12 800 t 江海直達船舶LNG 冷能利用方案設計與優化

劉 銳，沈 妍，胡 寅，姚壽廣，谷家揚

(1.江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212003；2.江蘇科技大學 機電與動力工程學院，江蘇 張家港 215600；3.江蘇科技大學 海洋裝備研究院，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

液化天然氣（LNG）是將常溫的天然氣經過凈化處理，通過冷凍工藝液化而成的液體（?163 ℃），其體積是標準狀態下的1/650，有利于長距離輸送。一般LNG 經船運抵達接收站后需要重新氣化為氣態天然氣才能獲得利用，氣化過程釋放的冷能約為840 kJ/kg。隨著全球環保監管越來越嚴格，LNG 作為一種清潔能源，在海運領域推廣應用成了熱點議題[1]。因此，合理利用LNG 氣化冷量，避免傳統氣化過程對環境影響，降低船舶能耗，符合綠色船舶的發展趨勢。

當前，LNG 冷能利用方式單一，存在技術研究不足的問題。LNG 冷能利用項目越多，冷能利用率就越高。現有的LNG 冷能梯級利用的方案是提高冷能合理利用的有效途徑[2 – 5]。因此，LNG 冷能利用具有廣闊的市場前景，近年來受到國內外學者關注。LNG 冷能在液化天然氣氣化站上研究梁瑩等[6]提出了一套利用LNG 冷能與布雷德循環及ORC 聯合發電系統，將?效率提高到40.39%。黃美斌等[7]提出了LNG 用于低溫冷庫，并根據中間冷媒有無相變提出了2 種流程。Moghimi等[8]提出了利用LNG 冷能的朗肯循環、有機循環以及斯特林循環聯合循環系統，?效率提至47.43%。Koo等[9]提出了LNG 動力船回收LNG 冷能的新解決方案，提出并優化了6 個不同的有機朗肯循環（ORC）系統（3 個用于高壓雙燃料發動機，3 個用于中壓雙燃料發動機）并研究了9 種不同的工作冷媒；根據優化結果減少了ORC 系統的年度成本。LNG 冷能在船舶上應用如馬哲樹[10]針對3 000 t LNG 動力船設計LNG 冷能用于空調的方案，以60%乙二醇溶液為循環工質。姚壽廣[11]以25 000 t LNG 燃料動力化學品船為研究對象，將主機廢氣進行余熱回收發電，LNG 冷能用于低溫冷庫，高溫冷庫以及空調，方案?效率達到 62.87%。

本文以LNG 氣化量596.4 kg/h 的LNG 運輸船為設計對象，基于“溫度對口，梯級利用”的原則，將LNG氣化的冷能用于有機朗肯發電，海水淡化以及冷庫。從能量梯級利用的角度提出多種適應原船的能源利用方案，并采用Aspen HYSYS 進行仿真模擬，對各方案做比較分析，篩選出最優方案。通過Matlab 的遺傳算法對重要參數進一步優化，提高系統總的?效率。

1 原船系統介紹及方案設計

1.1 原船相關信息

LNG 儲罐出口壓力約為0.6 MPa，溫度為?163 ℃；主機燃氣進口溫度為0～60 ℃，進口壓力為600 kPa。主機原船相關信息見表1。

表1 原船主要參數Tab.1 Main parameters of the original ship

1.2 方案設計

1.2.1 方案1

由于LNG 冷量?分布具有隨溫度升高冷量?遞減的趨勢。根據“溫度對口，梯級利用”的原則，發電模塊所需冷量遠高于其他模塊對冷量的需求，因此考慮將高品位的冷能利用于有機朗肯發電模塊。LNG 經過發電模塊后溫度上升到?101 ℃左右，設過程中壓降為10 kPa。LNG 氣化成?101 ℃左右的天然氣（NG），此時還有大量的冷能，此時的溫度和冷量均符合冷量需求較大的海水淡化模塊。NG 經過換熱后溫度上升到?60 ℃左右。再經過冷庫換熱器換熱溫度升至?19 ℃左右，最后一級利用為空調模塊，溫度升至10 ℃。低溫朗肯循環使用冷媒R170；海水淡化循環使用冷媒R601a，冷庫循環使用冷媒R290，空調循環使用冷媒R601。

1.2.2 方案2

在方案2 冷能利用設計中，考慮到發電模塊?損較大，冷量?沒有得到充分利用。將對冷量需求較小的低溫冷庫放入發電模塊膨脹機入口前，LNG 經過發電模塊溫度升至?101 ℃，再通過海水淡化模塊換熱升至?30 ℃，最后經過空調模塊換熱升至10 ℃。各模塊冷媒與方案1 相同。

1.2.3 方案3

方案1 與方案2 冷能利用都考慮到空調模塊，但空調模塊位置最后一級冷能利用。空調獲得冷量達不到設計計算的冷負荷。考慮到船舶在靠岸、發動機在柴油模式等情況下，無法獲取LNG 釋放的冷能，這種情況下海水淡化、冷庫沒有冷量來源，需要單獨再配置制冷裝置。因此可以采用蓄冷的方式應對這些情況，為海水淡化、冷庫提供冷量。方案3 冷能梯級利用為低溫朗肯發電模塊、海水淡化、蓄冷。LNG 通過發電模塊溫度升至?101 ℃，再經過海水淡化模式溫度升至?26 ℃，NG 經過蓄冷換熱溫度升至?4 ℃，最后通過缸套水加熱至15 ℃送入主機。低溫朗肯循環使用冷媒R170；海水淡化循環使用冷媒R601a；蓄冷循環使用冷媒50%乙二醇溶液。

