BOG冷能在LNG船上的综合利用研究①

周瑞佳，李品友

(上海海事大学，上海 201306）

BOG冷能在LNG船上的综合利用研究①

周瑞佳1，李品友2

(上海海事大学，上海 201306）

针对LNG船舶每日产生的低温蒸发气的冷能浪费问题，提出了通过利用氮气闭式循环气体透平技术和冷能的梯级利用，回收这部分原本被浪费的冷能来发电，这部分冷能还能用来供给冷库用以制冷，同时升高蒸发气的温度供给燃烧，可以起到提高经济性及合理利用能源的目的。该文将为冷能综合利用技术在LNG船上实际应用建立理论和技术基础。

BOG冷能利用;LNG船;冷能发电;冷能梯级利用

1 BOG冷能利用的依据

近年来，由于人类对石油资源的过分依赖，全球范围内可供开采的石油也日益减少，国际原油价格也随之水涨船高。据估计，天然气这一“清洁能源”将在2020年左右超过石油和煤炭，成为人类依赖的最主要能源。天然气的运输也随之受到了世界各国的广泛关注。作为国际间、地区间运输天然气的唯一途径，LNG船自然而然地成为了航运界的“海上明珠”。但目前国内外，LNG船舶的冷能利用现状相比于陆上，可以说几乎处于空白状态。众所周知，天然气常温常压下是气体状态，其主要成分是甲烷。天然气资源在世界各地分布也极不均匀，除了在靠近天然气站的一定范围内可能通过管道来运输天然气外，国家与国家、地区与地区之间运送天然气，往往就需要通过LNG船舶来运输。2010年全球液化天然气贸易量达到了2.188亿t，比2009年增加了22.6%。

液化天然气是将常温常压下处于气体状态的天然气进行降温，使之在0.1 MPa、－163℃时液化成液体，称之为液化天然气。而LNG船舶就是将液化了的天然气贮存在经过特殊处理的液货舱室内，该液货舱除了要起到承装液货的作用外，还必须尽可能的隔绝外界热量通过舱壁传入液货舱内部，使储运的液化天然气温度升高，再次蒸发。

尽管如此，覆盖有隔热材料的液货舱仍无法做到完全隔绝外部热量进入，所以液化天然气的蒸发在所难免。通常一个管理良好的液货舱在营运期间每天所产生的蒸发气量占该液货舱体积的0.15%。以一艘液货舱容积为20万m3的LNG船为例，每天所产生的蒸发气就有300 m3之多，若LNG拥有的冷能能以100%的效率转化为电能，那么1 t LNG的冷能相当于160 kW·h的电能［1］。以LNG密度为450 kg/m3来计算，理论上最高每天可以获得32 400 kW·h电能。由此可见，这部分蒸发气所携带的冷能如若浪费，势必造成能量的巨大损失。

近些年来，随着船舶柴油机技术的不断发展，柴油机相比于蒸汽轮机在性能上的优势日益明显，也有提出运用低速柴油机搭配再液化装置作为LNG船舶的主推进动力装置，并且在实船上也得到了应用。但是由于添加一套再液化装置在船舶建造的初期阶段投入巨大，再加上再液化装置的可靠性及技术成熟度仍有待实践的考验，因此，无论是已经投入营运的，还是正在建造的国内外LNG船舶，绝大多数采用蒸汽轮机搭配双燃料主锅炉作为其首选的主推进动力装置。

然而，作为双燃料主锅炉燃料之一的LNG蒸发气，其从液货舱中抽出时的温度仍然非常低。约为－160～－150℃，不能直接作为燃料供主锅炉燃烧。通常实船上往往利用海水或电加热将这部分低温蒸发气温度升高到可供锅炉使用的范围内，而作为热源的海水在带走蒸发气的冷能后往往不经利用就直接排放入大海中，造成能源的巨大浪费。

目前，国内外有关LNG冷能利用的研究很多，但绝大多数都只停留在岸上LNG接收站的冷能利用，而LNG船上的冷能利用几乎处于空白。比如上海交通大学进行了系统的LNG冷能利用研究，取得了一系列的成果［1-3］。清华大学联合中海油进行了实际的冷能利用项目开发，同济大学很早进行了冷能利用原理及方法的探索［4］，华南理工大学进行了冷能优化集成利用方面的研究［5-7］，西安交通大学进行了冷能评价分析及在汽车工艺上的技术研发［8-9］，上海海事大学进行了LNG冷能的蓄冷及梯级利用方面的研究［10-11］。

国外已对LNG冷能的应用展开了广泛、深入的研究，并在冷能发电、冷冻食品、空气液化，制取干冰以及低温粉碎方面获得应用，经济效益和社会效益非常明显［12］。LNG冷能利用已相当成熟，世界上多个国家都采用了LNG冷能利用技术，日本就已经利用LNG冷能进行空气分离、发电、干冰制造和冷库冷藏，利用LNG发电至今已有超过30年的历史［13-16］。

