設計了縱向兩級朗發電環方案，針對LNG-FSRU設計了橫向兩級朗肯循環發電方案。通過模擬計算，得出最佳參數設置，并進行相關的設備選型，為船舶LNG冷能發電提供了應用基礎。

2.5模擬軟件開發

LNG冷能利用系統受船舶運行工況、季節變化等因素影響顯著，為表征不同工況下冷能利用系統的運行狀態，并推廣LNG冷能利用技術，開發了船舶LNG冷能利用模擬軟件，部分界面如圖8所示。系統采用Aspen HYSYS模擬數據支持，可全面展示LNG動力船冷能利用系統近岸與遠洋狀態、不同季節、不同負載條件下的運行情況，為未來LNG冷能利用船舶的設計提供相關技術支持，同時可為相關技術人員提供技術培訓。

3 經濟效益分析

以LNG動力船、LNG運輸船、LNG-FSRU為研究對象，開展上述研究工作，成功解決了LNG冷能在大型遠洋船舶上的相關應用問題。研究成果可為船東和船舶經營管理公司、船舶設計建造行業及LNG冷能產品生產行業提供技術支持，具體體現在以下幾個方面。

3.1船舶LNG冷能應用可節約大量燃油消耗成本

研究成果解決了LNG冷能在大型遠洋商船上的應用技術問題，使得在大型船舶上利用LNG冷能開展船舶空調、船舶冷庫和低溫發電等成為可能，可有效減少船舶發電燃油的消耗量，從而大量降低了船舶燃料的消耗成本。以LNG動力船（大型VLCC概念船）為例，船舶空調每年可節約燃油消耗成本30萬元左右，船舶冷庫可節約燃油成本10余萬，再考慮到冷能發電，該船型LNG冷能利用系統每年可產生100萬元左右的經濟效益，具體效益分布見圖9所示。而其他大型遠洋商船LNG氣化量更大，效益更為顯著。

另外，LNG動力船、LNG運輸船、LNG-FSRU數量規模呈現持續快速增長的趨勢，未來LNG冷能在船舶上的發展潛力將會更為巨大，對整個航運市場產生的經濟效益將十分顯著。同時，LNG冷能的大量應用，減少了燃油廢氣的排放，有利于環境保護，符合綠色航運的發展趨勢。

3.2為新造大型LNG相關船舶提供設計參考

未來LNG冷能在船舶將逐步得到應用，本研究可為新造LNG相關船舶提供設計參考，符合未來船舶發展需求。根據提出的LNG冷能梯級利用方案，LNG相關船舶的建造可以規劃冷能利用系統的空間布置，方便船舶上開展、升級和改造LNG冷能利用系統。另一方面，研究優化設計了船舶冷庫、船舶空調系統，開發了低溫冷凍法海水淡化工藝，可作為新建或現有船舶運行系統的改造參考。

3.3滿足冷能利用產品市場需求

作為冷能產業鏈重要的一環，LNG冷能利用裝置目前市場需求量大，但由于研究起步晚，現階段該類產品多處于空白階段。開發的一種基于間接冷凍法船舶LNG冷能海水淡化裝置，可作為冷能產品推向市場，具有較大的市場銷售潛力。隨著LNG冷能逐步開展應用，相關冷能利用裝置如船舶空調和冷庫LNG冷能換熱器、船用低溫空分裝置等需求量迅速增大。加大該方面的研究，開發相關產品，未來可產生可觀的經濟效益。

在大型遠洋商船可將LNG冷能梯級利用于冷能發電、船舶空調、船舶冷庫等，一方面可節約大量的燃油消耗成本，產生巨大直接的經濟效益，另一方面可減少燃油廢氣的排放，有利于環境保護，符合綠色航運的發展方向，具有深刻的社會意義。

以中遠海運集團某LNG船為例進行冷能利用系統產生的經濟效益，如表1所示，每年節約電量約為1.886×106 kW·h，節約成本約413.8萬元。對像擁有眾多LNG大型船舶的中遠海運集團，開展LNG冷能技術的研究和實際應用，可以降低船舶營運成本，為集團產生更多的經濟效益，具有更重要的經濟意義。

說明，節電指節約電量，單位為104 kW?h；效益指經濟效益，單位為萬元；產水量單位為103噸。

4 結束語

綜上所述，LNG冷能作為一種高品位的能量，可用于發電、空調、冷庫、海水淡化、空氣分離和橡膠粉碎等，但由于國內外研究起步較晚，目前的僅在在陸地上的LNG接收站初步開展應用，發展潛力較大。作為LNG冷能重要的產生領域—LNG相關大型遠洋商船，現在基本處于空白研究階段，LNG冷能在船舶具有多種應用形式，可用于船舶空調、船舶冷庫、低溫發電，具有廣闊的應用空間和應用價值。

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Research on Cold Energy Utilization Technology for LNG Fuel Ship

Wang Fuqiu, Wang Qiang, Li Boyang

（Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071,Shandong, China）

U664

A

1003-4862（2018）01-0055-06

2017-10-15

王福秋（1969-），男，碩士，講師。研究方向：輪機工程。