LNG燃料动力船用热交换器适用性分析

刘东进

LNG燃料动力船用热交换器适用性分析

刘东进

（张家港中集圣达因低温装备有限公司，江苏 张家港 215632）

在LNG燃料船动力系统中，热交换器是关系到整个系统工艺流程实现的重要过程设备，同时也是影响整个系统装置能否与发动机匹配的关键设备。本文通过对不同种类热交换器的分析与对比，给出了LNG燃料动力船用热交换器的适用性建议。

LNG燃料动力船； 热交换器； 适用性

据权威研究报告，世界航运业每年消耗燃油排放超过12亿t二氧化碳，约占全球总排放量6%。随着国际海事组织制定的“船舶污染防治国际公约”和“限硫令”的全面实施，全球减排与低碳趋势已将航运业推向风口浪尖。在寻求节能减排新路径中，液化天然气（LNG）以其环境效益显著的优势，成为了未来船用燃料的首选。在LNG燃料船动力系统中（如图1），热交换器是关系到整个系统工艺流程实现的重要过程设备，同时也是影响整个系统装置能否与发动机匹配的关键设备。考虑到船舶特殊的使用条件，对热交换器的选用及安全性能等方面提出了更高的要求。

图1 典型的LNG燃料船动力系统

1 热交换器的种类及特点

热交换器是把热量从一种介质传递给另一种介质的设备，其种类很多，可按传热过程、介质数、结构特征等进行分类。不同分类方式的侧重点不同，目前LNG燃料船动力系统中常用的热交换器主要有以下几种。

1.1 空气加热型气化器

空气加热型气化器，俗称空温式气化器，是通过换热管道从大气中获得热量而气化LNG。空温式气化器常用于陆上LNG气化站（图2）和LNG撬装加气站（图3），其核心部件是换热装置，在尽可能小的空间内从大气中尽可能多的获取热能。

图2 陆上气化站中的空温式气化器

图3 LNG撬装气化器

目前国内厂家生产的空温式气化器换热装置多采用铝合金翅片管，其工作原理是：当LNG在管内流动，冷流体当中靠近翅片管内壁液体首先完成与外界热交换而气化成一个个微小气泡，微小气泡汇集成气体，脱离出来而达到沸腾。但由于LNG与管壁接触时间短，翅片管中上下部分管壁温度不均匀，造成翅片管传热系数无太大提高，翅片管整体换热性能未充分利用。为了达到一定的换热量，只能增加翅片，这导致空温式气化器的体积往往较大。

采用空温式气化器，在多雾和空气不流通的季节或在空气温度很低的时候，要进行连续的气化非常困难，图4为空温式气化器部分表面的结霜现象。为了防止气化器的管道表面结冰，经常需要4～8 h的除霜，因此空温式气化器在LNG系统中应用受到一定的限制。空温式气化器虽有上述缺点，但由于其直接吸收大气中热量，不消耗水、电，运行成本低，在工业领域的应用较为广泛。

图4 空温式气化器部分表面结霜

1.2 管式热交换器

管式热交换器的换热管通常为圆管，通过改变圆管的直径、长度、排列方式等可方便地改变其几何特征，设计灵活性较好，此类换热器结构主要为内管外壳，所以也可以称之为管壳式热交换器。LNG系统中常用的管壳式热交换器有以下几种。

1.2.1 水加热型气化器

该类气化器采用水作为加热介质，水走壳程，LNG走管程，其能力主要取决于壳程水的温度和流量。图5为典型的电加热水浴式气化器结构图。

1—电加热器；2—加热盘管；3—防爆电气箱；4—气液分离器；5—气相出口；6—安全放散阀；7—压力表；8—水位计；9—温度表；10—低温控制阀；11—液相入口；12—注水口；13—水位开关；14—温度开关；15—保温层；16—排水口；17—远程控制箱。

该类气化器安装测试完成后，按要求加入水、防锈剂、防冻液，通电即可投入运行。水位正常时，电加热器通电加热；水位过低时出现低水位报警，同时停止气化器工作。在冷态启动时，气化器内的水处于冷态，此时低温控制阀关闭，LNG不能进入气化器盘管内；当电加热器工作后，水温上升至设定温度时，低温控制阀打开，LNG进入气化器并开始气化。如果气化器超负荷运行，并超过气化器电加热器的功率时，盘管内的LNG有可能来不及气化，这时低温控制阀会关闭，从而确保气化器不过液。低温时，气化器会发出低温报警。另外，电加热器维持水浴温度在设定温度，超过设定值会停止加热并触发高温报警。

