LNG動力漁船的冷能利用技術(shù)初探

孫楠楠，譚宏博，張楊，厲彥忠

（西安交通大學(xué)制冷及低溫工程系，陜西 西安710049）

引 言

在過去10年中，我國船舶工業(yè)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模已實(shí)現(xiàn)了跨越式增長，航運(yùn)業(yè)成為我國復(fù)興的一個重要戰(zhàn)略支點(diǎn)。然而目前我國運(yùn)營中的船舶大多以柴油為燃料，柴油燃燒會釋放大量環(huán)境污染物，沿海沿江地區(qū)，船舶港口排放已成為大氣污染的重要來源之一［1］。液化天然氣 （LNG）因其清潔、經(jīng)濟(jì)、安全且儲量豐富等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注［2］。老化問題嚴(yán)重、高能耗、高污染的漁船必將是進(jìn)行油改氣改造的重要部分［3］。與傳統(tǒng)動力漁船相比，柴油－LNG雙燃料動力漁船柴油平均替代率達(dá)到60%～70%，可實(shí)現(xiàn)氮氧化合物減排85%～90%，硫氧化物減排近100%，二氧化碳減排15%～20%［4］。截至2013年4月全國共有13艘LNG燃料動力試點(diǎn)船舶通過中國海事局的試點(diǎn)評估［5］。LNG在進(jìn)入發(fā)動機(jī)前需氣化并復(fù)溫至10～40℃，在這個過程中，會釋放大量的冷能 （約830～860kJ·kg－1）。為提高LNG冷能利用率，本文在蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)和ORC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了一種新的LNG冷能利用系統(tǒng)。

1 基于LNG漁船的冷能利用技術(shù)方案比較

鑒于現(xiàn)有LNG冷能利用技術(shù)［6－9］和船舶上的可實(shí)現(xiàn)性［10］，目前船舶LNG冷能多用于冷庫和發(fā)電。

1.1 基于LNG冷能的船載冷庫

在鮮活品、加工食品和醫(yī)藥品的船舶運(yùn)輸中，貨物的冷藏和保鮮至關(guān)重要，目前大多數(shù)冷庫采用電壓縮制冷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國漁船用于保鮮和空調(diào)等方面的制冷能耗約占全船能耗的30%～40%［11］。因此將LNG燃料漁船上LNG的低溫冷能用于冷藏保鮮具有巨大的節(jié)能潛力。

回收LNG冷能用于低溫冷庫的簡單工藝流程如圖1所示，該工藝通常是由冷媒與LNG換熱獲得冷能，然后再將低溫冷媒輸送到冷庫釋放冷能。

圖1 LNG冷能用于低溫冷庫流程Fig.1 Process of LNG cold energy used in cold storage

1.2 利用LNG冷能發(fā)電的原理介紹

低溫儲存的LNG具有大量寶貴的冷量 ，利用有機(jī)朗肯循環(huán) （ORC）回收LNG冷能可大大提高 ORC的循環(huán)效率及LNG冷能利用率［12－15］。

以LNG冷能為冷源，海水等低品位能為熱源，采用某種有機(jī)工質(zhì)為工作介質(zhì)，組成閉式低溫蒸氣動力循環(huán)，這就是低溫Rankine循環(huán)。低溫Rankine循環(huán)與直接膨脹法結(jié)合可使LNG冷能回收率達(dá)到50%，其工藝流程如圖2所示。

圖2 LNG冷能回收聯(lián)合法發(fā)電流程Fig.2 Process of LNG cold energy recycling through combined method of power generation

然而在以LNG為燃料的船舶上單獨(dú)采用前述兩種方案都存在一些局限性和弊端。例如，將LNG冷能用于船舶冷庫時，由于LNG與冷庫間傳熱溫差很大，會造成大量高品位的冷量 被降質(zhì)利用［16］。另外，LNG船舶的燃料消耗量相對較小且隨著船舶行駛工況的變化LNG消耗量波動極大，并不宜于采用需要連續(xù)運(yùn)行以保證穩(wěn)定功量輸出的動力回收。為了充分利用LNG冷能中的冷量和冷量 ，本文在以上兩種方案的基礎(chǔ)上提出了以LNG作冷源、冷庫空間為熱源驅(qū)動ORC，輸出的功再驅(qū)動蒸汽壓縮制冷機(jī)組，實(shí)現(xiàn)LNG冷能利用率大幅提高，分析結(jié)果表明制冷量增益效果顯著。

