基于船舶LNG冷能循環(huán)利用的工藝設(shè)計(jì)

陳 盼，王銀炯

(1.舟山市知?jiǎng)?chuàng)科技開(kāi)發(fā)有限公司,浙江 舟山 316000;2.寧波市鄞州盛飛專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙)舟山分所,浙江 舟山 316000)

0 引言

LNG(Liquefied Natural Gas，液化天然氣)冷能沿階梯形狀逐級(jí)降低的過(guò)程是一種氣化過(guò)程，在LNG冷能被利用的過(guò)程中，可以使用溫度較高的一端和冷庫(kù)的末端來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶LNG冷能的縱向多級(jí)利用。如今，世界各國(guó)在LNG冷能氣化過(guò)程中釋放的冷能被有效利用方面是一個(gè)逐漸被開(kāi)發(fā)的產(chǎn)業(yè)，而且這個(gè)產(chǎn)業(yè)越來(lái)越多地引起船舶航運(yùn)領(lǐng)域的關(guān)注。據(jù)船舶航運(yùn)有關(guān)工作人員的測(cè)算，每噸LNG冷能氣化將會(huì)釋放出(830～860)MJ的冷能量。在船舶航運(yùn)過(guò)程中，LNG中的這些冷能在通常氣化器中隨海水被舍棄了，造成了冷能量的大量浪費(fèi)[1-5]。為此,本文設(shè)計(jì)了一種工藝系統(tǒng)，利用LNG冷能沿階梯形狀逐級(jí)降低的特點(diǎn)循環(huán)利用冷能,最終實(shí)現(xiàn)船舶冷能循環(huán)利用的最大優(yōu)化。

1 船舶冷能循環(huán)利用的設(shè)計(jì)要求

針對(duì)LNG自身冷能的大量浪費(fèi)、且沒(méi)有更好地被有效利用等問(wèn)題與不足，根據(jù)船舶LNG冷能階梯形狀逐級(jí)降低的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種新型LNG冷能循環(huán)利用的工藝系統(tǒng)，合理地利用這一能量的散失，實(shí)現(xiàn)冷能發(fā)電、淡化海水、冷能低溫研磨、空氣分離(冷能制液氧、制氫、制液氮、制稀有氣體液氬等)、冷能制取液化干冰或二氧化碳、冷能保鮮冷庫(kù)等。與此同時(shí)也提出了進(jìn)行分級(jí)多層次使用，即深冷主要用于低溫研磨、空氣分離，中冷用于制液化干冰或二氧化碳，淺冷用于冷庫(kù)肉蛋菜保鮮等，將LNG冷能沿階梯形狀逐級(jí)降低的特點(diǎn)合理利用[6-10]。

2 LNG冷能應(yīng)用于冷庫(kù)多級(jí)利用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)LNG冷能沿階梯形狀逐級(jí)降低的特點(diǎn)，合理安排布局充分利用冷能。對(duì)于同一需要降低溫度且溫度相差不大的系統(tǒng)或者部件可以按照橫向溫度場(chǎng)的排列分布，對(duì)于不同體系不同溫度場(chǎng)按照縱向排列分布，并調(diào)節(jié)LNG冷能的排列分布，最終達(dá)到船舶LNG冷能在階梯形狀逐級(jí)降低的過(guò)程中，無(wú)論是縱向部件或系統(tǒng)還是橫向部件或系統(tǒng)都可以被高效地利用，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)船舶冷能循環(huán)利用的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

圖1為L(zhǎng)NG冷能階梯形狀利用后逐級(jí)降低的冷庫(kù)系統(tǒng)工藝流程。圖2為L(zhǎng)NG儲(chǔ)存罐冷能應(yīng)用于冷庫(kù)的系統(tǒng)工藝流程。LNG儲(chǔ)存罐1此時(shí)溫度為-162 ℃，以LNG儲(chǔ)存罐1中的冷能為動(dòng)力源，由于此時(shí)的冷量溫度特別低，必須通過(guò)熱交換器(2、6、10、12)的冷量交換，從而使冷量可以被充分利用?？紤]到大部分的換熱設(shè)備根本無(wú)法傳遞如此大的溫差，因此，采用中間冷媒介質(zhì)(一般深冷采用乙二醇水溶液，中冷采用液氮、液氨等)來(lái)降低傳熱，經(jīng)過(guò)中間冷媒介質(zhì)無(wú)相變蓄冷后，再通過(guò)制冷劑以循環(huán)的形式將冷能傳遞給系統(tǒng)內(nèi)的空氣，然后以系統(tǒng)內(nèi)空氣為媒介，再一次傳遞冷能，便可以實(shí)現(xiàn)冷能在傳遞的過(guò)程中被合理地利用。

