LNG动力船燃料冷能的综合开发与利用

李博洋， 张运秋， 邱力强， 李迪阳(.青岛远洋船员职业学院，山东 青岛 6607；.中远集团研发/技术中心，北京 000；.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 606)

LNG动力船燃料冷能的综合开发与利用

李博洋1,2， 张运秋1， 邱力强2， 李迪阳3
(1.青岛远洋船员职业学院，山东 青岛 266071；2.中远集团研发/技术中心，北京 100031；3.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026)

将中东至国内航线上的以液化天然气(Liquified Natural Gas,LNG)为动力的超大型油船(Very Large Crude Carrier,VLCC)作为母型船，介绍为其设计的LNG供气系统及利用LNG冷能的必要性，证明LNG冷能应用于船舶冷库和空调的富余量非常大。设计出LNG冷能利用系统图，论证并选择合适的传热介质，提出控制方案和应急方案。计算结果表明：采用冷能利用装置后，每年可从中获得较多的直接和间接经济效益，为船舶节能减排提供了一个很好的可行方案。

船舶工程； LNG动力船； LNG燃料； LNG冷能； 开发与利用

目前，船舶燃料油价格较高，且其燃烧排放物中有害气体的含量难以满足国际公约有关规定，因此寻找合适的替代能源迫在眉睫。液化天然气(Liquified Natural Gas,LNG)能够弥补燃油的不足，近几年大有取而代之的趋势，内河方面出现了非常多的小型LNG动力船，远洋方面也出现了大型LNG动力船(如：北欧有许多大型近海LNG动力船，美国TOTE公司订造的大型LNG动力集装箱船即将下水)。大型LNG动力船消耗的LNG 的量比较大，这些LNG需要在气化后送到船舶主机、副机和锅炉燃烧，气化到常温气体的过程中会释放出830～860 kJ/kg的冷能。目前，LNG船上LNG的气化主要靠柴油机的缸套冷却水或锅炉蒸汽，不仅会浪费大量热源，而且还会浪费LNG的冷能。[1-5]基于此，对LNG的冷能进行充分开发与利用，将其应用于船舶冷库和空调，这样不仅可以节约船舶柴油机缸套水的热能，而且能节约冷库和空调的电能，对于船舶节能减排而言可谓一举两得。

1 母型船选择和供气系统介绍

1.1母型船的参数

以中远集团科技应用计划项目“船用LNG燃料储运技术研究”中设计的基于超大型油船(Very Large Crude Carrier，VLCC)LNG动力船为母型船。[6-7]考虑到目前航运不景气、全球大多数船舶通过降速来降低燃油消耗，且多数船舶以最大功率的70%左右的功率航行，设计取最大功率的67%。设计后的船舶主要参数及其他相关参数见表1。设计选取了由国内港口经新加坡至中东地区的航线，航线大部分在低纬度，船舶所经区域大部分时间气候炎热，船舶冷库和空调(制冷)的负荷较大，且空调的制冷工况时间较长。

1.2供气系统

为VLCC船设计的LNG供气系统见图1，储罐内的LNG燃料先通过高压泵增压至30.0 Mpa，然后经过换热器12(乙二醇溶液)加热至40℃变为气态天然气送至主机，其中乙二醇溶液由船舶主柴油机的缸套冷却水或船舶蒸汽加热。在该过程中，LNG冷能不仅被浪费，同时还消耗大量的低温热源(缸套冷却水)。由于该系统中的LNG主要是由主机(船舶柴油机)消耗的，只有少量被发电柴油机利用[8]，因此主要开发和利用主机消耗的LNG的冷能，在高压气化器之前加设冷能利用装置7。

表1 VLCC主要参数及其他相关参数

图1 LNG供气系统

2 冷能利用装置的设计

2.1冷量的比较计算

为使LNG燃料的冷能利用到船舶冷库或空调中，首先要计算出LNG的冷能、船舶冷库和空调需要的制冷量，验证LNG的气化冷能是否满足系统中冷库和空调的需求。

LNG的冷能根据表1中每天消耗的LNG燃料求出。[9]

QLNG=m·ΔHv

(1)

