LNG动力渔船冷能梯级利用

杨晨斌，许光映，薛大文

(浙江海洋大学，浙江 舟山316022)

0 引 言

我国是传统的渔业大国，同时也是世界上渔船数量最多的国家。在国际组织和国家节能减排的大环境下，LNG动力渔船已成为响应国家号召的必然选择和直接要求。由于LNG在-165 ℃时汽化，并进一步换热升温后才能进入船舶主机进行燃烧利用，期间有100多度的冷能可以利用。然而，目前为止，虽然已有较多有关LNG动力船舶冷能利用的研究[1-8]，但针对LNG动力渔船冷能利用则相对较少[9-12]。

另一方面，对于近海渔船，单次捕鱼期为20～30 d，此类渔船没有制冷系统，为了渔货产品的保存和贮藏，主要采用带冰块作业，以碎冰保鲜为主。然而，利用传统碎冰块低温保鲜缺点明显，主要在于对海产品组织细胞的破坏以及对保鲜温度的控制性差等方面。近些年，流化冰的出现和快速发展为海产品保鲜带来新的方式，流化冰是一种含有冰晶微粒的固液两相溶液，简单地说就是冰水混合物。相比之下，海水流化冰因其冰晶粒子细小绵密，传热效率高、流动性强，因而具有冰晶圆润不破坏海产品表面、直径微小密封效果好、冷却速度快保鲜期长等优点，特别能够满足近海渔船出海作业的需求。

鉴于此，本文以40 m拖箱LNG渔船为研究对象，针对其制冷保鲜需求，对LNG在气化过程中释放的冷量进行梯级利用，设计流化冰制取系统，既可以提高能源利用率，又可以在海上直接就地取材，节约成本。

1 LNG渔船冷能利用方案

1.1 LNG渔船可利用冷量分析

LNG的主要成分为甲烷，其在储液罐中的状态为-160℃以下，而动力装置的进气温度为20 ℃，其温差达180 ℃以上，LNG通过气化器气化使用，比热容为2.14 kJ/（kg·℃），汽化时放出很大的冷量，其中潜热值约为522 kJ/kg，气态天然气从储存温度升温到环境温度的显热值约为385.2 kJ/kg，而1 kg LNG释放的总冷量为907.2 kJ/kg。

以40 m拖箱渔船为例，渔民每年出海捕鱼次数为8次，每次为30 d，每天作业时间将近12 h，每次出海耗油量为16～17 t（为了方便计算，本次取值为16.5 t），则每天耗油量为0.55 t，若采用全部代替，则每天耗LNG的量为0.503 t，按LNG汽化至温度20 ℃，LNG的比热容为2.14 kJ/(kg·℃)，汽化潜热为522 kJ/kg，则每千克LNG所能提供的冷量为907.2 kJ/kg。LNG的冷能回收效率以80%计算，其制冷量Q=503×907.2×80%÷3600=101.4 kW。

1.2 渔船LNG冷量利用方案

针对40 m拖箱渔船，通过深入了解渔民出海打鱼时的作业时间及捕获量，提出了LNG冷能梯级利用方案，如图1所示。首先LNG从储液罐出来经过第一个LNG-乙二醇冷能回收换热器，换热器将一部分冷量回收，并将这部分冷能及空气-尾气换热器所回收的热量分别作为冷端和热端通过半导体发电装置转化成可利用的电能，然后通过第二个LNG-乙二醇冷能回收换热器，又将一部分冷量回收并通过制作流化冰的工具产生渔民所需要的用于水产品保鲜的流化冰，再通过NG-空气换热器10与换热空气的回气进行换热，提升NG的温度，使得进气温度达到20 ℃以上（因为发动机的进气温度为20 ℃）的同时，降低换热空气的温度，提高渔船尾气的回收量；最后NG进入发动机12，驱动渔船进行作业。