圖1 LNG冷能階梯形狀利用后逐級(jí)降低的冷庫(kù)系統(tǒng)工藝流程

當(dāng)冷量第一次通過(guò)離心泵3的作用，經(jīng)過(guò)熱交換器2以及其中間冷媒乙二醇水溶液傳遞后，與蓄冷箱4組成一個(gè)循環(huán)流通系統(tǒng)，使冷量處于流動(dòng)傳遞狀態(tài)，使熱交換得到的冷能量?jī)?chǔ)藏在蓄冷箱里，以備下一環(huán)節(jié)的循環(huán)利用；通過(guò)離心泵5的作用給系統(tǒng)提供助力，當(dāng)冷量再一次經(jīng)過(guò)熱交換器6的冷交換，溫度達(dá)到深冷階段8，通過(guò)離心泵7給深冷階段8提供動(dòng)力，熱交換器便與深冷階段8形成一個(gè)循環(huán)流通系統(tǒng)，此時(shí)溫度大約為(-150 ℃～-78 ℃)，此溫度下的冷能量可用于低溫研磨、空氣分離等，此時(shí)溫度仍然非常低，為了使下一環(huán)節(jié)可以得到有效的利用，必須再一次通過(guò)熱交換器10的冷量交換；通過(guò)離心泵9給中冷階段11的循環(huán)提供動(dòng)力，熱交換器10與中冷階段11形成一個(gè)循環(huán)流通系統(tǒng)，此時(shí)的溫度大約為(-40 ℃～-78 ℃)左右，處于中冷階段11的冷量主要被冷庫(kù)應(yīng)用于制液化干冰或二氧化碳來(lái)儲(chǔ)存冷能等。隨著冷能的進(jìn)一步傳遞，為了使冷能可以最大化應(yīng)用，通過(guò)離心泵13的作用，當(dāng)剩余的冷量再一次通過(guò)熱交換器12的冷能傳遞，溫度達(dá)到淺冷階段，此時(shí)的溫度大約為-30 ℃～16 ℃，主要應(yīng)用于冷庫(kù)中各食用物質(zhì)、儲(chǔ)備糧的保鮮或者冷凍，船舶航運(yùn)過(guò)程中需要儲(chǔ)備的物質(zhì)主要有糧庫(kù)(米、小麥、玉米等)、蔬菜、干貨、魚(yú)類、肉庫(kù)、果實(shí)、蛋、奶類等，這些主要根據(jù)航線、航程以及工作人員的配備來(lái)合理安排，可以根據(jù)食用物質(zhì)、儲(chǔ)備糧對(duì)冷能需求，以及各食用物質(zhì)、儲(chǔ)備糧的物化特性來(lái)合理地安排食用物質(zhì)、儲(chǔ)備糧在冷庫(kù)邊緣位置(主要是距離冷能動(dòng)力源的位置)。另外冷庫(kù)內(nèi)還安裝了額外的一套緩沖裝置，以備冷庫(kù)內(nèi)其他主要設(shè)施發(fā)生故障時(shí)應(yīng)急使用，以及一個(gè)干冰儲(chǔ)藏室，用來(lái)儲(chǔ)藏部分冷能。隨著冷能的進(jìn)一步傳遞，冷能量越來(lái)越少，溫度越來(lái)越高，繼續(xù)按照縱向遞減分布，經(jīng)過(guò)處理之后，最終的LNG即可被船舶上廚房等以天然氣的形式使用。

3 可行性分析

3.1 結(jié)構(gòu)可行性分析

LNG儲(chǔ)存罐的位置擺放于冷庫(kù)中心或者附近位置，可以根據(jù)冷庫(kù)邊緣的庫(kù)存物質(zhì)對(duì)于冷量的需求來(lái)移動(dòng)某一個(gè)或者幾個(gè)LNG儲(chǔ)存罐的位置或者增減LNG儲(chǔ)存罐的個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)。

3.2 技術(shù)可行性分析

采用熱交換器使LNG儲(chǔ)存罐冷能量從儲(chǔ)存罐內(nèi)部逐漸傳遞到冷庫(kù)，并以熱交換器和中間冷媒介質(zhì)來(lái)傳遞冷能，以實(shí)現(xiàn)冷能多級(jí)高效傳遞并被利用，且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

1-LNG儲(chǔ)存罐；2,6,10,12-熱交換器；3,5,7,9,13-離心泵；4-蓄冷箱；8-深冷階段(低溫研磨、空氣分離)；11-中冷階段(液化干冰)；14-淺冷階段(冷藏冷庫(kù))

3.3 經(jīng)濟(jì)可行性分析

該工藝采用的是LNG儲(chǔ)存罐釋放的冷能，并采取相應(yīng)的措施多級(jí)利用傳遞過(guò)程的冷能，使經(jīng)濟(jì)成本大大減少。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)船舶LNG冷能階梯形狀逐級(jí)降低的特點(diǎn)，對(duì)這一能量在傳遞過(guò)程中進(jìn)行了合理的多級(jí)、多向利用，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種船舶LNG冷能循環(huán)利用的工藝系統(tǒng)，根據(jù)船舶空間和物質(zhì)的物化性質(zhì)合理分配，最終實(shí)現(xiàn)船舶冷能的最優(yōu)處理。

本文的理論研究和工藝設(shè)計(jì)方案都是在理想的條件下進(jìn)行的，在理論研究過(guò)程中，針對(duì)船舶LNG冷能階梯形狀逐級(jí)降低的特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)分配船舶冷庫(kù)的空間，仍然存在一些不足，在冷能高效率應(yīng)用方面仍需要進(jìn)一步優(yōu)化，以及應(yīng)用了船舶主機(jī)或者鍋爐等方面降溫仍需進(jìn)一步探討和研究。