LNG动力渔船的冷能利用技术初探

孙楠楠，谭宏博，张杨，厉彦忠

（西安交通大学制冷及低温工程系，陕西 西安710049）

引 言

在过去10年中，我国船舶工业的产业规模已实现了跨越式增长，航运业成为我国复兴的一个重要战略支点。然而目前我国运营中的船舶大多以柴油为燃料，柴油燃烧会释放大量环境污染物，沿海沿江地区，船舶港口排放已成为大气污染的重要来源之一［1］。液化天然气 （LNG）因其清洁、经济、安全且储量丰富等优点备受关注［2］。老化问题严重、高能耗、高污染的渔船必将是进行油改气改造的重要部分［3］。与传统动力渔船相比，柴油－LNG双燃料动力渔船柴油平均替代率达到60%～70%，可实现氮氧化合物减排85%～90%，硫氧化物减排近100%，二氧化碳减排15%～20%［4］。截至2013年4月全国共有13艘LNG燃料动力试点船舶通过中国海事局的试点评估［5］。LNG在进入发动机前需气化并复温至10～40℃，在这个过程中，会释放大量的冷能 （约830～860kJ·kg－1）。为提高LNG冷能利用率，本文在蒸汽压缩制冷系统和ORC系统的基础上提出了一种新的LNG冷能利用系统。

1 基于LNG渔船的冷能利用技术方案比较

鉴于现有LNG冷能利用技术［6－9］和船舶上的可实现性［10］，目前船舶LNG冷能多用于冷库和发电。

1.1 基于LNG冷能的船载冷库

在鲜活品、加工食品和医药品的船舶运输中，货物的冷藏和保鲜至关重要，目前大多数冷库采用电压缩制冷。据统计，我国渔船用于保鲜和空调等方面的制冷能耗约占全船能耗的30%～40%［11］。因此将LNG燃料渔船上LNG的低温冷能用于冷藏保鲜具有巨大的节能潜力。

回收LNG冷能用于低温冷库的简单工艺流程如图1所示，该工艺通常是由冷媒与LNG换热获得冷能，然后再将低温冷媒输送到冷库释放冷能。

图1 LNG冷能用于低温冷库流程Fig.1 Process of LNG cold energy used in cold storage

1.2 利用LNG冷能发电的原理介绍

低温储存的LNG具有大量宝贵的冷量 ，利用有机朗肯循环 （ORC）回收LNG冷能可大大提高 ORC的循环效率及LNG冷能利用率［12－15］。

以LNG冷能为冷源，海水等低品位能为热源，采用某种有机工质为工作介质，组成闭式低温蒸气动力循环，这就是低温Rankine循环。低温Rankine循环与直接膨胀法结合可使LNG冷能回收率达到50%，其工艺流程如图2所示。

图2 LNG冷能回收联合法发电流程Fig.2 Process of LNG cold energy recycling through combined method of power generation

然而在以LNG为燃料的船舶上单独采用前述两种方案都存在一些局限性和弊端。例如，将LNG冷能用于船舶冷库时，由于LNG与冷库间传热温差很大，会造成大量高品位的冷量 被降质利用［16］。另外，LNG船舶的燃料消耗量相对较小且随着船舶行驶工况的变化LNG消耗量波动极大，并不宜于采用需要连续运行以保证稳定功量输出的动力回收。为了充分利用LNG冷能中的冷量和冷量 ，本文在以上两种方案的基础上提出了以LNG作冷源、冷库空间为热源驱动ORC，输出的功再驱动蒸汽压缩制冷机组，实现LNG冷能利用率大幅提高，分析结果表明制冷量增益效果显著。

2 利用LNG冷能的渔船冷藏制冷系统

2.1 系统的流程设计及简介

LNG冷能利用系统流程见图3，其中有机朗肯循环T－S图和蒸汽压缩制冷机组的p－h图见图4。该系统包括以下3部分： （1）LNG气化、复温过程，饱和液态LNG （点Ⅰ）经流量控制阀V1进入LNG汽化器 HX1气化 （点Ⅱ），进入LNG复温换热器HX2被载冷剂加热复温 （点Ⅲ）后，进入天然气供气管道； （2）LNG驱动的ORC，过热蒸气 （点1）在膨胀机T中做功并降压（点2）后进入 HX1，被LNG冷凝为饱和液体（点3）后，经有机工质加压泵P1加压 （点4），进入低温蒸发器HX3被载冷剂加热成高压过热蒸气（点1）进入T，后进入下一次循环；（3）蒸汽压缩制冷循环，膨胀机T经联轴器与压缩机C连接，制冷剂被C由低压过热态5压缩至状态6后，在冷凝器HX5过冷至状态7后，经节流阀V2节流降压至状态8，进入蒸发器HX4被载冷剂加热到低压过热状态5，如此循环往复。

