LNG漁船冷能利用裝置問題分析及優化研究

秦亞迪, 秦 鋒, 彭延建, 胡蘇陽, 曾賢文, 陳思宇

(中海石油氣電集團有限責任公司 技術研發中心, 北京 100028)

1 概述

我國是漁業大國,漁船擁有量居世界首位,大多數漁船使用柴油機動力裝置[1]。燃油漁船排放大量的NOx、SO2等有害氣體和顆粒,是近年來近海和內河流域水體的主要污染源[2]。據統計,船舶排氣在大氣污染中占比5%以上[3]。液化天然氣(LNG)替代柴油用于漁船領域,具備經濟、環保等優點,是我國未來漁船發展的新趨勢[4]。以LNG作燃料的動力船,LNG氣化時釋放的大量冷能通常被空氣或者海水帶走,造成能源浪費[5-6]。有學者進行了LNG動力船舶的冷能梯級利用方案、利用冷能的冷庫與空調系統設計等研究[7-8],目前對于LNG漁船冷能利用的研究還處于初級階段。董升朝等人[9]對LNG動力漁船冷能回收利用技術進行研究,發現兩級冷媒循環的整體式回收LNG冷能效果較好。陳超等人[10]提出將LNG冷能用于漁船發電及冷庫制冷結合的利用系統,模擬計算結果表明大幅提高了冷能利用效率。楊晨斌等人[11]提出LNG動力漁船流化冰制取系統。

秦鋒等人[12]設計了一種LNG漁船冷能利用工藝,并研制出一套漁船冷能利用試驗裝置,開展蓄冷和放冷的試驗研究。試驗結果顯示,裝置在運行穩定性和控制邏輯正確性方面滿足預期要求,但在蓄冷、放冷功能方面尚未達到設計要求,主要表現為蓄冷劑儲罐內降溫速率較慢,且LNG-蓄冷劑換熱器運行一段時間后存在蓄冷劑凝固現象。本文對此問題進行分析,從蓄冷劑優選、設備改進、工藝流程改進等方面進行優化研究。

2 LNG漁船冷能利用工藝

工藝流程見圖1。漁船冷能利用試驗裝置(簡稱裝置)主要由LNG儲罐(模擬漁船的LNG儲罐)、蓄冷系統、供冷系統、冷庫(模擬漁船的魚艙)組成。LNG儲罐中的LNG經過管道輸送至蓄冷系統,LNG冷能通過熱交換傳遞給蓄冷系統并儲存下來,氣化得到的天然氣進入漁船發動機作為燃料使用。蓄冷系統中的冷能通過熱交換傳遞給供冷系統,由供冷系統將冷能輸送至冷庫,使冷庫保持低溫用于漁船上漁品的冷凍冷藏。在蓄冷系統不工作的情況下,LNG直接進入LNG氣化器,氣化后進入漁船發動機作為燃料,保證漁船動力不受蓄冷系統工作與否的影響[12]。本文主要研究蓄冷劑環路以及LNG-蓄冷劑換熱器、蓄冷劑儲罐的溫度。蓄冷劑為乙二醇質量分數為60%的乙二醇溶液。

圖1 漁船冷能利用工藝流程

3 問題分析

3.1 難點描述

文獻[12]的試驗內容主要包括通過蓄冷量測試和放冷量測試,驗證裝置的蓄冷能力以及放冷過程能否滿足冷庫用冷需求,達到冷庫設計溫度。蓄冷量測試時,測量裝置在完全蓄冷狀態下(此時供冷系統不工作),蓄冷劑儲罐內起始溫度為-5 ℃,蓄冷完成時溫度為-35 ℃,依據裝置蓄冷量測試數據繪制的蓄冷曲線,見圖2[12]。根據圖2可知,完整的蓄冷周期約為245 min,蓄冷時間過長。

圖2 蓄冷曲線

文獻[12]顯示,蓄冷過程中,LNG-蓄冷劑換熱器運行一段時間后存在蓄冷劑凝固現象,導致換熱效果變差,無法達到預期效果。

3.2 蓄冷劑降溫特性試驗

為了分析問題所在,采用裝置開展蓄冷劑降溫特性試驗,試驗工藝流程(為圖1中的局部流程)見圖3,溫度測點見圖3虛線框。操作步驟如下。

圖3 蓄冷劑降溫特性試驗工藝流程

① 開啟裝置。利用自增壓的方式確保LNG儲罐(圖3未畫出)處于正常工作壓力,隨后緩慢打開出液閥,并控制LNG保持較小流量,持續通入管道30 min以上,保證管道充分預冷,使得LNG以全液態進入LNG-蓄冷劑換熱器。

② 管道預冷完成后,分別調節LNG、蓄冷劑的流量至額定值。

③ 記錄蓄冷劑儲罐上溫度變送器TE-101所測溫度。

④ 記錄LNG-蓄冷劑換熱器殼程溫度表TG-103及出口溫度變送器TE-102所測溫度。

試驗發現,當TE-101、TE-102及TG-103所測溫度在-20 ℃以上時,溫度基本是同步降低,表明在裝置運行前期,蓄冷劑降溫過程比較正常。但運行一段時間后,當TG-103讀數低于-20 ℃時,TE-102所測溫度比TG-103讀數高,當TG-103顯示的換熱器殼程溫度遠低于設計溫度(-40 ℃)時,TE-102測出的殼程出口溫度卻高于設計溫度(-40 ℃)。由此可知,換熱器中蓄冷劑與LNG換熱效果不佳,換熱器殼程可能存在局部低溫區域。試驗還發現,TE-101顯示的溫度變化非常緩慢。

