LNG运输船冷能的利用设计与经济性

张晓荣， 李博洋,3， 涂志平

(1.青岛远洋船员职业学院 机电系， 山东 青岛 266071；2.中远集团技术中心青岛船院分中心， 山东 青岛 266071；3.青岛科技大学 机电工程学院， 山东 青岛 266061)

收稿日期：2018-02-28

基金项目：中国远洋海运集团有限公司应用研究计划项目(2017-1-H-010;2018-1-H-015)

作者简介：张晓荣(1980—),男,甘肃白银人,工程师,讲师,研究方向为船舶辅机、船舶节能减排。E-mail:sdqdzxr@126.com

随着液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)的海运贸易量逐年上升，LNG运输船的需求量不断增加，全球在营LNG运输船的数量呈上升趋势。LNG运输船的LNG消耗量较大，BOG(Boil Off Gas)和LNG必须在气化之后才能送入主动力设备燃烧，气化过程不仅会消耗大量锅炉蒸汽，而且常压、温度为-163 ℃的液态LNG中含有的巨大冷能(830～860 kJ/kg)会被浪费。[1-4]目前，国内外学者[5]已对部分小型LNG动力船和LNG接收站的LNG冷能进行研究，提出LNG冷能的利用形式，但相关研究涉及的LNG冷能利用系统和工艺方案不适用于LNG运输船;同时,将LNG冷能依次应用于LNG运输船的冷能发电、海水淡化、船舶冷库和船舶空调等系统的综合利用研究[6-10]较少。对此，开发LNG运输船的冷能，并将其应用于上述系统中，不仅可节省船舶冷库和船舶空调所需电能，而且可用来发电和采用冷冻法造水，同时能节约气化液态LNG所需的锅炉蒸汽，对于船舶节能减排而言较为有益。

1 LNG运输船概述

LNG运输船的主动力装置大多采用蒸汽动力装置，本文选用该类型船作为母型船，相关参数见表1。该船的LNG燃料消耗量较大，日耗量为230～260 m3(折合液体)，由于国际公约的排放限制和市场油价的波动，该船的主锅炉时常采用全气运行模式(即只消耗LNG，本文按照全气模式研究)。锅炉的燃料主要由货舱产生的BOG和液态LNG 2部分组成，通常BOG和LNG在送到锅炉燃烧之前必须加热至25 ℃左右，这样不仅会浪费大量BOG和LNG的冷能，还会消耗大量热源，因此有必要对该BOG和LNG的冷能进行开发和利用。

表1 LNG运输船相关参数

2 LNG冷能利用系统设计

2.1 设计思路

目前，LNG运输船的低温冷库、高温冷库和空调都需独立的制冷系统，若利用LNG冷能，可节约制冷设备消耗的电能。此外，利用LNG冷能冷冻海水可实现海水淡化，并能省去海水淡化装置及系统。这些冷能利用的温度范围处于LNG的高温区，而低温区的LNG冷能可考虑用于两级朗肯循环发电和低温制氮。[11-12]在该过程中，在充分利用LNG冷能的同时，可利用船舶现有的废热(汽轮机乏汽和锅炉废气的热能)，使系统的能量利用效率最大化，从而降低船舶能耗。

2.2 系统方案设计

由于BOG的温度受装载量的影响较大(满载为-150 ℃左右，空载为-100 ℃左右)，其冷量和冷不仅变化大，而且加压之后会降低，因此选用温度稳定(-162～-155 ℃)且加压之后冷量和冷变幅较小的液态LNG，利用该高品位冷能进行制氮(A区)和发电(B区)。发电过程中LNG释放的冷能充足，而单级朗肯循环不能完全利用该部分冷能，因此设计两级朗肯循环发电系统，并采用锅炉废气作为二级循环蒸发器的加热热源。经发电循环气化之后的LNG与被压缩的BOG混合之后，按梯级利用原则，依次将冷能应用于海水淡化循环(C区)、低温冷库循环(D区)、高温冷库循环(E区)和空调循环(F区)，最后由汽轮机乏汽将混合气体加热至锅炉要求的进气温度。设计的LNG冷能综合利用系统见图1。

2.3 可行性分析

(1)

Exmass=m[(h-h0)-T0(s-s0)]

(2)

式(2)中:m为质量流量；h为物流比焓；s为物流比熵。

膨胀机的输出功为

WT=ηTm(hi-ho)

(3)

式(3)中:ηT为等熵效率；hi和ho分别为膨胀机进口、出口物流的焓值。

工质泵功耗为

(4)

LNG气化冷能日产量为

QLNG=m·ΔHv

(5)

式(5)中:m为LNG的日消耗量；ΔHv为LNG气化潜热。

制冷设备制冷量为

Q=24×3 600Pμ

(6)

式(6)中:μ为制冷系数；P为功率。

(7)

