劉東進

LNG燃料動力船用熱交換器適用性分析

劉東進

（張家港中集圣達因低溫裝備有限公司，江蘇 張家港 215632）

在LNG燃料船動力系統(tǒng)中，熱交換器是關系到整個系統(tǒng)工藝流程實現(xiàn)的重要過程設備，同時也是影響整個系統(tǒng)裝置能否與發(fā)動機匹配的關鍵設備。本文通過對不同種類熱交換器的分析與對比，給出了LNG燃料動力船用熱交換器的適用性建議。

LNG燃料動力船； 熱交換器； 適用性

據(jù)權威研究報告，世界航運業(yè)每年消耗燃油排放超過12億t二氧化碳，約占全球總排放量6%。隨著國際海事組織制定的“船舶污染防治國際公約”和“限硫令”的全面實施，全球減排與低碳趨勢已將航運業(yè)推向風口浪尖。在尋求節(jié)能減排新路徑中，液化天然氣（LNG）以其環(huán)境效益顯著的優(yōu)勢，成為了未來船用燃料的首選。在LNG燃料船動力系統(tǒng)中（如圖1），熱交換器是關系到整個系統(tǒng)工藝流程實現(xiàn)的重要過程設備，同時也是影響整個系統(tǒng)裝置能否與發(fā)動機匹配的關鍵設備?？紤]到船舶特殊的使用條件，對熱交換器的選用及安全性能等方面提出了更高的要求。

圖1 典型的LNG燃料船動力系統(tǒng)

1 熱交換器的種類及特點

熱交換器是把熱量從一種介質傳遞給另一種介質的設備，其種類很多，可按傳熱過程、介質數(shù)、結構特征等進行分類。不同分類方式的側重點不同，目前LNG燃料船動力系統(tǒng)中常用的熱交換器主要有以下幾種。

1.1 空氣加熱型氣化器

空氣加熱型氣化器，俗稱空溫式氣化器，是通過換熱管道從大氣中獲得熱量而氣化LNG。空溫式氣化器常用于陸上LNG氣化站（圖2）和LNG撬裝加氣站（圖3），其核心部件是換熱裝置，在盡可能小的空間內從大氣中盡可能多的獲取熱能。

圖2 陸上氣化站中的空溫式氣化器

圖3 LNG撬裝氣化器

目前國內廠家生產的空溫式氣化器換熱裝置多采用鋁合金翅片管，其工作原理是：當LNG在管內流動，冷流體當中靠近翅片管內壁液體首先完成與外界熱交換而氣化成一個個微小氣泡，微小氣泡匯集成氣體，脫離出來而達到沸騰。但由于LNG與管壁接觸時間短，翅片管中上下部分管壁溫度不均勻，造成翅片管傳熱系數(shù)無太大提高，翅片管整體換熱性能未充分利用。為了達到一定的換熱量，只能增加翅片，這導致空溫式氣化器的體積往往較大。

采用空溫式氣化器，在多霧和空氣不流通的季節(jié)或在空氣溫度很低的時候，要進行連續(xù)的氣化非常困難，圖4為空溫式氣化器部分表面的結霜現(xiàn)象。為了防止氣化器的管道表面結冰，經常需要4～8 h的除霜，因此空溫式氣化器在LNG系統(tǒng)中應用受到一定的限制?？諟厥綒饣麟m有上述缺點，但由于其直接吸收大氣中熱量，不消耗水、電，運行成本低，在工業(yè)領域的應用較為廣泛。

圖4 空溫式氣化器部分表面結霜

1.2 管式熱交換器

管式熱交換器的換熱管通常為圓管，通過改變圓管的直徑、長度、排列方式等可方便地改變其幾何特征，設計靈活性較好，此類換熱器結構主要為內管外殼，所以也可以稱之為管殼式熱交換器。LNG系統(tǒng)中常用的管殼式熱交換器有以下幾種。

1.2.1 水加熱型氣化器

該類氣化器采用水作為加熱介質，水走殼程，LNG走管程，其能力主要取決于殼程水的溫度和流量。圖5為典型的電加熱水浴式氣化器結構圖。

1—電加熱器；2—加熱盤管；3—防爆電氣箱；4—氣液分離器；5—氣相出口；6—安全放散閥；7—壓力表；8—水位計；9—溫度表；10—低溫控制閥；11—液相入口；12—注水口；13—水位開關；14—溫度開關；15—保溫層；16—排水口；17—遠程控制箱。

該類氣化器安裝測試完成后，按要求加入水、防銹劑、防凍液，通電即可投入運行。水位正常時，電加熱器通電加熱；水位過低時出現(xiàn)低水位報警，同時停止氣化器工作。在冷態(tài)啟動時，氣化器內的水處于冷態(tài)，此時低溫控制閥關閉，LNG不能進入氣化器盤管內；當電加熱器工作后，水溫上升至設定溫度時，低溫控制閥打開，LNG進入氣化器并開始氣化。如果氣化器超負荷運行，并超過氣化器電加熱器的功率時，盤管內的LNG有可能來不及氣化，這時低溫控制閥會關閉，從而確保氣化器不過液。低溫時，氣化器會發(fā)出低溫報警。另外，電加熱器維持水浴溫度在設定溫度，超過設定值會停止加熱并觸發(fā)高溫報警。

