LNG動(dòng)力船燃料冷能的綜合開發(fā)與利用

李博洋， 張運(yùn)秋， 邱力強(qiáng)， 李迪陽(.青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 6607；.中遠(yuǎn)集團(tuán)研發(fā)/技術(shù)中心，北京 000；.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 606)

LNG動(dòng)力船燃料冷能的綜合開發(fā)與利用

李博洋1,2， 張運(yùn)秋1， 邱力強(qiáng)2， 李迪陽3
(1.青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071；2.中遠(yuǎn)集團(tuán)研發(fā)/技術(shù)中心，北京 100031；3.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

將中東至國內(nèi)航線上的以液化天然氣(Liquified Natural Gas,LNG)為動(dòng)力的超大型油船(Very Large Crude Carrier,VLCC)作為母型船，介紹為其設(shè)計(jì)的LNG供氣系統(tǒng)及利用LNG冷能的必要性，證明LNG冷能應(yīng)用于船舶冷庫和空調(diào)的富余量非常大。設(shè)計(jì)出LNG冷能利用系統(tǒng)圖，論證并選擇合適的傳熱介質(zhì)，提出控制方案和應(yīng)急方案。計(jì)算結(jié)果表明：采用冷能利用裝置后，每年可從中獲得較多的直接和間接經(jīng)濟(jì)效益，為船舶節(jié)能減排提供了一個(gè)很好的可行方案。

船舶工程； LNG動(dòng)力船； LNG燃料； LNG冷能； 開發(fā)與利用

目前，船舶燃料油價(jià)格較高，且其燃燒排放物中有害氣體的含量難以滿足國際公約有關(guān)規(guī)定，因此尋找合適的替代能源迫在眉睫。液化天然氣(Liquified Natural Gas,LNG)能夠彌補(bǔ)燃油的不足，近幾年大有取而代之的趨勢，內(nèi)河方面出現(xiàn)了非常多的小型LNG動(dòng)力船，遠(yuǎn)洋方面也出現(xiàn)了大型LNG動(dòng)力船(如：北歐有許多大型近海LNG動(dòng)力船，美國TOTE公司訂造的大型LNG動(dòng)力集裝箱船即將下水)。大型LNG動(dòng)力船消耗的LNG 的量比較大，這些LNG需要在氣化后送到船舶主機(jī)、副機(jī)和鍋爐燃燒，氣化到常溫氣體的過程中會(huì)釋放出830～860 kJ/kg的冷能。目前，LNG船上LNG的氣化主要靠柴油機(jī)的缸套冷卻水或鍋爐蒸汽，不僅會(huì)浪費(fèi)大量熱源，而且還會(huì)浪費(fèi)LNG的冷能。[1-5]基于此，對(duì)LNG的冷能進(jìn)行充分開發(fā)與利用，將其應(yīng)用于船舶冷庫和空調(diào)，這樣不僅可以節(jié)約船舶柴油機(jī)缸套水的熱能，而且能節(jié)約冷庫和空調(diào)的電能，對(duì)于船舶節(jié)能減排而言可謂一舉兩得。

1 母型船選擇和供氣系統(tǒng)介紹

1.1母型船的參數(shù)

以中遠(yuǎn)集團(tuán)科技應(yīng)用計(jì)劃項(xiàng)目“船用LNG燃料儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研究”中設(shè)計(jì)的基于超大型油船(Very Large Crude Carrier，VLCC)LNG動(dòng)力船為母型船。[6-7]考慮到目前航運(yùn)不景氣、全球大多數(shù)船舶通過降速來降低燃油消耗，且多數(shù)船舶以最大功率的70%左右的功率航行，設(shè)計(jì)取最大功率的67%。設(shè)計(jì)后的船舶主要參數(shù)及其他相關(guān)參數(shù)見表1。設(shè)計(jì)選取了由國內(nèi)港口經(jīng)新加坡至中東地區(qū)的航線，航線大部分在低緯度，船舶所經(jīng)區(qū)域大部分時(shí)間氣候炎熱，船舶冷庫和空調(diào)(制冷)的負(fù)荷較大，且空調(diào)的制冷工況時(shí)間較長。

1.2供氣系統(tǒng)

為VLCC船設(shè)計(jì)的LNG供氣系統(tǒng)見圖1，儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG燃料先通過高壓泵增壓至30.0 Mpa，然后經(jīng)過換熱器12(乙二醇溶液)加熱至40℃變?yōu)闅鈶B(tài)天然氣送至主機(jī)，其中乙二醇溶液由船舶主柴油機(jī)的缸套冷卻水或船舶蒸汽加熱。在該過程中，LNG冷能不僅被浪費(fèi)，同時(shí)還消耗大量的低溫?zé)嵩?缸套冷卻水)。由于該系統(tǒng)中的LNG主要是由主機(jī)(船舶柴油機(jī))消耗的，只有少量被發(fā)電柴油機(jī)利用[8]，因此主要開發(fā)和利用主機(jī)消耗的LNG的冷能，在高壓氣化器之前加設(shè)冷能利用裝置7。

