30 萬噸LNG 船舶冷能綜合利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

毛惠藝，汪自釗

(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引 言

隨著全球綠色低碳能源戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，全球?qū)Υ髿馕廴驹吹呐欧乓笕遮厙?yán)苛。在船舶與航運(yùn)領(lǐng)域，相比傳統(tǒng)燃用重油的船舶，以天然氣為燃料的LNG 動(dòng)力船舶不但滿足國際海事組織(IMO)對船舶排放日趨嚴(yán)格的法規(guī)要求，而且符合全球?qū)Φ吞冀?jīng)濟(jì)及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)要求。LNG 動(dòng)力船每天消耗大量的LNG，而現(xiàn)階段LNG 動(dòng)力船多采用汽化器或廢氣鍋爐進(jìn)行加熱[1]，大量的LNG 冷能被浪費(fèi)，并且增加了營運(yùn)成本。LNG 冷能作為一種高品位的低溫冷能，汽化過程中釋放的冷量可用于冷能發(fā)電[2]、空調(diào)[3]、船舶高低溫冷庫[4]和海水淡化等[5]。但在航運(yùn)LNG 動(dòng)力船舶上，LNG 汽化冷能利用還基本處于初始階段。以30 萬噸超大型LNG 動(dòng)力船舶為原型，結(jié)合船舶主機(jī)缸套冷卻水和高溫?zé)煔猓訪NG 冷能發(fā)電為主，兼顧遠(yuǎn)洋船舶所必需的空調(diào)系統(tǒng)開展LNG 氣化冷能利用方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化研究，并借助ASPEN HYSYS 軟件對方案進(jìn)行模擬對比分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工質(zhì)優(yōu)化，借助Matlab 遺傳算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，為超大型LNG 動(dòng)力船的LNG 氣化冷能提供高效利用的綜合設(shè)計(jì)方案。

1 LNG 冷能利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)集成的思路和流程

以設(shè)計(jì)中的30 萬噸級(jí)、85%負(fù)荷、夏季工況下的VLCC 為研究對象。

考慮到LNG 從-162℃氣化升溫到5℃左右，LNG氣化曲線要經(jīng)歷液相顯熱段、潛熱段、氣相顯熱段。因此，本方案將LNG 溫度區(qū)間內(nèi)的液相顯熱、潛熱段和少部分的氣相顯熱段LNG 冷能進(jìn)行發(fā)電，將大部分氣相顯熱段的LNG 冷能用于船舶空調(diào)需求。最后在換熱器H-14 中，用缸套水對LNG 進(jìn)行調(diào)溫加熱，以滿足不同溫度的使用需求。考慮到LNG 進(jìn)口壓力為3 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主機(jī)NG 進(jìn)氣壓力1.6 MPa，在LNG進(jìn)入氣相顯熱段時(shí)，構(gòu)建LNG 回?zé)嵯到y(tǒng)，不僅能充分利用壓力?進(jìn)行發(fā)電，還對剛進(jìn)入系統(tǒng)的LNG 有預(yù)熱功能。

目前，利用LNG 冷能發(fā)電的傳統(tǒng)方法有直接膨脹、有機(jī)朗肯循環(huán)和結(jié)合前2 種方法的聯(lián)合循環(huán)[6]。本文采用空調(diào)和發(fā)電實(shí)現(xiàn)LNG 冷能與船舶余熱的聯(lián)合利用。基于溫度對口，梯級(jí)利用的原則[7]，在構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)，對于低溫區(qū)的LNG 冷能，考慮以LNG 作為冷源，缸套冷卻水與煙氣作為熱源，構(gòu)建發(fā)電系統(tǒng)；對于高溫區(qū)LNG 的冷能，充分考慮空調(diào)溫度，以戊烷為中間介質(zhì)，建立滿足空調(diào)負(fù)荷的系統(tǒng)。

1.2 工質(zhì)選擇及系統(tǒng)流程

工質(zhì)不僅要滿足工作效率高、發(fā)電量大、傳熱性能良好、流動(dòng)阻力小等物性特點(diǎn)，還要有穩(wěn)定的化學(xué)性能，安全可靠，腐蝕性小、對環(huán)境友好、價(jià)格低廉、容易獲取等。充分考慮冷凝、蒸發(fā)壓力與對應(yīng)溫度的關(guān)系，在盡量減小泵功耗的前提下，選擇更加貼合LNG換熱曲線的工質(zhì)[8]。基于上述考慮，對于換熱器H-1、H-5的中間介質(zhì)，選用丙烷。對于換熱器H-2、H-6、H-9的中間介質(zhì)，選用異丁烷。對于空調(diào)模塊，選用戊烷[6]。

根據(jù)上述分析，構(gòu)建以LNG 為冷源，以高溫?zé)煔夂透滋桌鋮s水為熱源，建立滿足船舶空調(diào)負(fù)荷和發(fā)電的綜合LNG 冷能利用系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig. 1 System flow chart