1.2.2 具有中間介質傳熱流體的氣化器

該類氣化器通常采用丙烷等介質作中間傳熱流體，其傳熱過程經過兩級：第一級是丙烷和水進行換熱，第二級是LNG和丙烷進行換熱。

圖6為中間介質氣化器的工作原理。該類氣化器以海水或發(fā)動機缸套熱水作為熱源，去加熱中間介質（丙烷）并使其氣化，再用丙烷蒸氣去氣化LNG。該氣化器由兩部分組成，一部分為利用丙烷氣化冷凝的LNG氣化器，第二部分為LNG氣化成天然氣的加熱器。

圖6 中間介質氣化器工作原理

1.2.3 蒸汽加熱型氣化器

蒸汽加熱型氣化器是直接用蒸汽加熱，不再經過中間介質的換熱過渡，LNG在管內流動，蒸汽在管外流動，LNG被蒸汽加熱氣化。該類氣化器效率高、結構緊湊、可靠性好、溫度控制容易且維護方便。需要注意的是，LNG和加熱蒸汽的溫差達到300 ℃以上，在強度設計時應充分考慮這些因素的影響，避免過高熱應力。

2 船用LNG熱交換器

我國LNG燃料動力船的改裝建造尚處于起步階段，其供氣系統(tǒng)中氣化設備的主要技術特點基本上與車載LNG氣化器相同。車用氣化器一般采用水浴式氣化器，以發(fā)動機循環(huán)冷卻水做熱源即能氣化LNG，又可有效利用廢熱。水浴式氣化器是一種典型的小型管殼式結構，串聯(lián)在發(fā)動機冷卻水回路上。

現(xiàn)有船舶油改氣項目主要是針對內河流域的漁船或散貨船，噸位不是很大，如漁船大多是420 kw的發(fā)動機，相當于兩倍的公交車發(fā)動機的功率或略大于重柴車的發(fā)動機，而這些陸用車的發(fā)動機的LNG供氣系統(tǒng)大多用管殼式換熱器。此種換熱器的主要特點是占地面積小，換熱效果好且可靠性高。就使用環(huán)境而言，陸上使用環(huán)境在某些工況下比水上環(huán)境更為惡劣（在沿車輛運動方向和垂直方向，其所遭受動載荷的強度和頻率都更高）。鑒于這種換熱器已廣泛被陸地天然氣燃料車使用，用于船舶LNG燃料的氣化或二級復熱，不存在絕對的安全性問題。

國內船改氣起步階段，試驗船上大多采用的是空溫式氣化器。如前所述，空溫式氣化器換熱較為簡單，直接從大氣中吸收熱量而使LNG氣化，因此，受氣候的制約。類似于汽車，船上空間有限，尺寸大、空間有要求的空溫式氣化器也很難完全滿足發(fā)動機對氣體燃料質和量的需求。一些試驗船曾發(fā)生過管路結霜至機艙的現(xiàn)象，且此類氣化器多為鋁質材料構成，其熔點低于925 ℃，不滿足規(guī)范[1]對相關設備的材料要求。

相對空溫式氣化器，水浴式氣化器具備更強的穩(wěn)定性和可操控性。結合船舶系統(tǒng)的特點，瓦錫蘭在其供氣系統(tǒng)方案中，采用二級水浴式氣化器（圖7）。如圖7所示，第一級使LNG由液態(tài)轉化為氣態(tài)，第二級控制氣體燃料的出口溫度。該氣化器使用 水-乙二醇混合物作為換熱介質對燃料進行氣化，換熱介質（水-乙二醇混合物）從發(fā)動機的冷卻循環(huán)水中獲取熱量，與LNG燃料進行熱交換后進入其他外部冷卻用裝置進行再循環(huán)。

圖7 二級水浴式氣化器

3 結 論

1）對于我國船用LNG熱交換器的發(fā)展，在目前應用水平的基礎上，熱交換器設計制造應滿足國家頒布的有關規(guī)定，應進行換熱性能設計計算，以確保必要的氣化量和氣化器出口溫度。

2）在加熱流體介質循環(huán)不足或溫度過低時，LNG熱交換器殼內極易產生凍結現(xiàn)象，相對于陸上應用，船用LNG換熱設備在這方面應有更多的冗余設計，以確保氣化熱量的有效供給。

3）應考慮供氣管路氣化器停止工作的極端情況，可考慮使用燃料艙自增壓器作為應急燃料氣化設備，增加船舶系統(tǒng)的安全裕度。

4）通過介質溫度監(jiān)控、氣體探測、設置合理的聯(lián)鎖閥等方式，減小事故災害風險。

5）考慮到船舶布置、氣化量和氣化效率的需求，船用LNG熱交換器宜采用水浴式。

［1］中國船級社.天然氣燃料動力船舶規(guī)范[S].2017.

Analysis on Applicability of Heat Exchanger for LNG Fuelled Ships

（Zhangjiagang CIMC Sanctum Cryogenic Equipment Co., Ltd., Zhangjiagang Jiangsu 215632, China）

In the power system of LNG fuelled ships, heat exchanger is important process equipment related to the realization of the whole system process, and also key equipment affecting the matching of the whole system device with the engine. Through the analysis and comparison of different kinds of heat exchangers, some suggestions on the applicability of marine heat exchangers were put forward.

LNG fuelled ships; Heat exchanger; Applicability

2020-04-16

劉東進（1981-），男，高級工程師，江蘇省張家港市人，研究方向：LNG水上應用技術。

U665.2

A

1004-0935（2020）09-1102-03