周瑞佳，李品友

(上海海事大學(xué)，上海 201306）

BOG冷能在LNG船上的綜合利用研究①

周瑞佳1，李品友2

(上海海事大學(xué)，上海 201306）

針對(duì)LNG船舶每日產(chǎn)生的低溫蒸發(fā)氣的冷能浪費(fèi)問(wèn)題，提出了通過(guò)利用氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平技術(shù)和冷能的梯級(jí)利用，回收這部分原本被浪費(fèi)的冷能來(lái)發(fā)電，這部分冷能還能用來(lái)供給冷庫(kù)用以制冷，同時(shí)升高蒸發(fā)氣的溫度供給燃燒，可以起到提高經(jīng)濟(jì)性及合理利用能源的目的。該文將為冷能綜合利用技術(shù)在LNG船上實(shí)際應(yīng)用建立理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

BOG冷能利用;LNG船;冷能發(fā)電;冷能梯級(jí)利用

1 BOG冷能利用的依據(jù)

近年來(lái)，由于人類(lèi)對(duì)石油資源的過(guò)分依賴，全球范圍內(nèi)可供開(kāi)采的石油也日益減少，國(guó)際原油價(jià)格也隨之水漲船高。據(jù)估計(jì)，天然氣這一“清潔能源”將在2020年左右超過(guò)石油和煤炭，成為人類(lèi)依賴的最主要能源。天然氣的運(yùn)輸也隨之受到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。作為國(guó)際間、地區(qū)間運(yùn)輸天然氣的唯一途徑，LNG船自然而然地成為了航運(yùn)界的“海上明珠”。但目前國(guó)內(nèi)外，LNG船舶的冷能利用現(xiàn)狀相比于陸上，可以說(shuō)幾乎處于空白狀態(tài)。眾所周知，天然氣常溫常壓下是氣體狀態(tài)，其主要成分是甲烷。天然氣資源在世界各地分布也極不均勻，除了在靠近天然氣站的一定范圍內(nèi)可能通過(guò)管道來(lái)運(yùn)輸天然氣外，國(guó)家與國(guó)家、地區(qū)與地區(qū)之間運(yùn)送天然氣，往往就需要通過(guò)LNG船舶來(lái)運(yùn)輸。2010年全球液化天然氣貿(mào)易量達(dá)到了2.188億t，比2009年增加了22.6%。

液化天然氣是將常溫常壓下處于氣體狀態(tài)的天然氣進(jìn)行降溫，使之在0.1 MPa、－163℃時(shí)液化成液體，稱之為液化天然氣。而LNG船舶就是將液化了的天然氣貯存在經(jīng)過(guò)特殊處理的液貨艙室內(nèi)，該液貨艙除了要起到承裝液貨的作用外，還必須盡可能的隔絕外界熱量通過(guò)艙壁傳入液貨艙內(nèi)部，使儲(chǔ)運(yùn)的液化天然氣溫度升高，再次蒸發(fā)。

盡管如此，覆蓋有隔熱材料的液貨艙仍無(wú)法做到完全隔絕外部熱量進(jìn)入，所以液化天然氣的蒸發(fā)在所難免。通常一個(gè)管理良好的液貨艙在營(yíng)運(yùn)期間每天所產(chǎn)生的蒸發(fā)氣量占該液貨艙體積的0.15%。以一艘液貨艙容積為20萬(wàn)m3的LNG船為例，每天所產(chǎn)生的蒸發(fā)氣就有300 m3之多，若LNG擁有的冷能能以100%的效率轉(zhuǎn)化為電能，那么1 t LNG的冷能相當(dāng)于160 kW·h的電能［1］。以LNG密度為450 kg/m3來(lái)計(jì)算，理論上最高每天可以獲得32 400 kW·h電能。由此可見(jiàn)，這部分蒸發(fā)氣所攜帶的冷能如若浪費(fèi)，勢(shì)必造成能量的巨大損失。

近些年來(lái)，隨著船舶柴油機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，柴油機(jī)相比于蒸汽輪機(jī)在性能上的優(yōu)勢(shì)日益明顯，也有提出運(yùn)用低速柴油機(jī)搭配再液化裝置作為L(zhǎng)NG船舶的主推進(jìn)動(dòng)力裝置，并且在實(shí)船上也得到了應(yīng)用。但是由于添加一套再液化裝置在船舶建造的初期階段投入巨大，再加上再液化裝置的可靠性及技術(shù)成熟度仍有待實(shí)踐的考驗(yàn)，因此，無(wú)論是已經(jīng)投入營(yíng)運(yùn)的，還是正在建造的國(guó)內(nèi)外LNG船舶，絕大多數(shù)采用蒸汽輪機(jī)搭配雙燃料主鍋爐作為其首選的主推進(jìn)動(dòng)力裝置。