LNG 流程：LNG 進(jìn)口壓力為3 000 kPa，高品質(zhì)冷能依次進(jìn)入換熱器H-1、H-5、H-9、H-12 中，為換熱器提供冷量?進(jìn)行發(fā)電，因其中LNG 進(jìn)口壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主機(jī)進(jìn)口壓力，所以經(jīng)過換熱器H-5 的氣態(tài)NG 先透平發(fā)電再依次進(jìn)入換熱器H-1、H-5、H-13、H-14中，分別對剛進(jìn)入系統(tǒng)的LNG 進(jìn)行預(yù)熱、吸收換熱器H-5 中丙烷的熱量、提供船上所需的空調(diào)冷負(fù)荷、升溫至主機(jī)所設(shè)定的入口溫度，最后送入主機(jī)。

2 系統(tǒng)仿真分析與優(yōu)化

2.1 模擬參數(shù)

通過HYSYS 軟件進(jìn)行系統(tǒng)模擬時(shí)，LNG 組分如表1 所示。

表1 LNG 系統(tǒng)模擬組分Tab. 1 System simulation component

系統(tǒng)方案中的參數(shù)設(shè)置如下：泵效率為0.75，膨脹機(jī)等熵效率為0.85；換熱器最小端差為5℃，換熱器壓降為0；各模塊冷凝壓力初定為110 kPa；模擬時(shí)狀態(tài)方程選用Peng-Robison 方程；環(huán)境溫度取25℃，壓力取101.325 kPa

2.2 模擬結(jié)果及其分析

部分流程關(guān)鍵參數(shù)如表2 所示，?部分計(jì)算結(jié)果如表3 所示。可看出，系統(tǒng)總?效率僅為38.87%。分析其?損失可發(fā)現(xiàn)，換熱器H-1，H-5?損失較大，分別為125.42 kW，162.02 kW，尤其是H-1 的?損失占總?損失的16.68%，而H-5 的?損失占總?損失的21.55%。根據(jù)圖2、圖3 可看出，LNG 與中間介質(zhì)在換熱曲線上并不貼合。因此對換熱器H-1、H-5 中間介質(zhì)進(jìn)行介質(zhì)優(yōu)化，并運(yùn)用遺傳算法，對換熱器H-1、H-5、H-2、H-6 中間介質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝壓力進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，即在?損較大的部分進(jìn)行優(yōu)化，以降低?損，提高效率。

表2 物流參數(shù)的熱力學(xué)性質(zhì)Tab. 2 Thermodynamic properties of logistics parameters

表3 系統(tǒng)?分析計(jì)算結(jié)果Tab. 3 Exergy analysis and calculation result

圖2 換熱器H-1 溫度熱流圖Fig. 2 H-1 temperature heat flow diagram of heat exchanger

圖3 換熱器H-5 溫度熱流圖Fig. 3 H-5 temperature heat flow diagram of heat exchanger

2.3 工質(zhì)優(yōu)化

由上述?計(jì)算與?損分析可知，若想進(jìn)一步減小系統(tǒng)的?損，提高系統(tǒng)?效率，可以更換更為合適的工質(zhì)或者采用非共沸混合工質(zhì)來替代換熱器H-1 和換熱器H-5 中的循環(huán)單一工質(zhì)方式。為選擇合適的混合工質(zhì)，圖4 給出了幾種常見的單一工質(zhì)和LNG 溫熵曲線的對比。

圖4 常見單一工質(zhì)與LNG 溫熵曲線圖（H-1）Fig. 4 H-1 temperature entropy curve of common single working medium and LNG (H-1)

可知，只有乙烷和甲烷與LNG 汽化曲線較為相近，其中較低溫度（-162℃ ～ -100℃）段乙烷與3 000 kPa 的LNG 氣化曲線更為接近，其中1 600 kPa 的LNG 在其溫度范圍（-108℃～ -103℃）內(nèi)與甲烷氣化曲線接近，因此可考慮將甲烷、乙烷和丙烷作為混合工質(zhì)。通過ASPEN HYSYS 軟件改變換熱器H-1 中循環(huán)混合工質(zhì)（甲烷∶乙烷∶丙烷）的比例進(jìn)行模擬可知，當(dāng)甲烷的比例高于60%時(shí)，系統(tǒng)將出現(xiàn)溫度交叉。下圖選取甲烷、乙烷、丙烷不同的比例繪制出混合工質(zhì)與LNG 溫熵曲線圖，如圖5 所示。當(dāng)甲烷∶乙烷∶丙烷=4∶5∶1 時(shí)，其溫熵曲線與2 條LNG 曲線最貼合。

圖5 混合工質(zhì)（110 kPa）與LNG 溫熵曲線圖Fig. 5 Temperature entropy curve of mixed working medium(110 kPa) and LNG

