LNG动力船舶冷能回收利用技术的研究

刘彬+于利民+李程+卢志远

【摘 要】环境保护问题目前越来越得到船舶相关领域的关注，LNG作为一种清洁高效的能源正逐渐在船舶领域推广。由于LNG在汽化时会释放出大量的冷能，如何高效地利用 LNG的冷能，对于节约资源和提高经济效益有着重大意义。论文简要介绍了LNG冷能的基本特性及目前冷能回收现状，简单介绍了利用LNG完成循环对外膨胀做功发电的方法，并提出了一种运用船舶废热与冷能进行温差发电的方法。

【Abstract】At present， more and more attention has been paid to the problem of environmental protection in the field of ship. As a kind of clean and efficient energy， LNG is gradually being popularized in the field of ship. For the LNG will release a lot of cold energy in the process of vaporization， how to efficiently utilize the cold energy of LNG is of great significance for saving resources and improving economic efficiency. This paper briefly introduces the basic characteristics of LNG cold energy and the current situation of the cold energy recycling. It also briefly introduces the method of using LNG to complete the cycle of external expansion to realize power generation ， and proposes a method of using the temperature difference between waste heat and cold energy to generate electricity .

【关键词】LNG动力船舶；冷能回收利用；节约资源；经济效益

【Keywords】LNG powered ship； cold energy recycling； resource conservation； economic benefits

【中图分类号】U674.4 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）05-0169-02

1 引言

目前大多数船舶采用柴油做为主要燃料，在燃烧过程中会排放大量的二氧化碳、硫化物、氮化物等有害物[1]，随着国际海事组织对硫化物和氮化物排放要求的进一步提高，LNG动力船舶凭借其能源清洁、运营成本低、续航性好等优势引来广泛的关注。相信未来随着相关法规和基础设施的不断完善，LNG动力船舶会在船舶领域占据着重要的地位。

2 LNG的基本特性及目前冷能回收现状

液化后的天然气储存的条件为温度约为 112K 和压力约为 0.1MPa，体积只有原来的 1/600，给运输带来极大的便利。将天然气液化的过程中需要消耗很多的能量，每液化1吨天然气消耗的能量为840 KWh[2]。LNG动力船舶上在使用液化天然气时往往直接用海水对天然气进行冷却，这不仅会使海水温度突然变化对环境造成影响，还会使LNG蕴含的大量冷能没有被利用而形成资源浪费。如果能够高效合理的利用这部分冷能，那么在环境保护和减少运营成本上都有益处。

随着LNG的使用日益广泛，LNG冷能回收技术的研究也取得了重要的进展。目前在全国LNG冷能回收主要用于冷能发电、维持冷库温度、海水淡化、空气分离等领域，其中在陆地上的冷能发电技术已经比较成熟。在日本，东京瓦斯公司 LNG 接收站回收56.3%的 LNG 冷能用于电，其利用率约42%；而中国台湾，永安 LNG 接收站利用LNG 冷能发电的百分比是 14%[3]。

但是考虑到船舶上有限的空间，不能够安放过多设备，以及在船舶设计时需要考虑的安全性、可靠性与经济性，LNG动力船舶的冷能回收主要用于冷能发电与维持冷库温度这两个方面。在冷能发电方面本文介绍了两种方法，一种是目前比较常见的利用 LNG 完成循环对外膨胀做功发电，另外是提出了一种目前研究较少但是很有价值的利用船舶余熱与LNG冷能进行温差发电。

3 利用LNG冷能完成循环对外膨胀做功发电

利用LNG 冷能进行发电是目前冷能回收中最为高效的利用方式，目前有直接膨胀法、二次媒介法和联合法等方法，下面对直接膨胀法和二次媒介法进行简单介绍。

直接膨胀法是利用泵加压后，将常压下的 LNG 转化为高压 LNG，然后送至换热器，在换热器中，低温的 LNG 与常温的海水进行换热，LNG吸热后迅速汽化，汽化后的高压天然气进入透平膨胀发电机进行做功，进而驱动发电机进行发电。

