LNG運輸船冷能的利用設計與經(jīng)濟性

張曉榮， 李博洋,3， 涂志平

(1.青島遠洋船員職業(yè)學院 機電系， 山東 青島 266071；2.中遠集團技術中心青島船院分中心， 山東 青島 266071；3.青島科技大學 機電工程學院， 山東 青島 266061)

收稿日期：2018-02-28

基金項目：中國遠洋海運集團有限公司應用研究計劃項目(2017-1-H-010;2018-1-H-015)

作者簡介：張曉榮(1980—),男,甘肅白銀人,工程師,講師,研究方向為船舶輔機、船舶節(jié)能減排。E-mail:sdqdzxr@126.com

隨著液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)的海運貿(mào)易量逐年上升，LNG運輸船的需求量不斷增加，全球在營LNG運輸船的數(shù)量呈上升趨勢。LNG運輸船的LNG消耗量較大，BOG(Boil Off Gas)和LNG必須在氣化之后才能送入主動力設備燃燒，氣化過程不僅會消耗大量鍋爐蒸汽，而且常壓、溫度為-163 ℃的液態(tài)LNG中含有的巨大冷能(830～860 kJ/kg)會被浪費。[1-4]目前，國內(nèi)外學者[5]已對部分小型LNG動力船和LNG接收站的LNG冷能進行研究，提出LNG冷能的利用形式，但相關研究涉及的LNG冷能利用系統(tǒng)和工藝方案不適用于LNG運輸船;同時,將LNG冷能依次應用于LNG運輸船的冷能發(fā)電、海水淡化、船舶冷庫和船舶空調(diào)等系統(tǒng)的綜合利用研究[6-10]較少。對此，開發(fā)LNG運輸船的冷能，并將其應用于上述系統(tǒng)中，不僅可節(jié)省船舶冷庫和船舶空調(diào)所需電能，而且可用來發(fā)電和采用冷凍法造水，同時能節(jié)約氣化液態(tài)LNG所需的鍋爐蒸汽，對于船舶節(jié)能減排而言較為有益。

1 LNG運輸船概述

LNG運輸船的主動力裝置大多采用蒸汽動力裝置，本文選用該類型船作為母型船，相關參數(shù)見表1。該船的LNG燃料消耗量較大，日耗量為230～260 m3(折合液體)，由于國際公約的排放限制和市場油價的波動，該船的主鍋爐時常采用全氣運行模式(即只消耗LNG，本文按照全氣模式研究)。鍋爐的燃料主要由貨艙產(chǎn)生的BOG和液態(tài)LNG 2部分組成，通常BOG和LNG在送到鍋爐燃燒之前必須加熱至25 ℃左右，這樣不僅會浪費大量BOG和LNG的冷能，還會消耗大量熱源，因此有必要對該BOG和LNG的冷能進行開發(fā)和利用。

表1 LNG運輸船相關參數(shù)

2 LNG冷能利用系統(tǒng)設計

2.1 設計思路

目前，LNG運輸船的低溫冷庫、高溫冷庫和空調(diào)都需獨立的制冷系統(tǒng)，若利用LNG冷能，可節(jié)約制冷設備消耗的電能。此外，利用LNG冷能冷凍海水可實現(xiàn)海水淡化，并能省去海水淡化裝置及系統(tǒng)。這些冷能利用的溫度范圍處于LNG的高溫區(qū)，而低溫區(qū)的LNG冷能可考慮用于兩級朗肯循環(huán)發(fā)電和低溫制氮。[11-12]在該過程中，在充分利用LNG冷能的同時，可利用船舶現(xiàn)有的廢熱(汽輪機乏汽和鍋爐廢氣的熱能)，使系統(tǒng)的能量利用效率最大化，從而降低船舶能耗。

2.2 系統(tǒng)方案設計

由于BOG的溫度受裝載量的影響較大(滿載為-150 ℃左右，空載為-100 ℃左右)，其冷量和冷不僅變化大，而且加壓之后會降低，因此選用溫度穩(wěn)定(-162～-155 ℃)且加壓之后冷量和冷變幅較小的液態(tài)LNG，利用該高品位冷能進行制氮(A區(qū))和發(fā)電(B區(qū))。發(fā)電過程中LNG釋放的冷能充足，而單級朗肯循環(huán)不能完全利用該部分冷能，因此設計兩級朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，并采用鍋爐廢氣作為二級循環(huán)蒸發(fā)器的加熱熱源。經(jīng)發(fā)電循環(huán)氣化之后的LNG與被壓縮的BOG混合之后，按梯級利用原則，依次將冷能應用于海水淡化循環(huán)(C區(qū))、低溫冷庫循環(huán)(D區(qū))、高溫冷庫循環(huán)(E區(qū))和空調(diào)循環(huán)(F區(qū))，最后由汽輪機乏汽將混合氣體加熱至鍋爐要求的進氣溫度。設計的LNG冷能綜合利用系統(tǒng)見圖1。

2.3 可行性分析

(1)

Exmass=m[(h-h0)-T0(s-s0)]

(2)