在国内外新设计的LNG船中，有将液货舱中抽出的低温蒸发气用来冷却汽轮机出口蒸汽的应用，试图通过此举来提高经济性，但这种做法没有考虑到能量在“质”方面的不同。低温蒸发气温度接近－160℃，而环境温度通常可以认为是20℃，这中间存在着近180°C的温差。从能量“质”和“量”的角度分析，将这部分冷能仅仅用在冷凝蒸汽上，冷能无法得到充分的利用。

基于上述背景，本文提出的研究方法，是将这部分高品位的冷能，通过氮气闭式循环气体透平技术来发电，并且采用能量的梯级利用原理，逐级依据蒸发气温度不同，能量品位不同，做到能量的最高效利用，同时也提高经济性。

这种LNG船蒸发气冷能利用技术，在实船上运用，具有以下优点:

1.不消耗额外能量，仅利用液货舱蒸发气自身携带的冷能发电，节能环保;

2.优于实船上现有的冷能利用技术，更好地利用冷能的做功能力;

3.在冷能发电的同时，加热蒸发气，使之达到锅炉的使用温度，供给燃烧，省去了原先的蒸发气加热装置，减少设备投入;

4.冷能的梯级利用，可冷凝汽轮机出口蒸汽，提高汽轮机的效率;

5.还可供给冷库冷量，减少制冷压缩机的工作时间，降低营运成本。

2 BOG冷能利用的研究方向

2.1 蒸发气冷能发电技术在LNG船上应用的研究

图1 氮气闭式循环气体透平系统简图Fig.1 Nitrogen closed cycle gas turbine system diagram

BOG冷能发电技术采用氮气闭式循环气体透平技术，如图1所示为利用氮气闭式循环气体透平发电系统，系统由压缩机、氮气透平、热交换器等组成。系统主循环中用BOG冷量冷却压缩机进口气体，使得压缩机进口气体温度降低，使压缩机在达到相同增压比情况下耗功降低，高压氮气经加热器加热进入气体透平膨胀做功，对外输出电能。其中加热器的热源可以来自海水，也可以来自汽轮机出口蒸汽，这样做既不消耗额外电能，也可以冷凝蒸汽，节能环保。

2.2 冷能梯级利用在LNG船上的高效合理化方案研究

冷能的梯级利用主要体现在从氮气闭式循环气体透平系统出来的高温BOG仍然带有一定量的冷量，这部分冷量要是能够得到合理的利用，对提高整个系统冷能利用率有着相当大的作用。本项目的冷能梯级利用是考虑将带有一定冷量的BOG依次通过冷库盘管、蒸汽冷凝器，起到给冷库制冷、减少制冷压缩机工作时间，冷凝汽轮机出口蒸汽的作用。这样做的目的一方面可以利用到这部分BOG的冷量，另一方面可以降低能耗，节能环保。冷能梯级利用的具体方案，则根据系统提高 (火用）效率，减少 (火用）损失来具体设计。冷能梯级利用系统简图如图2所示。

图2 冷能梯级利用系统简图Fig.2 Cold energy cascade utilization system diagram

2.3 气—气高效换热装置的研究

由于氮气闭式循环气体透平技术采用的是低温BOG气体与高温氮气进行冷量交换，所以在系统氮气闭式循环气体透平系统设计的同时，我们还需要找到一个高效的气—气换热装置，对该装置的要求是换热效率高、占地小、密封性好。所以寻找一个高效的换热装置是提高整个系统冷能利用率的关键所在。

2.4 蒸发气与循环介质之间 (火用）效率的研究

本项目对BOG冷能在LNG船上的综合利用，其关键就是利用氮气闭式循环气体透平系统进行冷能发电，所以研究氮气闭式循环气体透平系统

(火用）效率的重要性不言而喻。这里采用 (火用）分析方法主要是因为低温 BOG气体温度接近－160℃，如果只是从“量”的角度考虑热效率，就忽略了其在“质”方面的特点。对氮气闭式循环气体透平系统 (火用）效率的研究，可以更加直观地反映冷能的利用情况，对提高整个系统的冷能利用率起到明显的导向作用。

3 BOG冷能利用需解决的关键技术

3.1 氮气闭式循环气体透平系统的冷能发电技术在LNG船舶上应用拓展

由于目前LNG实船上尚未应用过冷能发电技术，氮气闭式循环气体透平系统的冷能发电技术只有在美国的一些液化天然气站得到应用，其核心技术我国尚未掌握，所以也是本项目所需要攻关的关键技术之一。氮气闭式循环气体透平系统的设计，除了要考虑到系统 (火用）效率的高低外，还必须考虑到其在LNG船上的安全性、可靠性以及维护管理简单。一套考虑周全的氮气闭式循环气体透平系统将是本项目研究的重中之重。

3.2 冷能在LNG船上梯级利用方案的探索

冷能的梯级利用是为了弥补冷能在发电以后所剩余部分的冷能，将其从“量”和“质”两方面综合考虑，应用于冷库制冷和冷凝蒸汽。冷能的梯级利用既要兼顾效率，又要兼顾运营成本。在与LNG船上其他设备配套使用的情况下，既要达到冷能利用降低能耗的目的，又要与原系统搭配良好，达到预先效果又可互为备用。同时，冷能梯级利用方案设计还必须考虑到LNG船在运营过程中船舶处于各个典型工况的实际情况，冷量有多有少，消耗量也有多有少，综合各方面因素做出最优化方案。所以冷能梯级利用的方案设计，将是决定冷能综合利用好坏的关键。