式(7)中:WT为膨胀机外输功率；Wpi为朗肯循环的泵耗功；EI为朗肯循环发电耗费的LNG冷；为蒸发器消耗的烟气余热。

(8)

式(8)中:EO为系统冷媒工质通过传热面(海水淡化装置)输入海水环境中的冷；Wpi为海水淡化系统的泵耗功；EI为海水淡化系统消耗的LNG冷。

由式(1)可得知，若热负荷不变，系统用户与LNG冷源之间的温度差越大，消耗的冷量就越多。梯级利用方式可减小系统与LNG的温度差，大大降低冷量消耗，因此将该方式应用于LNG冷能利用系统是合理可行的。

该系统用Aspen HYSYS软件来模拟系统流程(见图2)。依据式(2)～式(6)，结合模拟参数和实船参数进行分析及计算，得出不同温度分区的LNG冷能释放量及消耗量(见表2)。表2中各LNG温度段的冷能释放量远大于设计的各系统冷能消耗量，证明该设计方案是可行的。然而,决定能否应用该冷能利用系统的关键是发电效率和海水淡化效率，依据式(7)和式(8)进行计算和优化，得出朗肯循环发电效率为13.2%，海水淡化冷利用效率为29.7%，可见该系统冷能利用效率较高，可实现LNG冷能的合理应用。

各分区LNG温度段/℃冷能释放量/(kJ/h)系统分区名称冷能消耗量/(kJ/h)-155～-1054.82×105朗肯循环发电3.96×105-103～-594.55×105海水淡化系统3.16×105-59～-501.18×105低温库系统0.89×105-50～-440.76×105高温库系统0.52×105-44～-5.153.78×105空调系统3.65×105总计15.09×10512.18×105

3 LNG冷能利用经济性分析

选取的航线为深圳大鹏湾—澳大利亚，深圳大鹏湾→澳大利亚为空载航行7 d，澳大利亚→深圳大鹏湾为满载航行7 d，在2个港口各锚泊0.5 d，在2个港口各装卸货1 d。LNG冷能利用产生的经济效益包括以下2部分：

1) LNG冷能用于发电、船舶空调、船舶冷库和海水淡化产生的直接经济效益。

2) 省去传统气化工艺后节约的高温蒸汽成本。

3.1 LNG冷能利用系统经济效益计算

在该航线中，冷能利用系统的负荷随季节变化。船舶冷库、船舶空调和海水淡化装置的冷负荷受海洋表层温度的影响较大。此外，在离岸20 n mile的海域内，海水淡化装置将处于停用状态。为合理评估冷能系统产生的效益，需计算出不同月份各冷能利用系统的负荷。选择一年中典型的1月、4月、7月和10月作为研究月份，计算LNG冷能利用系统的经济效益。

3.1.11月份LNG冷能利用系统运行工况

在船舶航行中，环境温度较低的海域冷负荷较小，而环境温度较高的海域冷负荷较大。海域不同，各冷能利用系统受船舶运行工况的影响程度不同，因此各冷能利用系统在不同冷负荷下的运行时间也不同，经过实际测算所得数据见表3。在航行中，BOG的数量和温度随着船舶货舱液位不断变化，可利用的LNG冷能也随之变化，从而导致不同负荷的发电总量不同。在满载时，一级朗肯循环系统、二级朗肯循环系统发电量分别为118.8 kW和161.3 kW;在空载时，二者的发电量分别为89.9 kW和122.1 kW。

表3 1月份各冷能利用系统的负荷及运行时间

3.1.21月份LNG冷能利用系统效益计算

设计的LNG冷能利用系统产生的经济效益分为LNG冷能发电、利用LNG冷能产生淡水的经济价值和LNG冷能供应船舶空调及船舶冷库节约的电能等3部分。单航次累计发电量就是两级朗肯循环的发电量(82 672 kW·h)，船舶发电成本按1.5元/(kW·h)计，得出冷能发电产生效益12.4万元；海水淡化装置产水量800 t，产生效益1.68万元；单航次节约的电能就是船舶空调和冷库未利用LNG冷能时消耗的电能，母型船的空调和冷库采用传统电压缩制冷，设有2个高温库和2个低温库，制冷系数取3.5，计算结果见表4。

3.2 传统气化过程高温蒸汽消耗量计算

船舶在航行过程中，锅炉燃料消耗量为260 m3(按液态体积计算)，除消耗BOG以外，还消耗强制气化的液态LNG，通常用0.7 MPa的饱和蒸汽(潜热值2.066×106kJ/t)来加热低温LNG和高温BOG。以经验船舶的锅炉蒸汽成本480元/t计，结果见表5。

3.3 LNG冷能利用系统效益评估与分析

根据上述分析和计算，可得出4月、7月和10月母型船的LNG冷能利用系统经济效益值;取其平均值，按照每年20个航次计，可计算出该船的航次平均经济效益和全年经济效益(见表6)。