图3 LNG冷能利用系统流程Fig.3 LNG cold energy utilization system flow chart C—compressor；K—cold storage；HX1—LNG vaporizer；HX2—LNG re－warming exchanger；HX3—low temperature evaporator；HX4—evaporator；HX5—condenser；P—pump；T—expander；Ⅰ—Ⅲ—LNG；A，B，C—cooling medium；1～8—working fluids；V—valve；

图4 朗肯循环T－S图和蒸汽压缩制冷机组的p－h图Fig.4 T－Scurve of ORC and p－h curve of vapor compression refrigeration unit

在上述3个循环过程中，HX2、HX3和HX4与载冷剂进行换热，将冷量释放给LNG渔船冷库。

2.2 系统参数的选定及工质的选取

本文选取燃料消耗流量为215kg·h－1的LNG动力渔船为研究对象，LNG由饱和液态 （0.7 MPa，141.72K）汽化、复温至过热气态 （0.7 MPa，283.15K），送至发动机燃烧做功，忽略换热器压降。根据船舶冷库用冷温区特点，多级冷库设置如下：低温冷库 （－25℃），冷藏库（－18℃），保鲜冷库 （－4℃），粮食库 （18℃）［17］，环境温度为25℃。由于ORC冷源温度极低，因此其循环工质必须满足在低温下不凝固、冷凝压力不太小［18］，本文选取乙烯为ORC循环工质。选取R22为蒸汽压缩制冷循环工质，物性参数均由NIST REFPROP7.0确定。载冷剂选用浓度为55%的乙二醇溶液，其冰点温度为－44.62℃。

2.3 LNG冷能利用系统的热力学分析

对LNG汽化、复温过程、ORC过程以及制冷机组进行热力学分析，系统中最小换热温差取3K［19］。

根据热力学第一定律分别对HX1－HX4列能量守恒方程

膨胀功为

净输出功为

理论

LNG各状态点的 值［20］为

式中，h0、s0为环境温度下天然气的焓、熵值。

乙二醇溶液供给冷库的冷量 为

式中，T0为环境温度，T取乙二醇溶液的平均温度。

系统的冷能利用率为

系统的 效率为

3 影响LNG渔船冷藏制冷系统性能的因素分析

3.1 ORC冷凝温度对系统性能影响

图5给出了ORC蒸发温度为253.15K时，HX2～HX4各自制冷量及总制冷量随ORC冷凝温度的变化情况。冷凝温度升高，则HX1内LNG出口温度升高，NG供气温度一定，HX2的制冷量减小；冷凝温度升高，ORC循环工质在HX1进、出口处焓差减小，流量相应增大 （198.15K时约为173.15K时的1.2倍），同时，工质在HX3和T的进、出口处焓差减小 （198.15K时分别约为173.15 K时的83%和57%），所以HX3制冷量变化不大，而T输出功减小明显，使得HX4制冷量显著减小。因此，ORC冷凝温度由173.15K升高到198.15K，系统总制冷量降低了约15.4%。

图5 制冷量随ORC冷凝温度的变化Fig.5 Cooling capacity varied with change of ORC condensation temperature

图6 系统冷能利用率和 效率随ORC冷凝温度的变化Fig.6 System cold energy and exergy utilization efficiency varied with change of ORC condensation temperature

图6给出了系统冷能利用率和 效率随ORC冷凝温度升高的变化情况。HX1内冷、热流体换热温差增大，使LNG冷量 损失增大，系统 效率降低。HX3制冷量变化不大，HX2和HX4制冷量减小，使得系统总制冷量减小，而LNG汽化、复温过程中放出冷量一定，因此ORC冷凝温度由173.15K升高到198.15K，系统冷能利用率由196.5%降低到166.2%。

3.2 ORC蒸发温度对系统性能影响

图7所示为ORC冷凝温度为173.15K时，HX2～HX4各自制冷量及总制冷量随ORC蒸发温度升高的变化情况。由于ORC蒸发温度并不影响HX1和HX2冷、热流体的进、出口状态，故HX2制冷量不变，ORC工质流量不变；随蒸发温度升高，ORC工质在HX3和T的进、出口处焓差增大，故HX3制冷量增加，T输出功增大，HX4制冷量增加。因而，ORC蒸发温度由218.15K升高到253.15K，系统总制冷量升高了约24.8%。