2 利用LNG冷能的漁船冷藏制冷系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)及簡介

LNG冷能利用系統(tǒng)流程見圖3，其中有機(jī)朗肯循環(huán)T－S圖和蒸汽壓縮制冷機(jī)組的p－h(huán)圖見圖4。該系統(tǒng)包括以下3部分： （1）LNG氣化、復(fù)溫過程，飽和液態(tài)LNG （點(diǎn)Ⅰ）經(jīng)流量控制閥V1進(jìn)入LNG汽化器 HX1氣化 （點(diǎn)Ⅱ），進(jìn)入LNG復(fù)溫?fù)Q熱器HX2被載冷劑加熱復(fù)溫 （點(diǎn)Ⅲ）后，進(jìn)入天然氣供氣管道； （2）LNG驅(qū)動的ORC，過熱蒸氣 （點(diǎn)1）在膨脹機(jī)T中做功并降壓（點(diǎn)2）后進(jìn)入 HX1，被LNG冷凝為飽和液體（點(diǎn)3）后，經(jīng)有機(jī)工質(zhì)加壓泵P1加壓 （點(diǎn)4），進(jìn)入低溫蒸發(fā)器HX3被載冷劑加熱成高壓過熱蒸氣（點(diǎn)1）進(jìn)入T，后進(jìn)入下一次循環(huán)；（3）蒸汽壓縮制冷循環(huán)，膨脹機(jī)T經(jīng)聯(lián)軸器與壓縮機(jī)C連接，制冷劑被C由低壓過熱態(tài)5壓縮至狀態(tài)6后，在冷凝器HX5過冷至狀態(tài)7后，經(jīng)節(jié)流閥V2節(jié)流降壓至狀態(tài)8，進(jìn)入蒸發(fā)器HX4被載冷劑加熱到低壓過熱狀態(tài)5，如此循環(huán)往復(fù)。

圖3 LNG冷能利用系統(tǒng)流程Fig.3 LNG cold energy utilization system flow chart C—compressor；K—cold storage；HX1—LNG vaporizer；HX2—LNG re－warming exchanger；HX3—low temperature evaporator；HX4—evaporator；HX5—condenser；P—pump；T—expander；Ⅰ—Ⅲ—LNG；A，B，C—cooling medium；1～8—working fluids；V—valve；

圖4 朗肯循環(huán)T－S圖和蒸汽壓縮制冷機(jī)組的p－h(huán)圖Fig.4 T－Scurve of ORC and p－h(huán) curve of vapor compression refrigeration unit

在上述3個循環(huán)過程中，HX2、HX3和HX4與載冷劑進(jìn)行換熱，將冷量釋放給LNG漁船冷庫。

2.2 系統(tǒng)參數(shù)的選定及工質(zhì)的選取

本文選取燃料消耗流量為215kg·h－1的LNG動力漁船為研究對象，LNG由飽和液態(tài) （0.7 MPa，141.72K）汽化、復(fù)溫至過熱氣態(tài) （0.7 MPa，283.15K），送至發(fā)動機(jī)燃燒做功，忽略換熱器壓降。根據(jù)船舶冷庫用冷溫區(qū)特點(diǎn)，多級冷庫設(shè)置如下：低溫冷庫 （－25℃），冷藏庫（－18℃），保鮮冷庫 （－4℃），糧食庫 （18℃）［17］，環(huán)境溫度為25℃。由于ORC冷源溫度極低，因此其循環(huán)工質(zhì)必須滿足在低溫下不凝固、冷凝壓力不太?。?8］，本文選取乙烯為ORC循環(huán)工質(zhì)。選取R22為蒸汽壓縮制冷循環(huán)工質(zhì)，物性參數(shù)均由NIST REFPROP7.0確定。載冷劑選用濃度為55%的乙二醇溶液，其冰點(diǎn)溫度為－44.62℃。

2.3 LNG冷能利用系統(tǒng)的熱力學(xué)分析

對LNG汽化、復(fù)溫過程、ORC過程以及制冷機(jī)組進(jìn)行熱力學(xué)分析，系統(tǒng)中最小換熱溫差取3K［19］。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律分別對HX1－HX4列能量守恒方程

