LNG燃料船冷能利用技术开发与工程化研究

LNG燃料船冷能利用技术开发与工程化研究

罗祧李源

武汉船舶设计研究院有限公司湖北省武汉市430064

摘要：随着我国内河航运的快速发展，以柴油和燃料油为主要燃料的船舶在运行的过程中产生大量的废气污染，燃油的泄漏造成了沿江流域严重污染。面对环保以及竞争的压力，液化天然气作为新兴的船用动力燃料日益受到航运业的关注和青睐。与传统燃油相比，LNG作为船用动力燃料具有续航能力好，绿色无污染，运营成低本，安全系数高以及供应市场稳定的优势。尽管其在我国应用和推广依然面临很多挑战，但是随着能源的消耗、技术的发展、法规的严格、基础设施的完善，LNG相对于石油燃料的优越性会愈加明显，带来的效益也会更加可观，船舶以LNG为动力燃料将是大势所趋。

关键词：LNG燃料；船冷能；利用技术开发；工程化

引言

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（Liq-uifiedNaturalGas，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830～860kJ/kg的冷能。

1.LNG燃料船冷能利用初步分析

结合LNG船舶及现有的LNG冷能利用技术特点进行分析，将LNG冷能用于发电、冷库、制冰、空调、海水淡化等具有LNG船舶实施可行性。然而，LNG冷能用于发电，其设备造价及维护运营成本都要高于其发电的效益，经济效益不好；LNG冷能用于海水淡化，制淡设备所需的占地面积较大，船的空间位置比较有限，难以实现。LNG冷能用于制冰，一般用于水产保鲜常用块冰，而块冰机占地大，同样难以建设。一般的食品补给或捕鱼船舶都有对冷能有大量需求，目前船舶制冷的方法基本靠燃料发电，再使用电压缩机制冷，这种制冷方式需要大量的燃料来发电制冷，工序复杂，转化过程中，功耗损失大，同时消耗船舶油箱中一部分燃料，使得运营成本增加，经济效益降低。综上所述，将LNG冷能应用于船上比较可行的就是LNG冷能用于冷库及冷水空调。

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。

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10kW（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40kW，可求出每天的总制冷量为

Q总=24×3600（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1．7368×107kJ。

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。

2.2LNG冷能梯级利用方案设计

通过计算不同温段下LNG释放冷量，并与船舶空调、船舶冷库和船舶海水淡化装置所需冷量进行对比。结果表明，在LNG相关大型远洋商船开展冷能利用，LNG冷量可完全满足海水淡化装置、船舶空调和船舶冷库的冷量需求，且有较大富余，因此LNG相关船舶上可实现LNG冷能的梯级利用，且还可考虑将富余的冷量用于低温冷能发电。根据船舶工况的特点和能量品级的利用原则，并结合船舶热源，确定了如图1所示的冷能梯级总体利用方案。

图1LNG冷能梯级利用总体方案设计

2.3低温冷冻法海水淡化装置设计

根据大型远洋船舶的淡水需求量和LNG供应情况，设计了一种基于间接冷冻法LNG冷能海水淡化工艺。通过AspenHYSYS进行工艺模拟计算，采用㶲分析的方法，对工艺方案进行模拟优化，得到合理的工艺参数。针对设计工艺，设计了一套包含换热器、结晶器、转筒、收集桶、驱动装置等部件在内的利用LNG冷能进行海水连续冷冻淡化装置，如图2所示。该装置设计产水24t/d，采用LNG冷能使海水淡化结晶，洗涤融化后产生淡水。除海水结晶后的冰晶融化需要消耗少部分能量外，其他部分几乎不消耗电能，全面减小了设备能耗。

图2LNG冷能的海水淡化工艺流程

3.结束语

LNG燃料船在使用过程中的冷能利用，既能充分利用LNG气化过程中所产生的冷能，又能减少船上制冷所需的燃料，降低功耗；同时可减少制冷压缩机、冷凝器、节流装置及各种辅助设备，节省了原制冷装置的大量投资费用，明显减少压缩式制冷装置工作时所需要的运行电耗。LNG冷能的充分利用，在一定程度上减少对海水、河水的冷污染，对周边环境起着积极有效的作用。将LNG冷能用于船舶用冷项目，不仅符合国家节能减排政策，而且可为船舶企业带来一定的经济效益。基于此，应该加快并大力开展LNG燃料船舶冷能利用在我国的推广应用，以充分体现其社会价值及产业价值。

参考文献：

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[2]王鲁星，田明，韩有臣．LNG点亮中国船用燃料市场新前景[J]．天然气与LNG，2012，（5）：63-69．

[3]周淑慧，沈鑫，刘晓娟，等．LNG在我国内河水运领域的应用探讨[J]．天然气工业，2013，33（2）：81-89．