LNG燃料船冷能利用技術(shù)探討

王福秋，王 強，李博洋

LNG燃料船冷能利用技術(shù)探討

王福秋，王 強，李博洋

（青島遠洋船員職業(yè)學院，山東 青島 266071）

本文通過分析LNG冷能利用技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)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(diào)和船舶冷庫利用方案、低溫冷凍法海水淡化裝置、LNG冷能發(fā)電方案、模擬軟件開發(fā)等，并進行實船經(jīng)濟效益分析，得出，LNG冷能利用技術(shù)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(fā)展報告》指出，隨著綠色低碳能源戰(zhàn)略的持續(xù)推進，到2020年中國天然氣在一次能源消費結(jié)構(gòu)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(mào)易量將進一步增長。

天氣貿(mào)易量的增長促進了LNG運輸船和浮式LNG接收終端（LNG-FSRU）數(shù)量的持續(xù)快速增長。目前國內(nèi)各船運公司擁有的大型LNG運輸船10余艘，未來5年內(nèi)營運的LNG運輸船將達到50-70艘左右。另一方面，陸上常規(guī)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(fā)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(nèi)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(qū)（ECA）更是要求不超過0.1%，傳統(tǒng)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(chǎn)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(shù)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(tài)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(tài)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(guān)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?，F(xiàn)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(tài)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(tài)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(guān)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?，F(xiàn)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(fā)電、船舶空調(diào)、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(shù)量持續(xù)快速增加，且消耗或者外輸?shù)腖NG總量大，LNG氣化過程釋放的冷量多，如果對其開展冷能開發(fā)利用，未來將在整個航運市場產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

利用LNG冷能發(fā)電，現(xiàn)已發(fā)展出包括直接膨脹法、二次冷媒朗肯循環(huán)法、布雷頓循環(huán)法等。圖2所示為利用LNG冷能的二次冷媒法朗肯循環(huán)發(fā)電。LNG與經(jīng)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(jié)成液相；低壓冷媒液體經(jīng)泵加壓后，采用工業(yè)余熱（鍋爐煙氣等）加熱成高壓氣體；高壓蒸汽經(jīng)膨脹機變成低壓氣體，同時，膨脹機帶動發(fā)電機發(fā)電。

海水淡化技術(shù)主要分為蒸餾法、膜法和冷凍法。現(xiàn)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(fā)低溫冷凍法海水淡化裝置，以滿足市場需求。

LNG冷能空調(diào)和冷庫，通常采用冷媒與低溫LNG換熱，攜帶冷量供應至空調(diào)或冷庫應用。國內(nèi)外在該方面做了大量的理論研究工作。哈工大熱泵空調(diào)研究所對LNG冷能用于冷庫制冷性能進行熱力學分析和經(jīng)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(huán)境熱負荷變化對LNG冷能用于空氣冷卻影響的數(shù)學模型，發(fā)展了LNG冷能用于空調(diào)與冷庫的理論基礎。以上研究為LNG冷能在冷庫和空調(diào)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(shù)也得到較快的發(fā)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(chǎn)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(shù)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(fā)電、冷庫。法國FOS-SUR-MER LNG接收站冷能回收系統(tǒng)實現(xiàn)了冷能高效用于空氣分離。國內(nèi)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(chǎn)項目。華南理工大學邊海軍根據(jù)某LNG衛(wèi)星氣化站的冷能情況，提出了包括冷庫項目、冷能發(fā)電、深冷粉碎和室內(nèi)滑冰場和冷水空調(diào)的利用方案，并對方案進行了經(jīng)濟技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)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(guān)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(diào)、船舶冷庫和船舶海水淡化裝置所需冷量進行對比。結(jié)果表明，在LNG相關(guān)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(diào)和船舶冷庫的冷量需求，且有較大富余，因此LNG相關(guān)船舶上可實現(xiàn)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(fā)電。根據(jù)船舶工況的特點和能量品級的利用原則，并結(jié)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(chǎn)品包括異氰酸酯（MDI，TDI，ADI），丙烯，環(huán)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(yōu)選更為合理的冷媒工質(zhì)，以?為目標函數(shù)，對系統(tǒng)進行計算與分析，確定系統(tǒng)方案最佳的參數(shù)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(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化計算過程。

為詳細表征不同工況下各船型冷能利用系統(tǒng)的運行狀態(tài)，在方案優(yōu)化過程中，充分考慮各船型不同負載、近海與遠洋狀態(tài)、不同季節(jié)等影響因素，得到了全面的工況參數(shù)，可為后續(xù)模擬軟件的開發(fā)或相關(guān)船舶的設計提供大量的數(shù)據(jù)支持。

2.2船舶空調(diào)和船舶冷庫優(yōu)化設計

現(xiàn)階段船舶空調(diào)和船舶冷庫多采用蒸汽壓縮式制冷（制熱）模式，為實現(xiàn)LNG冷能替代電能運行方式，設計了LNG冷能船舶空調(diào)和船舶冷庫系統(tǒng)方案，為船舶空調(diào)和船舶冷庫的設計或改造提供參考。船舶LNG冷能空調(diào)系統(tǒng)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(diào)節(jié)系統(tǒng)可根據(jù)房間溫度，調(diào)節(jié)冷媒流量，從而穩(wěn)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(nèi)空氣依靠自然對流，實現(xiàn)換熱過程。

