LN G 冷能應(yīng)用及船用方案設(shè)計(jì)

余藝森 崔文彬 熊子禹 張顯哲

一、引言

為滿足國(guó)際海事組織和世界各國(guó)日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求和相關(guān)環(huán)保政策，控制排放已成為當(dāng)前船舶動(dòng)力裝置發(fā)展的中心任務(wù)，使得船舶燃料呈現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì)，其中液化天然氣（Liquid Nature Gas，簡(jiǎn)稱LNG）燃燒技術(shù)較為成熟，已經(jīng)在船舶燃料中占有一席之地。據(jù)挪威船級(jí)社統(tǒng)計(jì)，截至2021年正在運(yùn)營(yíng)的LNG動(dòng)力船有251艘，已訂購(gòu)的新造船約有403艘。這些船型不僅包括采用雙燃料推進(jìn)的氣體船、客船等高價(jià)值船舶，還包括集裝箱船、油船、散貨船等傳統(tǒng)船型。

LNG作為燃料，一般要經(jīng)歷氣化過(guò)程。LNG放冷量為830 MJ～860 MJ/t，由于氣化溫度低可作為高品位冷能。陸地上現(xiàn)有LNG冷能應(yīng)用技術(shù)已逐漸成熟，然而在船舶應(yīng)用方面仍處于研究階段。因此，本文先對(duì)LNG冷能的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行梳理和總結(jié)，并針對(duì)船舶應(yīng)用篩選出低溫發(fā)電、空調(diào)和冷庫(kù)制冷技術(shù)，提出冷能梯級(jí)利用方案。

二、LNG冷能應(yīng)用簡(jiǎn)介

總體看來(lái)，LNG冷能利用技術(shù)分為直接利用和間接利用[1]，如圖1所示。直接利用主要是將LNG冷能用于低溫發(fā)電、空氣分離、輕烴分離、冷庫(kù)和空調(diào)制冷、液態(tài)二氧化碳和干冰制取、海水淡化等領(lǐng)域；間接利用則是先利用LNG冷能進(jìn)行空氣分離，而后用分離得到的液氮、液氧進(jìn)行污水處理、低溫破碎和冷凍食品[2-3]。

圖1 LNG冷能利用示意圖

（一）低溫發(fā)電

結(jié)合LNG冷能發(fā)電的主要方式有改善動(dòng)力循環(huán)法、直接膨脹法、有機(jī)朗肯循環(huán)法、布雷頓循環(huán)法和聯(lián)合法。其中運(yùn)用較多的是直接膨脹法和有機(jī)朗肯循環(huán)法，還有結(jié)合上述兩種方法各自優(yōu)點(diǎn)發(fā)展起來(lái)的聯(lián)合發(fā)電法。直接膨脹法利用LNG蒸發(fā)器受熱變成氣態(tài)高壓NG（Nature Gas，簡(jiǎn)稱NG）后直接驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電，這種發(fā)電方式原理簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉，但是效率不高，且發(fā)電功率較小，適合小型LNG接收站冷能回收[4]。

有機(jī)朗肯循環(huán)法則是使用低溫LNG（或低溫氣態(tài)NG）作為冷源，如圖2所示，氣態(tài)有機(jī)工質(zhì)在冷凝器中LNG冷凝后，再經(jīng)由工質(zhì)泵加壓運(yùn)輸?shù)胶Ｋ畵Q熱器，液態(tài)有機(jī)工質(zhì)在海水換熱器中被加熱氣化，然后進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這種方法對(duì)熱源的溫度要求不高，工質(zhì)可通過(guò)其他工業(yè)余熱進(jìn)行加熱，系統(tǒng)原理和流程較為簡(jiǎn)單[5]。

圖2 有機(jī)朗肯循環(huán)法發(fā)電流程

聯(lián)合法發(fā)電則是綜合了直接膨脹法和朗肯循環(huán)法各自的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展起來(lái)的發(fā)電方法。如圖3所示，LNG首先與有機(jī)朗肯循環(huán)結(jié)合，通過(guò)冷凝器把冷能傳遞給有機(jī)工質(zhì)用于發(fā)電，然后通過(guò)海水加熱成氣態(tài)進(jìn)入透平機(jī)直接膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電[6]。

圖3 聯(lián)合法發(fā)電工藝流程圖[6]

（二）空氣分離

使用LNG冷能時(shí)空氣先后經(jīng)過(guò)過(guò)濾、壓縮、預(yù)冷、凈化、換熱等步驟，即可分離得到液氧、液氮、液氬等空分產(chǎn)品。傳統(tǒng)的空氣分離流程中制取單位液氧工藝的耗電量為1.0 kW·h，而結(jié)合LNG冷能的空氣分離工藝流程中制取單位液氧的耗電量為0.4 kW·h[1]，展現(xiàn)出很好的節(jié)能效果，因此空氣分離被認(rèn)為是LNG冷能最有效的利用方式。

