王福秋，王 强，李博洋

LNG燃料船冷能利用技术探讨

王福秋，王 强，李博洋

（青岛远洋船员职业学院，山东 青岛 266071）

本文通过分析LNG冷能利用技术国内外研究现状，探讨LNG冷能利用方式，设计LNG冷能梯级利用方案、船舶空调和船舶冷库利用方案、低温冷冻法海水淡化装置、LNG冷能发电方案、模拟软件开发等，并进行实船经济效益分析，得出，LNG冷能利用技术在船舶上具有多种应用形式，具有广阔的应用空间和应用价值。

LNG燃料船 冷能 方案 效益

0 引言

最新版《中国天然气发展报告》指出，随着绿色低碳能源战略的持续推进，到2020年中国天然气在一次能源消费结构中占比将提高到10%，年消费量达到3600亿立方米，力争到2030年，天然气在一次能源消费中的占比达到15%左右，年消费量达到6000亿立方米。因此，未来天然气的需求量、贸易量将进一步增长。

天气贸易量的增长促进了LNG运输船和浮式LNG接收终端（LNG-FSRU）数量的持续快速增长。目前国内各船运公司拥有的大型LNG运输船10余艘，未来5年内营运的LNG运输船将达到50-70艘左右。另一方面，陆上常规LNG接收站建设存在项目审批时间长、投资大、建造周期长的限制，而LNG-FSRU利用LNG运输船进行改造或新建，建造周期短，安全性高，审批时间短，近年发展迅速。

国际海事组织（IMO）新标准指出，将加强全球海洋燃料许用含硫量的管控，到2020年，全球范围内海洋燃料的含硫量不得高于0.5%，北海、美国和加拿大污染物排放管制区（ECA）更是要求不超过0.1%，传统以燃料油为动力的远洋商船硫排放量远高于该标准，脱硫脱硝成本较高。LNG动力船以其污染小，几乎没有硫排放，NOX排放也相对较好，因此，随着天然气产能的不断增大，LNG动力船逐渐成为未来航运市场的主流船型，船舶数量将来会非常巨大。

LNG在压力1atm、温度-162℃升至0℃的条件下气化，释放出约8.41×105 kJ/t的冷量，释放冷量十分可观。而前述大型远洋商船LNG燃料的消耗量较大，以30万吨级VLCC为代表船型的LNG动力船，每天消耗LNG可达到150 m3（液态体积计）左右；LNG运输船多采用燃料锅炉，每天消耗的LNG和BOG的消耗总量达240m3（液态体积计）左右；LNG-FSRU气化外输总量更为庞大，高峰期可达320 T/h（以天津中海油项目为例，），因此LNG相关大型远洋商船利用或者外输LNG时存在大量高品位的LNG冷能。现阶段船舶LNG气化主要采用高温热源或者海水进行加热，不仅浪费了很多热能，而且浪费大量LNG冷能。

LNG在压力1atm、温度-162℃升至0℃的条件下气化，释放出约8.41×105 kJ/t的冷量，释放冷量十分可观。而前述大型远洋商船LNG燃料的消耗量较大，以30万吨级VLCC为代表船型的LNG动力船，每天消耗LNG可达到150m3（液态体积计）左右；LNG运输船多采用燃料锅炉，每天消耗的LNG和BOG的消耗总量达240 m3（液态体积计）左右；LNG-FSRU气化外输总量更为庞大，高峰期可达320 T/h（以天津中海油项目为例，如图1所示），因此LNG相关大型远洋商船利用或者外输LNG时存在大量高品位的LNG冷能。现阶段船舶LNG气化主要采用高温热源或者海水进行加热，不仅浪费了很多热能，而且浪费大量LNG冷能。

LNG冷能作为一种高品位的低温冷能，可以用于船舶冷能发电、船舶空调、船舶冷库和低温冷冻海水淡化等。LNG运输船、LNG动力船和LNG-FSRU数量持续快速增加，且消耗或者外输的LNG总量大，LNG气化过程释放的冷量多，如果对其开展冷能开发利用，未来将在整个航运市场产生巨大的经济效益。

1 国内外研究现状

利用LNG冷能发电，现已发展出包括直接膨胀法、二次冷媒朗肯循环法、布雷顿循环法等。图2所示为利用LNG冷能的二次冷媒法朗肯循环发电。LNG与经过膨胀机膨胀后的低压冷媒（如R290、R170）蒸汽在冷凝器中换热，冷媒凝结成液相；低压冷媒液体经泵加压后，采用工业余热（锅炉烟气等）加热成高压气体；高压蒸汽经膨胀机变成低压气体，同时，膨胀机带动发电机发电。

