LNG运输船冷能发电技术

李博洋， 张运秋， 张晓荣， 田东方， 于成龙

(1. 青岛远洋船员职业学院 机电系， 山东 青岛 266071； 2. 中远集团研发/技术中心， 北京 100031；3. 中国科学院 海洋研究所， 山东 青岛 266071)

LNG运输船冷能发电技术

李博洋1,2， 张运秋1， 张晓荣1， 田东方1， 于成龙3

(1. 青岛远洋船员职业学院 机电系， 山东 青岛 266071； 2. 中远集团研发/技术中心， 北京 100031；3. 中国科学院 海洋研究所， 山东 青岛 266071)

Abstract: The application profiles and relevant policy background of LNG carrier fuel steam power plant are introduced and the objective conditions for the development and utilization of LNG cold energy is described. Several methods of LNG cold energy power generation are compared in their advantages and disadvantages and the LNG cold energy system is designed for generating electricity. The computational models of exergy, exergy efficiency and relative exergy efficiency are given and the power generation, the exergy efficiency and the relative exergy efficiency under different conditions are obtained by means of process simulation software. The calculation result shows that the cold energy generation system on LNG carrier will produce great amonunt of electric energy and reduce ship operating costs, which has significant economic benefits.

Keywords: ship engineering; LNG carrier; cold energy; exergy efficiency; power generation technology

近年来，我国液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)的进口量随着国家能源结构的调整不断增多，深圳、上海、大连、宁波、天津及青岛等很多港口已相继建设LNG接收站；国内各船公司目前拥有大型LNG运输船近10艘，租赁国外公司的LNG运输船有十几艘，未来10 a营运的LNG运输船将随着LNG需求量的不断增加达到50～70艘。[1]与此同时，国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)新的防污染公约对SOx和NOx排放提出更高要求，而LNG有较好的低排放特性和相对稳定的市场价格优势，这就促使更多船舶选用LNG燃料来满足新公约的相关要求。纵然已有很多内河和近海船舶将LNG作为燃料，但LNG船在使用LNG燃料方面具有其他船型无法比拟的优势。LNG船的主动力装置除了燃用货舱产生的蒸发气(Boil Off Gas, BOG)之外，还需要强制汽化部分LNG。LNG船动力装置的功率(以蒸汽动力装置为例)较大，每天需要大量蒸汽来将LNG加热成气态以满足主锅炉的需要，这样不仅会消耗大量热源，还会浪费LNG的冷量。一定压力下的LNG具有大量的冷量和压力，若以100%的效率转换成电能，则每吨LNG可产生约250 kW·h的电能。目前国内外已有对LNG冷能和废热发电的研究[2-5]，提出低品位热源与LNG冷能相互利用的动力循环，但是有关船舶的研究还基本处于空白状态。基于此，对LNG船上的燃料冷能发电进行研究。

1 LNG船的主要参数和相关情况介绍

目前全球正在营运的400多艘LNG船的主动力装置基本都是采用蒸汽动力，因此选择该类动力装置进行研究。LNG船主要参数见表1。

表1 LNG船主要参数

在LNG船实际营运中，其主锅炉既可烧油也可烧天然气，但在油价较高、LNG资源方要求及国际新公约排放限制等情况下通常采用全气模式(只烧天然气)。这样，货舱蒸发的BOG就不能满足主锅炉的燃料消耗，需要将货舱内扫舱泵驳来的LNG通过强制汽化器(Forcing Vaporiser)，采用0.7 MPa的锅炉蒸汽升温并经加热器(Gas Heater)加热至25℃左右之后送入锅炉。汽化器的加热热源为锅炉产生的蒸汽，此时不仅消耗锅炉蒸汽，而且LNG冷能得不到充分利用。因此，这里主要探讨需要强制汽化的LNG冷能，BOG的冷能不作研究。[6]

2 冷能常用发电方法和冷能

2.1发电方法介绍

目前陆地上应用的LNG冷能发电方式主要有以下5种。

1) 直接膨胀法：发电流程见图1，LNG经高压泵加压后由LNG汽化器汽化，变成常温高压蒸汽后采用透平膨胀机膨胀做功，带动发电机发电，膨胀后再次经加热器加热后送至用户。[7]

