LNG動力船舶應用水浴式汽化器可行性分析

李岳洋,洪海志，張鴻泰

(1.江蘇現代造船技術有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江212003；2.江蘇鴻運綠色能源有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

液化天然氣(LNG)作為一種清潔、高效優(yōu)質的能源，已成為我國乃至世界能源供應增長速度最快的領域。為了深層次研究、開發(fā)、利用液化天然氣這種清潔能源，共同推進“氣化水運”項目，江蘇省交通運輸廳和江蘇省地方海事局開展了《京杭運河江蘇段水運應用LNG綜合示范區(qū)》項目，利用現有船舶動力系統(tǒng)整體更新改造技術，對內河運輸船舶主機進行燃料升級更新，以潔凈的液化天然氣替代污染物排放較多的柴油、重油等燃料，達到節(jié)能減排的目的。

LNG動力船舶主機燃用的天然氣是通過熱交換設備產生的。這種換熱設備稱之為熱交換器，也稱汽化器，能使低溫的液態(tài)天然氣(LNG)轉變成氣態(tài)天然氣(NG)。汽化器通常有兩種型式：空溫式(翅片管式)和水浴式(管殼式)。

空溫式汽化器由于采用空氣自然對流，結構簡單，無需另外提供熱水管路，在早期的LNG燃料改造船舶上經常應用。然而因需要的換熱面大，外形體積大，空溫式汽化器在內河運輸船舶上布置困難，特別是環(huán)境溫度較低時，因表面結霜而導致汽化量不充分，發(fā)動機供氣不暢，故內河LNG動力船舶開始應用水浴汽化器進行研究推廣。

水浴式汽化器由于汽化量大，換熱效率高，并具有結構緊湊、占地面積小、節(jié)約空間和制造成本低等優(yōu)點得到關注并在船舶上應用。水浴式汽化器的主體為換熱裝置，所有與介質接觸的受壓元件均采用不銹鋼管制造，可承受較低溫度和相應的工作壓力，而且可靠性好，運行范圍寬，溫度容易控制，維修方便，經濟性好。

本文結合《京杭運河江蘇段水運應用LNG綜合示范區(qū)》工程應用項目，對LNG動力船舶應用水浴式汽化器進行可行性分析，計算結果證實采用雙燃料主機本身的外循環(huán)冷卻水溫度水浴式汽化器的換熱溫度產生的氣態(tài)天燃氣可以滿足主機供氣需求，這將為后續(xù)水浴式汽化器應用于LNG動力船舶提供技術基礎和安全保障。

1 汽化器加熱系統(tǒng)管路設計方案

1.1 汽化器加熱系統(tǒng)原理

汽化器加熱系統(tǒng)原理：將主機的外循環(huán)冷卻系統(tǒng)出水口直接排舷外的熱水，接至液化天然氣儲罐處的水浴式汽化器進水口，進行循環(huán)水加熱，使LNG汽化為可以供給雙燃料主機直接使用的燃料。

1.2 主機的外循環(huán)冷卻系統(tǒng)原理

主機的外循環(huán)冷卻系統(tǒng)原理：海水冷卻泵將海水從海底門、通海閥和粗過濾器送至滑油冷卻器和淡水冷卻器中，并從雙燃料主機高溫的部件中吸收熱量，使淡水冷卻器中海水腔的溫度上升。

1.3 汽化器加熱系統(tǒng)管路設計方案

外循環(huán)冷卻熱水進入水浴汽化器進水口，水浴汽化器出水口連接單向閥，將海水排出舷外。同時液態(tài)天然氣進入水浴式汽化器，水浴汽化器中的冷卻水形成溫度差進行傳熱，使得低溫的液化天然氣進行汽化，形成氣態(tài)的燃料，滿足雙燃料主機的燃料使用要求。水浴式汽化器構造圖如圖1所示，水浴式汽化器熱交換系統(tǒng)圖如圖2所示[1]。

2 汽化器汽化量計算與選型

2.1 已知設計條件

雙燃料主機功率Nez=200 kW(170系列雙燃料主機); 雙燃料主機數量N=2臺；天然氣替代率S=70%;燃油消耗率gez=0.2 kg/kWh；耗氣率gezgas= 0.26 m3/kWh；Rez為每千克柴油燃燒的熱當量相當于1.26倍天然氣的熱當量,取1.26。

