BOG冷能在LNG船上的綜合利用研究①

周瑞佳，李品友

(上海海事大學，上海 201306）

BOG冷能在LNG船上的綜合利用研究①

周瑞佳1，李品友2

(上海海事大學，上海 201306）

針對LNG船舶每日產(chǎn)生的低溫蒸發(fā)氣的冷能浪費問題，提出了通過利用氮氣閉式循環(huán)氣體透平技術(shù)和冷能的梯級利用，回收這部分原本被浪費的冷能來發(fā)電，這部分冷能還能用來供給冷庫用以制冷，同時升高蒸發(fā)氣的溫度供給燃燒，可以起到提高經(jīng)濟性及合理利用能源的目的。該文將為冷能綜合利用技術(shù)在LNG船上實際應用建立理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

BOG冷能利用;LNG船;冷能發(fā)電;冷能梯級利用

1 BOG冷能利用的依據(jù)

近年來，由于人類對石油資源的過分依賴，全球范圍內(nèi)可供開采的石油也日益減少，國際原油價格也隨之水漲船高。據(jù)估計，天然氣這一“清潔能源”將在2020年左右超過石油和煤炭，成為人類依賴的最主要能源。天然氣的運輸也隨之受到了世界各國的廣泛關(guān)注。作為國際間、地區(qū)間運輸天然氣的唯一途徑，LNG船自然而然地成為了航運界的“海上明珠”。但目前國內(nèi)外，LNG船舶的冷能利用現(xiàn)狀相比于陸上，可以說幾乎處于空白狀態(tài)。眾所周知，天然氣常溫常壓下是氣體狀態(tài)，其主要成分是甲烷。天然氣資源在世界各地分布也極不均勻，除了在靠近天然氣站的一定范圍內(nèi)可能通過管道來運輸天然氣外，國家與國家、地區(qū)與地區(qū)之間運送天然氣，往往就需要通過LNG船舶來運輸。2010年全球液化天然氣貿(mào)易量達到了2.188億t，比2009年增加了22.6%。

液化天然氣是將常溫常壓下處于氣體狀態(tài)的天然氣進行降溫，使之在0.1 MPa、－163℃時液化成液體，稱之為液化天然氣。而LNG船舶就是將液化了的天然氣貯存在經(jīng)過特殊處理的液貨艙室內(nèi)，該液貨艙除了要起到承裝液貨的作用外，還必須盡可能的隔絕外界熱量通過艙壁傳入液貨艙內(nèi)部，使儲運的液化天然氣溫度升高，再次蒸發(fā)。

盡管如此，覆蓋有隔熱材料的液貨艙仍無法做到完全隔絕外部熱量進入，所以液化天然氣的蒸發(fā)在所難免。通常一個管理良好的液貨艙在營運期間每天所產(chǎn)生的蒸發(fā)氣量占該液貨艙體積的0.15%。以一艘液貨艙容積為20萬m3的LNG船為例，每天所產(chǎn)生的蒸發(fā)氣就有300 m3之多，若LNG擁有的冷能能以100%的效率轉(zhuǎn)化為電能，那么1 t LNG的冷能相當于160 kW·h的電能［1］。以LNG密度為450 kg/m3來計算，理論上最高每天可以獲得32 400 kW·h電能。由此可見，這部分蒸發(fā)氣所攜帶的冷能如若浪費，勢必造成能量的巨大損失。

近些年來，隨著船舶柴油機技術(shù)的不斷發(fā)展，柴油機相比于蒸汽輪機在性能上的優(yōu)勢日益明顯，也有提出運用低速柴油機搭配再液化裝置作為LNG船舶的主推進動力裝置，并且在實船上也得到了應用。但是由于添加一套再液化裝置在船舶建造的初期階段投入巨大，再加上再液化裝置的可靠性及技術(shù)成熟度仍有待實踐的考驗，因此，無論是已經(jīng)投入營運的，還是正在建造的國內(nèi)外LNG船舶，絕大多數(shù)采用蒸汽輪機搭配雙燃料主鍋爐作為其首選的主推進動力裝置。

