LNG動力船舶冷能回收利用技術的研究

劉彬+于利民+李程+盧志遠

【摘 要】環境保護問題目前越來越得到船舶相關領域的關注，LNG作為一種清潔高效的能源正逐漸在船舶領域推廣。由于LNG在汽化時會釋放出大量的冷能，如何高效地利用 LNG的冷能，對于節約資源和提高經濟效益有著重大意義。論文簡要介紹了LNG冷能的基本特性及目前冷能回收現狀，簡單介紹了利用LNG完成循環對外膨脹做功發電的方法，并提出了一種運用船舶廢熱與冷能進行溫差發電的方法。

【Abstract】At present， more and more attention has been paid to the problem of environmental protection in the field of ship. As a kind of clean and efficient energy， LNG is gradually being popularized in the field of ship. For the LNG will release a lot of cold energy in the process of vaporization， how to efficiently utilize the cold energy of LNG is of great significance for saving resources and improving economic efficiency. This paper briefly introduces the basic characteristics of LNG cold energy and the current situation of the cold energy recycling. It also briefly introduces the method of using LNG to complete the cycle of external expansion to realize power generation ， and proposes a method of using the temperature difference between waste heat and cold energy to generate electricity .

【關鍵詞】LNG動力船舶；冷能回收利用；節約資源；經濟效益

【Keywords】LNG powered ship； cold energy recycling； resource conservation； economic benefits

【中圖分類號】U674.4 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）05-0169-02

1 引言

目前大多數船舶采用柴油做為主要燃料，在燃燒過程中會排放大量的二氧化碳、硫化物、氮化物等有害物[1]，隨著國際海事組織對硫化物和氮化物排放要求的進一步提高，LNG動力船舶憑借其能源清潔、運營成本低、續航性好等優勢引來廣泛的關注。相信未來隨著相關法規和基礎設施的不斷完善，LNG動力船舶會在船舶領域占據著重要的地位。

2 LNG的基本特性及目前冷能回收現狀

液化后的天然氣儲存的條件為溫度約為 112K 和壓力約為 0.1MPa，體積只有原來的 1/600，給運輸帶來極大的便利。將天然氣液化的過程中需要消耗很多的能量，每液化1噸天然氣消耗的能量為840 KWh[2]。LNG動力船舶上在使用液化天然氣時往往直接用海水對天然氣進行冷卻，這不僅會使海水溫度突然變化對環境造成影響，還會使LNG蘊含的大量冷能沒有被利用而形成資源浪費。如果能夠高效合理的利用這部分冷能，那么在環境保護和減少運營成本上都有益處。

隨著LNG的使用日益廣泛，LNG冷能回收技術的研究也取得了重要的進展。目前在全國LNG冷能回收主要用于冷能發電、維持冷庫溫度、海水淡化、空氣分離等領域，其中在陸地上的冷能發電技術已經比較成熟。在日本，東京瓦斯公司 LNG 接收站回收56.3%的 LNG 冷能用于電，其利用率約42%；而中國臺灣，永安 LNG 接收站利用LNG 冷能發電的百分比是 14%[3]。

但是考慮到船舶上有限的空間，不能夠安放過多設備，以及在船舶設計時需要考慮的安全性、可靠性與經濟性，LNG動力船舶的冷能回收主要用于冷能發電與維持冷庫溫度這兩個方面。在冷能發電方面本文介紹了兩種方法，一種是目前比較常見的利用 LNG 完成循環對外膨脹做功發電，另外是提出了一種目前研究較少但是很有價值的利用船舶余熱與LNG冷能進行溫差發電。

3 利用LNG冷能完成循環對外膨脹做功發電

利用LNG 冷能進行發電是目前冷能回收中最為高效的利用方式，目前有直接膨脹法、二次媒介法和聯合法等方法，下面對直接膨脹法和二次媒介法進行簡單介紹。

直接膨脹法是利用泵加壓后，將常壓下的 LNG 轉化為高壓 LNG，然后送至換熱器，在換熱器中，低溫的 LNG 與常溫的海水進行換熱，LNG吸熱后迅速汽化，汽化后的高壓天然氣進入透平膨脹發電機進行做功，進而驅動發電機進行發電。