式(2)中:m為質量流量；h為物流比焓；s為物流比熵。

膨脹機的輸出功為

WT=ηTm(hi-ho)

(3)

式(3)中:ηT為等熵效率；hi和ho分別為膨脹機進口、出口物流的焓值。

工質泵功耗為

(4)

LNG氣化冷能日產(chǎn)量為

QLNG=m·ΔHv

(5)

式(5)中:m為LNG的日消耗量；ΔHv為LNG氣化潛熱。

制冷設備制冷量為

Q=24×3 600Pμ

(6)

式(6)中:μ為制冷系數(shù)；P為功率。

(7)

式(7)中:WT為膨脹機外輸功率；Wpi為朗肯循環(huán)的泵耗功；EI為朗肯循環(huán)發(fā)電耗費的LNG冷；為蒸發(fā)器消耗的煙氣余熱。

(8)

式(8)中:EO為系統(tǒng)冷媒工質通過傳熱面(海水淡化裝置)輸入海水環(huán)境中的冷；Wpi為海水淡化系統(tǒng)的泵耗功；EI為海水淡化系統(tǒng)消耗的LNG冷。

由式(1)可得知，若熱負荷不變，系統(tǒng)用戶與LNG冷源之間的溫度差越大，消耗的冷量就越多。梯級利用方式可減小系統(tǒng)與LNG的溫度差，大大降低冷量消耗，因此將該方式應用于LNG冷能利用系統(tǒng)是合理可行的。

該系統(tǒng)用Aspen HYSYS軟件來模擬系統(tǒng)流程(見圖2)。依據(jù)式(2)～式(6)，結合模擬參數(shù)和實船參數(shù)進行分析及計算，得出不同溫度分區(qū)的LNG冷能釋放量及消耗量(見表2)。表2中各LNG溫度段的冷能釋放量遠大于設計的各系統(tǒng)冷能消耗量，證明該設計方案是可行的。然而,決定能否應用該冷能利用系統(tǒng)的關鍵是發(fā)電效率和海水淡化效率，依據(jù)式(7)和式(8)進行計算和優(yōu)化，得出朗肯循環(huán)發(fā)電效率為13.2%，海水淡化冷利用效率為29.7%，可見該系統(tǒng)冷能利用效率較高，可實現(xiàn)LNG冷能的合理應用。

各分區(qū)LNG溫度段/℃冷能釋放量/(kJ/h)系統(tǒng)分區(qū)名稱冷能消耗量/(kJ/h)-155～-1054.82×105朗肯循環(huán)發(fā)電3.96×105-103～-594.55×105海水淡化系統(tǒng)3.16×105-59～-501.18×105低溫庫系統(tǒng)0.89×105-50～-440.76×105高溫庫系統(tǒng)0.52×105-44～-5.153.78×105空調(diào)系統(tǒng)3.65×105總計15.09×10512.18×105

3 LNG冷能利用經(jīng)濟性分析

選取的航線為深圳大鵬灣—澳大利亞，深圳大鵬灣→澳大利亞為空載航行7 d，澳大利亞→深圳大鵬灣為滿載航行7 d，在2個港口各錨泊0.5 d，在2個港口各裝卸貨1 d。LNG冷能利用產(chǎn)生的經(jīng)濟效益包括以下2部分：

1) LNG冷能用于發(fā)電、船舶空調(diào)、船舶冷庫和海水淡化產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益。

2) 省去傳統(tǒng)氣化工藝后節(jié)約的高溫蒸汽成本。

3.1 LNG冷能利用系統(tǒng)經(jīng)濟效益計算

在該航線中，冷能利用系統(tǒng)的負荷隨季節(jié)變化。船舶冷庫、船舶空調(diào)和海水淡化裝置的冷負荷受海洋表層溫度的影響較大。此外，在離岸20 n mile的海域內(nèi)，海水淡化裝置將處于停用狀態(tài)。為合理評估冷能系統(tǒng)產(chǎn)生的效益，需計算出不同月份各冷能利用系統(tǒng)的負荷。選擇一年中典型的1月、4月、7月和10月作為研究月份，計算LNG冷能利用系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。

3.1.11月份LNG冷能利用系統(tǒng)運行工況

在船舶航行中，環(huán)境溫度較低的海域冷負荷較小，而環(huán)境溫度較高的海域冷負荷較大。海域不同，各冷能利用系統(tǒng)受船舶運行工況的影響程度不同，因此各冷能利用系統(tǒng)在不同冷負荷下的運行時間也不同，經(jīng)過實際測算所得數(shù)據(jù)見表3。在航行中，BOG的數(shù)量和溫度隨著船舶貨艙液位不斷變化，可利用的LNG冷能也隨之變化，從而導致不同負荷的發(fā)電總量不同。在滿載時，一級朗肯循環(huán)系統(tǒng)、二級朗肯循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電量分別為118.8 kW和161.3 kW;在空載時，二者的發(fā)電量分別為89.9 kW和122.1 kW。