海水淡化技术主要分为蒸馏法、膜法和冷冻法。现在大型远洋商船上多采用蒸馏法进行海水淡化，能耗较高，维护相对麻烦。而采用LNG冷能进行低温冷冻法海水淡化，能够有效降低设备能耗。目前，以上海交通大学为代表，对LNG低温冷冻法海水淡化进行了机理研究，为低温冷冻法海水淡化提供了一定的理论基础。但市场上缺乏有效可行的低温冷冻法海水淡化设备，尤其适用于大型远洋商船的海水淡化装置更是匮乏，因此亟待开发低温冷冻法海水淡化装置，以满足市场需求。

LNG冷能空调和冷库，通常采用冷媒与低温LNG换热，携带冷量供应至空调或冷库应用。国内外在该方面做了大量的理论研究工作。哈工大热泵空调研究所对LNG冷能用于冷库制冷性能进行热力学分析和经济性分析，以提高冷㶲利用效率。H.I. Nabih建立了一种分析空气温度、流率、环境热负荷变化对LNG冷能用于空气冷却影响的数学模型，发展了LNG冷能用于空调与冷库的理论基础。以上研究为LNG冷能在冷库和空调的实际应用提供了坚实的理论基础。

此外，近几年利用LNG冷能进行精馏法空气分离和低温粉碎技术也得到较快的发展，目前多设想在大型LNG接收站开展上述项目。但低温精馏法空气分离和低温粉碎设备通常较大，原料和产品的储藏占地较大，在移动物体船舶上开展具有一定条件限制。

LNG冷能利用技术应用前景广阔，但由于研究起步较晚，目前仅在陆地上的LNG接收站开展初步应用。国外方面，日本在接收站冷能利用领域处于领先地位，其东京湾根岸接收站将冷能综合用于空气分离、制取干冰、冷能发电、冷库。法国FOS-SUR-MER LNG接收站冷能回收系统实现了冷能高效用于空气分离。国内方面，福建莆田开展了我国第一个LNG接收站冷能利用项目，之后该接收站又进行了深冷分离精细胶粉生产项目。华南理工大学边海军根据某LNG卫星气化站的冷能情况，提出了包括冷库项目、冷能发电、深冷粉碎和室内滑冰场和冷水空调的利用方案，并对方案进行了经济技术指标分析。

2 LNG冷能利用方式

针对目前LNG动力船将LNG送至主机（双燃料柴油机或者燃料锅炉）利用或者气化外输时，直接采用高温热源加热，大量冷能未加以利用，造成极大的浪费。LNG冷能在大型远洋船舶的研究与应用，许多关键技术尚未得到有效解决，目前尚无实例应用，项目以大型超级油轮船VLCC（LNG动力船代表船型）为研究对象分别开展了相关研究。

2.1 LNG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3所示的冷能梯级总体利用方案。

万华化学集团股份有限公司是领先的丙烯、异丁烷及其衍生物制造商，主营产品包括异氰酸酯（MDI，TDI，ADI），丙烯，环氧丙烷（PO），叔丁醇（TBA），甲基叔丁基醚（MTBE），丙烯酸/丙烯酸酯（AA/AE），正丁醇、新戊二醇（NPG），液化丙烷，液化丁烷和液化石油气（LPG）。

在总体方案的设计基础上，通过化工流程模拟软件Aspen HYSYS进行方案模拟和设计，最终得到LNG动力船、LNG运输船和LNG-FSRU具体冷能梯级利用方案。图4所示为VLCC船为代表的LNG动力船冷能综合利用方案流程图。

为提高方案LNG冷能利用的效率，同时优选更为合理的冷媒工质，以㶲为目标函数，对系统进行计算与分析，确定系统方案最佳的参数设置和冷媒选择，最终得到不同船型的LNG冷能高效利用方案。图5为LNG动力船冷能利用方案部分关键参数优化计算过程。

为详细表征不同工况下各船型冷能利用系统的运行状态，在方案优化过程中，充分考虑各船型不同负载、近海与远洋状态、不同季节等影响因素，得到了全面的工况参数，可为后续模拟软件的开发或相关船舶的设计提供大量的数据支持。

2.2船舶空调和船舶冷库优化设计

现阶段船舶空调和船舶冷库多采用蒸汽压缩式制冷（制热）模式，为实现LNG冷能替代电能运行方式，设计了LNG冷能船舶空调和船舶冷库系统方案，为船舶空调和船舶冷库的设计或改造提供参考。船舶LNG冷能空调系统采用LNG冷能换热器与蒸汽式换热器并列布置，可应对各种运行工况，同时反馈调节系统可根据房间温度，调节冷媒流量，从而稳定控制送风温度。冷库采用盘管式换热器，具体如图6所示。该种设计方法，可使冷库内空气依靠自然对流，实现换热过程。

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Aspen HYSYS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7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。

2.4 LNG冷能发电方案设计

根据不同船型LNG冷量的供应情况，在满足船舶空调、船舶冷库和海水淡化等冷量硬需求的条件下，将富余冷量用于发电，增大LNG冷能的经济效益。为此，针对LNG动力船设计了发电-空调方案，针对LNG运输船设计了纵向两级朗发电环方案，针对LNG-FSRU设计了横向两级朗肯循环发电方案。通过模拟计算，得出最佳参数设置，并进行相关的设备选型，为船舶LNG冷能发电提供了应用基础。

