引言天然气作为石化开采的副产品，因其燃烧后仅产生二氧化碳和水，作为国际船舶行业认可的过渡型燃料，引发了双燃料动力船加速发展的趋势[1-3]。双燃料动力船在燃烧天然气燃料过程中需要汽化大量的液化天然气（LNG）燃料，同时需要消耗大量的热量。热量一般取自主机冷却水或者海水，还可以取自空调间的冷负荷。据测算，液化天然气汽化释放的冷能在830 kJ/kg~860 kJ/kg[4]。目前世界上最大的油轮（VLCC），以7.5 t/h的LNG汽化量所需要的热量大概可以抵消2 000 kW左右的冷负荷，这部分冷量大部分被海水换热带走[5]。因此将LNG冷能加以利用，可以提升整船的能源利用率，减少能源浪费；同时可以节省空调设备用电消耗，进一步降低航运成本，经济增效显著。1国内外双燃料船LNG冷能利用现状1.1国外应用北欧船东以化学品双燃料船舶占主要优势，LNG冷能应用在陆地已经十分普遍；美国安然公司主要利用LNG冷能进行助力电厂燃气轮机发电；日本主要技术路线为低温发电、空分等，发电技术应用占比很高[6]。但应用于船舶行业尚未被使用[7]。1.2国内应用目前国内LNG冷能利用主要集中在发电、空气分离、冷冻冷藏及工业干冰制取[8-9]。国内双燃料船舶是近年来才兴起的船舶行业节能减排措施，国内已经在江船及海船上成功进行了双燃料系统改造及新造船，但是双燃料船舶的建造对于许多船厂尚属首次，因此对LNG双燃料船舶的冷能利用，未有相关文献记录[10]。2双燃料船舶LNG冷能利用的优势双燃料船LNG冷能利用主要依靠天然气，双燃料主机在用气时需要汽化LNG。汽化冷能根据汽化压力不同，所释放的冷量略有差别。对于低压双燃料主机而言[11]，因供气系统结构相对不复杂，供气压力较低，因此可以获得较大的冷能供给能力。（1）换热对数温差大。LNG汽化加热换热器采用绕管式换热器[12]，由于天然气汽化温度与空调冷冻水温度温差较大，可以最大限度地减少换热面积，降低冷冻水循环泵的功率，起到降低能耗的功效[13-14]。（2）冰蓄冷节能。天然气燃气供气系统的汽化器汽化量根据主机负荷变化而变化，将天然气使用峰值的冷量集聚起来储存，减少大量瞬时冷能浪费。将这部分集中蓄积起来的冷能，在LNG汽化量较小，冷负荷需求较大不能实现平衡时释放出来，实现能量总体平衡的节能方式[15]。（3）中间载冷剂介质。乙二醇作为中间载冷介质有两大优势：用于防冻液的配制，防止船用管系的冻裂；以中间载冷介质作为屏障，可以降低事故风险。3双燃料船舶冷能用于空调系统的工艺过程及设备3.1系统工艺原理双燃料船舶冷能用于空调系统如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.006.F001图1双燃料船舶冷能用于空调系统工艺原理LNG由低温泵泵出LNG储罐，然后经过LNG汽化加热器与中间介质载冷剂乙二醇在甲板的燃气预处理间进行换热后，天然气再通过缓冲罐稳压后供主机进一步使用。中间加热介质乙二醇溶液在吸收LNG冷能后泵入空调冷冻水换热站，乙二醇载冷剂与冷冻水换热，使冷冻水水温达到7 ℃后，进入冰蓄冷装置。如果冷负荷需求量较大，可直接进入空调房间的风机盘管进行供冷。如果空调房间冷负荷较小，可以让冷冻水先进入冰蓄冷装置进行冷量蓄积，进入空调房间的风机盘管进行温度调节。3.2空调系统运行模式分析空调系统工作模式包括非蓄冷模式、蓄冷模式、联供模式。非蓄冷模式：调冷冻水进行换热，换热后的冷冻水达到7 ℃后，用于空调房间的换热。蓄冷模式：当LNG汽化器仅满足少量负荷运转或者船舶停港靠岸时，需要调用蓄冰池中的冷水进行空调系统运行的保障用水。在停港靠岸前，需要将多余的冷量转化成冰蓄能；在非LNG汽化阶段可以使用冰蓄冷设施保障空调系统的稳定运行。联共模式：当船舶在经济航速模式下，因LNG汽化量不够的部分进行冰蓄冷装置的补充，进入空调冷冻水系统，实现两种制冷模式并联运行，提升系统的灵活性。4空调系统运行经济性分析4.1冷量及空调冷负荷分析计算本项目VLCC船的空调冷负荷约为300 kW。