表3 1月份各冷能利用系統(tǒng)的負荷及運行時間

3.1.21月份LNG冷能利用系統(tǒng)效益計算

設計的LNG冷能利用系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟效益分為LNG冷能發(fā)電、利用LNG冷能產(chǎn)生淡水的經(jīng)濟價值和LNG冷能供應船舶空調(diào)及船舶冷庫節(jié)約的電能等3部分。單航次累計發(fā)電量就是兩級朗肯循環(huán)的發(fā)電量(82 672 kW·h)，船舶發(fā)電成本按1.5元/(kW·h)計，得出冷能發(fā)電產(chǎn)生效益12.4萬元；海水淡化裝置產(chǎn)水量800 t，產(chǎn)生效益1.68萬元；單航次節(jié)約的電能就是船舶空調(diào)和冷庫未利用LNG冷能時消耗的電能，母型船的空調(diào)和冷庫采用傳統(tǒng)電壓縮制冷，設有2個高溫庫和2個低溫庫，制冷系數(shù)取3.5，計算結果見表4。

3.2 傳統(tǒng)氣化過程高溫蒸汽消耗量計算

船舶在航行過程中，鍋爐燃料消耗量為260 m3(按液態(tài)體積計算)，除消耗BOG以外，還消耗強制氣化的液態(tài)LNG，通常用0.7 MPa的飽和蒸汽(潛熱值2.066×106kJ/t)來加熱低溫LNG和高溫BOG。以經(jīng)驗船舶的鍋爐蒸汽成本480元/t計，結果見表5。

3.3 LNG冷能利用系統(tǒng)效益評估與分析

根據(jù)上述分析和計算，可得出4月、7月和10月母型船的LNG冷能利用系統(tǒng)經(jīng)濟效益值;取其平均值，按照每年20個航次計，可計算出該船的航次平均經(jīng)濟效益和全年經(jīng)濟效益(見表6)。

表4 1月份單航次節(jié)約電能及產(chǎn)生效益

表5 不同負載下單航次鍋爐蒸汽消耗量及成本

由表6可知，冷能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電量最為顯著，其經(jīng)濟效益最大。1—7月，氣溫逐漸升高，船舶空調(diào)和船舶冷庫節(jié)約的電量逐漸增多，產(chǎn)生的效益逐漸上升;冷能發(fā)電量逐漸下降，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益也逐漸下降。這是因為隨著氣溫的升高，船舶冷庫和船舶空調(diào)的負荷逐漸增大，提供給冷能發(fā)電系統(tǒng)的冷能減少，發(fā)電系統(tǒng)的做功能力減弱。8—12月，氣溫逐漸下降，船舶空調(diào)和冷庫的冷負荷逐漸減小，節(jié)約的電能也逐漸減少，產(chǎn)生的效益隨之下降;同時,冷能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量逐漸增多，發(fā)電效益逐漸上升。此外，利用LNG冷能實現(xiàn)海水淡化，并代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氣化工藝，可節(jié)省大量的高溫蒸汽，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。

LNG運輸船燃料消耗量大，且供應給鍋爐燃用時壓力小，因此可利用的LNG冷能和冷較多，一艘14.7萬m3的LNG運輸船應用該冷能利用系統(tǒng)，每年可節(jié)約電量1.886×106kW·h，產(chǎn)生效益400余萬元，經(jīng)濟效益顯著。

3.4 LNG冷能利用系統(tǒng)成本計算

設備初投資成本計算式為

表6 母型船的LNG冷能利用系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟效益

lgCPE=K1+K2lgX+K3(lgX)2

(9)

式(9)中:CPE為設備價格；K1、K2和K3為系數(shù)；X為泵和壓縮機的輸入功率或換熱器的換熱面積。

由于還沒有將LNG冷能利用系統(tǒng)及低溫設備應用于實船的經(jīng)驗，設備投資成本只能依據(jù)陸地的應用經(jīng)驗和相關文獻進行估算，共需1 300余萬元，大約4 a可收回投資成本，經(jīng)濟效益較好。

4 結束語

1) 選擇14.7萬m3LNG運輸船作為母型船，采用能量梯級利用方式，將LNG冷能應用于朗肯循環(huán)發(fā)電、船舶海水淡化、船舶冷庫、船舶空調(diào)和制氮等系統(tǒng)中，設計出一套LNG冷能綜合利用系統(tǒng)。

2) 利用Aspen HYSYS軟件進行系統(tǒng)模擬，經(jīng)過分析和計算，論證LNG冷能利用系統(tǒng)設計方案的可行性，結果證明該設計方案應用于LNG運輸船是合理可行的。

3) 依據(jù)母型船的冷能利用系統(tǒng)運行工況，計算出各月份的冷能發(fā)電量、船舶空調(diào)和冷庫節(jié)約的電量、傳統(tǒng)工藝高溫蒸汽消耗量和海水淡化裝置產(chǎn)水量，從而得出各系統(tǒng)產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益。該船全年可節(jié)約電量1.886×106kW·h，產(chǎn)生效益400余萬元。結果表明，設計的LNG冷能綜合利用系統(tǒng)應用于LNG運輸船所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益十分可觀。

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