LNG動力船冷能和余熱發電系統的模擬優化

胡選哲， 孫文哲， 顧驍勇， 侯 龍， 馮夢嬌

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

HU Xuanzhe, SUN Wenzhe, GU Xiaoyong, HOU Long, FENG Mengjiao

LNG動力船冷能和余熱發電系統的模擬優化

胡選哲， 孫文哲， 顧驍勇， 侯 龍， 馮夢嬌

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

提出利用有機朗肯循環系統來回收液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)動力船上的LNG冷能和煙氣余熱的發電系統。以4 800 kW的雙燃料拖船為研究對象，利用ASPEN PLUS流程模擬軟件對該系統進行模擬，并對循環工質和熱交換器端部溫差進行優化分析。模擬分析結果表明：在相同膨脹機入口溫度下，熱交換器端部溫差為90 ℃時，乙烷工質系統在膨脹機入口的壓力為15 MPa時有最優的發電功率值；雙機系統最大發電功率達157 kW，完全可以通過減少一個150 kW的主柴油機發電機組來產生巨大的經濟效益和環境效益。

HUXuanzhe,SUNWenzhe,GUXiaoyong,HOULong,FENGMengjiao

Abstract: The proposed power generation system uses exhaust heat and the recycle cold energy from Organic Rankine’s cycle on Liquefied Natural Gas(LNG) powered vessels. The 4 800 kW dual fuel tugboat is chosen as an example object of study. Simulation of this system uses ASPEN PLUS process simulation software. The optimization analysis of circulating medium and end temperature difference of the heat exchanger is done. The data of simulation and analysis show that when the inlet pressure is 15 MPa and the end temperature difference of the heat exchanger is 90 ℃ the ethane’s cycle reaches an optimal power. The maximum generation power can reach 157 kW so that the 150 kW main diesel generator set on the tugboat can be replaced, bringing enormous economic and environmental profits.

Keywords: ship engineering; LNG powered vessel； cold energy； ASPEN PLUS； power； exergy efficiency

為有效控制船舶對海洋的污染，國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)已出臺相應規定，要求重質燃料油的平均含硫質量分數從目前的4.5%降到2020年的0.5%，輕質燃料油的平均含硫質量分數降到0.1%；此外，柴油機的NOx排放標準也越來越高，而柴油作為船舶燃料很難達到這些要求。將液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)作為船舶的動力燃料，可在很大程度上降低污染物的排放，其中：CO2的減排能達到10%～15%，硫化物的減排能達到100%，NOx的減排能達到80%～90%。[1]在此過程中，廢油水和煙塵的排放量也能得到一定程度的降低。與柴油燃料相比，LNG燃料對環境的影響較小，可有效實現節能減排的目的。因此，LNG是未來船舶燃料的主要選擇。[2]

目前，天然氣在LNG動力船上是以液態存儲的，使用時通過海水或發動機冷卻水直接加熱氣化，溫度升高到一定程度后進入發動機燃燒。……