LNG動力漁船冷能梯級利用

楊晨斌，許光映，薛大文

(浙江海洋大學，浙江 舟山316022)

0 引 言

我國是傳統的漁業大國，同時也是世界上漁船數量最多的國家。在國際組織和國家節能減排的大環境下，LNG動力漁船已成為響應國家號召的必然選擇和直接要求。由于LNG在-165 ℃時汽化，并進一步換熱升溫后才能進入船舶主機進行燃燒利用，期間有100多度的冷能可以利用。然而，目前為止，雖然已有較多有關LNG動力船舶冷能利用的研究[1-8]，但針對LNG動力漁船冷能利用則相對較少[9-12]。

另一方面，對于近海漁船，單次捕魚期為20～30 d，此類漁船沒有制冷系統，為了漁貨產品的保存和貯藏，主要采用帶冰塊作業，以碎冰保鮮為主。然而，利用傳統碎冰塊低溫保鮮缺點明顯，主要在于對海產品組織細胞的破壞以及對保鮮溫度的控制性差等方面。近些年，流化冰的出現和快速發展為海產品保鮮帶來新的方式，流化冰是一種含有冰晶微粒的固液兩相溶液，簡單地說就是冰水混合物。相比之下，海水流化冰因其冰晶粒子細小綿密，傳熱效率高、流動性強，因而具有冰晶圓潤不破壞海產品表面、直徑微小密封效果好、冷卻速度快保鮮期長等優點，特別能夠滿足近海漁船出海作業的需求。

鑒于此，本文以40 m拖箱LNG漁船為研究對象，針對其制冷保鮮需求，對LNG在氣化過程中釋放的冷量進行梯級利用，設計流化冰制取系統，既可以提高能源利用率，又可以在海上直接就地取材，節約成本。

1 LNG漁船冷能利用方案

1.1 LNG漁船可利用冷量分析

LNG的主要成分為甲烷，其在儲液罐中的狀態為-160℃以下，而動力裝置的進氣溫度為20 ℃，其溫差達180 ℃以上，LNG通過氣化器氣化使用，比熱容為2.14 kJ/（kg·℃），汽化時放出很大的冷量，其中潛熱值約為522 kJ/kg，氣態天然氣從儲存溫度升溫到環境溫度的顯熱值約為385.2 kJ/kg，而1 kg LNG釋放的總冷量為907.2 kJ/kg。

以40 m拖箱漁船為例，漁民每年出海捕魚次數為8次，每次為30 d，每天作業時間將近12 h，每次出海耗油量為16～17 t（為了方便計算，本次取值為16.5 t），則每天耗油量為0.55 t，若采用全部代替，則每天耗LNG的量為0.503 t，按LNG汽化至溫度20 ℃，LNG的比熱容為2.14 kJ/(kg·℃)，汽化潛熱為522 kJ/kg，則每千克LNG所能提供的冷量為907.2 kJ/kg。LNG的冷能回收效率以80%計算，其制冷量Q=503×907.2×80%÷3600=101.4 kW。

1.2 漁船LNG冷量利用方案

針對40 m拖箱漁船，通過深入了解漁民出海打魚時的作業時間及捕獲量，提出了LNG冷能梯級利用方案，如圖1所示。首先LNG從儲液罐出來經過第一個LNG-乙二醇冷能回收換熱器，換熱器將一部分冷量回收，并將這部分冷能及空氣-尾氣換熱器所回收的熱量分別作為冷端和熱端通過半導體發電裝置轉化成可利用的電能，然后通過第二個LNG-乙二醇冷能回收換熱器，又將一部分冷量回收并通過制作流化冰的工具產生漁民所需要的用于水產品保鮮的流化冰，再通過NG-空氣換熱器10與換熱空氣的回氣進行換熱，提升NG的溫度，使得進氣溫度達到20 ℃以上（因為發動機的進氣溫度為20 ℃）的同時，降低換熱空氣的溫度，提高漁船尾氣的回收量；最后NG進入發動機12，驅動漁船進行作業。