表1 VLCC主要參數(shù)及其他相關(guān)參數(shù)

圖1 LNG供氣系統(tǒng)

2 冷能利用裝置的設(shè)計(jì)

2.1冷量的比較計(jì)算

為使LNG燃料的冷能利用到船舶冷庫或空調(diào)中，首先要計(jì)算出LNG的冷能、船舶冷庫和空調(diào)需要的制冷量，驗(yàn)證LNG的氣化冷能是否滿足系統(tǒng)中冷庫和空調(diào)的需求。

LNG的冷能根據(jù)表1中每天消耗的LNG燃料求出。[9]

QLNG=m·ΔHv

(1)

式(1)中：QLNG為每天LNG氣化產(chǎn)生的冷能；m為每天LNG的消耗量；ΔHv為LNG的氣化潛熱。得出QLNG為3.213×107kJ。

通過查閱船舶實(shí)際數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算，船舶冷庫壓縮機(jī)的平均運(yùn)行負(fù)荷為10 kW(相當(dāng)于連續(xù)運(yùn)行的負(fù)荷)，船舶空調(diào)壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行功率為40 kW，可求出每天的總制冷量為

Q總=24×3 600(P冷庫+P空調(diào))μ

(2)

式(2)中：Q總為每天空調(diào)和冷庫的總制冷量；μ為制冷系數(shù)，通常為3～4，取最大值；P冷庫為冷庫平均功率；P空調(diào)為空調(diào)的運(yùn)行功率。得出Q總為1.736 8×107kJ。

由式(1)和式(2)的計(jì)算結(jié)果可看出，每天LNG氣化產(chǎn)生的冷能遠(yuǎn)大于冷庫和空調(diào)需要的制冷量，即使考慮到高壓下LNG的氣化潛熱值會(huì)略微變小，也不會(huì)影響到兩者的大小關(guān)系，且LNG的氣化溫度遠(yuǎn)低于冷庫和空調(diào)的溫度。因此，LNG氣化升溫的冷量完全可以滿足船舶冷庫與空調(diào)系統(tǒng)的要求。

2.2冷能利用裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

針對(duì)普通LNG動(dòng)力船供氣系統(tǒng)存在能源浪費(fèi)的問題，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加冷能利用裝置(如圖1中的7)。為其設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理見圖2，冷能用于船舶冷庫和空調(diào)，設(shè)計(jì)中既考慮到冷能的梯級(jí)利用[10-12]，又為避免船舶空調(diào)的空氣冷卻器結(jié)霜而把空調(diào)設(shè)計(jì)成一個(gè)單獨(dú)的循環(huán)。

注：1為流量調(diào)節(jié)閥；2為冷媒循環(huán)泵；3為流量調(diào)節(jié)閥；4為流量調(diào)節(jié)閥；5為換熱器；6為高溫庫換熱器；7為低溫庫換熱器；8為載冷劑循環(huán)泵；9為換熱器；10為空氣冷卻器；11為換熱器；12為循環(huán)泵；13為高壓氣化器

圖2 設(shè)計(jì)的冷能利用系統(tǒng)圖

圖2中的換熱器5為圖1中的12。在圖2中，冷媒首先在換熱器5中被LNG降溫，經(jīng)過循環(huán)泵2后分為2路，一路經(jīng)流量控制閥4到達(dá)低溫庫換熱器7與冷庫貨物換熱，另一路經(jīng)流量控制閥3到達(dá)高溫庫換熱器與冷庫貨物換熱。通常情況下，船舶高溫庫一般在0～5℃，低溫庫在-20～-18℃。為達(dá)到該要求，流量調(diào)節(jié)閥3和流量調(diào)節(jié)閥4根據(jù)冷庫出口處冷媒的溫度控制冷媒進(jìn)入冷庫和旁通的流量?？紤]到冷庫換熱器中冷媒的不間斷循環(huán)，換熱器的傳熱溫差控制在5～6℃，這樣低溫庫出口的冷媒在-25～-23℃，高溫庫出口的冷媒在-2～2℃。

