基于Aspen HYSYS的LNG-FSRU冷能利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

張 剛， 蔣德志， 張運(yùn)秋， 楊永建

(1．青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院 機(jī)電系， 山東 青島 266071； 2．中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院， 山東 青島 266061; 3.中遠(yuǎn)集團(tuán)研發(fā)技術(shù)中心 青島分中心， 山東 青島 266071)

天然氣貿(mào)易的迅速增長(zhǎng)促使液化天然氣接受終端的不斷發(fā)展。一種新型天然氣運(yùn)輸和儲(chǔ)存裝置(Liquefied Natural Gas-Floating Storage Regasification Unit, LNG-FSRU)憑借與常規(guī)LNG接收站相比具有的節(jié)約投資、供氣靈活、建設(shè)周期短、適合環(huán)境敏感地區(qū)或人口稠密地區(qū)、設(shè)備大型化和安全環(huán)保等特點(diǎn)而成功問(wèn)世并發(fā)展壯大。LNG-FSRU氣化外輸量十分龐大，由此產(chǎn)生的氣化冷能也是巨大的。以天津港LNG-FSRU為例[1]，LNG氣化外輸壓力為7.2 MPa，高峰期氣化外輸量可達(dá)到320 t/h，可提供冷能2.251×108 kJ/h。傳統(tǒng)的氣化技術(shù)采用海水或者燃燒蒸發(fā)氣(Boil Off Gas, BOG)獲得熱源直接將LNG加熱升溫、氣化，導(dǎo)致低溫冷能被極大浪費(fèi)，且局部海域海水溫度升高，生態(tài)環(huán)境也將受到一定影響。此外， 浸沒(méi)式燃燒氣化裝置(Submerged Combusion Vaporizer, SCV)氣化技術(shù)會(huì)消耗大量的BOG，造成能源的浪費(fèi)。綜上可知：LNG-FSRU冷能開(kāi)發(fā)利用具有廣闊的經(jīng)濟(jì)前景與社會(huì)意義。

基于能量梯級(jí)理論和能量守恒理論，設(shè)計(jì)出包含空氣分離、干冰制備、橫向兩級(jí)朗肯循環(huán)發(fā)電、海水淡化、船舶冷庫(kù)、船舶空調(diào)和制冰等多種利用形式在內(nèi)的冷能利用系統(tǒng)，借助Aspen HYSYS軟件進(jìn)行系統(tǒng)的模擬計(jì)算和參數(shù)優(yōu)化，為L(zhǎng)NG-FSRU冷能綜合利用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 設(shè)計(jì)冷能利用方案

1.1 確定冷能利用梯級(jí)及形式

LNG-FSRU冷能獨(dú)立應(yīng)用于冷庫(kù)、空調(diào)和低溫發(fā)電中，造成較大冷量損失。[2]假設(shè)用戶系統(tǒng)為熱源，LNG為冷源，依據(jù)能量守恒得出整個(gè)過(guò)程消耗的冷Ex,Q0為

(1)

目前陸地上將LNG冷能用于空氣分離的技術(shù)已經(jīng)成熟，但需要設(shè)置大體積精餾塔。[3]LNG-FSRU近岸系泊，雖然相比航行船舶較為穩(wěn)定，但仍需考慮精餾塔的平衡問(wèn)題和較低的冷源溫度。因此，可將小規(guī)模空氣分離裝置設(shè)計(jì)為L(zhǎng)NG-FSRU冷能利用系統(tǒng)第1梯級(jí)。采用低溫法制備干冰和液態(tài)CO2，所需CO2氣源由陸上供應(yīng)，產(chǎn)品輸送至岸上工業(yè)用戶，由于原料供應(yīng)和產(chǎn)品輸送方便，所需的冷能由LNG氣化過(guò)程釋放的冷量供給，可將制備干冰和液態(tài)CO2裝置作為冷能系統(tǒng)的第2梯級(jí)。系統(tǒng)液態(tài)LNG燃料從貨艙輸出時(shí)溫度一般穩(wěn)定在-162～-155 ℃，經(jīng)過(guò)空氣分離和干冰制備裝置后的冷能和冷總量較大，且持續(xù)穩(wěn)定，可考慮將這部分冷能進(jìn)行低溫冷能發(fā)電。因此，可設(shè)計(jì)橫向高、低溫兩級(jí)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)最為系統(tǒng)第3、第4梯級(jí)，減少單級(jí)發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷，有效降低設(shè)備的投資成本，同時(shí)增加LNG冷能利用的溫度跨度，增加發(fā)電量。為提高冷能的利用效率，結(jié)合LNG冷能的利用形式與市場(chǎng)需求，可在LNG-FSRU冷能利用系統(tǒng)末級(jí)增加制冰系統(tǒng)，根據(jù)不同時(shí)期對(duì)冰產(chǎn)品的需求量調(diào)整冷量的供應(yīng)和制冰產(chǎn)量。