二次媒体法是利用冷媒为中间介质完成循环。首先，LNG输送至冷凝器，在冷凝器中与冷媒（如丙烷）蒸汽发生热交换，液态天然气由于吸热，汽化成常温常压下的天然气，而冷媒放热后冷凝下来，经低温泵提升压力后，进入到蒸发器，由蒸发器对冷媒进行加热，使冷媒变成高压蒸汽，从而推动透平膨胀发电机进行做功发电[4]。

4 利用船舶废热与LNG冷能的温差发电

大型船舶主机功率庞大，燃料在燃烧后发出的全部热量有部分转变为机械功，其余部分则通过排气、冷却介质和机器表面散热等而损失掉[5]。这一部分热量可以和LNG汽化释放的冷能进行温差发电。下表列举了大型船舶燃料热能转化形式及比重[6]。

从表中明显看出约有50%-60%的燃料热量被排气废热和冷却水带走，造成热量的浪费。目前大型船舶柴油机废热的利用主要是排气方面的应用，如：废气涡轮增压和废气锅炉；而冷却热的利用则主要集中在油舱加热、制淡和生活杂用上。

如何在现有的废热利用基础上，既不破坏原有的废热利用系统，又能更大限度地利用柴油机废热已成为业内广泛关注的问题。温差发电技术的发展，为废热的进一步再利用提供了有效途径。虽然目前温差发电的效率较低，但是LNG动力船舶中的废热和冷能能够形成巨大的温差，这样利用温差发电可以更加高效，因此，利用船舶废热与LNG冷能的温差发电还是十分有前景的。

关于温差发电技术：

1982年，德国物理学家塞贝克发现了温差电流现象，即两种不同金属构成的回路中，若两种金属接触点温度不同，该回路中就会产生一个温差电动势。这就是塞贝克效应。

在发电片的两端建立一个温差，高温端记为Th，低温端记为Tc，根据塞贝克效应，将产生一个电压，若在回路中接入负载电阻，则将有电流产生。电压与温差的关系可表示为：

V=（Sh-Sc）（Th-Tc）

其中Sh與Sc分别为两种材料的塞贝克系数。

5 目前船舶上LNG应用的困难之处

①LNG 蒸汽属于易燃易爆气体，操作不当时很容易发生危险。在对 LNG 动力船舶进行设计时，其必然会导致船舶装置的复杂性，建造和维护成本也会相应增加，同时这很容易导致 LNG 蒸汽的泄漏，从而导致危险事故的发生。因此LNG动力船舶的设计既要根据自己情况，合理地开发和利用 LNG 蒸汽冷能使利益最大化，也需要经过相关检验机构的认可后，平衡好经济性与安全性的问题后，才可以在实船上利用。

②由于 LNG 蒸汽的最低温度为-160℃左右，所以在考虑利用 LNG 蒸汽冷能的时候，必须将此温度因素考虑在内；对于设备材料在低温环境下的性能是否会发生变化，是否会发生变形等问题需要单独考虑。

6 结语

目前，随着人们环境保护意识的不断增强，对船舶的排放要求也越来越高，LNG动力船舶也将凭借其动力能源的清洁性与高效性优势，势必会在未来的船舶市场中占据重要地位。相信随着LNG冷能回收技术的进一步发展，LNG 冷能将被广泛应用到船舶发电、冷库冷藏、海水淡化等船舶的各个方面，从而达到既追求经济效益又满足当下环境保护要求的目的。

【参考文献】

【1】胡选哲，孙文哲，顾骁勇，等. LNG动力船冷能发电系统的模拟优化研究[J]. 船舶工程，2015（2）：50-53.

【2】田堃. LNG燃料船冷能利用技术开发与工程化研究[J]. 广东化工，2014，41（21）：128-130.

【3】邢迎明. LNG 气化过程中的冷能回收及利用[J]. 能源研究与利用，2010（3）：33-36.

【4】吴少聪. 我国 LNG 冷能利用方法及发展前景[J]. 广东化工，2012，39（1）：65-66.

【5】牛东翔. 船舶柴油机动力装置余热发电系统的热经济分析[D]. 大连：大连海事大学，2005.

【6】刘兴永，张心宇. 船舶动力装置[M].北京：人民交通出版社， 2006.