3 500 t雙燃料主機運輸船LNG冷能利用方案設計與優化

劉 銳，沈 妍，吳春明，姚壽廣*,谷家揚

(1. 江蘇科技大學 能源與動力工程學院, 鎮江 212100) (2. 江蘇科技大學 機電與動力工程學院, 張家港 215600) (3. 江蘇科技大學 海洋裝備研究院, 鎮江 212003)

文中以長江干線3 500 t運輸船雙燃料主機LNG冷能利用方案的設計與優化為目標，整合LNG冷能和套缸冷卻水余熱，從能量梯級利用的角度提出多種適應該船需要的冷能利用系統方案.利用Aspen HYSYS軟件對新設計的方案進行模擬對比分析，并采用遺傳算法對篩選出的方案進行參數優化，以為該型運輸船舶雙燃料主機LNG冷能綜合利用提供可供設計選用的方案.

1 原船的設計參數及方案

1.1 原船的設計參數

根據該船設計說明書及主機工程手冊，其主要參數見表1.

表1 船舶系統系統的設計參數

運輸船冷庫為高溫冷庫(-5 ℃).根據《船舶伙食冷庫壓縮機制冷量的預測》，船舶冷庫所需制冷量為8 kW.

1.2 設計理念

在設計中，由于船舶噸位較小，LNG汽化流量不高，所以系統方案便以“高品位冷能滿足發電，低品位冷能替代原船舶制冷系統所需冷能”為設計理念.

方案中采用低溫有機工質朗肯循環實現LNG冷能發電，熱源選取套缸冷卻水.制冷系統中，利用LNG換熱器將冷能傳遞給冷媒，再通過冷媒實現原制冷系統的目的.在此基礎上結合該運輸船的需求設計綜合性的船舶能量利用系統方案.所設計4種方案.

方案1：由于該船舶噸位較小，為了減少不必要的資金投入，方案1采用純發電模式，冷媒選擇丙烷.

方案2：在方案1的流程模擬過程中發現，還有冷能未能利用.方案2在保證發電功率不變的情況下，利用剩余冷能用于蓄冷，蓄冷系統可以在船切換燃料和靠岸時用于冷庫制冷，冷媒選擇40%的乙二醇溶液.

方案4：為進一步調和方案3中各模塊冷能的配置，在方案3的發電部分處加一個回熱器.

2 Aspen HYSYS軟件模擬

2.1 流程建立

Aspen HYSYS是成熟的行業標準模擬軟件，可用于改進工程的設計與操作，提高能量利用率以及降低資本消耗.根據初步設計的LNG冷能利用方案，用Aspen HYSYS軟件對4種方案進行流程模擬，選出最佳方案，如圖1.

(a) 方案1

2.2 模擬結果

表2 不同方案的模擬結果

2.3 最佳方案選擇

3 優化設計方案

3.1 工質的優化

表3 方案4各模塊損

圖2 換熱器1的溫度與熱流的曲線

表4 乙烷在混合工質中不同摩爾分數下的分析

由表4分析得出，不同比例的混合工質在滿足系統要求和收益來看效果都不如單一工質乙烷好，所以系統的低溫朗肯循環發電的工質應選取單一工質乙烷.

3.2 參數優化

3.2.1 確定敏感參數

圖3 膨脹機入口壓力與發電模塊效率的關系

圖4 膨脹機出口壓力與發電模塊效率的關系

3.2.2 利用遺傳算法進行參數優化

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，通過遺傳算法可以針對幾個敏感參數采用恰當的最優算法進行系統方案全局參數優化，這樣才能得到最佳設計系統方案.

表5 優化前后對比

4 經濟性分析

4.1 初始設備投入

根據中國國內市場詢價給出系統初始投入設備的投資總價，見表6.

表6 設備資金投入

4.2 運行收益

系統的運行成本為[16]：

(1)

式中：ZCI,k為系統組件投資；ZOM,k為系統運行成本.

(2)

式中：Zk為系統各組件投資成本；φ為系統維護系數，取1.06[17]；N為系統年運行時間，取7 200 h；CRF為資本回收率：

(3)

式中：n為系統壽命，取20年；i為年利率，取14%.電力生產成本EPC和系統年凈收入ATNI為：

(4)

ATNI=7 300(EP-EPC)·Wnet

(5)

式中：EP為目前電力價格取0.86元/(kW·h)(數據來源于中國工業市場電價)；EPC為該系統單位電能生產成本，計算可得EPC值為0.313 2元，二者差值為系統單位生產電能凈利潤，通過以上公式，可以計算出系統年凈收入總額為5.75萬元，回收成本周期為3.6年.

5 結論

(1) 通過對雙燃料運輸船LNG冷能利用途徑和目標船只需求的研究，提出了的4個方案.最終的優化方案不僅在運行時能提供電量和滿足冷庫需求，還能在船切換燃料和停靠時為冷庫提供冷能.

(3) 通過對優化方案的投入資金和收益的計算，回收成本周期為3.6年，經濟收益明顯.