热平衡工艺过程模型如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.006.F002图2热平衡工艺流程根据工艺流程，简化如下模型进行过程模拟仿真。液化天然气供气过程为液态LNG1从储罐泵入汽化器中，由液态吸热汽化成LNG2进入加热器，进一步进行加热后供船舶双燃料主辅机使用。载冷剂乙二醇WG1从空调冷冻水换热器进入LNG加热器后，变为WG2，再次进入汽化器，冷却至WG3，最后进入冷冻水换热器与风机盘管的回水进行热量交换，变为WG4。冷冻水循环为风机盘管换热后，高温冷冻水进入冷冻水板与乙二醇载冷剂换热后变成3.3 ℃低温水，再次进入风机盘管制冷。模拟过程的具体物性数据如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.006.T001表1液化天然气、乙二醇、冷冻水的性能项目名称温度/℃压力/MPa焓值/(kJ/kg)液化天然气LNG1-1630.16-655.5NG1-1100.16-440.76NG2250.16241载冷剂乙二醇WG150.3-WG200.27-WG3-40.24-WG450.21-冷冻水热水110.4-冷水3.30.4-该船LNG供气量为7 500 kg/h，在-163 ℃时的焓值为-655.5 kJ/kg；汽化到供气温度25 ℃时，其焓值约为241 kJ/kg。释放冷量可计算为：Q=∆h×m (1)式中：Q——LNG释放冷量，kW；Δh——汽化器进出口焓差，kJ/kg；m——质量流量，kg/h。按式（1）计算，释放的冷量约为1 800 kW，远大于空调用负荷300 kW。蓄冷装置同时将部分冷量进行相变存储，抵消主辅机负荷波动影响空调效果。4.2LNG换热器热性能及选择根据PROII模拟过程，得到汽化器和加热器的热性能，汽化器的热性能参数如表2所示，加热器的热性能参数如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.006.T002表2汽化器的热性能参数项目数值单位汽化换热器MP-VAPOR—相变换热——换热器功率2.843 5×106 kJ/h对数平均温差132.785 1℃10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.006.T003表3加热器热性能参数项目数值单位加热换热器MP-加热器数值—无相变换热——换热器功率3.878 7×106 kJ/h对数平均温差44.864 6℃汽化器及加热器均具备较大的对数平均温差。其中汽化器的对数温差达到132.8 ℃，加热器平均对数温差达到44.9 ℃。本研究选择绕管式换热器，具有结构紧凑、单位容积换热面积大及承压能力高的特点，被广泛应用于天然气工业领域[16]。4.3经济性分析制冷系数计算为：FCOP=QW (2)式中：FCOP——制冷系数；Q——吸收的热量，kW；W——吸收热量所做的功，kW。常规电力驱动冷水机组的制冷系数COP值为3，依据式（2）可以计算出功耗约为600 kW，已知冷水发电机的输出功率约为1 500 kW，耗气量约为300 kg/h，因此600 kW所对应耗气量约为120 kg/h。成本核算可以简化为：M=W×T×A (3)式中：M——成本，元；W——发电机单位时间耗气量，kg/h；T——时间，h；A——天然气成本参考单价，元/t。根据式（3），天然气成本约为4 000 元/t，空调每天运行时间12 h，计算出船舶航运每天需要燃烧1 440 kg天然气，可推算出成本节省约5 760 元/d。5结语（1）双燃料船舶LNG冷能的合理利用，减少了船舶空调系统设备的初投资费用，可以充分地利用LNG的冷能，减少能源的浪费。（2）LNG汽化的冷能可以满足船员房间的舒适要求。系统布置简单，运行可靠，减少了多余能耗，节约燃料。（3）将传统陆上空调冰蓄冷技术与LNG汽化技术相结合，避免LNG汽化后大量冷能的浪费，做到能源转化与蓄能相结合的能源结构模式，提升船舶整体运营能力。