2.5模拟软件开发

LNG冷能利用系统受船舶运行工况、季节变化等因素影响显著，为表征不同工况下冷能利用系统的运行状态，并推广LNG冷能利用技术，开发了船舶LNG冷能利用模拟软件，部分界面如图8所示。系统采用Aspen HYSYS模拟数据支持，可全面展示LNG动力船冷能利用系统近岸与远洋状态、不同季节、不同负载条件下的运行情况，为未来LNG冷能利用船舶的设计提供相关技术支持，同时可为相关技术人员提供技术培训。

3 经济效益分析

以LNG动力船、LNG运输船、LNG-FSRU为研究对象，开展上述研究工作，成功解决了LNG冷能在大型远洋船舶上的相关应用问题。研究成果可为船东和船舶经营管理公司、船舶设计建造行业及LNG冷能产品生产行业提供技术支持，具体体现在以下几个方面。

3.1船舶LNG冷能应用可节约大量燃油消耗成本

研究成果解决了LNG冷能在大型远洋商船上的应用技术问题，使得在大型船舶上利用LNG冷能开展船舶空调、船舶冷库和低温发电等成为可能，可有效减少船舶发电燃油的消耗量，从而大量降低了船舶燃料的消耗成本。以LNG动力船（大型VLCC概念船）为例，船舶空调每年可节约燃油消耗成本30万元左右，船舶冷库可节约燃油成本10余万，再考虑到冷能发电，该船型LNG冷能利用系统每年可产生100万元左右的经济效益，具体效益分布见图9所示。而其他大型远洋商船LNG气化量更大，效益更为显著。

另外，LNG动力船、LNG运输船、LNG-FSRU数量规模呈现持续快速增长的趋势，未来LNG冷能在船舶上的发展潜力将会更为巨大，对整个航运市场产生的经济效益将十分显著。同时，LNG冷能的大量应用，减少了燃油废气的排放，有利于环境保护，符合绿色航运的发展趋势。

3.2为新造大型LNG相关船舶提供设计参考

未来LNG冷能在船舶将逐步得到应用，本研究可为新造LNG相关船舶提供设计参考，符合未来船舶发展需求。根据提出的LNG冷能梯级利用方案，LNG相关船舶的建造可以规划冷能利用系统的空间布置，方便船舶上开展、升级和改造LNG冷能利用系统。另一方面，研究优化设计了船舶冷库、船舶空调系统，开发了低温冷冻法海水淡化工艺，可作为新建或现有船舶运行系统的改造参考。

3.3满足冷能利用产品市场需求

作为冷能产业链重要的一环，LNG冷能利用装置目前市场需求量大，但由于研究起步晚，现阶段该类产品多处于空白阶段。开发的一种基于间接冷冻法船舶LNG冷能海水淡化装置，可作为冷能产品推向市场，具有较大的市场销售潜力。随着LNG冷能逐步开展应用，相关冷能利用装置如船舶空调和冷库LNG冷能换热器、船用低温空分装置等需求量迅速增大。加大该方面的研究，开发相关产品，未来可产生可观的经济效益。

在大型远洋商船可将LNG冷能梯级利用于冷能发电、船舶空调、船舶冷库等，一方面可节约大量的燃油消耗成本，产生巨大直接的经济效益，另一方面可减少燃油废气的排放，有利于环境保护，符合绿色航运的发展方向，具有深刻的社会意义。

以中远海运集团某LNG船为例进行冷能利用系统产生的经济效益，如表1所示，每年节约电量约为1.886×106 kW·h，节约成本约413.8万元。对像拥有众多LNG大型船舶的中远海运集团，开展LNG冷能技术的研究和实际应用，可以降低船舶营运成本，为集团产生更多的经济效益，具有更重要的经济意义。

说明，节电指节约电量，单位为104 kW•h；效益指经济效益，单位为万元；产水量单位为103吨。

4 结束语

综上所述，LNG冷能作为一种高品位的能量，可用于发电、空调、冷库、海水淡化、空气分离和橡胶粉碎等，但由于国内外研究起步较晚，目前的仅在在陆地上的LNG接收站初步开展应用，发展潜力较大。作为LNG冷能重要的产生领域—LNG相关大型远洋商船，现在基本处于空白研究阶段，LNG冷能在船舶具有多种应用形式，可用于船舶空调、船舶冷库、低温发电，具有广阔的应用空间和应用价值。

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Research on Cold Energy Utilization Technology for LNG Fuel Ship

Wang Fuqiu, Wang Qiang, Li Boyang

（Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071,Shandong, China）

U664

A

1003-4862（2018）01-0055-06

2017-10-15

王福秋（1969-），男，硕士，讲师。研究方向：轮机工程。