在標準狀態(tài)下，1 m3天然氣熱值相當于0.792 kg柴油，折算后每千克柴油相當于1.26 m3天然氣。

1—不銹鋼本體；2—外循環(huán)冷卻水進水口；3—外循環(huán)冷卻水出水口；4—LNG出液口；5—LNG進液口；6—液化天然氣管路上截止閥

1—截止閥；2—水浴汽化器；3—熱水循環(huán)泵；4—溫度傳感器及閥；5—截止止回閥；6—主機換熱器；7—電加熱換熱器；8—膨脹熱水柜

2.2 汽化量計算

汽化量計算方法有兩種:按耗氣量計算和按燃料熱值計算。

(1)按耗氣率Qhq1計算

Qhq1=NezNSgezgas=72.80 m3/h

(2)按燃料熱值Qrlrz計算

Qrlrz=NezNgezSRez=70.56 m3/h

對比上述兩種方法的計算，得出按耗氣量計算的氣化量值大，因此取72.80 m3/h作為依據。考慮增加25%的余量，經取整，最終汽化器的汽化量為100 m3/h。

2.3 汽化器選型與熱負荷計算

2.3.1汽化器選型參數

型號

JAMTC-100/1.2

汽化介質

LNG→NG

工作壓力

1.2 MPa

汽體進口溫度

-160 ℃

氣體出口溫度

40 ℃

進口通徑

DN25 mm

出口通徑

DN25 mm

換熱面積

70 m2

2.3.2質量流量qm的計算

質量流量qm按下式計算：

qm=ρV

式中：V為標準狀態(tài)下的體積，V=100 m3/h；ρ為標準狀態(tài)下天然氣的密度，ρ=0.717 4 kg/m3。

經計算，qm=71.74 kg/h。

2.3.3汽化熱負荷計算

LNG汽化狀態(tài)圖如圖3所示。從圖3可知，汽化熱負荷計算[2]分三個階段進行。

(1)第一階段過冷至飽和1狀態(tài)的熱負荷Q1(液態(tài)LNG)：

Q1=AhΔt1=Ah(tbh1-tg1)

式中：A為汽化器換熱表面積，A=70 m2；h為傳熱系數,h=4.5W/(m2·K)；Δt為液體在工作壓力下溫度差，℃；tbh1為飽和1狀態(tài)溫度，tbh1=-147 ℃；tg1為過冷狀態(tài)溫度，tg1=-162 ℃。

經計算，Q1=4.725 kW。

(2)第二階段飽和至飽和2狀態(tài)的熱負荷Q2(氣、液混合狀態(tài)LNG、NG)：

Q2=AhΔt=Ah(tbh2-tbh1)

式中：Δt2為液體在工作壓力下溫度差，℃；tbh2為飽和2狀態(tài)溫度，tbh2=-70 ℃。

經計算，Q2=24.255 kW。

(3)第三階段飽和2至過熱的熱狀態(tài)負荷Q3(氣態(tài)NG)：

Q3=AhΔt=Ah(tgr-tbh1)

式中：Δt3為液體在工作壓力下溫度差，℃；tgr為過熱溫度，tgr=40 ℃。

經計算，Q3=34.650 kW。

最終，總熱負荷Q=Q1+Q2+Q3=63.630 kW。

圖3 LNG汽化狀態(tài)圖

3 船舶采用雙燃料主機冷卻水換熱可行性

根據設備廠提供的資料要求，加熱用雙燃料主機冷卻水進出口溫差不大于10 ℃。主機資料顯示：主機在85%負荷時，冷卻水溫度為65 ℃，該機型冷卻水量取15 m3/h(資料范圍為10～20 m3/h)?？紤]接至汽化器進水口溫度下降約2 ℃(可以采取必要的保溫措施)，取進口溫度63 ℃，流量15 m3/h；出口溫度按55 ℃計算，忽略少量水蒸發(fā)。

雙燃料主機在較低負荷運行時冷卻水溫度在50～60 ℃間波動。取較低進汽化器水溫為55 ℃，按出口水溫50 ℃計算：

4 結論

內河現有船舶動力系統(tǒng)整體更新采用雙燃料主機，或者為單燃料主機，對減少污染物的排放，推進綠色水運，以及防止溫室效應、水上環(huán)境污染等方面具有積極意義。而汽化器為雙燃料船舶“油改氣”工程中必不可少的重要裝置。水浴式汽化器應用雙燃料主機冷卻水加熱汽化的可行研究，及其良好的應用實踐，同時雙燃料主機內循環(huán)水也可以提供水浴汽化器的熱源，對液化天然氣進行汽化。本文研究的廢熱水利用和低成本改造，對內河推廣應用清潔新能源也起到推動作用。

由于水浴式汽化器充分利用了雙燃料主機冷卻水的余熱，也進一步降低了能耗。實船應用表明：水浴汽化器換熱溫度受發(fā)動機負荷波動、換熱器結構、材料換熱系數、污垢系數等因素有影響，對其精確分析還需要大量的實驗數據，有待進一步研究。但只要充分考慮設計裕度，可以滿足設計選型要求。同時為水浴汽化器在內河LNG動力船舶上的應用提供選型參考和可行性分析，確保LNG雙燃料動力系統(tǒng)整體更新改造技術安全運行，能更好地實現“氣化大運河”“氣化長江”提供技術基礎和安全保障。