（三）輕烴分離

LNG中的輕烴C2+是一種高質(zhì)量原料，可以用來(lái)生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品。圖4所示為一種將LNG冷能用于輕烴分離的優(yōu)化工藝[7]，原料經(jīng)泵加壓后，在換熱器中部分汽化并分為兩路。較大流量的一路進(jìn)入閃蒸塔，從塔頂分離出氣態(tài)甲烷，而塔底分離出C2+含量較高的LNG。隨后，這部分LNG進(jìn)入脫甲烷塔，從塔頂分離出氣態(tài)甲烷，而從塔底分離出的C2+輕烴產(chǎn)品在換熱器中吸收LNG冷能后進(jìn)入液態(tài)C2+儲(chǔ)罐。較小流量的一路直接進(jìn)入脫甲烷塔頂進(jìn)行輕烴分離。該工藝?yán)肔NG實(shí)現(xiàn)了輕烴分離、降溫和甲烷液化，使輕烴回收率達(dá)到95%以上。同時(shí)，利用LNG冷能將C2+輕烴保持在低壓液態(tài)，有利于輕烴的儲(chǔ)存和運(yùn)輸。

圖4 結(jié)合LNG冷能利用與輕烴分離的工藝流程

（四）冷庫(kù)或空調(diào)制冷

冷庫(kù)一般采用制冷壓縮系統(tǒng)進(jìn)行制冷，包括冷劑的壓縮、冷凝、節(jié)流降壓和蒸發(fā)過(guò)程，而壓縮的目的在于使用冷卻水對(duì)氣態(tài)冷劑進(jìn)行冷凝。由于LNG的溫度足夠低，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冷劑低壓冷凝[8]，再經(jīng)過(guò)節(jié)流降壓進(jìn)入蒸發(fā)器，相比于壓縮制冷系統(tǒng)，可有效降低電能的消耗。當(dāng)有多個(gè)冷庫(kù)需要制冷時(shí)，如果LNG有足夠的供給，根據(jù)它們的不同溫度需求，將冷能依次用于超低溫冷庫(kù)、低溫冷庫(kù)、中溫冷庫(kù)、高溫冷庫(kù)，從而在一定程度上提高冷能的利用率。

與冷庫(kù)相似，傳統(tǒng)空調(diào)由于采用壓縮制冷耗電量極大，結(jié)合LNG冷能也可以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。鑒于空調(diào)系統(tǒng)使用溫度較高，不適宜直接使用LNG冷能，可以將LNG冷能首先用于低溫發(fā)電，升溫后的剩余冷能先經(jīng)過(guò)冷庫(kù)，再用于空調(diào)制冷[8-9]。

（五）液態(tài)二氧化碳或干冰制取

利用LNG的低溫冷能液化二氧化碳時(shí)，只需將其壓縮至0.9 MPa，即可降低液化工藝的壓力，從而顯著減少壓縮制冷設(shè)備的耗電量。相較于傳統(tǒng)二氧化碳制取工藝，結(jié)合LNG冷能的工藝能夠減少30%～40%的電耗，并降低大約10%的初始投資成本[10]。此外，利用LNG冷能制取的液態(tài)二氧化碳濃度可高達(dá)99.99%。然而，液化二氧化碳所需溫度約為-70 ℃，與LNG的-162 ℃氣化溫度差異較大，因此LNG冷能的回收利用率降低，僅適用于與其他冷能回收技術(shù)聯(lián)合使用。

（六）海水淡化

采用凍結(jié)法進(jìn)行海水淡化時(shí)，LNG冷能可以參與凍結(jié)過(guò)程，由于LNG冷能溫度較低，需要配合冷媒將冷能傳遞給海水[11-13]，當(dāng)一部分海水結(jié)冰后，原有的大部分鹽類物質(zhì)便會(huì)集中在未結(jié)冰的海水中，之后在對(duì)冰塊經(jīng)過(guò)洗滌、分離、融化等流程后即可得到淡水。如果配合重力脫鹽和離心脫鹽等[11]技術(shù)，淡水中的含鹽量可以滿足民用要求，由于LNG冷能屬于余冷，可很大程度降低海水淡化的成本。

