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LNG冷能船舶应用探讨

新闻来源:中国船检    浏览量:440 中国船检 2018-01-15
        目前,国内在船舶LNG冷能利用方面的研究主要集中于船上制冷系统,LNG冷能作为冷库或空调系统的冷源,将载冷剂冷却到一定温度后经过管道进入冷冻和冷藏室、空调系统,通过冷却盘管等方式释放冷能,实现对货物和空气的冷却。在具体工程应用中还可按LNG气化过程中的不同温度等级,采用不同的载冷剂进行换冷后分别对温度要求不同的船舶空间进行制冷,这样可大幅提高冷能利用效率。
        ■ LNG冷能船舶应用实例
        以某艘9000m3江海直达冷藏运输船为应用实例,从概况、LNG冷能利用初步方案、载冷剂的选择、简单经济性分析四个方面进行介绍。
        首先,该船设计航速为13km/h,初步设计方案中拟采用纯气体机,推进方式采用电力推进,其船舶电站采用三台1200KW发电机组,正常航行工况下以总功率的80%状态运行。该船冷藏舱的总舱容约为9000m3,冷冻库温度为-18℃,冷藏库温度为+4℃。采用螺杆压缩式制冷,配备4台制冷压缩机,由电机直接驱动,单台电机功率为90KW,日常维持冷库保温只需2台~3台压缩机工作。另外,空调温度为+20℃,所采用的冷水空调所需电功率为50KW左右。
        其次,关于LNG冷能利用初步方案,LNG冷能利用首要考虑满足冷库的供冷保温,同时为提高冷能的利用效率,采用梯级利用的方式兼顾冷水空调系统的供冷需求。根据该船的实际情况,LNG气化冷能全部替代冷库和空调的电压缩制冷系统不现实,但可在基本保留原有货物冷藏制冷回路和空调制冷回路的基础上,增加LNG冷能利用的循环回路,即LNG的冷能回收与船上压缩机制冷系统相对独立。气化冷能不可使用时,压缩机制冷系统正常工作;冷能可利用时,作为冷库和空调制冷的补充,降低压缩机制冷系统的负载或者停用一台压缩机组。其初步方案的原理示意图如图1。
      (1)LNG冷能换热循环
        如图1所示,LNG燃料流程为,-162℃、0.8MPa的LNG从LNG 燃料罐输出,进入一级换热器与载冷剂R404A换热,温度升到-40℃左右,再进入二级换热器与载冷剂60%乙醇水溶液换热,温度达到0℃左右,最后通过气化/加热器适当加热后,温度一般达到20℃左右后输送至用气设备。冷能用作货物冷藏流程时,载冷剂R404A先进入一级换热器降温到-50℃,压力保持不变,进入货物冷冻库中换热,温度升高到-20℃,然后再进入冷藏库中换热,温度升到0℃,最后回到一级换热器,循环过程中设置载冷剂罐收集、存储载冷剂。冷能用作空调流程时,载冷剂60%乙二醇水溶液先在二级换热器中进行换热使其温度降至5℃左右,然后进入空调送风处与空气进行换热,载冷剂温度升高到15℃左右,最后回到二级换热器进行循环。
      (2)可利用冷能量计算
        根据本船推进方案的实际情况,正常航行状态下3台1200KW气体发动机以80%负荷运转,LNG消耗率平均按0.2kg/kwh计算,则单位时间LNG的消耗量约为576kg/h。
        对于一级换热循环,燃料罐里的液化天然气在液态饱和温度-162℃,101.3KPa的状态下由储罐压力输送至一级气化器,被加热到饱和蒸气-40℃,该过程不仅发生相变吸热,也发生温升吸热。该部分冷能量基本为冷冻库和冷藏库所用,其冷能Q1为121.4kw。 对于二级换热循环,天然气从饱和蒸气-40℃被加热到0℃,吸热量Q2为14.2kw。
      (3)换热环节换热不充分的补偿
        该船设计为江海直达船,营运港口包括北方地区的港口,其冬季气温较低,如葫芦岛港的冬季平均最低气温在-8℃左右。环境温度偏低可能导致两级换热循环的换热过程不充分,由于换热循环的换热不仅关系到LNG冷能的回收利用,也是LNG燃料气化和供应的重要环节,如环境等原因造成燃料气化效果不佳而不能保证对发动机的正常供气,需采取补偿措施来弥补,如设置额外的加热环节或加强已有加热器的换热能力。