1.2 設(shè)計(jì)冷能利用總體方案

圖1 LNG-FSRU冷能綜合利用總體方案

2 模擬流程及確定工況

2.1 基于Aspen HYSYS系統(tǒng)流程的模擬

以夏季工況、貨艙液位接近空載為例，此時(shí)BOG溫度較高，達(dá)到-100 ℃，LNG的主要組分按照常規(guī)混合比例選取，見(jiàn)表1。

采用Aspen HYSYS軟件對(duì)LNG-FSRU冷能利用系統(tǒng)流程進(jìn)行模擬，主要計(jì)算熱量的傳遞；忽略管道阻力的影響，設(shè)置泵的等熵效率為85%，膨脹機(jī)的等熵效率為80%。[4]在Aspen HYSYS中建立LNG-FRCU冷能利用模擬流程見(jiàn)圖2。

表1 LNG主要成分含量百分比 %

圖2 LNG-FSRU冷能利用模擬流程

2.2 冷能利用系統(tǒng)冷媒的選擇

LNG-FSRU氣化量龐大，各子系統(tǒng)直接與LNG換熱不僅會(huì)帶來(lái)較大的安全隱患，而且會(huì)使各部分的檢修工作極其困難。[5]因此，采用合理的冷媒工質(zhì)將LNG冷量帶出，送至各冷能利用系統(tǒng)變得十分重要。各子系統(tǒng)冷媒的選擇依據(jù)和方案相似，故僅以兩級(jí)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)冷媒選型分析為例，說(shuō)明冷能利用系統(tǒng)冷媒的選擇過(guò)程。

現(xiàn)假設(shè)透平膨脹機(jī)入口工質(zhì)為飽和氣體狀態(tài)，忽略系統(tǒng)中換熱器的壓力和漏熱損失[7]，工質(zhì)蒸發(fā)器和工質(zhì)冷凝器最小端溫差取5 ℃，現(xiàn)利用HYSYS軟件模擬計(jì)算得出系統(tǒng)各冷媒在不同蒸發(fā)溫度條件下的性能。

當(dāng)透平膨脹機(jī)的出口壓力保持基本恒定時(shí)，輸出功率隨著冷媒蒸發(fā)溫度的升高而增大，見(jiàn)圖3。 R170具有較高的工作壓力，蒸發(fā)溫度為10 ℃時(shí)，系統(tǒng)凈輸出功可達(dá)到每小時(shí)55 kJ，說(shuō)明該冷媒具有良好的膨脹做功能力。低溫蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)效率的影響，蒸發(fā)溫度越高，系統(tǒng)效率也越高，其中R170效率最高。因此，系統(tǒng)低溫朗肯循環(huán)最佳冷媒為R170，見(jiàn)圖4。

各循環(huán)工質(zhì)在不同蒸發(fā)溫度條件下HEX2 出口 NG 的溫度，在蒸發(fā)溫度為0～15 ℃時(shí)，各工質(zhì)對(duì)應(yīng)的 NG 溫度不變，同時(shí)R1270的NG溫度最低，有利于后面海水淡化、船舶冷庫(kù)、船舶空調(diào)和制冰等對(duì)冷媒的續(xù)期，見(jiàn)圖5。循環(huán)工質(zhì)蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)效率的影響，蒸發(fā)溫度越高，系統(tǒng)效率越高，其中 R1270輸出凈功率最大，其循環(huán)效率最高。因此，第2級(jí)高溫朗肯循環(huán)最佳冷媒為R1270，見(jiàn)圖6。

在LNG-FRCU中，空氣分離、制備干冰、海水淡化、船舶冷庫(kù)、船舶空調(diào)和制冰等子系統(tǒng)的工況相近，按照以上冷媒確定方法可得到其他子系統(tǒng)的冷媒，見(jiàn)表2。

表2 LNG-FSRU冷能利用各子系統(tǒng)冷卻工質(zhì)選取類型

3 系統(tǒng)工況參數(shù)優(yōu)化和效率分析

3.1 系統(tǒng)工況參數(shù)優(yōu)化

表3 LNG-FSRU冷能利用系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)優(yōu)化參數(shù)值