1.2.4 方案4

方案4 冷能利用與方案3 相比，在低溫朗肯循環膨脹機入口前加入冷庫。作為方案2 對照，其各模塊溫度區間與方案3 相同。低溫朗肯循環使用冷媒R170；海水淡化循環使用冷媒R601a，冷庫循環使用冷媒R290；蓄冷循環使用冷媒50%乙二醇溶液。

1.3 各模塊冷負荷

表2 為各模塊所需的冷負荷，估算匯總了海水淡化，低溫冷庫，空調所需的冷負荷。

表2 船舶各模塊所需制冷量Tab.2 Cold energy required for each module of the ship

2 不同方案模擬分析

2.1 各方案模擬

利用Aspen HYSYS 軟件對各方案進行模擬分析，如圖1～圖4 所示。其中冷媒物性方程選取P-R 方程，套缸冷卻水物性方程選取NBS-steam。

圖1 方案1 能量利用模擬流程圖Fig.1 Simulation flow chart of the energy utilization of scheme 1

圖2 方案2 能量利用模擬流程圖Fig.2 Simulation flow chart of the energy utilization of scheme 2

圖3 方案3 能量利用模擬流程圖Fig.3 Simulation flow chart of the energy utilization of scheme 3

圖4 方案4 能量利用模擬流程圖Fig.4 Simulation flow chart of the energy utilization of scheme 4

2.2 模擬分析結果

?是衡量冷能大小的重要指標，冷量?分析不僅能從數量上反映能量傳遞及變換，還可以揭示系統內不可逆損失的大小與成因，為合理利用冷能提供指導。本文通過分析LNG 的?效率來反映其冷能的利用程度，4 種方案的?效率如表3 所示。可以看出方案4?效率最高（37.33%），為最優方案。

表3 各方案?效率Tab.3 Exergy efficiency of different schemes

3 工質與參數優化

3.1 朗肯循環工質的選擇

從各方案分析中看出，朗肯循環選擇不同的工質，?效率有較大差異。考慮到不同冷媒的物理性質以及冷媒需具有以下特性：

1）臭氧消耗潛值（ODP）、全球變暖潛值（GWP）應盡可能低。

2）冷媒安全性高，無爆炸危險，低毒性。

3）冷媒傳熱性能良好、凝固點低，避免在降溫冷卻過程中，凝固阻塞管道。

4）冷媒成本低，方便在市場購買。

5）冷媒動力黏度應盡可能小，有利于減少管程阻力。

為了防止冷媒凍結，朗肯循環主要選擇的工質有：R50，R170，R290，R1270，在不同蒸發壓力下各工質?效率對比如圖5 所示。

圖5 不同蒸發壓力下各工質的?效率Fig.5 Exergy efficiency of working medium under different evaporation pressures

由圖5 可知，朗肯循環的最優工質是乙烷，由于對單一工質分析如果選用混合工質其中必定有乙烷。通過乙烷與丙烷混合，進行?效率對比。結果表明混合工質的朗肯循環?效率沒有超過單一工質乙烷的?效率，因此朗肯循環最優工質為乙烷。

3.2 遺傳算法優化參數

遺傳算法是模擬達爾文生物進化論的自然選擇和遺傳學機理的生物進化過程的計算模型，是一種通過模擬自然進化過程搜索最優解的方法。

由于優化過程是涉及多變量的非線性問題，試算或者靠經驗調整參數不僅費時而且精度不高[12–13]。因此采用Matlab 與Aspen HYSYS 連用，利用遺傳算法進行參數優化。找到對整個系統?效率影響最大的幾個參數，再針對這幾個參數進行總體優化。

通過?分析得知，低溫朗肯循環發電模塊的?損失占總?損失的66.7%。因此針對發電模塊進行敏感參數優化。由圖6 和圖7 可知，朗肯循環蒸發壓力和冷凝壓力對?效率影響較大，因此對蒸發壓力和冷凝壓力進行優化，參數優化前后對比表如表4 所示，優化后發電模塊?效率提升了3.43%。

圖6 膨脹機入口壓力與朗肯循環效率的關系圖Fig.6 Efficiency of Rankine cycle under different inlet pressures of the expander

圖7 膨脹機出口壓力與朗肯循環效率的關系圖Fig.7 Efficiency of Rankine cycle under different outlet pressures of the expander

表4 優化前后參數Tab.4 Parameters before and after optimization

4 結 語

本文針對基于6ACD320 雙燃料發動機的江海直達船舶，開展LNG 冷能利用和余熱利用以及蓄冷的研究，得到LNG 汽化冷能梯級綜合利最優方案，結論如下：

1）通過幾個方案的對比，找到各方案的優缺點，并針對缺點進行優化，最終選擇低溫朗肯循環發電、冷庫、海水淡化和蓄冷相結合的方案。

2）通過?效率的計算與分析，選定了最優工質，以及通過參數優化后將最終的?效率提升到40.04%，并且在滿足船上冷庫和海水淡化冷量需求的前提下，用余下的冷量進行朗肯循環發電最終每小時額外獲得38.13 kW·h 的發電量。