（七）橡膠冷凍粉碎

采用冷凍粉碎可以提高橡膠粉碎效果，避免顆粒熔化。LNG冷能可在-120 ~-80 ℃范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)冷凍粉碎。結(jié)合方法有兩種：一是利用LNG冷能進(jìn)行空氣分離，得到液氮冷凍橡膠顆粒，再粉碎；二是回收LNG中的冷能，使用低溫氮?dú)饫鋬鱿鹉z顆粒，然后再將脆化的顆粒送入粉碎機(jī)粉碎[14]。

（八）小結(jié)

從以上對(duì)LNG冷能利用技術(shù)的介紹可以看出，已有技術(shù)發(fā)展較為成熟，應(yīng)用領(lǐng)域范圍較為廣泛，部分技術(shù)較好地利用了LNG冷能的低溫特點(diǎn)?？紤]到船舶應(yīng)用，低溫發(fā)電、空調(diào)和冷庫(kù)制冷較為適用。下面以某LNG動(dòng)力船為例，對(duì)LNG冷能梯級(jí)利用系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

三、LNG動(dòng)力船冷能梯級(jí)利用方案設(shè)計(jì)

某L N G 動(dòng)力船主機(jī)型號(hào)為W i n G D R Tflex50DF，主機(jī)參數(shù)及船舶上的空調(diào)系統(tǒng)、低溫冷庫(kù)和高溫冷庫(kù)的熱負(fù)荷數(shù)據(jù)[15]如表1所示?；谶@些參數(shù)設(shè)計(jì)了一套包含低溫發(fā)電、低溫冷庫(kù)、高溫冷庫(kù)和空調(diào)四個(gè)模塊的冷能梯級(jí)利用系統(tǒng)，如圖5所示，工作流程包括：

表1 某船主機(jī)、冷庫(kù)、空調(diào)的主要參數(shù)

圖5 LNG冷能梯級(jí)利用系統(tǒng)示意圖

（1）LNG儲(chǔ)罐內(nèi)氣化得到的氣態(tài)天然氣LNG，經(jīng)過(guò)增壓泵加壓后被送入低溫發(fā)電模塊的冷凝器中，LNG蘊(yùn)含的一部分冷能用于冷凝氣態(tài)的發(fā)電工質(zhì)，后液態(tài)發(fā)電工質(zhì)經(jīng)由泵1加壓后進(jìn)入海水加熱器，氣化后進(jìn)入汽輪機(jī)中膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，膨脹后的氣態(tài)工質(zhì)再回到冷凝器，完成循環(huán)。

（2）LNG在低溫發(fā)電模塊換熱后被輸送至換熱器1，LNG的部分低溫冷能被冷媒1吸收，冷媒1經(jīng)由泵2加壓后進(jìn)入低溫冷庫(kù)（肉庫(kù)）釋放冷能，對(duì)肉庫(kù)進(jìn)行制冷；然后冷媒1又被輸送到換熱器2處，冷卻冷媒2，冷媒1最后回到換熱器1處吸收來(lái)自LNG的冷能，完成循環(huán)。

（3）冷媒2在換熱器2中獲得冷能后，經(jīng)由泵3輸至高溫冷庫(kù)（菜庫(kù)）釋放冷能；冷媒2從菜庫(kù)出來(lái)后再被送到空調(diào)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)制冷，最后冷媒2回到換熱器2處被冷媒1冷卻，完成循環(huán)。

（4）低溫冷庫(kù)、高溫冷庫(kù)和空調(diào)的需冷量發(fā)生變化時(shí)，各模塊內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)閥可根據(jù)需冷量旁通部分冷媒流量；當(dāng)高溫冷庫(kù)和空調(diào)都不工作時(shí)，可通過(guò)旁通閥將冷媒2手動(dòng)旁通至換熱器的入口處。

（5）當(dāng)系統(tǒng)處于低負(fù)荷（例如冬季）或冷庫(kù)、空調(diào)都不工作時(shí)，考慮到LNG還將作為燃料供發(fā)動(dòng)機(jī)使用，為保證LNG進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度穩(wěn)定，在冷媒1的流動(dòng)循環(huán)中設(shè)置缸套水加熱流程，使LNG在換熱器1出口處的溫度維持在-30 ℃左右。