然而，作為雙燃料主鍋爐燃料之一的LNG蒸發(fā)氣，其從液貨艙中抽出時的溫度仍然非常低。約為－160～－150℃，不能直接作為燃料供主鍋爐燃燒。通常實船上往往利用海水或電加熱將這部分低溫蒸發(fā)氣溫度升高到可供鍋爐使用的范圍內(nèi)，而作為熱源的海水在帶走蒸發(fā)氣的冷能后往往不經(jīng)利用就直接排放入大海中，造成能源的巨大浪費。

目前，國內(nèi)外有關(guān)LNG冷能利用的研究很多，但絕大多數(shù)都只停留在岸上LNG接收站的冷能利用，而LNG船上的冷能利用幾乎處于空白。比如上海交通大學進行了系統(tǒng)的LNG冷能利用研究，取得了一系列的成果［1-3］。清華大學聯(lián)合中海油進行了實際的冷能利用項目開發(fā)，同濟大學很早進行了冷能利用原理及方法的探索［4］，華南理工大學進行了冷能優(yōu)化集成利用方面的研究［5-7］，西安交通大學進行了冷能評價分析及在汽車工藝上的技術(shù)研發(fā)［8-9］，上海海事大學進行了LNG冷能的蓄冷及梯級利用方面的研究［10-11］。

國外已對LNG冷能的應用展開了廣泛、深入的研究，并在冷能發(fā)電、冷凍食品、空氣液化，制取干冰以及低溫粉碎方面獲得應用，經(jīng)濟效益和社會效益非常明顯［12］。LNG冷能利用已相當成熟，世界上多個國家都采用了LNG冷能利用技術(shù)，日本就已經(jīng)利用LNG冷能進行空氣分離、發(fā)電、干冰制造和冷庫冷藏，利用LNG發(fā)電至今已有超過30年的歷史［13-16］。

在國內(nèi)外新設(shè)計的LNG船中，有將液貨艙中抽出的低溫蒸發(fā)氣用來冷卻汽輪機出口蒸汽的應用，試圖通過此舉來提高經(jīng)濟性，但這種做法沒有考慮到能量在“質(zhì)”方面的不同。低溫蒸發(fā)氣溫度接近－160℃，而環(huán)境溫度通?？梢哉J為是20℃，這中間存在著近180°C的溫差。從能量“質(zhì)”和“量”的角度分析，將這部分冷能僅僅用在冷凝蒸汽上，冷能無法得到充分的利用。

基于上述背景，本文提出的研究方法，是將這部分高品位的冷能，通過氮氣閉式循環(huán)氣體透平技術(shù)來發(fā)電，并且采用能量的梯級利用原理，逐級依據(jù)蒸發(fā)氣溫度不同，能量品位不同，做到能量的最高效利用，同時也提高經(jīng)濟性。

這種LNG船蒸發(fā)氣冷能利用技術(shù)，在實船上運用，具有以下優(yōu)點:

1.不消耗額外能量，僅利用液貨艙蒸發(fā)氣自身攜帶的冷能發(fā)電，節(jié)能環(huán)保;

2.優(yōu)于實船上現(xiàn)有的冷能利用技術(shù)，更好地利用冷能的做功能力;

3.在冷能發(fā)電的同時，加熱蒸發(fā)氣，使之達到鍋爐的使用溫度，供給燃燒，省去了原先的蒸發(fā)氣加熱裝置，減少設(shè)備投入;

4.冷能的梯級利用，可冷凝汽輪機出口蒸汽，提高汽輪機的效率;

5.還可供給冷庫冷量，減少制冷壓縮機的工作時間，降低營運成本。

2 BOG冷能利用的研究方向

2.1 蒸發(fā)氣冷能發(fā)電技術(shù)在LNG船上應用的研究

圖1 氮氣閉式循環(huán)氣體透平系統(tǒng)簡圖Fig.1 Nitrogen closed cycle gas turbine system diagram