图7 制冷量随ORC蒸发温度的变化Fig.7 Cooling capacity varied with change of ORC evaporation temperature

图8所示为系统冷能利用率和 效率随ORC蒸发温度升高的变化情况，HX3冷、热流体换热温差减小，冷量 损失减小，系统 效率升高；HX2制冷量不变，HX3和HX4制冷量增大，使得系统总的制冷量增加，而LNG汽化、复温过程中放出的冷量不变，因此，ORC蒸发温度由218.15K升高到253.15K，系统冷能利用率由158.3%升高到196.5%。

3.3 载冷剂出口温度对系统性能影响

在ORC冷凝温度为173.15K，蒸发温度为253.15K时，随载冷剂出口温度升高，HX2～HX4各自制冷量及总制冷量的变化情况如图9所示，系统冷能利用率和 效率见图10，载冷剂流量见图11。

由图9可知，随载冷剂出口温度升高，HX2和HX3制冷量变化不大，而HX4制冷量则会逐渐升高，这是由于最小换热温差一定的条件下，随载冷剂出口温度的升高，制冷机组的蒸发温度升高，制冷机组的COP升高 （载冷剂出口温度由238.15K升高到245.15K的过程中，COP由2.55升高到了3.02），使得制冷机组制冷量明显增加。因而，在ORC蒸发温度和冷凝温度一定的条件下，载冷剂出口温度由238.15K升高到245.15 K的过程中，系统总制冷量提高了6.2%。

图8 系统冷能利用率和 效率随蒸发温度的变化Fig.8 System cold energy and exergy utilization efficiency varied with change of ORC evaporation temperature

图9 制冷量随载冷剂出口温度的变化Fig.9 Cooling capacity varied with change of secondary refrigerant outlet temperature

由图10可知，随载冷剂出口温度升高，HX2、HX3内换热温差增大，导致系统冷量 损失增大，系统 效率降低。载冷剂出口温度升高，蒸汽压缩制冷机组蒸发温度升高，COP增大，系统总制冷量增加，而LNG汽化、复温过程放出的冷量不变，使得系统冷能利用率由188.5%升高到200.1%。

图10 系统冷能利用率和 效率随载冷剂出口温度的变化Fig.10 System cold energy and exergy utilization efficiency varied with change of secondary refrigerant outlet temperature

图11 载冷剂流量随载冷剂出口温度的变化Fig.11 Secondary refrigerant flow rate varied with change of secondary refrigerant outlet temperature

如图11所示，随载冷剂出口温度升高，载冷剂进出口温差减小，吸收相同冷量条件下，载冷剂流量大大增加，研究表明：载冷剂出口温度由238.15 K升高到245.15K的过程中，载冷剂流量增加了22.7%，使得循环泵功增加，系统成本也有所增加。

4 结 论

本文在LNG冷能用于低温冷库和发电的基础上，针对LNG动力渔船提出了一种蒸汽压缩制冷系统和ORC系统相结合LNG冷能利用系统，并对该系统热力性能进行分析，分析结果表明：在该LNG动力渔船冷能利用系统中，在ORC工质不凝固、冷凝压力不太小的条件下，降低ORC冷凝温度至接近LNG储存温度，可减少LNG冷量 损失，提高LNG冷能利用率；提高ORC蒸发温度至接近用冷温度，可增加膨胀机输出功，增加制冷机组制冷量，同时减小冷量 损失，提高LNG冷能利用率和 效率；在满足用冷条件下，载冷剂出口温度的选择应综合考虑LNG冷能利用率和载冷剂流量，以提高系统经济性。

研究结果表明，该LNG冷能利用系统回收的冷量可达LNG汽化、复温过程放冷量的2倍，大幅提升LNG冷能利用率，对于LNG动力船舶冷能利用具有重要的工程应用价值。

近年，我国雾霾频发，水域污染严重，以LNG替代柴油作为船舶燃料既满足环保需求，又可缓解我国能源紧张的局面，LNG动力船舶的发展前景广阔。本文针对LNG动力渔船提出的冷能利用系统不仅避免了对海水造成冷污染，而且实现了冷能增益利用，节省了原制冷装置的运行功耗，其环保性和经济性优良，值得在我国LNG动力船舶上推广应用。

符 号 说 明

cpA，cpB，cpC——载冷剂比热容

mLNG，mW，mh——分别为 LNG、ORC工质、载冷剂流量

t1，t2——分别为载冷剂进、出口温度

Wt，Wp——分别为膨胀功、泵功

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