由于LNG冷能的富余量比較大，從低溫與高溫冷庫出來的冷媒混合后的溫度通常低于0℃，同時(shí)直接運(yùn)用空調(diào)使用的空氣冷卻器對(duì)空氣進(jìn)行降溫處理會(huì)在空氣冷卻器中產(chǎn)生霜層，堵塞冷卻器的通道，失去換熱效果，因此在冷庫出口后加設(shè)換熱器9，與循環(huán)泵8和空氣冷卻器10中的載冷劑(乙二醇溶液)進(jìn)行換熱。對(duì)于空氣冷卻器10的溫度，同樣可以通過旁通乙二醇的流量來控制(旁通管路圖中未具體畫出)，這樣就避免了空冷器溫度過低(低于0℃)而結(jié)霜的問題，通常讓其壁面溫度控制在2～5℃。

2.3傳熱介質(zhì)的選擇

對(duì)于冷庫循環(huán)，需要一個(gè)合適的傳熱介質(zhì)——冷媒，冷媒選擇是否恰當(dāng)直接影響到冷庫循環(huán)的性能。本系統(tǒng)與LNG換熱冷媒需具備以下幾點(diǎn)要求。

1)因與LNG直接換熱，冷媒的凝固點(diǎn)不應(yīng)高于LNG溫度(-162℃)太多，否則容易凝固而阻塞管路。

2)因用于船舶伙食冷庫循環(huán)，應(yīng)盡量不要有爆炸和燃燒的危險(xiǎn)，且無毒。

3)盡量選常用的傳熱介質(zhì)，容易在市場上購買和制取，且價(jià)格相對(duì)低廉。

4)沸點(diǎn)較高，由于2個(gè)冷庫的庫溫要求不一樣，且控制庫溫是通過流量調(diào)節(jié)的，因此冷媒在傳熱過程中不要發(fā)生相變過程，否則庫溫較難控制。

表2列出了幾種常用冷媒的物理性質(zhì)，從中可以看出，烷烴類冷媒是易燃易爆的工質(zhì)，盡量不要選用；凝固點(diǎn)較高的冷媒(如丙二醇和乙二醇)盡量不選用，否則容易堵塞管道；標(biāo)壓沸點(diǎn)盡可能地高于低溫庫和高溫庫的庫溫，這樣可避免冷媒在低壓下發(fā)生相變。然而，冷庫的溫度不容易精確控制，因此表中的前7種冷媒不合適，這樣，確定R30和R11為冷庫系統(tǒng)循環(huán)的合適冷媒?？紤]到希望凝固點(diǎn)盡可能地低以免發(fā)生凝固，最終選擇R11。

表2 幾種常用的冷媒

空調(diào)循環(huán)的冷媒可選擇在工業(yè)應(yīng)用中較為成熟的乙二醇作為載冷劑。

2.4應(yīng)急預(yù)案

只要船舶在航行就會(huì)有LNG消耗，系統(tǒng)就會(huì)一直存在可利用的LNG冷能。由于該船舶的設(shè)計(jì)航線主要為國內(nèi)至中東，經(jīng)過的海域大部分在低緯度，因此船舶的冷庫和空調(diào)均以較大負(fù)荷運(yùn)行，使得LNG冷能得以最大限度地被利用。但是冬季在國內(nèi)的北方海域航行時(shí)，外界的氣溫比較低，船舶冷庫負(fù)荷也相對(duì)較低，船舶空調(diào)降溫工況停用，大量的LNG冷能無法利用，這就使得從冷庫來的冷媒(R11)進(jìn)入換熱器5的溫度較低，進(jìn)而可能導(dǎo)致空調(diào)中的冷媒乙二醇因凝固點(diǎn)較高而結(jié)冰，甚至出現(xiàn)R11凝固的現(xiàn)象。為避免這種極端現(xiàn)象出現(xiàn)，可采取以下2種措施。

1) 對(duì)于乙二醇結(jié)冰的問題，可通過對(duì)R11經(jīng)過換熱器9時(shí)外加旁通管路(圖中未畫)的方式解決，不經(jīng)過換熱器9,以免乙二醇結(jié)冰。

2) 對(duì)于R11凝固的問題，可采用LNG流量控制閥1進(jìn)行旁通調(diào)節(jié)，以解決進(jìn)入換熱器5時(shí)R11溫度過低的問題。對(duì)LNG流量控制閥1的精度要求不用太高，可采用雙位控制。

船舶在?？看a頭、錨泊、修理時(shí)會(huì)因主機(jī)停車而無LNG冷能，此時(shí)采用船舶原有的冷庫或空調(diào)的制冷系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)船舶時(shí)，可為該系統(tǒng)配置一套制冷系統(tǒng)，以備上述特殊情況和應(yīng)急使用。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