BOG冷能發(fā)電技術(shù)采用氮氣閉式循環(huán)氣體透平技術(shù)，如圖1所示為利用氮氣閉式循環(huán)氣體透平發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)由壓縮機、氮氣透平、熱交換器等組成。系統(tǒng)主循環(huán)中用BOG冷量冷卻壓縮機進口氣體，使得壓縮機進口氣體溫度降低，使壓縮機在達到相同增壓比情況下耗功降低，高壓氮氣經(jīng)加熱器加熱進入氣體透平膨脹做功，對外輸出電能。其中加熱器的熱源可以來自海水，也可以來自汽輪機出口蒸汽，這樣做既不消耗額外電能，也可以冷凝蒸汽，節(jié)能環(huán)保。

2.2 冷能梯級利用在LNG船上的高效合理化方案研究

冷能的梯級利用主要體現(xiàn)在從氮氣閉式循環(huán)氣體透平系統(tǒng)出來的高溫BOG仍然帶有一定量的冷量，這部分冷量要是能夠得到合理的利用，對提高整個系統(tǒng)冷能利用率有著相當大的作用。本項目的冷能梯級利用是考慮將帶有一定冷量的BOG依次通過冷庫盤管、蒸汽冷凝器，起到給冷庫制冷、減少制冷壓縮機工作時間，冷凝汽輪機出口蒸汽的作用。這樣做的目的一方面可以利用到這部分BOG的冷量，另一方面可以降低能耗，節(jié)能環(huán)保。冷能梯級利用的具體方案，則根據(jù)系統(tǒng)提高 (火用）效率，減少 (火用）損失來具體設(shè)計。冷能梯級利用系統(tǒng)簡圖如圖2所示。

圖2 冷能梯級利用系統(tǒng)簡圖Fig.2 Cold energy cascade utilization system diagram

2.3 氣—氣高效換熱裝置的研究

由于氮氣閉式循環(huán)氣體透平技術(shù)采用的是低溫BOG氣體與高溫氮氣進行冷量交換，所以在系統(tǒng)氮氣閉式循環(huán)氣體透平系統(tǒng)設(shè)計的同時，我們還需要找到一個高效的氣—氣換熱裝置，對該裝置的要求是換熱效率高、占地小、密封性好。所以尋找一個高效的換熱裝置是提高整個系統(tǒng)冷能利用率的關(guān)鍵所在。

2.4 蒸發(fā)氣與循環(huán)介質(zhì)之間 (火用）效率的研究

本項目對BOG冷能在LNG船上的綜合利用，其關(guān)鍵就是利用氮氣閉式循環(huán)氣體透平系統(tǒng)進行冷能發(fā)電，所以研究氮氣閉式循環(huán)氣體透平系統(tǒng)

(火用）效率的重要性不言而喻。這里采用 (火用）分析方法主要是因為低溫 BOG氣體溫度接近－160℃，如果只是從“量”的角度考慮熱效率，就忽略了其在“質(zhì)”方面的特點。對氮氣閉式循環(huán)氣體透平系統(tǒng) (火用）效率的研究，可以更加直觀地反映冷能的利用情況，對提高整個系統(tǒng)的冷能利用率起到明顯的導向作用。

3 BOG冷能利用需解決的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 氮氣閉式循環(huán)氣體透平系統(tǒng)的冷能發(fā)電技術(shù)在LNG船舶上應用拓展

由于目前LNG實船上尚未應用過冷能發(fā)電技術(shù)，氮氣閉式循環(huán)氣體透平系統(tǒng)的冷能發(fā)電技術(shù)只有在美國的一些液化天然氣站得到應用，其核心技術(shù)我國尚未掌握，所以也是本項目所需要攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)之一。氮氣閉式循環(huán)氣體透平系統(tǒng)的設(shè)計，除了要考慮到系統(tǒng) (火用）效率的高低外，還必須考慮到其在LNG船上的安全性、可靠性以及維護管理簡單。一套考慮周全的氮氣閉式循環(huán)氣體透平系統(tǒng)將是本項目研究的重中之重。