1.2.2 具有中间介质传热流体的气化器

该类气化器通常采用丙烷等介质作中间传热流体，其传热过程经过两级：第一级是丙烷和水进行换热，第二级是LNG和丙烷进行换热。

图6为中间介质气化器的工作原理。该类气化器以海水或发动机缸套热水作为热源，去加热中间介质（丙烷）并使其气化，再用丙烷蒸气去气化LNG。该气化器由两部分组成，一部分为利用丙烷气化冷凝的LNG气化器，第二部分为LNG气化成天然气的加热器。

图6 中间介质气化器工作原理

1.2.3 蒸汽加热型气化器

蒸汽加热型气化器是直接用蒸汽加热，不再经过中间介质的换热过渡，LNG在管内流动，蒸汽在管外流动，LNG被蒸汽加热气化。该类气化器效率高、结构紧凑、可靠性好、温度控制容易且维护方便。需要注意的是，LNG和加热蒸汽的温差达到300 ℃以上，在强度设计时应充分考虑这些因素的影响，避免过高热应力。

2 船用LNG热交换器

我国LNG燃料动力船的改装建造尚处于起步阶段，其供气系统中气化设备的主要技术特点基本上与车载LNG气化器相同。车用气化器一般采用水浴式气化器，以发动机循环冷却水做热源即能气化LNG，又可有效利用废热。水浴式气化器是一种典型的小型管壳式结构，串联在发动机冷却水回路上。

现有船舶油改气项目主要是针对内河流域的渔船或散货船，吨位不是很大，如渔船大多是420 kw的发动机，相当于两倍的公交车发动机的功率或略大于重柴车的发动机，而这些陆用车的发动机的LNG供气系统大多用管壳式换热器。此种换热器的主要特点是占地面积小，换热效果好且可靠性高。就使用环境而言，陆上使用环境在某些工况下比水上环境更为恶劣（在沿车辆运动方向和垂直方向，其所遭受动载荷的强度和频率都更高）。鉴于这种换热器已广泛被陆地天然气燃料车使用，用于船舶LNG燃料的气化或二级复热，不存在绝对的安全性问题。

国内船改气起步阶段，试验船上大多采用的是空温式气化器。如前所述，空温式气化器换热较为简单，直接从大气中吸收热量而使LNG气化，因此，受气候的制约。类似于汽车，船上空间有限，尺寸大、空间有要求的空温式气化器也很难完全满足发动机对气体燃料质和量的需求。一些试验船曾发生过管路结霜至机舱的现象，且此类气化器多为铝质材料构成，其熔点低于925 ℃，不满足规范[1]对相关设备的材料要求。

相对空温式气化器，水浴式气化器具备更强的稳定性和可操控性。结合船舶系统的特点，瓦锡兰在其供气系统方案中，采用二级水浴式气化器（图7）。如图7所示，第一级使LNG由液态转化为气态，第二级控制气体燃料的出口温度。该气化器使用 水-乙二醇混合物作为换热介质对燃料进行气化，换热介质（水-乙二醇混合物）从发动机的冷却循环水中获取热量，与LNG燃料进行热交换后进入其他外部冷却用装置进行再循环。

图7 二级水浴式气化器

3 结 论

1）对于我国船用LNG热交换器的发展，在目前应用水平的基础上，热交换器设计制造应满足国家颁布的有关规定，应进行换热性能设计计算，以确保必要的气化量和气化器出口温度。

2）在加热流体介质循环不足或温度过低时，LNG热交换器壳内极易产生冻结现象，相对于陆上应用，船用LNG换热设备在这方面应有更多的冗余设计，以确保气化热量的有效供给。

3）应考虑供气管路气化器停止工作的极端情况，可考虑使用燃料舱自增压器作为应急燃料气化设备，增加船舶系统的安全裕度。

4）通过介质温度监控、气体探测、设置合理的联锁阀等方式，减小事故灾害风险。

5）考虑到船舶布置、气化量和气化效率的需求，船用LNG热交换器宜采用水浴式。

［1］中国船级社.天然气燃料动力船舶规范[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

刘东进（1981-），男，高级工程师，江苏省张家港市人，研究方向：LNG水上应用技术。

U665.2

A

1004-0935（2020）09-1102-03