LNG動(dòng)力船舶冷能回收利用技術(shù)的研究

劉彬+于利民+李程+盧志遠(yuǎn)

【摘 要】環(huán)境保護(hù)問(wèn)題目前越來(lái)越得到船舶相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)注，LNG作為一種清潔高效的能源正逐漸在船舶領(lǐng)域推廣。由于LNG在汽化時(shí)會(huì)釋放出大量的冷能，如何高效地利用 LNG的冷能，對(duì)于節(jié)約資源和提高經(jīng)濟(jì)效益有著重大意義。論文簡(jiǎn)要介紹了LNG冷能的基本特性及目前冷能回收現(xiàn)狀，簡(jiǎn)單介紹了利用LNG完成循環(huán)對(duì)外膨脹做功發(fā)電的方法，并提出了一種運(yùn)用船舶廢熱與冷能進(jìn)行溫差發(fā)電的方法。

【Abstract】At present， more and more attention has been paid to the problem of environmental protection in the field of ship. As a kind of clean and efficient energy， LNG is gradually being popularized in the field of ship. For the LNG will release a lot of cold energy in the process of vaporization， how to efficiently utilize the cold energy of LNG is of great significance for saving resources and improving economic efficiency. This paper briefly introduces the basic characteristics of LNG cold energy and the current situation of the cold energy recycling. It also briefly introduces the method of using LNG to complete the cycle of external expansion to realize power generation ， and proposes a method of using the temperature difference between waste heat and cold energy to generate electricity .

【關(guān)鍵詞】LNG動(dòng)力船舶；冷能回收利用；節(jié)約資源；經(jīng)濟(jì)效益

【Keywords】LNG powered ship； cold energy recycling； resource conservation； economic benefits

【中圖分類(lèi)號(hào)】U674.4 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）05-0169-02

1 引言

目前大多數(shù)船舶采用柴油做為主要燃料，在燃燒過(guò)程中會(huì)排放大量的二氧化碳、硫化物、氮化物等有害物[1]，隨著國(guó)際海事組織對(duì)硫化物和氮化物排放要求的進(jìn)一步提高，LNG動(dòng)力船舶憑借其能源清潔、運(yùn)營(yíng)成本低、續(xù)航性好等優(yōu)勢(shì)引來(lái)廣泛的關(guān)注。相信未來(lái)隨著相關(guān)法規(guī)和基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，LNG動(dòng)力船舶會(huì)在船舶領(lǐng)域占據(jù)著重要的地位。

2 LNG的基本特性及目前冷能回收現(xiàn)狀

液化后的天然氣儲(chǔ)存的條件為溫度約為 112K 和壓力約為 0.1MPa，體積只有原來(lái)的 1/600，給運(yùn)輸帶來(lái)極大的便利。將天然氣液化的過(guò)程中需要消耗很多的能量，每液化1噸天然氣消耗的能量為840 KWh[2]。LNG動(dòng)力船舶上在使用液化天然氣時(shí)往往直接用海水對(duì)天然氣進(jìn)行冷卻，這不僅會(huì)使海水溫度突然變化對(duì)環(huán)境造成影響，還會(huì)使LNG蘊(yùn)含的大量冷能沒(méi)有被利用而形成資源浪費(fèi)。如果能夠高效合理的利用這部分冷能，那么在環(huán)境保護(hù)和減少運(yùn)營(yíng)成本上都有益處。

隨著LNG的使用日益廣泛，LNG冷能回收技術(shù)的研究也取得了重要的進(jìn)展。目前在全國(guó)LNG冷能回收主要用于冷能發(fā)電、維持冷庫(kù)溫度、海水淡化、空氣分離等領(lǐng)域，其中在陸地上的冷能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)比較成熟。在日本，東京瓦斯公司 LNG 接收站回收56.3%的 LNG 冷能用于電，其利用率約42%；而中國(guó)臺(tái)灣，永安 LNG 接收站利用LNG 冷能發(fā)電的百分比是 14%[3]。

但是考慮到船舶上有限的空間，不能夠安放過(guò)多設(shè)備，以及在船舶設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的安全性、可靠性與經(jīng)濟(jì)性，LNG動(dòng)力船舶的冷能回收主要用于冷能發(fā)電與維持冷庫(kù)溫度這兩個(gè)方面。在冷能發(fā)電方面本文介紹了兩種方法，一種是目前比較常見(jiàn)的利用 LNG 完成循環(huán)對(duì)外膨脹做功發(fā)電，另外是提出了一種目前研究較少但是很有價(jià)值的利用船舶余熱與LNG冷能進(jìn)行溫差發(fā)電。

3 利用LNG冷能完成循環(huán)對(duì)外膨脹做功發(fā)電

利用LNG 冷能進(jìn)行發(fā)電是目前冷能回收中最為高效的利用方式，目前有直接膨脹法、二次媒介法和聯(lián)合法等方法，下面對(duì)直接膨脹法和二次媒介法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

直接膨脹法是利用泵加壓后，將常壓下的 LNG 轉(zhuǎn)化為高壓 LNG，然后送至換熱器，在換熱器中，低溫的 LNG 與常溫的海水進(jìn)行換熱，LNG吸熱后迅速汽化，汽化后的高壓天然氣進(jìn)入透平膨脹發(fā)電機(jī)進(jìn)行做功，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