膨脹功為

凈輸出功為

理論

LNG各狀態(tài)點(diǎn)的 值［20］為

式中，h0、s0為環(huán)境溫度下天然氣的焓、熵值。

乙二醇溶液供給冷庫的冷量 為

式中，T0為環(huán)境溫度，T取乙二醇溶液的平均溫度。

系統(tǒng)的冷能利用率為

系統(tǒng)的 效率為

3 影響LNG漁船冷藏制冷系統(tǒng)性能的因素分析

3.1 ORC冷凝溫度對系統(tǒng)性能影響

圖5給出了ORC蒸發(fā)溫度為253.15K時，HX2～HX4各自制冷量及總制冷量隨ORC冷凝溫度的變化情況。冷凝溫度升高，則HX1內(nèi)LNG出口溫度升高，NG供氣溫度一定，HX2的制冷量減??；冷凝溫度升高，ORC循環(huán)工質(zhì)在HX1進(jìn)、出口處焓差減小，流量相應(yīng)增大 （198.15K時約為173.15K時的1.2倍），同時，工質(zhì)在HX3和T的進(jìn)、出口處焓差減小 （198.15K時分別約為173.15 K時的83%和57%），所以HX3制冷量變化不大，而T輸出功減小明顯，使得HX4制冷量顯著減小。因此，ORC冷凝溫度由173.15K升高到198.15K，系統(tǒng)總制冷量降低了約15.4%。

圖5 制冷量隨ORC冷凝溫度的變化Fig.5 Cooling capacity varied with change of ORC condensation temperature

圖6 系統(tǒng)冷能利用率和 效率隨ORC冷凝溫度的變化Fig.6 System cold energy and exergy utilization efficiency varied with change of ORC condensation temperature

圖6給出了系統(tǒng)冷能利用率和 效率隨ORC冷凝溫度升高的變化情況。HX1內(nèi)冷、熱流體換熱溫差增大，使LNG冷量 損失增大，系統(tǒng) 效率降低。HX3制冷量變化不大，HX2和HX4制冷量減小，使得系統(tǒng)總制冷量減小，而LNG汽化、復(fù)溫過程中放出冷量一定，因此ORC冷凝溫度由173.15K升高到198.15K，系統(tǒng)冷能利用率由196.5%降低到166.2%。

3.2 ORC蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能影響

圖7所示為ORC冷凝溫度為173.15K時，HX2～HX4各自制冷量及總制冷量隨ORC蒸發(fā)溫度升高的變化情況。由于ORC蒸發(fā)溫度并不影響HX1和HX2冷、熱流體的進(jìn)、出口狀態(tài)，故HX2制冷量不變，ORC工質(zhì)流量不變；隨蒸發(fā)溫度升高，ORC工質(zhì)在HX3和T的進(jìn)、出口處焓差增大，故HX3制冷量增加，T輸出功增大，HX4制冷量增加。因而，ORC蒸發(fā)溫度由218.15K升高到253.15K，系統(tǒng)總制冷量升高了約24.8%。

圖7 制冷量隨ORC蒸發(fā)溫度的變化Fig.7 Cooling capacity varied with change of ORC evaporation temperature

圖8所示為系統(tǒng)冷能利用率和 效率隨ORC蒸發(fā)溫度升高的變化情況，HX3冷、熱流體換熱溫差減小，冷量 損失減小，系統(tǒng) 效率升高；HX2制冷量不變，HX3和HX4制冷量增大，使得系統(tǒng)總的制冷量增加，而LNG汽化、復(fù)溫過程中放出的冷量不變，因此，ORC蒸發(fā)溫度由218.15K升高到253.15K，系統(tǒng)冷能利用率由158.3%升高到196.5%。

3.3 載冷劑出口溫度對系統(tǒng)性能影響

在ORC冷凝溫度為173.15K，蒸發(fā)溫度為253.15K時，隨載冷劑出口溫度升高，HX2～HX4各自制冷量及總制冷量的變化情況如圖9所示，系統(tǒng)冷能利用率和 效率見圖10，載冷劑流量見圖11。