然而，作為雙燃料主鍋爐燃料之一的LNG蒸發(fā)氣，其從液貨艙中抽出時(shí)的溫度仍然非常低。約為－160～－150℃，不能直接作為燃料供主鍋爐燃燒。通常實(shí)船上往往利用海水或電加熱將這部分低溫蒸發(fā)氣溫度升高到可供鍋爐使用的范圍內(nèi)，而作為熱源的海水在帶走蒸發(fā)氣的冷能后往往不經(jīng)利用就直接排放入大海中，造成能源的巨大浪費(fèi)。

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)LNG冷能利用的研究很多，但絕大多數(shù)都只停留在岸上LNG接收站的冷能利用，而LNG船上的冷能利用幾乎處于空白。比如上海交通大學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)的LNG冷能利用研究，取得了一系列的成果［1-3］。清華大學(xué)聯(lián)合中海油進(jìn)行了實(shí)際的冷能利用項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，同濟(jì)大學(xué)很早進(jìn)行了冷能利用原理及方法的探索［4］，華南理工大學(xué)進(jìn)行了冷能優(yōu)化集成利用方面的研究［5-7］，西安交通大學(xué)進(jìn)行了冷能評(píng)價(jià)分析及在汽車(chē)工藝上的技術(shù)研發(fā)［8-9］，上海海事大學(xué)進(jìn)行了LNG冷能的蓄冷及梯級(jí)利用方面的研究［10-11］。

國(guó)外已對(duì)LNG冷能的應(yīng)用展開(kāi)了廣泛、深入的研究，并在冷能發(fā)電、冷凍食品、空氣液化，制取干冰以及低溫粉碎方面獲得應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常明顯［12］。LNG冷能利用已相當(dāng)成熟，世界上多個(gè)國(guó)家都采用了LNG冷能利用技術(shù)，日本就已經(jīng)利用LNG冷能進(jìn)行空氣分離、發(fā)電、干冰制造和冷庫(kù)冷藏，利用LNG發(fā)電至今已有超過(guò)30年的歷史［13-16］。

在國(guó)內(nèi)外新設(shè)計(jì)的LNG船中，有將液貨艙中抽出的低溫蒸發(fā)氣用來(lái)冷卻汽輪機(jī)出口蒸汽的應(yīng)用，試圖通過(guò)此舉來(lái)提高經(jīng)濟(jì)性，但這種做法沒(méi)有考慮到能量在“質(zhì)”方面的不同。低溫蒸發(fā)氣溫度接近－160℃，而環(huán)境溫度通常可以認(rèn)為是20℃，這中間存在著近180°C的溫差。從能量“質(zhì)”和“量”的角度分析，將這部分冷能僅僅用在冷凝蒸汽上，冷能無(wú)法得到充分的利用。

基于上述背景，本文提出的研究方法，是將這部分高品位的冷能，通過(guò)氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平技術(shù)來(lái)發(fā)電，并且采用能量的梯級(jí)利用原理，逐級(jí)依據(jù)蒸發(fā)氣溫度不同，能量品位不同，做到能量的最高效利用，同時(shí)也提高經(jīng)濟(jì)性。

這種LNG船蒸發(fā)氣冷能利用技術(shù)，在實(shí)船上運(yùn)用，具有以下優(yōu)點(diǎn):

1.不消耗額外能量，僅利用液貨艙蒸發(fā)氣自身攜帶的冷能發(fā)電，節(jié)能環(huán)保;

2.優(yōu)于實(shí)船上現(xiàn)有的冷能利用技術(shù)，更好地利用冷能的做功能力;

3.在冷能發(fā)電的同時(shí)，加熱蒸發(fā)氣，使之達(dá)到鍋爐的使用溫度，供給燃燒，省去了原先的蒸發(fā)氣加熱裝置，減少設(shè)備投入;

4.冷能的梯級(jí)利用，可冷凝汽輪機(jī)出口蒸汽，提高汽輪機(jī)的效率;

5.還可供給冷庫(kù)冷量，減少制冷壓縮機(jī)的工作時(shí)間，降低營(yíng)運(yùn)成本。

2 BOG冷能利用的研究方向

2.1 蒸發(fā)氣冷能發(fā)電技術(shù)在LNG船上應(yīng)用的研究

圖1 氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Nitrogen closed cycle gas turbine system diagram