        第三,在载冷剂的选择方面,如何将LNG蕴含的冷能安全且高效转移到冷库中,需要选择恰当的载冷剂或制冷剂,陆上常用的载冷剂有很多种,如R22、R404A、R134、丁烷、丙烷、液氨、水、盐水以及水/乙二醇等。其中,R22、R404A、R134、以及丁烷、丙烷、液氨等载冷剂工作时存在一个从气态冷却到液态,再从液态膨胀汽化成气态吸热,降低冷库温度的过程,属于相变载冷剂;水、盐水、水/乙二醇混合物工作时均为液态,通过吸热升温,放热降温的循环过程进行制冷,属于无相变载冷剂。
        由于一级载冷剂是和LNG换热,LNG初始温度为-162℃左右,换热后温度大致在-40℃左右,因此一级载冷剂的凝固点最高应该在-100℃左右,如太高则在换热过程中载冷剂容易凝固而阻塞管路。另外为了尽可能多的回收LNG的冷量,应选择相变载冷剂作一级载冷剂,综合考虑选择R404A作为一级载冷剂; 二级载冷剂主要是接收LNG气体-40℃~0℃温升的冷量,并与船舶空调的制冷介质换热,传递的冷量较小,所以选择60%乙二醇水溶液作为二级载冷剂,其凝固点大致为-48℃。
        最后,根据前述计算可知,该冷藏船正常航行时用于冷库的LNG冷能率为121.4kW,用于空调的LNG冷能率为14.2kw,总计135.6kw。若该船以每天运行20小时、每年运行300天计,则每年该船可以利用的冷能量为813600kwh。按电制冷的压缩机制冷效率1:2.5计算,每年可利用冷能折合电能约为325440度。同样按船上发电LNG消耗率200g/kwh计算,则每年约可节约65吨LNG,目前国内LNG市场价(2017年9月)约为3000元/吨,所以该船每年在冷能回收利用方面可节约营运成本约为19.5万元。当然,需要在其寿命周期内扣除冷能利用系统的设置费用。
        ■ 重点关注的问题
        从实际应用来看,LNG冷能应用于船舶冷藏和空调的系统一般需根据船舶动力大小、冷藏和/或空调的制冷需求在工程热力学计算基础上进行合理设计,并选取合适的换热器型式。除此之外,船舶开展LNG冷能利用时需对以下问题给予重点关注:
        一是LNG冷能利用系统的使用应保证在船舶航行期间不会对LNG燃料的正常气化和供应产生不良影响。
        二是在LNG冷能与各级制冷回路的换热环节,需考虑采取有效的措施防止LNG气体进入制冷回路而导致制冷管路受损或使其随制冷管路泄漏至火灾易发区域。
        三是制冷回路载冷剂的选择应考虑以下几点:①为确保系统的安全,用于循环回路中的载冷剂原则上应不具易燃易爆性、无毒性且对钢材无腐蚀性,以免破坏设备发生泄漏。②凝固点应较低,使其在换热过程中不容易凝固而阻塞管路。同时因为载冷剂的蒸发压力低于大气压力时,循环回路内部产生负压,空气或泄漏的LNG气体容易侵入,影响系统正常运转,因此所选载冷剂应蒸发压力大、沸点高。③化学性质稳定,载冷剂在循环过程中,只发生物理变化,不发生化学变化,不起分解作用。④尽量选择价格相对较低且对环境无害、不破坏臭氧层及温室效应低的载冷剂。
        四是各级制冷回路中的管路、阀件等应根据载冷剂的工作温度范围采用合适的耐低温材料,并考虑制冷回路的低温管系等不会对周边船体结构造成低温损伤。
        五是船舶冷能利用系统并不能完全替代船舶已有的冷藏和空调系统,一般是作为辅助装置与已有系统同时工作,所以在设置冷能利用系统时应考虑与已有系统的集成控制问题,应使冷能利用系统最大限度发挥作用。
        通过9000m3江海直达冷藏运输船的冷能利用实例探讨,我们认为,LNG燃料的冷能回收和利用在船舶上是可行的,船舶的LNG冷能利用不仅能体现LNG燃料的绿色环保性,而且可为船舶带来一定的经济效益。实际应用中,可根据船舶类型和船舶主、辅机功率大小等确定LNG冷能利用方案,尤其可在船舶的冷藏或/和空调系统中发挥LNG冷能的作用。(本文作者:马丹  甘少炜  秦傲寒)
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