3.2 冷能在LNG船上梯級利用方案的探索

冷能的梯級利用是為了彌補冷能在發(fā)電以后所剩余部分的冷能，將其從“量”和“質(zhì)”兩方面綜合考慮，應用于冷庫制冷和冷凝蒸汽。冷能的梯級利用既要兼顧效率，又要兼顧運營成本。在與LNG船上其他設(shè)備配套使用的情況下，既要達到冷能利用降低能耗的目的，又要與原系統(tǒng)搭配良好，達到預先效果又可互為備用。同時，冷能梯級利用方案設(shè)計還必須考慮到LNG船在運營過程中船舶處于各個典型工況的實際情況，冷量有多有少，消耗量也有多有少，綜合各方面因素做出最優(yōu)化方案。所以冷能梯級利用的方案設(shè)計，將是決定冷能綜合利用好壞的關(guān)鍵。

3.3 氣—氣高效換熱裝置的研究

氮氣閉式循環(huán)氣體透平技術(shù)采用的是低溫BOG氣體與高溫氮氣進行冷量交換，換熱裝置的好壞決定著整個循環(huán)冷能綜合利用的好壞。但是換熱裝置的選擇也有其困難之處。首先它屬于氣—氣換熱，不同于液體之間的換熱，換熱器的選擇就受到很大程度的限制;其次換熱器的材料也十分特殊，低溫BOG氣體接近－160℃，在如此低溫的條件下，換熱器材料既要保證換熱效果，還要保證材料的低溫性能，必須能滿足低溫情況下具有足夠的強度，且保證密封性，不允許天然氣泄漏;再次，換熱器的選擇不僅僅考慮到換熱本身，還需要其他輔助設(shè)備來保證其正常工作，比如氣體除濕、除雜等等。因此氣—氣高效換熱裝置的研究是提高整個系統(tǒng)冷能利用率的前提。

4 BOG冷能利用的特點與面臨的瓶頸

BOG冷能在LNG船上的綜合利用相對于目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和LNG實船應用，本身就是一個創(chuàng)新，它發(fā)現(xiàn)了在LNG船上冷能利用的巨大潛力，并且通過氮氣閉式循環(huán)氣體透平技術(shù)來冷能發(fā)電，加上冷能梯級利用技術(shù)，將這部分原本被浪費的能源加以利用，既節(jié)約了能源又降低了運營成本，一舉多得。

雖然對LNG冷能的梯級利用方案的研究，是對LNG冷量合理利用的有益探討，但在實施時，還應考慮經(jīng)濟性、安全性、穩(wěn)定性等。LNG冷能的梯級利用，往往涉及跨度很大的多個行業(yè)和領(lǐng)域，因此，即使在LNG岸站碼頭，其冷能的充分合理利用也受到限制，因為難以找到對所有這些領(lǐng)域都感興趣的投資商來同時投資所有項目;此外，由于很難保證各項目均在設(shè)計工況下運行，各利用項目之間相互牽制，可能成為制約項目正常運行的關(guān)鍵因素。因此，雖然眾多梯級利用方案在理論上可以得到較高的冷能回收率，但實施這些方案時還需要慎重考慮方案的可行性。比較務實的冷能利用方案，還是以“成熟一個，發(fā)展一個”的原則來考慮，這樣，雖然較難獲得很高的冷能回收率，但有利用比沒有利用是質(zhì)的提高，對進一步發(fā)展BOG冷能利用具有促進作用。

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Com prehensive Utilization of BOG＇s Cold Energy in LNG Ship

ZHOU Ruijia1，LIPinyou2

(Shanghai Maritime University，Shanghai201306，China）

The essay aiming at cold energy＇s wasted phenomenon in LNG ships＇BOG comes up with the utilization of nitrogen closed cycle＇s turbine technology and cold energy＇s cascade use to recycle this cold energy for generating.This part of cold energy can also be used at supply cold store for refrigeration，and elevate BOG＇s temperature for combustion.This method can improve economy and optimally utilize energy.The essay establishes the theoreticaland technical basis for practical application in LNG ships＇cold energy comprehensive utilization.

utilization of BOG＇s cold energy;LNG ship;generation from cold energy;cascade utilization of cold energy

U662.3

A

1007-7804(2012）04-0014-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2012.04.003

2012-05-07

周瑞佳 (1988），男，上海海事大學碩士研究生在讀，主要從事LNG船舶冷能綜合利用研究。