BOG冷能發(fā)電技術(shù)采用氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平技術(shù)，如圖1所示為利用氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)由壓縮機(jī)、氮?dú)馔钙?、熱交換器等組成。系統(tǒng)主循環(huán)中用BOG冷量冷卻壓縮機(jī)進(jìn)口氣體，使得壓縮機(jī)進(jìn)口氣體溫度降低，使壓縮機(jī)在達(dá)到相同增壓比情況下耗功降低，高壓氮?dú)饨?jīng)加熱器加熱進(jìn)入氣體透平膨脹做功，對(duì)外輸出電能。其中加熱器的熱源可以來(lái)自海水，也可以來(lái)自汽輪機(jī)出口蒸汽，這樣做既不消耗額外電能，也可以冷凝蒸汽，節(jié)能環(huán)保。

2.2 冷能梯級(jí)利用在LNG船上的高效合理化方案研究

冷能的梯級(jí)利用主要體現(xiàn)在從氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平系統(tǒng)出來(lái)的高溫BOG仍然帶有一定量的冷量，這部分冷量要是能夠得到合理的利用，對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)冷能利用率有著相當(dāng)大的作用。本項(xiàng)目的冷能梯級(jí)利用是考慮將帶有一定冷量的BOG依次通過(guò)冷庫(kù)盤(pán)管、蒸汽冷凝器，起到給冷庫(kù)制冷、減少制冷壓縮機(jī)工作時(shí)間，冷凝汽輪機(jī)出口蒸汽的作用。這樣做的目的一方面可以利用到這部分BOG的冷量，另一方面可以降低能耗，節(jié)能環(huán)保。冷能梯級(jí)利用的具體方案，則根據(jù)系統(tǒng)提高 (火用）效率，減少 (火用）損失來(lái)具體設(shè)計(jì)。冷能梯級(jí)利用系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 冷能梯級(jí)利用系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Cold energy cascade utilization system diagram

2.3 氣—?dú)飧咝Q熱裝置的研究

由于氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平技術(shù)采用的是低溫BOG氣體與高溫氮?dú)膺M(jìn)行冷量交換，所以在系統(tǒng)氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)，我們還需要找到一個(gè)高效的氣—?dú)鈸Q熱裝置，對(duì)該裝置的要求是換熱效率高、占地小、密封性好。所以尋找一個(gè)高效的換熱裝置是提高整個(gè)系統(tǒng)冷能利用率的關(guān)鍵所在。

2.4 蒸發(fā)氣與循環(huán)介質(zhì)之間 (火用）效率的研究

本項(xiàng)目對(duì)BOG冷能在LNG船上的綜合利用，其關(guān)鍵就是利用氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平系統(tǒng)進(jìn)行冷能發(fā)電，所以研究氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平系統(tǒng)

(火用）效率的重要性不言而喻。這里采用 (火用）分析方法主要是因?yàn)榈蜏?BOG氣體溫度接近－160℃，如果只是從“量”的角度考慮熱效率，就忽略了其在“質(zhì)”方面的特點(diǎn)。對(duì)氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平系統(tǒng) (火用）效率的研究，可以更加直觀地反映冷能的利用情況，對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的冷能利用率起到明顯的導(dǎo)向作用。

3 BOG冷能利用需解決的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平系統(tǒng)的冷能發(fā)電技術(shù)在LNG船舶上應(yīng)用拓展

由于目前LNG實(shí)船上尚未應(yīng)用過(guò)冷能發(fā)電技術(shù)，氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平系統(tǒng)的冷能發(fā)電技術(shù)只有在美國(guó)的一些液化天然氣站得到應(yīng)用，其核心技術(shù)我國(guó)尚未掌握，所以也是本項(xiàng)目所需要攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)之一。氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，除了要考慮到系統(tǒng) (火用）效率的高低外，還必須考慮到其在LNG船上的安全性、可靠性以及維護(hù)管理簡(jiǎn)單。一套考慮周全的氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平系統(tǒng)將是本項(xiàng)目研究的重中之重。