图1 直接膨胀法发电流程

2) 朗肯循环法(二次媒体法)：发电流程见图2，LNG与经过透平膨胀的低压冷媒(如丙烷)蒸汽在冷凝器中换热，冷媒凝结成液相；低压冷媒液体经泵加压吸热后变成高压气体；高压蒸汽经膨胀机变成低压气体，同时膨胀机带动发电机发电。[8]

图2 朗肯循环法发电流程

3) 联合法：该方法是直接膨胀法与朗肯循环法的结合。

4) 布雷顿循环法(气体动力循环法)：原理是在低温工作条件下以N2为介质，与LNG直接膨胀发电的循环系统进行热交换。该方法能显著提高装置的热效率。

5) 混合媒体法：由于LNG的温度在发电过程中是变化的，因此与单一媒体相比使用混和媒体可覆盖低温天然气更大温度范围的冷能，可使LNG冷能得到梯级利用。但是，混合媒体本身的不稳定性使得其在应用中会遇到很多实际的困难。[9]

以上方法各有其优缺点，具体比较见表2。考虑到船上的布置空间、安全性和可操作性等因素，研究在直接膨胀法的基础上进行优化设计和利用。

2.2LNG冷量

ex=h-h0-T0(s-s0)

(1)

表2 几种LNG冷能发电方法的比较

exp=T0Rln(p/p0)

(2)

exT=cp(T-T0)+cpT0ln(T0/T)

(3)

在LNG汽化过程中，有些过程温度变化较大、压力变化较小，此时主要体现在温度；有些过程温度变化较小、压力变化较大，此时主要体现在压力。因此，可在计算过程中根据过程进行必要的取舍。

3 设计冷能发电系统和系统计算模型

3.1发电系统

在LNG运输过程中，机舱蒸汽动力装置可利用的低品位热源有蒸汽轮机出口的乏汽和锅炉的排烟余热，有时甚至可能用到海水。设计的LNG冷能发电系统见图3。

图3 LNG冷能发电系统

该发电系统的流程为：从船舶货舱扫舱泵驳运来的LNG首先经过高压泵增压，形成的低温高压LNG经换热器2与蒸汽轮机提供的乏汽进行热交换，变成气态的天然气，状态点由b变成c；气态天然气在换热器3中与船舶主锅炉的排烟余热进行热交换，变成更高温度的天然气，状态点由c变成d；高温高压的天然气在膨胀机4中膨胀做功，带动发电机发电，膨胀后的天然气压力为0.1 MPa，状态点由d变成e；为确保膨胀后的天然气在进入锅炉之前温度至少达到25 ℃，此时再经过换热器5继续与乏汽热交换，状态点由e变成f；最后进入锅炉燃烧，汽轮机乏汽的状态点由g变成h再变成i，锅炉排烟的状态点由j变成k。

采用HYSYS模拟软件对该发电系统流程进行计算。系统中来自货舱的LNG温度为-163 ℃，进口乏汽温度为45 ℃，主锅炉排烟温度为160 ℃(正常负荷时)，其中乏汽和锅炉排烟热量远远超过系统中LNG汽化所需要的加热量。此外，即使排烟温度低也不会产生低温腐蚀，原因是所排烟中没有硫的成分。根据文献[11]，泵的效率取80%，电动机效率取94%，膨胀机等熵效率取85%。

3.2系统计算公式

EXin=EX2+EX3+EX5+EXLNG=m乏(exg-exi)+m烟(exj-exk)+mLNG(exa-exf)

(4)

Eout=EX4-EX1=W膨-W泵

(5)

式(5)中：W膨为膨胀机的功率；W泵为LNG高压泵的功率。

(6)

在没采用该发电系统时，LNG送至锅炉燃烧之前需要高品位热源(锅炉蒸汽)加热；在采用冷能发电之后，不仅系统能发电，而且可节约锅炉蒸汽，节约的热量≥EXLNG，即mLNG(exa-exf)。若考虑节约高品位的热量，相当于提高了系统的效率，则相对效率为

(7)