图1 LNG冷量利用系统

渔民的作业时间一般为白天，则白天可能不需要用到电或者用电量很小，若还是按照正常LNG流量进行发电，则在发电装置上大部分冷量会得不到充分利用，或者说利用不了，因此一级利用，在换热器与半导体发电装置之间设置一个超低温干冰型冰袋蓄冷罐，以储存经过LNG-乙二醇冷能回收换热器吸收多余的冷量。然后在夜里渔船不作业但耗电量却增加时，释放蓄冷罐储存的冷能用作发电。由于渔民每次撒网收网时间具有周期性，一般用冰高峰期是在收网后再撒网之前或者再撒网之后的1～2 h内，渔民撒网次数是有限制的，因此，渔民不可能持续用冰或者说持续用冰的时间很短，而一天中大部分时间都不需要冰的，所以在LNG-乙二醇冷能回收换热器与制冰器管路之间设置一个相变蓄冷罐，以储存不用制冰时LNG-乙二醇冷能回收换热器所回收的冷能，而在制冰装置中，若制冰所用的水是干净的海水，则可在需要淡水的时候进行制冰，以供船上渔船日常生活使用。

2 LNG动力渔船冷能利用的综合分析

2.1 燃油费的经济性分析

经调查，该40 m拖箱渔船主机功率为420 kW，辅机功率为35.3 kW。渔民每年出海捕鱼次数为8次，每次为30 d，每天作业时间将近12 h，每次出海耗油量为16～17 t（为了方便计算，本次取值为16.5 t），柴油价格为3500元/t，其中渔船耗电总功率为30 kW，每年出海捕鱼总天数为30×8=240 d, 年耗油量m=16.5×8=132 t，日均耗油为m′=132÷240=0.55 t，每吨柴油价格约为3500元，故每天油耗成本为3500×0.55=1925 元，年油耗成本为1925×240=46.2 万元。

天然气低热值为36.22 MJ/m3，0#柴油低热值为38.44 MJ/L，1 m3天然气进入发动机燃烧后产生的热值相当于0.94 L柴油燃烧的热值，即1 m3天然气与0.94 L（0#柴油密度为835 kg/m3，0.785 kg）柴油产生的动力相当。天然气密度为0.7174 kg/m3，所以1 t的LNG相当于1394 m3的天然气。若渔船的动力源全部由LNG提供，则每天的代替量为550÷0.785=701 m3=503 kg=0.503 t，每年耗LNG的量为240×0.503=120.7 t。LNG价格以2764 元/t计算，每天耗LNG成本为2764×0.503=1390 元，每年耗LNG成本为1390×240=33.36 万元。故平均每年可省下大约12.84 万元的燃料费。

表1 动力设备对比

2.2 制冰量及制冰经济性分析

如图1所示，在第一个LNG-乙二醇冷能回收换热器的出口温度设为-100 ℃，第二个LNG-乙二醇冷能回收换热器的出口温度为-10 ℃，所以每千克LNG所释放的冷量为Qs=2.14×1×90=192.6 kJ/kg，每天总共释放冷量为Qz=192.6×503=96877.6 kJ，换热公式为

式中：η2为利用效率，取90%；m为海水质量，kg；Cp为海水比热容，为4.3 kJ/(kg·K)；t2为冷海水温度，取20 ℃；t1为流化冰温度，取-3 ℃；h为流化冰凝固热，为336 kJ/kg。

通过计算得到m=200.5 kg。

根据调查，40 m拖箱渔船的每次带冰量为45 t，而若利用LNG制冰，每次出海捕鱼可少带6 t冰，一年可节省48 t的流化冰。

3 结 语

本文针对LNG动力渔船冷能利用不足，以40 m拖箱LNG渔船为研究对象，针对其制冷保鲜需求，对LNG在气化过程中释放的冷量进行梯级利用，设计流化冰制取系统。

通过计算分析了可利用冷量，以此为基础设计系统，从系统原理、结构、技术等方面总结了流化冰制取系统的设计思路和利用方案。从经济性分析，每年可节电300 kW·h，每年可产生流化冰48 t，经济效益明显。

本文所提系统的研究仅仅是理论研究，能否运用到实际过程中还需结合实际数据和运行工况等方面做进一步的探讨。