普通商船的空調(diào)和冷庫是船舶營運(yùn)過程中的重要耗電裝置，因此主要通過計(jì)算利用LNG冷能后每年減少的因運(yùn)行冷庫和空調(diào)制冷機(jī)組而產(chǎn)生的電力費(fèi)用來分析其經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)的船舶航線是中東至國內(nèi)，空調(diào)每年制冷運(yùn)行的時(shí)間較長，通過調(diào)研和查閱相關(guān)資料得到船舶冷庫與空調(diào)節(jié)約費(fèi)用計(jì)算表(見表3)，表中的平均功率指換算成相當(dāng)機(jī)組每天連續(xù)運(yùn)行時(shí)的平均功率，每年減少壓縮機(jī)組運(yùn)行時(shí)間指扣除船舶修理、靠泊、機(jī)動(dòng)航行和不需要制冷時(shí)的剩余時(shí)間。同時(shí)，由于LNG冷能利用制冷模式、船舶冷庫與空調(diào)采用壓縮機(jī)組制冷模式都需要循環(huán)泵，因此節(jié)約的功率主要是機(jī)組運(yùn)行時(shí)壓縮機(jī)原動(dòng)機(jī)的功率。

表3 機(jī)器狀況得分評(píng)定表

通過計(jì)算可看出，采用冷能利用裝置后每年可節(jié)約26萬kW·h左右的電能，約合電費(fèi)40萬元。此外，通過冷能利用提高LNG的溫度，減少了LNG進(jìn)入主機(jī)前對(duì)缸套水或蒸汽的加熱量的需要，間接節(jié)約熱量價(jià)值也非常大。因此，在采用LNG冷能利用裝置之后，不僅能節(jié)約大量的船舶費(fèi)用，而且可降低能源消耗、減少碳排放，是綠色船舶發(fā)展的一個(gè)很好的方向。

4 結(jié)束語

針對(duì)設(shè)計(jì)的中東至國內(nèi)航線的以LNG為動(dòng)力的VLCC，進(jìn)行冷能的開發(fā)與利用研究，為船舶節(jié)能減排提供了一個(gè)很好的可行方案。

1) 計(jì)算每天LNG的消耗量、LNG釋放的冷能、船舶冷庫和空調(diào)的負(fù)荷，并進(jìn)行負(fù)荷比較，證明LNG的冷能富余量非常大。

2) 通過優(yōu)化設(shè)計(jì)LNG冷能利用系統(tǒng)圖，提出船舶高溫、低溫冷庫的溫度控制方案，并針對(duì)船舶空調(diào)采用載冷劑控制空氣冷卻器壁面溫度，以免發(fā)生結(jié)霜等問題。此外，還提供船舶在外界氣溫較低時(shí)的應(yīng)對(duì)方案以及靠泊、錨泊和修理時(shí)的應(yīng)急方案。

3) 基于LNG的低溫特性和冷庫溫度控制需求，選擇合適的傳熱冷媒，滿足低溫不凝固、溫度高不發(fā)生相變的要求。

4) 計(jì)算出采用冷能利用裝置后船舶節(jié)約的電能和每年節(jié)約的直接費(fèi)用，可看出采用冷能利用裝置能獲得非常好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 中國船級(jí)社. 天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范[S].2013.

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ComprehensiveDevelopmentandUtilizationofColdEnergyofFuelinLNGPoweredShip

LIBoyang1,2，ZHANGYunqiu1，QIULiqiang2，LIDiyang3
(1. Qingdao Ocean Shipping Mariners College ，Qingdao 266071, China；2. COSCO Development & Technology Center ，Beijing 100031, China；3. Marine Engineering College, Dalian Maritime University ，Dalian 116026, China)

The Liquified Natural Gas(LNG) supply system designed for a LNG powered Very Large Crude Carrier(VLCC) sailing between the Middle East and China ports is introduced and the necessity for the LNG cold energy utilization is argued seeing that there is a large amount of surplus of LNG cold energy for the ship refrigerator and air-condition. The system diagram of LNG cold energy utilization is designed and the suitable medium of heat transfer is investigated and selected. The control scheme and contingency plans are proposed. Calculation indicates that the cold energy utilization device provides a good workable solution for energy conservation of the ships and will bring ship owners significant annual direct and indirect economic benefits.

ship engineering; LNG powered ship； LNG fuel; LNG cold energy； development and utilization

2015-05-25

中國遠(yuǎn)洋運(yùn)輸(集團(tuán))總公司應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013-1-H-007;2015-1-H-010)

李博洋(1974—)，山東臨沭人，副教授，主要從事液化氣船新技術(shù)應(yīng)用、船舶節(jié)能減排的教學(xué)與研究。E-mail:qdlby@126.com

1000-4653(2015)03-0108-04

U662.2

A