由圖9可知，隨載冷劑出口溫度升高，HX2和HX3制冷量變化不大，而HX4制冷量則會逐漸升高，這是由于最小換熱溫差一定的條件下，隨載冷劑出口溫度的升高，制冷機(jī)組的蒸發(fā)溫度升高，制冷機(jī)組的COP升高 （載冷劑出口溫度由238.15K升高到245.15K的過程中，COP由2.55升高到了3.02），使得制冷機(jī)組制冷量明顯增加。因而，在ORC蒸發(fā)溫度和冷凝溫度一定的條件下，載冷劑出口溫度由238.15K升高到245.15 K的過程中，系統(tǒng)總制冷量提高了6.2%。

圖8 系統(tǒng)冷能利用率和 效率隨蒸發(fā)溫度的變化Fig.8 System cold energy and exergy utilization efficiency varied with change of ORC evaporation temperature

圖9 制冷量隨載冷劑出口溫度的變化Fig.9 Cooling capacity varied with change of secondary refrigerant outlet temperature

由圖10可知，隨載冷劑出口溫度升高，HX2、HX3內(nèi)換熱溫差增大，導(dǎo)致系統(tǒng)冷量 損失增大，系統(tǒng) 效率降低。載冷劑出口溫度升高，蒸汽壓縮制冷機(jī)組蒸發(fā)溫度升高，COP增大，系統(tǒng)總制冷量增加，而LNG汽化、復(fù)溫過程放出的冷量不變，使得系統(tǒng)冷能利用率由188.5%升高到200.1%。

圖10 系統(tǒng)冷能利用率和 效率隨載冷劑出口溫度的變化Fig.10 System cold energy and exergy utilization efficiency varied with change of secondary refrigerant outlet temperature

圖11 載冷劑流量隨載冷劑出口溫度的變化Fig.11 Secondary refrigerant flow rate varied with change of secondary refrigerant outlet temperature

如圖11所示，隨載冷劑出口溫度升高，載冷劑進(jìn)出口溫差減小，吸收相同冷量條件下，載冷劑流量大大增加，研究表明：載冷劑出口溫度由238.15 K升高到245.15K的過程中，載冷劑流量增加了22.7%，使得循環(huán)泵功增加，系統(tǒng)成本也有所增加。

4 結(jié) 論

本文在LNG冷能用于低溫冷庫和發(fā)電的基礎(chǔ)上，針對LNG動力漁船提出了一種蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)和ORC系統(tǒng)相結(jié)合LNG冷能利用系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)熱力性能進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明：在該LNG動力漁船冷能利用系統(tǒng)中，在ORC工質(zhì)不凝固、冷凝壓力不太小的條件下，降低ORC冷凝溫度至接近LNG儲存溫度，可減少LNG冷量 損失，提高LNG冷能利用率；提高ORC蒸發(fā)溫度至接近用冷溫度，可增加膨脹機(jī)輸出功，增加制冷機(jī)組制冷量，同時減小冷量 損失，提高LNG冷能利用率和 效率；在滿足用冷條件下，載冷劑出口溫度的選擇應(yīng)綜合考慮LNG冷能利用率和載冷劑流量，以提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

研究結(jié)果表明，該LNG冷能利用系統(tǒng)回收的冷量可達(dá)LNG汽化、復(fù)溫過程放冷量的2倍，大幅提升LNG冷能利用率，對于LNG動力船舶冷能利用具有重要的工程應(yīng)用價值。

近年，我國霧霾頻發(fā)，水域污染嚴(yán)重，以LNG替代柴油作為船舶燃料既滿足環(huán)保需求，又可緩解我國能源緊張的局面，LNG動力船舶的發(fā)展前景廣闊。本文針對LNG動力漁船提出的冷能利用系統(tǒng)不僅避免了對海水造成冷污染，而且實(shí)現(xiàn)了冷能增益利用，節(jié)省了原制冷裝置的運(yùn)行功耗，其環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良，值得在我國LNG動力船舶上推廣應(yīng)用。

符 號 說 明

cpA，cpB，cpC——載冷劑比熱容

mLNG，mW，mh——分別為 LNG、ORC工質(zhì)、載冷劑流量

t1，t2——分別為載冷劑進(jìn)、出口溫度

Wt，Wp——分別為膨脹功、泵功

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