（一）低溫發(fā)電模塊

為有效利用LNG冷能低溫的特點(diǎn)，第一級(jí)冷能與有機(jī)朗肯循環(huán)結(jié)合進(jìn)行低溫發(fā)電，黃峰等[16]對(duì)結(jié)合LNG冷能的有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行了模擬研究，使用乙烷、丙烷、異戊烷等作為備選工質(zhì)。在此筆者選取乙烷作為低溫發(fā)電的工質(zhì)，海水溫度取30 ℃，最小換熱溫差為3 ℃，汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的效率設(shè)定為75%，LNG在冷凝器進(jìn)口處的溫度為-160 ℃，考慮到后續(xù)冷庫(kù)和肉庫(kù)的冷量需求，將LNG在冷凝器出口處的溫度設(shè)定為-120 ℃。工質(zhì)進(jìn)入汽輪機(jī)的壓力設(shè)定為3 500 kPa，出機(jī)壓力設(shè)定為500 kPa[15]，假設(shè)LNG出汽輪機(jī)時(shí)為飽和狀態(tài)，此時(shí)LNG的溫度為-53 ℃，當(dāng)LNG的流量為1 427 kg/h（發(fā)動(dòng)機(jī)消耗量）時(shí)，低溫發(fā)電功率W通過(guò)ASPEN HYSYS算得為6.00 kW。在冷凝器處，LNG傳遞給乙烷的冷量Q1可表示為

式中：qm1為天然氣的流量，取1 427 kg/h；cp1為天然氣的比熱，取2.16 kJ/（kg·K）；T1為天然氣進(jìn)冷凝器時(shí)的溫度，-160 ℃；T2為天然氣出冷凝器時(shí)的溫度，-120 ℃。算得LNG在冷凝器處釋放的冷量Q1=34.56 kW。低溫發(fā)電的冷能利用效率η1可表示為

根據(jù)式（2）計(jì)算得出的結(jié)果，略低于文獻(xiàn)[16]中有機(jī)朗肯循環(huán)低溫發(fā)電的效率19.53%。

（二）低溫冷庫(kù)模塊

低溫冷庫(kù)模塊需考慮冷劑的安全性、環(huán)保性及熱物性參數(shù)，本文選擇R134a作為低溫冷庫(kù)系統(tǒng)的制冷劑，由于R134a常壓情況下的沸點(diǎn)為-26.5 ℃，因此認(rèn)為工作循環(huán)保持液態(tài)。LNG在換熱器1的進(jìn)口溫度為-120 ℃，出口溫度為-30 ℃；低溫冷庫(kù)的溫度范圍在-25 ~-20 ℃，設(shè)定R134a在換熱器2的出口溫度為-27 ℃，入口溫度為-41 ℃。在換熱器1中，LNG釋放的冷量Q2可表示為

式中：T3為L(zhǎng) N G 在換熱器1 入口處的溫度，-120 ℃；T4為天然氣在換熱器1出口處的溫度，-3 0 ℃?？伤愕肔 N G 在換熱器1 釋放的冷量Q2=77.05 kW，冷媒R134a吸收的冷量Q3為

式中，η2為換熱器1的換熱效率，取80%。則Q3=61.65 kW。冷媒R134a的流量qm2可表示為

式中：cp2為R134a的比熱，取1.28 kJ/（kg·K）；T5為R134a在換熱器1入口處的溫度，-27 ℃；T6為R134a在換熱器1出口處的溫度，-41 ℃。則R134a的流量qm2為3.44 kg/s。冷媒R134a在肉庫(kù)冷庫(kù)釋放的冷量Q4可表示為

式中：Q5為低溫冷庫(kù)平均負(fù)荷，2 kW；η3為低溫冷庫(kù)制冷效率，取80%。則可算得Q4=2.5 kW，相應(yīng)的R134a在低溫冷庫(kù)的進(jìn)出口溫差ΔT1=0.57 ℃，R134a在換熱器1和換熱器2之間的溫差為1 ℃，可以滿足低溫冷庫(kù)需求。

考慮到菜庫(kù)和空調(diào)的制冷負(fù)荷總和為33 kW，該制冷量全部由換熱器2來(lái)提供，按照兩個(gè)菜庫(kù)和空調(diào)制冷效率為80%計(jì)算（相應(yīng)的換熱器2處的需冷量為41.3 kW），設(shè)定換熱器2的入口溫度T7和出口溫度T8分別為-40 ℃和-27 ℃。根據(jù)式（7），冷媒R134a在換熱器2釋放的冷量Q6可表示為

此時(shí)Q6=57.7 kW，可以滿足菜庫(kù)和空調(diào)的制冷需求；為保證LNG在換熱器1出口處的溫度穩(wěn)定在-30 ℃，菜庫(kù)和空調(diào)都不工作時(shí)，換熱器1吸收的冷量Q3將完全由缸套水帶走，需要的缸套水最大流量qm3為

式中：cp3為缸套水比熱，取4.2 kJ/（kg·K）；ΔT2為缸套水加熱前后溫度變化，取10 ℃。相應(yīng)的缸套水流量qm3=1.5 kg/s。

為驗(yàn)證缸套水流量滿足此要求，特對(duì)缸套水總流量進(jìn)行核算。缸套水吸收發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量Q7可表示為