式(1)中：QLNG为每天LNG气化产生的冷能；m为每天LNG的消耗量；ΔHv为LNG的气化潜热。得出QLNG为3.213×107kJ。

通过查阅船舶实际数据，根据经验估算，船舶冷库压缩机的平均运行负荷为10 kW(相当于连续运行的负荷)，船舶空调压缩机的实际运行功率为40 kW，可求出每天的总制冷量为

Q总=24×3 600(P冷库+P空调)μ

(2)

式(2)中：Q总为每天空调和冷库的总制冷量；μ为制冷系数，通常为3～4，取最大值；P冷库为冷库平均功率；P空调为空调的运行功率。得出Q总为1.736 8×107kJ。

由式(1)和式(2)的计算结果可看出，每天LNG气化产生的冷能远大于冷库和空调需要的制冷量，即使考虑到高压下LNG的气化潜热值会略微变小，也不会影响到两者的大小关系，且LNG的气化温度远低于冷库和空调的温度。因此，LNG气化升温的冷量完全可以满足船舶冷库与空调系统的要求。

2.2冷能利用装置的设计与优化

针对普通LNG动力船供气系统存在能源浪费的问题，对该系统进行优化设计，增加冷能利用装置(如图1中的7)。为其设计的系统原理见图2，冷能用于船舶冷库和空调，设计中既考虑到冷能的梯级利用[10-12]，又为避免船舶空调的空气冷却器结霜而把空调设计成一个单独的循环。

注：1为流量调节阀；2为冷媒循环泵；3为流量调节阀；4为流量调节阀；5为换热器；6为高温库换热器；7为低温库换热器；8为载冷剂循环泵；9为换热器；10为空气冷却器；11为换热器；12为循环泵；13为高压气化器

图2 设计的冷能利用系统图

图2中的换热器5为图1中的12。在图2中，冷媒首先在换热器5中被LNG降温，经过循环泵2后分为2路，一路经流量控制阀4到达低温库换热器7与冷库货物换热，另一路经流量控制阀3到达高温库换热器与冷库货物换热。通常情况下，船舶高温库一般在0～5℃，低温库在-20～-18℃。为达到该要求，流量调节阀3和流量调节阀4根据冷库出口处冷媒的温度控制冷媒进入冷库和旁通的流量。考虑到冷库换热器中冷媒的不间断循环，换热器的传热温差控制在5～6℃，这样低温库出口的冷媒在-25～-23℃，高温库出口的冷媒在-2～2℃。

由于LNG冷能的富余量比较大，从低温与高温冷库出来的冷媒混合后的温度通常低于0℃，同时直接运用空调使用的空气冷却器对空气进行降温处理会在空气冷却器中产生霜层，堵塞冷却器的通道，失去换热效果，因此在冷库出口后加设换热器9，与循环泵8和空气冷却器10中的载冷剂(乙二醇溶液)进行换热。对于空气冷却器10的温度，同样可以通过旁通乙二醇的流量来控制(旁通管路图中未具体画出)，这样就避免了空冷器温度过低(低于0℃)而结霜的问题，通常让其壁面温度控制在2～5℃。

2.3传热介质的选择

对于冷库循环，需要一个合适的传热介质——冷媒，冷媒选择是否恰当直接影响到冷库循环的性能。本系统与LNG换热冷媒需具备以下几点要求。

1)因与LNG直接换热，冷媒的凝固点不应高于LNG温度(-162℃)太多，否则容易凝固而阻塞管路。

2)因用于船舶伙食冷库循环，应尽量不要有爆炸和燃烧的危险，且无毒。

3)尽量选常用的传热介质，容易在市场上购买和制取，且价格相对低廉。

4)沸点较高，由于2个冷库的库温要求不一样，且控制库温是通过流量调节的，因此冷媒在传热过程中不要发生相变过程，否则库温较难控制。

表2列出了几种常用冷媒的物理性质，从中可以看出，烷烃类冷媒是易燃易爆的工质，尽量不要选用；凝固点较高的冷媒(如丙二醇和乙二醇)尽量不选用，否则容易堵塞管道；标压沸点尽可能地高于低温库和高温库的库温，这样可避免冷媒在低压下发生相变。然而，冷库的温度不容易精确控制，因此表中的前7种冷媒不合适，这样，确定R30和R11为冷库系统循环的合适冷媒。考虑到希望凝固点尽可能地低以免发生凝固，最终选择R11。