3.2 冷能在LNG船上梯級(jí)利用方案的探索

冷能的梯級(jí)利用是為了彌補(bǔ)冷能在發(fā)電以后所剩余部分的冷能，將其從“量”和“質(zhì)”兩方面綜合考慮，應(yīng)用于冷庫(kù)制冷和冷凝蒸汽。冷能的梯級(jí)利用既要兼顧效率，又要兼顧運(yùn)營(yíng)成本。在與LNG船上其他設(shè)備配套使用的情況下，既要達(dá)到冷能利用降低能耗的目的，又要與原系統(tǒng)搭配良好，達(dá)到預(yù)先效果又可互為備用。同時(shí)，冷能梯級(jí)利用方案設(shè)計(jì)還必須考慮到LNG船在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中船舶處于各個(gè)典型工況的實(shí)際情況，冷量有多有少，消耗量也有多有少，綜合各方面因素做出最優(yōu)化方案。所以冷能梯級(jí)利用的方案設(shè)計(jì)，將是決定冷能綜合利用好壞的關(guān)鍵。

3.3 氣—?dú)飧咝Q熱裝置的研究

氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平技術(shù)采用的是低溫BOG氣體與高溫氮?dú)膺M(jìn)行冷量交換，換熱裝置的好壞決定著整個(gè)循環(huán)冷能綜合利用的好壞。但是換熱裝置的選擇也有其困難之處。首先它屬于氣—?dú)鈸Q熱，不同于液體之間的換熱，換熱器的選擇就受到很大程度的限制;其次換熱器的材料也十分特殊，低溫BOG氣體接近－160℃，在如此低溫的條件下，換熱器材料既要保證換熱效果，還要保證材料的低溫性能，必須能滿足低溫情況下具有足夠的強(qiáng)度，且保證密封性，不允許天然氣泄漏;再次，換熱器的選擇不僅僅考慮到換熱本身，還需要其他輔助設(shè)備來(lái)保證其正常工作，比如氣體除濕、除雜等等。因此氣—?dú)飧咝Q熱裝置的研究是提高整個(gè)系統(tǒng)冷能利用率的前提。

4 BOG冷能利用的特點(diǎn)與面臨的瓶頸

BOG冷能在LNG船上的綜合利用相對(duì)于目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和LNG實(shí)船應(yīng)用，本身就是一個(gè)創(chuàng)新，它發(fā)現(xiàn)了在LNG船上冷能利用的巨大潛力，并且通過(guò)氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平技術(shù)來(lái)冷能發(fā)電，加上冷能梯級(jí)利用技術(shù)，將這部分原本被浪費(fèi)的能源加以利用，既節(jié)約了能源又降低了運(yùn)營(yíng)成本，一舉多得。

雖然對(duì)LNG冷能的梯級(jí)利用方案的研究，是對(duì)LNG冷量合理利用的有益探討，但在實(shí)施時(shí)，還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性、安全性、穩(wěn)定性等。LNG冷能的梯級(jí)利用，往往涉及跨度很大的多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，因此，即使在LNG岸站碼頭，其冷能的充分合理利用也受到限制，因?yàn)殡y以找到對(duì)所有這些領(lǐng)域都感興趣的投資商來(lái)同時(shí)投資所有項(xiàng)目;此外，由于很難保證各項(xiàng)目均在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，各利用項(xiàng)目之間相互牽制，可能成為制約項(xiàng)目正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素。因此，雖然眾多梯級(jí)利用方案在理論上可以得到較高的冷能回收率，但實(shí)施這些方案時(shí)還需要慎重考慮方案的可行性。比較務(wù)實(shí)的冷能利用方案，還是以“成熟一個(gè)，發(fā)展一個(gè)”的原則來(lái)考慮，這樣，雖然較難獲得很高的冷能回收率，但有利用比沒(méi)有利用是質(zhì)的提高，對(duì)進(jìn)一步發(fā)展BOG冷能利用具有促進(jìn)作用。

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Com prehensive Utilization of BOG＇s Cold Energy in LNG Ship

ZHOU Ruijia1，LIPinyou2

(Shanghai Maritime University，Shanghai201306，China）

The essay aiming at cold energy＇s wasted phenomenon in LNG ships＇BOG comes up with the utilization of nitrogen closed cycle＇s turbine technology and cold energy＇s cascade use to recycle this cold energy for generating.This part of cold energy can also be used at supply cold store for refrigeration，and elevate BOG＇s temperature for combustion.This method can improve economy and optimally utilize energy.The essay establishes the theoreticaland technical basis for practical application in LNG ships＇cold energy comprehensive utilization.

utilization of BOG＇s cold energy;LNG ship;generation from cold energy;cascade utilization of cold energy

U662.3

A

1007-7804(2012）04-0014-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2012.04.003

2012-05-07

周瑞佳 (1988），男，上海海事大學(xué)碩士研究生在讀，主要從事LNG船舶冷能綜合利用研究。