LNG動力船舶應用水浴式汽化器可行性分析

李岳洋,洪海志，張鴻泰

(1.江蘇現代造船技術有限公司，江蘇 鎮江212003；2.江蘇鴻運綠色能源有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

液化天然氣(LNG)作為一種清潔、高效優質的能源，已成為我國乃至世界能源供應增長速度最快的領域。為了深層次研究、開發、利用液化天然氣這種清潔能源，共同推進“氣化水運”項目，江蘇省交通運輸廳和江蘇省地方海事局開展了《京杭運河江蘇段水運應用LNG綜合示范區》項目，利用現有船舶動力系統整體更新改造技術，對內河運輸船舶主機進行燃料升級更新，以潔凈的液化天然氣替代污染物排放較多的柴油、重油等燃料，達到節能減排的目的。

LNG動力船舶主機燃用的天然氣是通過熱交換設備產生的。這種換熱設備稱之為熱交換器，也稱汽化器，能使低溫的液態天然氣(LNG)轉變成氣態天然氣(NG)。汽化器通常有兩種型式：空溫式(翅片管式)和水浴式(管殼式)。

空溫式汽化器由于采用空氣自然對流，結構簡單，無需另外提供熱水管路，在早期的LNG燃料改造船舶上經常應用。然而因需要的換熱面大，外形體積大，空溫式汽化器在內河運輸船舶上布置困難，特別是環境溫度較低時，因表面結霜而導致汽化量不充分，發動機供氣不暢，故內河LNG動力船舶開始應用水浴汽化器進行研究推廣。

水浴式汽化器由于汽化量大，換熱效率高，并具有結構緊湊、占地面積小、節約空間和制造成本低等優點得到關注并在船舶上應用。水浴式汽化器的主體為換熱裝置，所有與介質接觸的受壓元件均采用不銹鋼管制造，可承受較低溫度和相應的工作壓力，而且可靠性好，運行范圍寬，溫度容易控制，維修方便，經濟性好。

本文結合《京杭運河江蘇段水運應用LNG綜合示范區》工程應用項目，對LNG動力船舶應用水浴式汽化器進行可行性分析，計算結果證實采用雙燃料主機本身的外循環冷卻水溫度水浴式汽化器的換熱溫度產生的氣態天燃氣可以滿足主機供氣需求，這將為后續水浴式汽化器應用于LNG動力船舶提供技術基礎和安全保障。

1 汽化器加熱系統管路設計方案

1.1 汽化器加熱系統原理

汽化器加熱系統原理：將主機的外循環冷卻系統出水口直接排舷外的熱水，接至液化天然氣儲罐處的水浴式汽化器進水口，進行循環水加熱，使LNG汽化為可以供給雙燃料主機直接使用的燃料。

1.2 主機的外循環冷卻系統原理

主機的外循環冷卻系統原理：海水冷卻泵將海水從海底門、通海閥和粗過濾器送至滑油冷卻器和淡水冷卻器中，并從雙燃料主機高溫的部件中吸收熱量，使淡水冷卻器中海水腔的溫度上升。

1.3 汽化器加熱系統管路設計方案

外循環冷卻熱水進入水浴汽化器進水口，水浴汽化器出水口連接單向閥，將海水排出舷外。同時液態天然氣進入水浴式汽化器，水浴汽化器中的冷卻水形成溫度差進行傳熱，使得低溫的液化天然氣進行汽化，形成氣態的燃料，滿足雙燃料主機的燃料使用要求。水浴式汽化器構造圖如圖1所示，水浴式汽化器熱交換系統圖如圖2所示[1]。

2 汽化器汽化量計算與選型

2.1 已知設計條件

雙燃料主機功率Nez=200 kW(170系列雙燃料主機); 雙燃料主機數量N=2臺；天然氣替代率S=70%;燃油消耗率gez=0.2 kg/kWh；耗氣率gezgas= 0.26 m3/kWh；Rez為每千克柴油燃燒的熱當量相當于1.26倍天然氣的熱當量,取1.26。