此時(shí)，換熱器H-1 溫度熱流曲線如圖6 所示，通過工質(zhì)優(yōu)化后，換熱器LNG1 內(nèi)溫差得到減小，并且曲線更為貼合， LNG-1 的?損從最初125.42 kW，降低至32.2 kW。

圖6 工質(zhì)優(yōu)化后換熱器H-1 溫度熱流圖Fig. 6 H-1 temperature heat flow diagram of heat exchanger after working medium optimization

同理，圖7 給出了幾種常見的單一工質(zhì)和LNG（3 000 kPa、1 600 kPa）的溫熵曲線（溫度范圍是-100°C～70°C）對比。在所選比例中，當(dāng)甲烷∶乙烷∶丙烷=4∶3∶3 時(shí)，較為貼合。結(jié)合循環(huán)模擬約束條件及混合工質(zhì)對系統(tǒng)?效率的影響，優(yōu)化后的混合工質(zhì)最佳配比為乙烷∶丙烷=0.55∶0.45。

圖7 常見單一工質(zhì)與LNG 溫熵曲線圖（H-5）Fig. 7 Temperature entropy curve of common single working medium and LNG (H-5)

經(jīng)過工質(zhì)優(yōu)化后，此時(shí)換熱器H-5 溫度熱流曲線如圖8 所示，工質(zhì)優(yōu)化后曲線更為貼合，換熱器H-5?損從最初的162.02 kW，降低至現(xiàn)在54.3 kW。因此效率得到提高。

圖8 工質(zhì)優(yōu)化后換熱器H-5 溫度熱流圖Fig. 8 H-5 temperature heat flow diagram of heat exchanger after working medium optimization

當(dāng)改用混合工質(zhì)后，透平輸出總功率增加了15.9 kW，且系統(tǒng)的總?效率也有所提升，從最初的38.87%提升至40.71%，相比工質(zhì)優(yōu)化前提升了1.84%。

2.4 基于遺傳算法的參數(shù)優(yōu)化

考慮到優(yōu)選設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)中敏感參數(shù)的變化對整個(gè)系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大影響又相互耦合，因此需要以整個(gè)系統(tǒng)?效率最優(yōu)為目標(biāo)，對優(yōu)選方案進(jìn)行參數(shù)匹配優(yōu)化，即進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

分析圖9 可知，換熱器H-1、H-5、H-4、H-8 中間介質(zhì)冷凝壓力、蒸發(fā)壓力都對系統(tǒng)?效率均影響較大。為此選擇這8 個(gè)參數(shù)作為敏感參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)全局優(yōu)化。通過HYSYS 軟件模擬，在保證換熱器正常工作，不出現(xiàn)溫度交叉的前提下，找出各個(gè)敏感參數(shù)的上下限，再通過Matlab 調(diào)用遺傳算法尋找最優(yōu)解。

圖9 優(yōu)化方案各工質(zhì)相關(guān)參數(shù)與系統(tǒng)?效率Fig. 9 Exergic efficiency of the system and related parameters of each working medium were optimized

表4 給出了各個(gè)敏感參數(shù)的上下限和基于遺傳算法全局參數(shù)優(yōu)化后的參數(shù)。

表4 敏感參數(shù)的取值范圍及優(yōu)化結(jié)果Tab. 4 Value range of sensitive parameters and optimization results

由圖10 可看，出在參數(shù)優(yōu)化后，使得曲線更為貼合，減小了換熱器?損失。

圖10 參數(shù)優(yōu)化后換熱器H-1 溫度熱流圖Fig. 10 H-1 temperature heat flow diagram of heat exchanger after parameter optimization

基于遺傳算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后，輸出功率和?效率都顯著提升，透平輸出總功率增加了35.5 KW，系統(tǒng)總?效率從40.71%提升至47.64%。

3 結(jié) 語

本文通過研究30 萬噸燃料動(dòng)力船冷能利用系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一套以發(fā)電為主、兼顧船舶空調(diào)的LNG冷能綜合利用方案，經(jīng)研究得到以下3 點(diǎn)結(jié)論：在滿足本船空調(diào)負(fù)荷需求量的前提下，結(jié)合船舶主機(jī)缸套冷卻水和高溫?zé)煔猓岢隽艘惶變?yōu)選的、能最大限度利用LNG 冷能發(fā)電的綜合利用方案；經(jīng)工質(zhì)篩選優(yōu)化，該系統(tǒng)中的最佳匹配工質(zhì)是：換熱器H-1 混合工質(zhì)配比為甲烷:乙烷:丙烷=4∶5∶1，換熱器H-5 混合工質(zhì)配比為乙烷:丙烷=0.55∶0.45；經(jīng)系列優(yōu)化后的該系統(tǒng)?效率為47.64%，該系統(tǒng)發(fā)電輸出功為268.9 kW。