沈仲翔, 吳迪, 曹露， 許光映

(浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江 舟山316022)

0 引 言

21世紀(jì)以來，全球經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)步快速發(fā)展，以石油、煤炭、天然氣為主的能源資源消耗急劇增加，能源過度開采利用帶來的能源危機(jī)、能源價(jià)格上漲及環(huán)境污染問題日益凸顯。國際海事組織（MOI）海洋環(huán)境保護(hù)委員會為應(yīng)對全球氣候變暖在第62次會議MARPOL公約上以附則VI修正案的方式制定并強(qiáng)制實(shí)施了全球溫室氣體減排規(guī)定。在這樣的國際大環(huán)境下，世界航運(yùn)業(yè)必須要走在變革前列。因此分析和研究船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）和船舶能效運(yùn)營指數(shù)（EEOI）兩項(xiàng)船舶能效標(biāo)準(zhǔn)，如何做好船舶節(jié)能工作，綜合利用好船舶的各類資源，提高能源的綜合利用效率，降低船舶運(yùn)營成本已成為當(dāng)前國內(nèi)外所有的船舶制造商、航運(yùn)公司和海事組織都密切關(guān)注的問題[1]。此外，相關(guān)研究和調(diào)查表明,在船舶航運(yùn)支出費(fèi)用中，燃料費(fèi)用的支出占總支出的一半以上，而船舶耗用的燃料能量只有部分被有效利用起來，其中克服阻力推動船舶行進(jìn)的功只占總能量的1/2。而其他能量則以各種能量形式（例如熱輻射、循環(huán)冷卻和對外排煙等）被排放，這樣造成了很大程度的資源浪費(fèi)[2]。

因此，本文設(shè)計(jì)出一種LNG動力船冷熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，本裝置通過LNG氣化吸熱的原理為船舶提供冷量和電力，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)提供動力或電力，余熱為溴化鋰機(jī)組發(fā)電，為船舶工作人員提供生活熱水、蒸汽和除濕空調(diào)冷源，實(shí)現(xiàn)了冷能、熱能的梯級利用[3]。相比目前動力裝置可以大幅度減少向大氣排放NOx、SO2等污染物[4]，具有節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

1 LNG動力船冷熱電聯(lián)產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)

LNG動力船冷熱電聯(lián)裝置包括LNG氣化系統(tǒng)、冷能冷量回收系統(tǒng)和煙氣余熱回收及生產(chǎn)系統(tǒng)幾部分組成。LNG氣化系統(tǒng)包括依序連通的LNG罐1、調(diào)節(jié)閥2、低溫泵3、一級氣化器4和二級氣化器5；冷能和冷量回收系統(tǒng)包括依序連通的載冷劑泵6、冷凍庫7、回?zé)崞?、冷藏庫9和透平機(jī)（T）；透平機(jī)（T）的出口端依序經(jīng)過回?zé)崞?和一級氣化器4再與載冷劑泵6連通構(gòu)成循環(huán)回路；煙氣余熱回收及生產(chǎn)系統(tǒng)包括內(nèi)燃機(jī)（ICE）、天然氣鍋爐（NB）、煙氣冷熱機(jī)組（GAH）、煙氣一級回收器12、煙氣二級回收器11和高溫?fù)Q熱器10。

液化天然氣氣化的過程是：打開調(diào)節(jié)閥2，開動低溫泵將液化天然氣泵入一級汽化器4，釋放冷能和冷量，然后在二級汽化器中被煙氣加熱氣化成所要求的天然氣供給發(fā)電機(jī)組或天然氣鍋爐（NB）。

冷能和冷量利用過程是將一級換熱器作為有機(jī)朗肯循環(huán)的低溫?zé)嵩赐瓿梢患墯饣?，冷庫作為有機(jī)朗肯循環(huán)高溫?zé)嵩?，氣體載冷劑（可以是乙烷等）作為有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)完成冷能利用。工作循環(huán)是氣體載冷劑在一級換熱器4冷凝成液態(tài)，載冷劑泵6泵入冷凍庫7，為其提供冷量并被冷能和冷量回收系統(tǒng)吸收，通過一系列控制與調(diào)節(jié)作為冷凍庫7與冷藏庫9的冷量來源，在換熱器8中再次7給載冷劑加熱，將透平機(jī)排出氣體降溫，載冷劑流入冷藏庫9提供冷量，載冷劑本身完全氣化，然后流入透平機(jī)T，構(gòu)成有機(jī)朗肯循環(huán)，帶動發(fā)電機(jī)G2工作[6]。