4 系统计算和经济性分析

4.1系统计算

从船舶货舱中驳运的LNG的压力为0.3 MPa，温度为-163 ℃;进入主锅炉燃烧之前的压力为0.064 MPa (MCR时)，温度为25 ℃。船舶每天产生的BOG量不同，需要强制汽化的LNG为120～170 m3，根据实船调研并参考相关文献，每天的汽化量按定值150 m3计算，这些客观参数已确定。因此，系统中发电功率的大小主要由进入膨胀机时天然气的压力和温度及膨胀机出口的压力和温度决定。当然，进入膨胀机之前的温度最高不能超过锅炉的排气温度(160 ℃)。考虑到换热器3的传热温差和主锅炉的不同负荷运行问题，换热器3中被加热的天然气的温度为130～150 ℃，因此取膨胀机进口温度为150 ℃，140 ℃和130 ℃进行模拟计算，得出温度和压力与发电功率的关系(见图4)。

图4 温度和压力与发电功率的关系

从图4中可看出，膨胀的压力和温度越高，其发电功率就越大；在船舶MCR时，膨胀机进口温度150 ℃对应的最大功率为274.9 kW;与机舱电网并网后，其功率可满足海上定速航行后许多重要设备的供电需要，且增加了电网的冗余度。

同理可计算出膨胀机进口温度为150 ℃和140 ℃时系统的效率和相对效率(见表3)，通过数值对比可看出：膨胀机压力和温度越高，其效率就越高，因此应尽可能开发和利用高温废热；相对效率比效率高出很多，证明该发电系统的开发不仅利用了冷能，而且节约了更多的高品位热源。因此，通过冷能发电不仅可以提高系统的热效率，而且能增加系统的发电量，具有较好的经济性意义。

表3 系统的效率和相对效率

表3 系统的效率和相对效率

压力/MPa150°C140°Cηexηex1ηexηex150．250．640．230．61100．270．670．250．63150．290．690．270．65200．320．620．290．68250．350．640．310．71300．360．660．330．73350．350．650．320．72

4.2经济性分析

LNG运输船采用LNG冷能利用方案后在海上定速航行时可产生274.9 kW的电能。以大鹏—澳洲航线为例，16 d为一个航次，扣除船舶修理、靠泊和机动航行等因素，每年的航行时间按照280 d计算，得到每年节约的成本见表4。

表4 每年节约的成本

由表4可知，每年仅发电就可节约277万元，再考虑到节约的LNG汽化需要的高温蒸汽，经济效益会更加显著。因此，在航运业燃料成本居高不下的情况下，LNG运输船的冷能发电不仅有很好的经济性意义，而且是绿色船舶发展的一个很好的方向。

5 结束语

1) 介绍LNG运输船舶蒸汽动力装置燃料的应用概况和相关政策背景，论述动力装置中具备LNG冷能开发利用的客观条件。

2) 对LNG冷能发电的几种方法进行比较，指出各种方法的优缺点，并基于LNG运输船的特点选择直接膨胀法发电。

3) 基于船舶机舱的低品位热源进行优化和利用，设计出LNG冷能发电系统，给出和效率的计算模型，提出相对效率的概念。通过流程模拟软件计算出不同条件下可发电的功率、效和相对效率。其最大的发电负荷为274.4 kW，其功率可满足海上定速航行后许多重要设备的供电需要，同时增加了船舶电网的冗余度。

4) 计算出采用冷能发电系统后可产生大量电能和节约大量的锅炉蒸汽，可节省船舶发电费用和锅炉燃料费用，从而降低船舶营运费用。因此，该发电技术具有非常好的经济效益和开发潜力。

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PowerGenerationbyColdEnergyonLNGCarrier

LIBoyang1,2，ZHANGYunqiu1，ZHANGXiaorong1，TIANDongfang1，YUChenglong3

(1. Marine Engineering Department, Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, China；2.COSCO Development & Technology Center, Beijing 100031, China；3.Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

2015-12-11

中国远洋运输(集团)总公司应用研究计划项目(2015-1-H-010)

李博洋(1974—)，男，山东临沭人，副教授，主要从事船舶节能减排的教学与研究。E-mail:qdlby@126.com

1000-4653(2016)01-0091-04

U664.1；TE89

A