式中：P為發(fā)動(dòng)機(jī)功率，10 080 kW；η3為缸套水吸收發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量的比例，取5.2%[17]；ΔT3為進(jìn)出機(jī)溫差，取10 ℃。則總的缸套水流量qm=12.5 kg/s，低溫冷庫(kù)模塊對(duì)缸套水最大需求量?jī)H占缸套水總量的11.9%，既可滿足LNG制冷系統(tǒng)需求，又不影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。

（三）高溫冷庫(kù)和空調(diào)模塊

考慮工作溫度和安全性，高溫冷庫(kù)和空調(diào)模塊選擇60%的乙二醇溶液（凝固點(diǎn)為-48.3 ℃[18]）。乙二醇溶液在換熱器2入口處的溫度為10 ℃，在換熱器2出口處的溫度為-10 ℃。

1.高溫冷庫(kù)模塊相關(guān)計(jì)算

在換熱器2中，乙二醇溶液吸收的冷量Q8為

式中，η4為換熱器2的換熱效率，取80%。算得Q8=46.2 kW。乙二醇溶液流量qm4可表示為

式中：cp4為乙二醇溶液的比熱，取2.99 kJ/（kg·K）；T9和T10分別為乙二醇溶液進(jìn)出換熱器2的溫度，分別為10 ℃和-10 ℃。則乙二醇溶液的流量qm4=0.77 kg/s。乙二醇溶液在高溫冷庫(kù)換熱器處釋放的冷量Q9可表示為

式中：Q10為高溫冷庫(kù)凈平均熱負(fù)荷，取3 kW；η5為高溫冷庫(kù)換熱器的換熱效率，取80%。則可算得Q9=3.75 kW，ΔT4=1.6 ℃。

2.空調(diào)模塊相關(guān)計(jì)算

乙二醇溶液在空調(diào)換熱器釋放的冷量Q11可表示為

式中：Q12為空調(diào)平均負(fù)荷，取30 kW；η6為空調(diào)換熱器的換熱效率，取80%。此時(shí)Q11=37.5 kW，ΔT5=16.3 ℃。

乙二醇溶液流經(jīng)高溫冷庫(kù)和空調(diào)后溫度變化為ΔT4+ΔT5=17.9 ℃，小于乙二醇溶液流經(jīng)換熱器2設(shè)置溫差T9-T10=20 ℃，說(shuō)明溫差設(shè)置滿足需求。

（四）小結(jié)

由以上假設(shè)和分析得出LNG冷能低溫發(fā)電功率W、低溫冷庫(kù)制冷功率Q5、高溫冷庫(kù)制冷功率Q10和空調(diào)制冷功率Q12分別為6 kW、2 kW、3 kW和30 kW，LNG在冷能器和換熱器1處釋放的冷能Q1和Q2分別為34.56 kW和77.05 kW，則綜合利用效率η總可表示為

可得LNG冷能在整個(gè)LNG冷能梯級(jí)利用系統(tǒng)的利用效率η總為36.7%。相應(yīng)地節(jié)約的電功率W總可表示為

式中，ε為制冷系數(shù)，取2.2。則節(jié)約電功率W總為21.91 kW，如果船舶使用柴油機(jī)發(fā)電，按照發(fā)電效率（發(fā)電功率/輸入功率）η7為40%，每天節(jié)省燃油

式中，Hu為燃油的低熱值，取42 700 kJ/kg[17]。算得LNG冷能利用可節(jié)省燃油q=0.11 t/天。

四、討論與分析

本文從LNG冷能利用出發(fā)，首先介紹了幾種發(fā)展較為成熟的LNG冷能利用技術(shù)，針對(duì)船舶應(yīng)用從中選出有機(jī)朗肯循環(huán)低溫發(fā)電、冷庫(kù)和空調(diào)制冷技術(shù)，并以某LNG動(dòng)力船為例設(shè)計(jì)了冷能梯級(jí)利用系統(tǒng)。為充分利用LNG冷能的低溫特點(diǎn)，各技術(shù)模塊選用了不同的中間介質(zhì)，低溫發(fā)電模塊采用乙烷作為循環(huán)工質(zhì)，低溫冷庫(kù)模塊采用R134a，高溫冷庫(kù)和空調(diào)模塊采用60%乙二醇溶液；設(shè)計(jì)的LNG冷能梯級(jí)利用系統(tǒng)冷能利用效率可達(dá)36.7%，每天可節(jié)省燃油0.11 t。