2.3低溫冷凍法海水淡化裝置設計

根據(jù)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(yōu)化，得到合理的工藝參數(shù)。針對設計工藝，設計了一套包含換熱器、結(jié)晶器、轉(zhuǎn)筒、收集桶、驅(qū)動裝置等部件在內(nèi)的利用LNG冷能進行海水連續(xù)冷凍淡化裝置，如圖7所示。該裝置設計產(chǎn)水24t/d，采用LNG冷能使海水淡化結(jié)晶，洗滌融化后產(chǎn)生淡水。除海水結(jié)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(fā)電方案設計

根據(jù)不同船型LNG冷量的供應情況，在滿足船舶空調(diào)、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(fā)電，增大LNG冷能的經(jīng)濟效益。為此，針對LNG動力船設計了發(fā)電-空調(diào)方案，針對LNG運輸船設計了縱向兩級朗發(fā)電環(huán)方案，針對LNG-FSRU設計了橫向兩級朗肯循環(huán)發(fā)電方案。通過模擬計算，得出最佳參數(shù)設置，并進行相關(guān)的設備選型，為船舶LNG冷能發(fā)電提供了應用基礎。

2.5模擬軟件開發(fā)

LNG冷能利用系統(tǒng)受船舶運行工況、季節(jié)變化等因素影響顯著，為表征不同工況下冷能利用系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并推廣LNG冷能利用技術(shù)，開發(fā)了船舶LNG冷能利用模擬軟件，部分界面如圖8所示。系統(tǒng)采用Aspen HYSYS模擬數(shù)據(jù)支持，可全面展示LNG動力船冷能利用系統(tǒng)近岸與遠洋狀態(tài)、不同季節(jié)、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(guān)技術(shù)支持，同時可為相關(guān)技術(shù)人員提供技術(shù)培訓。

3 經(jīng)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(guān)應用問題。研究成果可為船東和船舶經(jīng)營管理公司、船舶設計建造行業(yè)及LNG冷能產(chǎn)品生產(chǎn)行業(yè)提供技術(shù)支持，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1船舶LNG冷能應用可節(jié)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(shù)問題，使得在大型船舶上利用LNG冷能開展船舶空調(diào)、船舶冷庫和低溫發(fā)電等成為可能，可有效減少船舶發(fā)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(diào)每年可節(jié)約燃油消耗成本30萬元左右，船舶冷庫可節(jié)約燃油成本10余萬，再考慮到冷能發(fā)電，該船型LNG冷能利用系統(tǒng)每年可產(chǎn)生100萬元左右的經(jīng)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(shù)量規(guī)模呈現(xiàn)持續(xù)快速增長的趨勢，未來LNG冷能在船舶上的發(fā)展?jié)摿鼮榫薮?，對整個航運市場產(chǎn)生的經(jīng)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(huán)境保護，符合綠色航運的發(fā)展趨勢。

3.2為新造大型LNG相關(guān)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(guān)船舶提供設計參考，符合未來船舶發(fā)展需求。根據(jù)提出的LNG冷能梯級利用方案，LNG相關(guān)船舶的建造可以規(guī)劃冷能利用系統(tǒng)的空間布置，方便船舶上開展、升級和改造LNG冷能利用系統(tǒng)。另一方面，研究優(yōu)化設計了船舶冷庫、船舶空調(diào)系統(tǒng)，開發(fā)了低溫冷凍法海水淡化工藝，可作為新建或現(xiàn)有船舶運行系統(tǒng)的改造參考。

3.3滿足冷能利用產(chǎn)品市場需求

作為冷能產(chǎn)業(yè)鏈重要的一環(huán)，LNG冷能利用裝置目前市場需求量大，但由于研究起步晚，現(xiàn)階段該類產(chǎn)品多處于空白階段。開發(fā)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(chǎn)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(guān)冷能利用裝置如船舶空調(diào)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(fā)相關(guān)產(chǎn)品，未來可產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。

在大型遠洋商船可將LNG冷能梯級利用于冷能發(fā)電、船舶空調(diào)、船舶冷庫等，一方面可節(jié)約大量的燃油消耗成本，產(chǎn)生巨大直接的經(jīng)濟效益，另一方面可減少燃油廢氣的排放，有利于環(huán)境保護，符合綠色航運的發(fā)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(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，如表1所示，每年節(jié)約電量約為1.886×106 kW·h，節(jié)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(shù)的研究和實際應用，可以降低船舶營運成本，為集團產(chǎn)生更多的經(jīng)濟效益，具有更重要的經(jīng)濟意義。

說明，節(jié)電指節(jié)約電量，單位為104 kW?h；效益指經(jīng)濟效益，單位為萬元；產(chǎn)水量單位為103噸。

4 結(jié)束語

綜上所述，LNG冷能作為一種高品位的能量，可用于發(fā)電、空調(diào)、冷庫、海水淡化、空氣分離和橡膠粉碎等，但由于國內(nèi)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(fā)展?jié)摿^大。作為LNG冷能重要的產(chǎn)生領域—LNG相關(guān)大型遠洋商船，現(xiàn)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(diào)、船舶冷庫、低溫發(fā)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。