表2 几种常用的冷媒

空调循环的冷媒可选择在工业应用中较为成熟的乙二醇作为载冷剂。

2.4应急预案

只要船舶在航行就会有LNG消耗，系统就会一直存在可利用的LNG冷能。由于该船舶的设计航线主要为国内至中东，经过的海域大部分在低纬度，因此船舶的冷库和空调均以较大负荷运行，使得LNG冷能得以最大限度地被利用。但是冬季在国内的北方海域航行时，外界的气温比较低，船舶冷库负荷也相对较低，船舶空调降温工况停用，大量的LNG冷能无法利用，这就使得从冷库来的冷媒(R11)进入换热器5的温度较低，进而可能导致空调中的冷媒乙二醇因凝固点较高而结冰，甚至出现R11凝固的现象。为避免这种极端现象出现，可采取以下2种措施。

1) 对于乙二醇结冰的问题，可通过对R11经过换热器9时外加旁通管路(图中未画)的方式解决，不经过换热器9,以免乙二醇结冰。

2) 对于R11凝固的问题，可采用LNG流量控制阀1进行旁通调节，以解决进入换热器5时R11温度过低的问题。对LNG流量控制阀1的精度要求不用太高，可采用双位控制。

船舶在停靠码头、锚泊、修理时会因主机停车而无LNG冷能，此时采用船舶原有的冷库或空调的制冷系统，在设计船舶时，可为该系统配置一套制冷系统，以备上述特殊情况和应急使用。

3 经济性分析

普通商船的空调和冷库是船舶营运过程中的重要耗电装置，因此主要通过计算利用LNG冷能后每年减少的因运行冷库和空调制冷机组而产生的电力费用来分析其经济性。设计的船舶航线是中东至国内，空调每年制冷运行的时间较长，通过调研和查阅相关资料得到船舶冷库与空调节约费用计算表(见表3)，表中的平均功率指换算成相当机组每天连续运行时的平均功率，每年减少压缩机组运行时间指扣除船舶修理、靠泊、机动航行和不需要制冷时的剩余时间。同时，由于LNG冷能利用制冷模式、船舶冷库与空调采用压缩机组制冷模式都需要循环泵，因此节约的功率主要是机组运行时压缩机原动机的功率。

表3 机器状况得分评定表

通过计算可看出，采用冷能利用装置后每年可节约26万kW·h左右的电能，约合电费40万元。此外，通过冷能利用提高LNG的温度，减少了LNG进入主机前对缸套水或蒸汽的加热量的需要，间接节约热量价值也非常大。因此，在采用LNG冷能利用装置之后，不仅能节约大量的船舶费用，而且可降低能源消耗、减少碳排放，是绿色船舶发展的一个很好的方向。

4 结束语

针对设计的中东至国内航线的以LNG为动力的VLCC，进行冷能的开发与利用研究，为船舶节能减排提供了一个很好的可行方案。

1) 计算每天LNG的消耗量、LNG释放的冷能、船舶冷库和空调的负荷，并进行负荷比较，证明LNG的冷能富余量非常大。

2) 通过优化设计LNG冷能利用系统图，提出船舶高温、低温冷库的温度控制方案，并针对船舶空调采用载冷剂控制空气冷却器壁面温度，以免发生结霜等问题。此外，还提供船舶在外界气温较低时的应对方案以及靠泊、锚泊和修理时的应急方案。

3) 基于LNG的低温特性和冷库温度控制需求，选择合适的传热冷媒，满足低温不凝固、温度高不发生相变的要求。

4) 计算出采用冷能利用装置后船舶节约的电能和每年节约的直接费用，可看出采用冷能利用装置能获得非常好的经济效益。

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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

中国远洋运输(集团)总公司应用研究计划项目(2013-1-H-007;2015-1-H-010)

李博洋(1974—)，山东临沭人，副教授，主要从事液化气船新技术应用、船舶节能减排的教学与研究。E-mail:qdlby@126.com

1000-4653(2015)03-0108-04

U662.2

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