表4 1月份单航次节约电能及产生效益

表5 不同负载下单航次锅炉蒸汽消耗量及成本

由表6可知，冷能发电系统产生的电量最为显著，其经济效益最大。1—7月，气温逐渐升高，船舶空调和船舶冷库节约的电量逐渐增多，产生的效益逐渐上升;冷能发电量逐渐下降，产生的经济效益也逐渐下降。这是因为随着气温的升高，船舶冷库和船舶空调的负荷逐渐增大，提供给冷能发电系统的冷能减少，发电系统的做功能力减弱。8—12月，气温逐渐下降，船舶空调和冷库的冷负荷逐渐减小，节约的电能也逐渐减少，产生的效益随之下降;同时,冷能发电系统的发电量逐渐增多，发电效益逐渐上升。此外，利用LNG冷能实现海水淡化，并代替传统的气化工艺，可节省大量的高温蒸汽，产生可观的经济效益。

LNG运输船燃料消耗量大，且供应给锅炉燃用时压力小，因此可利用的LNG冷能和冷较多，一艘14.7万m3的LNG运输船应用该冷能利用系统，每年可节约电量1.886×106kW·h，产生效益400余万元，经济效益显著。

3.4 LNG冷能利用系统成本计算

设备初投资成本计算式为

表6 母型船的LNG冷能利用系统产生的经济效益

lgCPE=K1+K2lgX+K3(lgX)2

(9)

式(9)中:CPE为设备价格；K1、K2和K3为系数；X为泵和压缩机的输入功率或换热器的换热面积。

由于还没有将LNG冷能利用系统及低温设备应用于实船的经验，设备投资成本只能依据陆地的应用经验和相关文献进行估算，共需1 300余万元，大约4 a可收回投资成本，经济效益较好。

4 结束语

1) 选择14.7万m3LNG运输船作为母型船，采用能量梯级利用方式，将LNG冷能应用于朗肯循环发电、船舶海水淡化、船舶冷库、船舶空调和制氮等系统中，设计出一套LNG冷能综合利用系统。

2) 利用Aspen HYSYS软件进行系统模拟，经过分析和计算，论证LNG冷能利用系统设计方案的可行性，结果证明该设计方案应用于LNG运输船是合理可行的。

3) 依据母型船的冷能利用系统运行工况，计算出各月份的冷能发电量、船舶空调和冷库节约的电量、传统工艺高温蒸汽消耗量和海水淡化装置产水量，从而得出各系统产生的直接经济效益。该船全年可节约电量1.886×106kW·h，产生效益400余万元。结果表明，设计的LNG冷能综合利用系统应用于LNG运输船所产生的经济效益十分可观。

[1] MA L,GENG J,LI W,et al.The Development of Natural Gas as an Automotive Fuel in China[J].Energy Policy,2013,62(7):531-539.

[2] 顾安忠.液化天然气技术手册[M].北京:机械工业出版社,2010:267.

[3] 李博洋,张运秋,李迪阳,等.液化天然气船货物操作仿真器的设计与实现[J].中国航海,2014,37(3):46-49．

[4] 石庆国,胡以怀.LNG 蒸汽冷能在船舶上的应用探讨[J].船舶工程,2013,35(1):46-48．

[5] 李博洋,张运秋,张晓荣,等.LNG运输船冷能发电技术[J].中国航海,2016,39(1):91-94.

[6] CAO Wensheng, BEGGS C, MUJTABA I M. Theoretical Approach of Freeze Seawater Desalination on Flake Ice Maker Utilizing LNG Cold Energy[J].Desalination,2015,355:22-32.

[7] 李博洋,张运秋,邱力强.LNG动力船燃料冷能的综合开发与利用研究[J].中国航海,2015,38(3):92-96.

[8] LI Gang. Organic Rankine Cycle Performance Evaluation and Thermoeconomic Assessment with Various Applications Part I:Energy and Exergy Performance Evaluation[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016(53):477-499.

[9] 林文胜,黄美斌,顾安忠.利用LNG冷能的海水淡化流程比较[J].化工学报,2015,66(S2):318-324.

[10] XUE X,GUO C,DU X, et al. Thermodynamic Analysis and Optimization of a Two-Stage Organic Rankine Cycle for Liquefied Natural Gas Cryogenic Exergy Recovery[J].Energy, 2015, 83(14): 778-787.

[11] LUO K,CHEN B D,LI Z Y, et al. Cascade Utilization of Cold Energy of Liquefied Natural Gas Satellite Station[J].Chemical Engineering,2011,39(11):36-38.

[12] 李博洋,胡德栋,钱德松,等．LNG动力船燃料冷能综合利用研究[J].大连海事大学学报,2017,43(1):45-52．