圖1 裝置示意圖

在夏季船舶除濕空調(diào)使用高溫冷水（17 ℃）是由溴化鋰機(jī)組提供的。本設(shè)計(jì)中，在夏季，閥門K5、K6是打開的，冷水泵P2運(yùn)行，閥門K7是關(guān)閉的，水泵P3是停運(yùn)的。發(fā)電機(jī)組煙氣余熱供給溴化鋰機(jī)組，由吸收器、蒸發(fā)器、發(fā)生器和冷凝器四部分組成。水在蒸發(fā)器內(nèi)的飽和溫度和壓力等條件下蒸發(fā)，蒸發(fā)器內(nèi)的冷劑水水蒸汽被吸收器內(nèi)溴化鋰濃溶液吸收導(dǎo)致溶液變稀，此時(shí)內(nèi)燃機(jī)（ICE）產(chǎn)生的450 ℃煙氣通過發(fā)生器（H1），以其熱能使溴化鋰溶液濃縮，并通過溴化鋰濃溶液進(jìn)入吸收器吸收冷劑水，發(fā)生器中得到的蒸汽在冷凝器中凝結(jié)成水送至蒸發(fā)器中蒸發(fā)，如此循環(huán)連續(xù)制冷[7]。冬季空調(diào)熱水可以通過煙氣換熱器H3提供。

蒸汽提供主要通過一次預(yù)熱加熱管（H5）和二次預(yù)熱加熱管（H6），然后在天然氣鍋爐（NB）中加熱成蒸汽。在冬季，閥門K5、K6是關(guān)閉的，冷水泵P2停開，閥門K3、閥門K4是打開的，水泵P4是運(yùn)行的。

生活熱水是通過發(fā)電機(jī)組冷卻水余熱提供的，第一進(jìn)水管道的進(jìn)入水溫為50 ℃，第一出水管道的流出水溫為70 ℃。吸收機(jī)組蒸發(fā)管（H9）兩側(cè)的水溫分別為80 ℃和90 ℃；淡水輸入端的水溫為20 ℃。吸收機(jī)組蒸發(fā)管（H9）上第二進(jìn)水管道的水溫為23 ℃，第二出水管道的水溫為18 ℃。內(nèi)燃機(jī)（ICE）輸出的煙氣為450 ℃，經(jīng)過吸收機(jī)器發(fā)生器（H1）后，煙氣溫度為140 ℃，進(jìn)一步在煙氣一級回收器12和煙氣二級回收器11降溫后，下降到50 ℃，最后被用于二次LNG氣化器后溫度下降到30 ℃[5]。

2 可行性分析

交通運(yùn)輸部在《關(guān)于深入推進(jìn)水運(yùn)行業(yè)應(yīng)用液化天然氣的意見》中提出，到2025 年，基本形成覆蓋全面、技術(shù)先進(jìn)的LNG清潔能源水運(yùn)裝備，初步建成集約高效、功能完備的LNG 水路運(yùn)輸系統(tǒng)，為國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和水運(yùn)綠色發(fā)展提供重要支撐。為響應(yīng)國家的技術(shù)發(fā)展要求，同時(shí)船舶在海上航行，運(yùn)行在不同緯度，所遇到的環(huán)境條件不同，特別是海上游輪主要為乘客提供休閑娛樂，通常需要具備舒適的環(huán)境以及游泳池等高級設(shè)備，因此船舶冷熱電聯(lián)產(chǎn)裝置需以能源高效利用為前提，為乘客和船員提供必要的電、熱水、空調(diào)等生活要求，同時(shí)為船舶提供冷庫、空調(diào)所需冷量，也可以提供生活熱水、蒸汽和電能，為船舶提供溫濕度獨(dú)立控制所需的熱源和冷源[8]。