3.2 系統(tǒng)冷利用分析

設(shè)計(jì)的LNG-FSRU冷能利用系統(tǒng)是否合理，可通過(guò)分析系統(tǒng)冷利用率來(lái)驗(yàn)證。采用 Peng-Robinson方程計(jì)算方法[9]，建立系統(tǒng)冷利用率數(shù)學(xué)模型并結(jié)合研究對(duì)象參數(shù)，計(jì)算出實(shí)際冷利用率來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

ex=h-h0-t0(S-S0)

(2)

(3)

式(2)和式(3)中:t0為環(huán)境溫度(℃);h0和S0分別為t0環(huán)境溫度下下冷媒的焓和熵;h和S分別為某工況下冷媒的焓和熵;ex,j為單位質(zhì)量流量冷媒j(luò)蒸發(fā)釋放出的冷。

Wi=Gi,in|hi,out-hi,in|

(4)

式(4)中:Gi,in為進(jìn)入第i個(gè)動(dòng)力設(shè)備的發(fā)電工質(zhì)流量,kg/h；hi,out、hi,in分別為流出和輸入第i個(gè)動(dòng)力設(shè)備的發(fā)電工質(zhì)的焓值；Wnet,i為第i個(gè)發(fā)電系統(tǒng)工作介質(zhì)在朗肯循環(huán)中所做凈功,kJ。發(fā)電系統(tǒng)工作介質(zhì)在朗肯循環(huán)中所做的凈功為

Wnet=WHT-WPH

(5)

式(5)中：WHT為透平膨脹機(jī)做功；WPH為工質(zhì)循環(huán)泵耗功。根據(jù)能量守恒定律并由式(1)～式(5)，可得出冷媒與LNG換熱利用冷能時(shí)的冷利用率μcold數(shù)學(xué)模型為

(6)

式(6)中:GR,i和ex,R,i，分別為第i個(gè)冷能利用子系統(tǒng)(不包含朗肯發(fā)電系統(tǒng))中冷媒的循環(huán)質(zhì)量(kg)和單位質(zhì)量冷媒在系統(tǒng)中蒸發(fā)所釋放的冷；GLNG和GLNGex,LNG分別為冷能利用系統(tǒng)利用LNG的質(zhì)量流量(kg/h)和單位質(zhì)量LNG提供的冷;WHTi和WPHi分別為第i個(gè)發(fā)電系統(tǒng)高壓膨脹機(jī)的輸出功和高壓泵的消耗功,kJ。將表1～表3中相關(guān)數(shù)據(jù)和基于HYSYS進(jìn)行過(guò)程模擬所得出的優(yōu)化參數(shù)代入式(6)，得出優(yōu)化參數(shù)后的LNG-FSCU冷能利用系統(tǒng)冷利用效率μcold為29.15%。

目前對(duì)于船舶類LNG能冷利用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)除了LNG-FSCU冷能利用系統(tǒng)外，還包括LNG動(dòng)力船舶、LNG運(yùn)輸船舶冷能利用系統(tǒng)。[7-9]該系統(tǒng)與之前船舶冷能利用系統(tǒng)相比存在以下優(yōu)勢(shì)：充分利用能量梯級(jí)理論，整合多種冷能利用形式，進(jìn)一步縮小各子系統(tǒng)之間的冷能利用溫差，冷利用率較對(duì)比系統(tǒng)(LNG動(dòng)力船舶冷利用率為21%)提高約8%；選取適合船岸共享的冷能利用子系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)的模擬優(yōu)化和驗(yàn)證，擴(kuò)大LNG-FSCU冷能利用范圍。

4 結(jié)束語(yǔ)

1) 利用系統(tǒng)能量梯級(jí)原理，劃分LNG-FSRU冷能溫度段利用區(qū)間，設(shè)計(jì)出包含空氣分離、干冰制備、橫向兩級(jí)朗肯循環(huán)發(fā)電、海水淡化、船舶冷庫(kù)、船舶空調(diào)和制冰等形式在內(nèi)的LNG-FSRU冷能利用系統(tǒng)，縮小LNG產(chǎn)耗溫差，提高冷利用率。

2) 通過(guò)基于Peng-Robinson方程法建立系統(tǒng)冷利用效率數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行實(shí)際計(jì)算分析，驗(yàn)證冷能利用系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。