在標準狀態下，1 m3天然氣熱值相當于0.792 kg柴油，折算后每千克柴油相當于1.26 m3天然氣。

1—不銹鋼本體；2—外循環冷卻水進水口；3—外循環冷卻水出水口；4—LNG出液口；5—LNG進液口；6—液化天然氣管路上截止閥

1—截止閥；2—水浴汽化器；3—熱水循環泵；4—溫度傳感器及閥；5—截止止回閥；6—主機換熱器；7—電加熱換熱器；8—膨脹熱水柜

2.2 汽化量計算

汽化量計算方法有兩種:按耗氣量計算和按燃料熱值計算。

(1)按耗氣率Qhq1計算

Qhq1=NezNSgezgas=72.80 m3/h

(2)按燃料熱值Qrlrz計算

Qrlrz=NezNgezSRez=70.56 m3/h

對比上述兩種方法的計算，得出按耗氣量計算的氣化量值大，因此取72.80 m3/h作為依據。考慮增加25%的余量，經取整，最終汽化器的汽化量為100 m3/h。

2.3 汽化器選型與熱負荷計算

2.3.1汽化器選型參數

型號

JAMTC-100/1.2

汽化介質

LNG→NG

工作壓力

1.2 MPa

汽體進口溫度

-160 ℃

氣體出口溫度

40 ℃

進口通徑

DN25 mm

出口通徑

DN25 mm

換熱面積

70 m2

2.3.2質量流量qm的計算

質量流量qm按下式計算：

qm=ρV

式中：V為標準狀態下的體積，V=100 m3/h；ρ為標準狀態下天然氣的密度，ρ=0.717 4 kg/m3。

經計算，qm=71.74 kg/h。

2.3.3汽化熱負荷計算

LNG汽化狀態圖如圖3所示。從圖3可知，汽化熱負荷計算[2]分三個階段進行。

(1)第一階段過冷至飽和1狀態的熱負荷Q1(液態LNG)：

Q1=AhΔt1=Ah(tbh1-tg1)

式中：A為汽化器換熱表面積，A=70 m2；h為傳熱系數,h=4.5W/(m2·K)；Δt為液體在工作壓力下溫度差，℃；tbh1為飽和1狀態溫度，tbh1=-147 ℃；tg1為過冷狀態溫度，tg1=-162 ℃。

經計算，Q1=4.725 kW。

(2)第二階段飽和至飽和2狀態的熱負荷Q2(氣、液混合狀態LNG、NG)：

Q2=AhΔt=Ah(tbh2-tbh1)

式中：Δt2為液體在工作壓力下溫度差，℃；tbh2為飽和2狀態溫度，tbh2=-70 ℃。

經計算，Q2=24.255 kW。

(3)第三階段飽和2至過熱的熱狀態負荷Q3(氣態NG)：

Q3=AhΔt=Ah(tgr-tbh1)

式中：Δt3為液體在工作壓力下溫度差，℃；tgr為過熱溫度，tgr=40 ℃。

經計算，Q3=34.650 kW。

最終，總熱負荷Q=Q1+Q2+Q3=63.630 kW。

圖3 LNG汽化狀態圖

3 船舶采用雙燃料主機冷卻水換熱可行性

根據設備廠提供的資料要求，加熱用雙燃料主機冷卻水進出口溫差不大于10 ℃。主機資料顯示：主機在85%負荷時，冷卻水溫度為65 ℃，該機型冷卻水量取15 m3/h(資料范圍為10～20 m3/h)。考慮接至汽化器進水口溫度下降約2 ℃(可以采取必要的保溫措施)，取進口溫度63 ℃，流量15 m3/h；出口溫度按55 ℃計算，忽略少量水蒸發。

雙燃料主機在較低負荷運行時冷卻水溫度在50～60 ℃間波動。取較低進汽化器水溫為55 ℃，按出口水溫50 ℃計算：

4 結論

內河現有船舶動力系統整體更新采用雙燃料主機，或者為單燃料主機，對減少污染物的排放，推進綠色水運，以及防止溫室效應、水上環境污染等方面具有積極意義。而汽化器為雙燃料船舶“油改氣”工程中必不可少的重要裝置。水浴式汽化器應用雙燃料主機冷卻水加熱汽化的可行研究，及其良好的應用實踐，同時雙燃料主機內循環水也可以提供水浴汽化器的熱源，對液化天然氣進行汽化。本文研究的廢熱水利用和低成本改造，對內河推廣應用清潔新能源也起到推動作用。

由于水浴式汽化器充分利用了雙燃料主機冷卻水的余熱，也進一步降低了能耗。實船應用表明：水浴汽化器換熱溫度受發動機負荷波動、換熱器結構、材料換熱系數、污垢系數等因素有影響，對其精確分析還需要大量的實驗數據，有待進一步研究。但只要充分考慮設計裕度，可以滿足設計選型要求。同時為水浴汽化器在內河LNG動力船舶上的應用提供選型參考和可行性分析，確保LNG雙燃料動力系統整體更新改造技術安全運行，能更好地實現“氣化大運河”“氣化長江”提供技術基礎和安全保障。