二次媒體法是利用冷媒為中間介質(zhì)完成循環(huán)。首先，LNG輸送至冷凝器，在冷凝器中與冷媒（如丙烷）蒸汽發(fā)生熱交換，液態(tài)天然氣由于吸熱，汽化成常溫常壓下的天然氣，而冷媒放熱后冷凝下來(lái)，經(jīng)低溫泵提升壓力后，進(jìn)入到蒸發(fā)器，由蒸發(fā)器對(duì)冷媒進(jìn)行加熱，使冷媒變成高壓蒸汽，從而推動(dòng)透平膨脹發(fā)電機(jī)進(jìn)行做功發(fā)電[4]。

4 利用船舶廢熱與LNG冷能的溫差發(fā)電

大型船舶主機(jī)功率龐大，燃料在燃燒后發(fā)出的全部熱量有部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，其余部分則通過(guò)排氣、冷卻介質(zhì)和機(jī)器表面散熱等而損失掉[5]。這一部分熱量可以和LNG汽化釋放的冷能進(jìn)行溫差發(fā)電。下表列舉了大型船舶燃料熱能轉(zhuǎn)化形式及比重[6]。

從表中明顯看出約有50%-60%的燃料熱量被排氣廢熱和冷卻水帶走，造成熱量的浪費(fèi)。目前大型船舶柴油機(jī)廢熱的利用主要是排氣方面的應(yīng)用，如：廢氣渦輪增壓和廢氣鍋爐；而冷卻熱的利用則主要集中在油艙加熱、制淡和生活雜用上。

如何在現(xiàn)有的廢熱利用基礎(chǔ)上，既不破壞原有的廢熱利用系統(tǒng)，又能更大限度地利用柴油機(jī)廢熱已成為業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注的問(wèn)題。溫差發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，為廢熱的進(jìn)一步再利用提供了有效途徑。雖然目前溫差發(fā)電的效率較低，但是LNG動(dòng)力船舶中的廢熱和冷能能夠形成巨大的溫差，這樣利用溫差發(fā)電可以更加高效，因此，利用船舶廢熱與LNG冷能的溫差發(fā)電還是十分有前景的。

關(guān)于溫差發(fā)電技術(shù)：

1982年，德國(guó)物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)了溫差電流現(xiàn)象，即兩種不同金屬構(gòu)成的回路中，若兩種金屬接觸點(diǎn)溫度不同，該回路中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì)。這就是塞貝克效應(yīng)。

在發(fā)電片的兩端建立一個(gè)溫差，高溫端記為T(mén)h，低溫端記為T(mén)c，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，將產(chǎn)生一個(gè)電壓，若在回路中接入負(fù)載電阻，則將有電流產(chǎn)生。電壓與溫差的關(guān)系可表示為：

V=（Sh-Sc）（Th-Tc）

其中Sh與Sc分別為兩種材料的塞貝克系數(shù)。

5 目前船舶上LNG應(yīng)用的困難之處

①LNG 蒸汽屬于易燃易爆氣體，操作不當(dāng)時(shí)很容易發(fā)生危險(xiǎn)。在對(duì) LNG 動(dòng)力船舶進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，其必然會(huì)導(dǎo)致船舶裝置的復(fù)雜性，建造和維護(hù)成本也會(huì)相應(yīng)增加，同時(shí)這很容易導(dǎo)致 LNG 蒸汽的泄漏，從而導(dǎo)致危險(xiǎn)事故的發(fā)生。因此LNG動(dòng)力船舶的設(shè)計(jì)既要根據(jù)自己情況，合理地開(kāi)發(fā)和利用 LNG 蒸汽冷能使利益最大化，也需要經(jīng)過(guò)相關(guān)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可后，平衡好經(jīng)濟(jì)性與安全性的問(wèn)題后，才可以在實(shí)船上利用。

②由于 LNG 蒸汽的最低溫度為-160℃左右，所以在考慮利用 LNG 蒸汽冷能的時(shí)候，必須將此溫度因素考慮在內(nèi)；對(duì)于設(shè)備材料在低溫環(huán)境下的性能是否會(huì)發(fā)生變化，是否會(huì)發(fā)生變形等問(wèn)題需要單獨(dú)考慮。

6 結(jié)語(yǔ)

目前，隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)，對(duì)船舶的排放要求也越來(lái)越高，LNG動(dòng)力船舶也將憑借其動(dòng)力能源的清潔性與高效性?xún)?yōu)勢(shì)，勢(shì)必會(huì)在未來(lái)的船舶市場(chǎng)中占據(jù)重要地位。相信隨著LNG冷能回收技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，LNG 冷能將被廣泛應(yīng)用到船舶發(fā)電、冷庫(kù)冷藏、海水淡化等船舶的各個(gè)方面，從而達(dá)到既追求經(jīng)濟(jì)效益又滿(mǎn)足當(dāng)下環(huán)境保護(hù)要求的目的。

【參考文獻(xiàn)】

【1】胡選哲，孫文哲，顧驍勇，等. LNG動(dòng)力船冷能發(fā)電系統(tǒng)的模擬優(yōu)化研究[J]. 船舶工程，2015（2）：50-53.

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