圖1 LNG冷量利用系統

漁民的作業時間一般為白天，則白天可能不需要用到電或者用電量很小，若還是按照正常LNG流量進行發電，則在發電裝置上大部分冷量會得不到充分利用，或者說利用不了，因此一級利用，在換熱器與半導體發電裝置之間設置一個超低溫干冰型冰袋蓄冷罐，以儲存經過LNG-乙二醇冷能回收換熱器吸收多余的冷量。然后在夜里漁船不作業但耗電量卻增加時，釋放蓄冷罐儲存的冷能用作發電。由于漁民每次撒網收網時間具有周期性，一般用冰高峰期是在收網后再撒網之前或者再撒網之后的1～2 h內，漁民撒網次數是有限制的，因此，漁民不可能持續用冰或者說持續用冰的時間很短，而一天中大部分時間都不需要冰的，所以在LNG-乙二醇冷能回收換熱器與制冰器管路之間設置一個相變蓄冷罐，以儲存不用制冰時LNG-乙二醇冷能回收換熱器所回收的冷能，而在制冰裝置中，若制冰所用的水是干凈的海水，則可在需要淡水的時候進行制冰，以供船上漁船日常生活使用。

2 LNG動力漁船冷能利用的綜合分析

2.1 燃油費的經濟性分析

經調查，該40 m拖箱漁船主機功率為420 kW，輔機功率為35.3 kW。漁民每年出海捕魚次數為8次，每次為30 d，每天作業時間將近12 h，每次出海耗油量為16～17 t（為了方便計算，本次取值為16.5 t），柴油價格為3500元/t，其中漁船耗電總功率為30 kW，每年出海捕魚總天數為30×8=240 d, 年耗油量m=16.5×8=132 t，日均耗油為m′=132÷240=0.55 t，每噸柴油價格約為3500元，故每天油耗成本為3500×0.55=1925 元，年油耗成本為1925×240=46.2 萬元。

天然氣低熱值為36.22 MJ/m3，0#柴油低熱值為38.44 MJ/L，1 m3天然氣進入發動機燃燒后產生的熱值相當于0.94 L柴油燃燒的熱值，即1 m3天然氣與0.94 L（0#柴油密度為835 kg/m3，0.785 kg）柴油產生的動力相當。天然氣密度為0.7174 kg/m3，所以1 t的LNG相當于1394 m3的天然氣。若漁船的動力源全部由LNG提供，則每天的代替量為550÷0.785=701 m3=503 kg=0.503 t，每年耗LNG的量為240×0.503=120.7 t。LNG價格以2764 元/t計算，每天耗LNG成本為2764×0.503=1390 元，每年耗LNG成本為1390×240=33.36 萬元。故平均每年可省下大約12.84 萬元的燃料費。

表1 動力設備對比

2.2 制冰量及制冰經濟性分析

如圖1所示，在第一個LNG-乙二醇冷能回收換熱器的出口溫度設為-100 ℃，第二個LNG-乙二醇冷能回收換熱器的出口溫度為-10 ℃，所以每千克LNG所釋放的冷量為Qs=2.14×1×90=192.6 kJ/kg，每天總共釋放冷量為Qz=192.6×503=96877.6 kJ，換熱公式為

式中：η2為利用效率，取90%；m為海水質量，kg；Cp為海水比熱容，為4.3 kJ/(kg·K)；t2為冷海水溫度，取20 ℃；t1為流化冰溫度，取-3 ℃；h為流化冰凝固熱，為336 kJ/kg。

通過計算得到m=200.5 kg。

根據調查，40 m拖箱漁船的每次帶冰量為45 t，而若利用LNG制冰，每次出海捕魚可少帶6 t冰，一年可節省48 t的流化冰。

3 結 語

本文針對LNG動力漁船冷能利用不足，以40 m拖箱LNG漁船為研究對象，針對其制冷保鮮需求，對LNG在氣化過程中釋放的冷量進行梯級利用，設計流化冰制取系統。

通過計算分析了可利用冷量，以此為基礎設計系統，從系統原理、結構、技術等方面總結了流化冰制取系統的設計思路和利用方案。從經濟性分析，每年可節電300 kW·h，每年可產生流化冰48 t，經濟效益明顯。

本文所提系統的研究僅僅是理論研究，能否運用到實際過程中還需結合實際數據和運行工況等方面做進一步的探討。