3.3 問題分析

在實際運行時,發現盡管蓄冷劑儲罐入口的蓄冷劑溫度不斷下降,但蓄冷劑儲罐測溫元件顯示的溫度變化非常緩慢。排除測溫元件故障可能性后,分析原因,認為是溫度傳感器安裝位置不佳,且溫度探頭不位于儲罐中心,未能準確反映儲罐主流區溫度變化。

LNG-蓄冷劑換熱器存在蓄冷劑凝固現象,分析是LNG-蓄冷劑換熱器換熱效果不佳,殼程存在局部低溫區域,使溫度低于蓄冷劑凝固點,或蓄冷劑凝固點偏高。

4 優化措施

4.1 蓄冷劑凝固點驗證測試

為了探討是否存在蓄冷劑凝固點偏高的問題,進行了蓄冷劑凝固點驗證測試。蓄冷劑為乙二醇質量分數為60%的乙二醇溶液,與LNG換熱后溫度不低于-40 ℃。在實際使用過程中,溶液的凝固點與物性手冊可能會有不同。為了確保裝置使用的蓄冷劑凝固點達到要求,對裝置內的乙二醇溶液進行凝固點測試,采用低溫試驗箱提供低溫環境。操作步驟為:將裝有乙二醇溶液的不銹鋼容器密封放入低溫試驗箱中,設定溫度后開始計時,2 h后取出不銹鋼容器,觀察溶液是否有凝固現象。測試結果見表1。從表1可知,蓄冷劑凝固點應該在-55～-60 ℃范圍內,低于-40 ℃,蓄冷劑凝固點是達標的。因此,可以推測出換熱器存在蓄冷劑凝固現象的原因:換熱器殼程存在局部低溫區域,使溫度低于蓄冷劑凝固點。

表1 蓄冷劑凝固點測試結果

4.2 設備改進

4.2.1蓄冷劑儲罐測溫位置改進

圖4為改進前、后的蓄冷劑儲罐測溫位置對比。根據設備尺寸,重新采購了加長型的溫度傳感器。改進后,溫度傳感器從儲罐正上方插入,溫度探頭位于儲罐中心。

圖4 改進前、后的蓄冷劑儲罐測溫位置對比

4.2.2LNG-蓄冷劑換熱器設備形式改進

目前裝置采用的LNG-蓄冷劑換熱器為螺旋盤管式,初步擬改為采用弓形折流板式換熱器(見圖5),并對弓形折流板式換熱器的流場和溫度場進行模擬分析。模擬發現,在折流板與筒體結合處存在一定的流動不暢區域,該區域溫度較主流區域偏低,也存在一定的凝固可能,因此不能采用弓形折流板式換熱器。決定采用組合式中間介質換熱器,組合式中間介質換熱器結構見圖6。

圖6 組合式中間介質換熱器結構

組合式中間介質換熱器結合了列管式折流板換熱器、重力熱管式換熱器和中間介質換熱器的特點,可完全防止發生凝固風險。組合式中間介質換熱器分為冷凝段、蒸發段上下兩部分,其核心換熱組件為換熱管束,內封裝有適量的低沸點液相中間介質。工作原理:組合式中間介質換熱器利用低沸點中間介質的蒸發吸熱和冷凝放熱,完成冷熱介質的換熱,實現LNG氣化。液相中間介質在蒸發段與熱流體(乙二醇溶液)換熱蒸發,蒸氣以一定速度做上升運動,抵達冷凝段后與冷流體(LNG)換熱,冷凝成液體后,在重力作用下沿管壁回流至蒸發段,如此往復。

4.3 工藝流程優化

在原工藝中的螺旋盤管式換熱器基礎上,并聯1臺組合式中間介質換熱器。2臺換熱器可切換使用,螺旋盤管式換熱器凝固后,開啟組合式中間介質換熱器,并關閉螺旋盤管式換熱器的管程進氣,保持殼程流體流動,縮短熔化時間。

4.4 優化效果

進行上述設備和工藝流程改進后,裝置中蓄冷劑儲罐內降溫正常,蓄冷時間縮短。

5 結束語

針對LNG漁船冷能利用裝置蓄冷時間過長、LNG-蓄冷劑換熱器中蓄冷劑凝固的現象,進行分析研究,發現問題產生的原因:蓄冷劑儲罐測溫位置不佳、LNG-蓄冷劑換熱器換熱效果不佳或蓄冷劑凝固點偏高。試驗發現,蓄冷劑凝固點滿足工藝要求,因此對蓄冷劑儲罐測溫位置、LNG-蓄冷劑換熱器設備形式進行改進,在原工藝中的螺旋盤管式換熱器基礎上,并聯1臺組合式中間介質換熱器,2臺換熱器切換使用。改進措施很好地解決了上述問題。