3.3 气—气高效换热装置的研究

氮气闭式循环气体透平技术采用的是低温BOG气体与高温氮气进行冷量交换，换热装置的好坏决定着整个循环冷能综合利用的好坏。但是换热装置的选择也有其困难之处。首先它属于气—气换热，不同于液体之间的换热，换热器的选择就受到很大程度的限制;其次换热器的材料也十分特殊，低温BOG气体接近－160℃，在如此低温的条件下，换热器材料既要保证换热效果，还要保证材料的低温性能，必须能满足低温情况下具有足够的强度，且保证密封性，不允许天然气泄漏;再次，换热器的选择不仅仅考虑到换热本身，还需要其他辅助设备来保证其正常工作，比如气体除湿、除杂等等。因此气—气高效换热装置的研究是提高整个系统冷能利用率的前提。

4 BOG冷能利用的特点与面临的瓶颈

BOG冷能在LNG船上的综合利用相对于目前国内外研究现状和LNG实船应用，本身就是一个创新，它发现了在LNG船上冷能利用的巨大潜力，并且通过氮气闭式循环气体透平技术来冷能发电，加上冷能梯级利用技术，将这部分原本被浪费的能源加以利用，既节约了能源又降低了运营成本，一举多得。

虽然对LNG冷能的梯级利用方案的研究，是对LNG冷量合理利用的有益探讨，但在实施时，还应考虑经济性、安全性、稳定性等。LNG冷能的梯级利用，往往涉及跨度很大的多个行业和领域，因此，即使在LNG岸站码头，其冷能的充分合理利用也受到限制，因为难以找到对所有这些领域都感兴趣的投资商来同时投资所有项目;此外，由于很难保证各项目均在设计工况下运行，各利用项目之间相互牵制，可能成为制约项目正常运行的关键因素。因此，虽然众多梯级利用方案在理论上可以得到较高的冷能回收率，但实施这些方案时还需要慎重考虑方案的可行性。比较务实的冷能利用方案，还是以“成熟一个，发展一个”的原则来考虑，这样，虽然较难获得很高的冷能回收率，但有利用比没有利用是质的提高，对进一步发展BOG冷能利用具有促进作用。

［1］王坤，顾安忠，鲁雪生，石玉美.LNG冷能利用技术及经济分析［J］.天然气工业，2004，24(7）:122-125，15.

［2］付越，陈树军，邓子龙，等.液化天然气气化工艺及冷能利用［J］.油气储运，2006，25(5）:62-65.

［3］杨鹏，杜玉清，石玉美.液化天然气汽车LNG冷能利用方式探讨 ［J］.天然气工业，2004，24(7）:98-101.

［4］朱文建，张同，王海华.液化天然气冷能利用的原理及方法［J］.煤气与热力，1998，18(3）:33-35.

［5］李静，李志红，华贲.LNG冷能利用现状及发展前景［J］.天然气工业，2005，25(5）:103-105.

［6］华贲，郭慧，岳永魁，等.重视天然气资源和能源的综合优化利用 ［J］.能源政策研究，2005(2）:30-34.

［7］徐文东，华贲，李志红.LNG冷能优化集成利用技术［J］.天然气工业，2006，26(7）:127-129.

［8］王强，厉彦忠，陈曦，等.液化天然气冷能分析及其回收利用［J］.西安交通大学学报，2003，31(1）: 56-58.

［9］王强，厉彦忠，陈曦.液化天然气冷能火用的特性及在汽车制冷中的回收利用 ［J］.西安交通大学学报，2003，37(3）:294-297.

［10］张君瑛，章学来，李品友.LNG蓄冷及其冷能的应用［J］.低温与特气，2005，23(5）:6-9.

［11］葛轶群，章学来，赵兰，等.LNG冷能的梯级利用［J］.制冷技术，2006(3）:14-16.

［12］曹文胜，林文胜，吴集迎.液化天然气 (LNG）的冷能利用［J］.制冷，2005，24(3）:16-19.

［13］顾安忠，鲁雪生，汪荣顺，等.液化天然气技术［D］.北京:机械工业处北厍，2004.

［14］MIYAZAKIT，KANG Y T，AKISAWA A，etal.A combined power cycle using refuse incineration and LNG cold energy［J］.Energy，2000，25(7）:639-655.

［15］HISAZUMIY，YAMASAKIY，SUGIYAMA S.Proposal for a high efficiency LNG power generation system utilizing waste heat from the combined cycle［J］.Applied Energy，1998，60(3）:169-182.

［16］NAKAIWA M，AKIYA T，OWA M，et al.Evaluation of an energy supply system with air separation［J］.Energy Conversion＆Management，1996，37(3）:295-301.

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，上海海事大学硕士研究生在读，主要从事LNG船舶冷能综合利用研究。