LNG燃料船冷能利用技术开发与工程化研究杨锦1

杨锦1蒋利霞2刘彭3

1身份证号：42092319830426XXXX湖北省武汉市4300002身份证号：42098419840510XXXX湖北省武汉市4300003身份证号：42011519900206XXXX湖北省武汉市430000

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。

2.2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。为其设计的系统原理见图1，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，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。

图1中的换热器冷媒首先在换热器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1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。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。

表1几种常用的冷媒

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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[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．