二次媒體法是利用冷媒為中間介質完成循環。首先，LNG輸送至冷凝器，在冷凝器中與冷媒（如丙烷）蒸汽發生熱交換，液態天然氣由于吸熱，汽化成常溫常壓下的天然氣，而冷媒放熱后冷凝下來，經低溫泵提升壓力后，進入到蒸發器，由蒸發器對冷媒進行加熱，使冷媒變成高壓蒸汽，從而推動透平膨脹發電機進行做功發電[4]。

4 利用船舶廢熱與LNG冷能的溫差發電

大型船舶主機功率龐大，燃料在燃燒后發出的全部熱量有部分轉變為機械功，其余部分則通過排氣、冷卻介質和機器表面散熱等而損失掉[5]。這一部分熱量可以和LNG汽化釋放的冷能進行溫差發電。下表列舉了大型船舶燃料熱能轉化形式及比重[6]。

從表中明顯看出約有50%-60%的燃料熱量被排氣廢熱和冷卻水帶走，造成熱量的浪費。目前大型船舶柴油機廢熱的利用主要是排氣方面的應用，如：廢氣渦輪增壓和廢氣鍋爐；而冷卻熱的利用則主要集中在油艙加熱、制淡和生活雜用上。

如何在現有的廢熱利用基礎上，既不破壞原有的廢熱利用系統，又能更大限度地利用柴油機廢熱已成為業內廣泛關注的問題。溫差發電技術的發展，為廢熱的進一步再利用提供了有效途徑。雖然目前溫差發電的效率較低，但是LNG動力船舶中的廢熱和冷能能夠形成巨大的溫差，這樣利用溫差發電可以更加高效，因此，利用船舶廢熱與LNG冷能的溫差發電還是十分有前景的。

關于溫差發電技術：

1982年，德國物理學家塞貝克發現了溫差電流現象，即兩種不同金屬構成的回路中，若兩種金屬接觸點溫度不同，該回路中就會產生一個溫差電動勢。這就是塞貝克效應。

在發電片的兩端建立一個溫差，高溫端記為Th，低溫端記為Tc，根據塞貝克效應，將產生一個電壓，若在回路中接入負載電阻，則將有電流產生。電壓與溫差的關系可表示為：

V=（Sh-Sc）（Th-Tc）

其中Sh與Sc分別為兩種材料的塞貝克系數。

5 目前船舶上LNG應用的困難之處

①LNG 蒸汽屬于易燃易爆氣體，操作不當時很容易發生危險。在對 LNG 動力船舶進行設計時，其必然會導致船舶裝置的復雜性，建造和維護成本也會相應增加，同時這很容易導致 LNG 蒸汽的泄漏，從而導致危險事故的發生。因此LNG動力船舶的設計既要根據自己情況，合理地開發和利用 LNG 蒸汽冷能使利益最大化，也需要經過相關檢驗機構的認可后，平衡好經濟性與安全性的問題后，才可以在實船上利用。

②由于 LNG 蒸汽的最低溫度為-160℃左右，所以在考慮利用 LNG 蒸汽冷能的時候，必須將此溫度因素考慮在內；對于設備材料在低溫環境下的性能是否會發生變化，是否會發生變形等問題需要單獨考慮。

6 結語

目前，隨著人們環境保護意識的不斷增強，對船舶的排放要求也越來越高，LNG動力船舶也將憑借其動力能源的清潔性與高效性優勢，勢必會在未來的船舶市場中占據重要地位。相信隨著LNG冷能回收技術的進一步發展，LNG 冷能將被廣泛應用到船舶發電、冷庫冷藏、海水淡化等船舶的各個方面，從而達到既追求經濟效益又滿足當下環境保護要求的目的。

【參考文獻】

【1】胡選哲，孫文哲，顧驍勇，等. LNG動力船冷能發電系統的模擬優化研究[J]. 船舶工程，2015（2）：50-53.

【2】田堃. LNG燃料船冷能利用技術開發與工程化研究[J]. 廣東化工，2014，41（21）：128-130.

【3】邢迎明. LNG 氣化過程中的冷能回收及利用[J]. 能源研究與利用，2010（3）：33-36.

【4】吳少聰. 我國 LNG 冷能利用方法及發展前景[J]. 廣東化工，2012，39（1）：65-66.

【5】牛東翔. 船舶柴油機動力裝置余熱發電系統的熱經濟分析[D]. 大連：大連海事大學，2005.

【6】劉興永，張心宇. 船舶動力裝置[M].北京：人民交通出版社， 2006.