對于冬季和夏季天然氣不同利用方式：

1）夏季運(yùn)行。天然氣供給內(nèi)燃機(jī)（ICE）和天然氣鍋爐（NB），這里內(nèi)燃機(jī)可以是發(fā)電機(jī)或船舶主機(jī)，鍋爐是天然氣鍋爐，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電可以滿足船舶用電需求，主機(jī)是用于驅(qū)動螺旋槳，內(nèi)燃機(jī)缸套換熱管H11用于帶走其工作熱量，水流入和流出換熱管H11溫度為80 ℃和90 ℃，再通過高溫?fù)Q熱器10加熱來自除濕空調(diào)的溶液，用于給除濕溶液再生。內(nèi)燃機(jī)（ICE）排煙溫度在450 ℃左右，高溫?zé)煔庠陔p效溴化鋰機(jī)組（GAH）可以制取18 ℃高溫冷水，用于給船舶空調(diào)降溫。這期間K5、K6是打開的，冷水泵P2運(yùn)行，K7是關(guān)閉的，水泵P3停運(yùn)的，吸收和冷凝換熱器H10用船舶冷卻水降溫，冷水流入溫度在25 ℃左右。船舶所需蒸汽首先是進(jìn)過三通閥K4，調(diào)節(jié)流入高溫?fù)Q熱器10中換熱管H5的水量，再次在一級煙氣換熱器中換熱管H6中加熱，最后在天然氣鍋爐（NB）中加熱成蒸汽，蒸汽可以用于廚房和海水淡化。

2）冬季運(yùn)行。天然氣的前半段利用與夏季運(yùn)行大體相似。其中，從內(nèi)燃機(jī)缸套換熱管H11的水流，將通過高溫?fù)Q熱器10用于加熱來自冬季房間空調(diào)回水為房間提供熱量。內(nèi)燃機(jī)（ICE）排煙溫度在同樣為450 ℃左右，這期間K5、K6是關(guān)閉的，冷水泵P2停開，K3、K4是打開的，水泵P4是運(yùn)行的，高溫?zé)煔庠陔p效溴化鋰機(jī)組可以制取60 ℃高溫?zé)崴梢杂糜谌藛T生活熱水。蒸汽產(chǎn)生過程也與夏季一致。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

該裝置可以實(shí)現(xiàn)LNG冷能和冷量同時(shí)利用；冷量利用主要通過凍藏冷庫和載冷劑實(shí)現(xiàn)，冷能回收主要通過透平機(jī)發(fā)電實(shí)現(xiàn)，冷凍庫和冷藏庫構(gòu)成朗肯循環(huán)的高溫?zé)嵩矗患壠鳂?gòu)成有機(jī)朗肯循環(huán)的低溫?zé)嵩碵9]，減少排煙、散熱損失。提高各機(jī)組的工作效率，實(shí)現(xiàn)冷能梯級利用。通過調(diào)控閥門與水泵，夏季可以同時(shí)提供冷、電和汽；冬季可以同時(shí)提供熱、電和汽，實(shí)現(xiàn)熱能梯級利用。內(nèi)燃機(jī)（ICE）發(fā)電，利用其燃燒時(shí)1300 ℃高溫，然后通過吸收式機(jī)組（GAH）夏季制取高溫冷水用于空調(diào)，冬季回收煙氣余熱用于生產(chǎn)生活熱水，剩余煙氣仍可用于二級天然氣氣化。為船舶空調(diào)提供溫濕度獨(dú)立控制所需的冷熱源[10]，夏季通過H9蒸發(fā)管產(chǎn)生高溫冷水，缸套余熱用于給稀溶液加熱再生。該裝置可以在不同的環(huán)境條件下滿足船舶的冷、熱、電需求，同時(shí)可以有效地節(jié)約了能源，符合經(jīng)濟(jì)性要求。

4 結(jié) 語

為滿足船舶在航行過程中所必需的冷、熱、電，針對現(xiàn)有船舶動力所存在的缺陷以及其燃燒產(chǎn)物排放對自然環(huán)境的不利影響，設(shè)計(jì)出LNG動力船冷熱電聯(lián)產(chǎn)裝置。并從結(jié)構(gòu)、操作、經(jīng)濟(jì)可行性等方面論證了該裝置可以滿足船舶冷、熱、電需求的可行性。并且大幅提高了資源利用率，減少了不必要的資源浪費(fèi)[11]。

LNG具有較好經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，采用LNG將是擺脫依賴船用傳統(tǒng)燃油的最大突破。當(dāng)前全球減排和低碳的趨勢已將航運(yùn)業(yè)推到風(fēng)口浪尖，各國航運(yùn)業(yè)紛紛探尋替代能源，LNG作為清潔低碳能源，顯然可以在能源替代方面贏得先機(jī)，并在滿足國際公約、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求的形勢下迎來LNG燃料動力應(yīng)用發(fā)展的新機(jī)遇。