LNG船冷熱綜合利用方案中冷能發電系統的研究

楊桑宇， 胡德棟， 李博洋， 于成龍

(1.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061；2.中國科學院 海洋研究所，山東 青島 266071)

為了降低船舶污染對環境和人類健康的影響，并遵守有關燃料質量和污染物排放的法規，燃氣輪機因功率大、體積小、操作便捷，已成為大型液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)船舶推進系統一個富有吸引力的替代方案[1]，但仍有在低工況下LNG消耗量較大等缺點。為此，可采用燃-蒸聯合動力循環，利用余熱鍋爐回收燃氣輪機余熱，用于汽輪機發電。與燃氣輪機發電相比，使用聯合循環將大大節約燃料，減小船舶的建造、維護和運營成本，提高燃料的能量利用率[2]。

LNG運輸船上的LNG與閃蒸氣(Boiling off Gas, BOG)作為燃料使用前需進行再氣化處理，在此過程中LNG會釋放出大量冷能(830 kJ/kg)[3]，而BOG同樣含有大量冷能。目前關于冷能利用的研究主要集中在陸地上，但由于近年來大型LNG船舶的不斷涌現，國內外相關研究者已開始將LNG冷能用于船舶發電、海水淡化、冷庫與空調制冷等[4，5]，其中冷能發電是目前LNG冷能利用研究的熱點，而朗肯循環已被認為是一種回收發電余熱和冷卻能力的潛在解決方案，是開發高效的船用燃氣綜合動力系統的關鍵[6]。沈仲翔[7]等設計一種LNG動力船冷熱電聯裝置，實現冷熱能梯級利用，裝置工作可靠、能量率高，可以大幅減少對大氣的污染。胡選哲[8]等提出一種LNG動力船冷能發電系統，回收LNG冷能與煙氣余熱，發電量與效率最高分別可達88.49 kW與48.54%。Tsougranis等[9]針對LNG動力船，提出了一種帶有LNG直接膨脹的有機朗肯循環，對比系統在不同工作流體下的熱效率，結果表明采用異丁烷時，熱效率最高為48%。

根據上述文獻，關于LNG船上冷能發電系統的研究，許多研究者只是單獨研究一種結構的發電系統，發電系統不同結構之間的對比研究較少，無法確定最佳的發電方案，實現船舶LNG冷能的充分利用。因此，本文提出了一種應用于大型LNG運輸船的LNG冷熱綜合利用方案，包括BOG再冷凝系統、兩級朗肯循環發電系統、空調制冷系統以及燃-蒸聯合動力循環，通過改變發電系統的連接方式，提出三種不同的發電方案，通過HYSYS軟件對各方案進行模擬計算，并采用分析選出最佳方案，研究該方案在不同LNG進口溫度以及氣化壓力下系統效率與膨脹機總發電功率的變化，為LNG冷能發電在大型LNG運輸船上的應用提供設計思路以及理論基礎。

1 方案設計

1.1 母型船介紹

1.2 設計思路

為處理在運輸過程中產生的BOG，系統參考LNG接收站常用的處理方法[11]，采用直接冷凝法對BOG進行處理，LNG儲罐中的BOG經壓縮機加壓后與駁運泵輸出的LNG在再冷凝器中混合換熱，BOG冷凝為LNG后與其一同進行冷能利用，未冷凝的BOG經管道回到緩沖罐中與剛輸出的BOG進行再一次壓縮、冷凝。

在LNG冷能利用方面，朗肯循環被認為是最有效的方法之一，在此過程中，LNG作為冷源將工作流體冷卻至低溫，與在船上使用額外的冷卻器相比，提取和再利用這種低溫冷卻能力可以節省約20%的船舶能耗[12]。為減少換熱過程高品位能量的損失，系統主要通過梯級利用來回收冷能[13]。

在余熱利用方面，為提高動力裝置的熱效率，采用燃-蒸聯合動力循環，通過余熱鍋爐回收燃氣輪機的排煙余熱，產生的過熱蒸汽用于汽輪機發電，并且余熱發電與冷能發電所產生的電力可通過電站進行并網，然后供給船舶動力推進系統，同時還可供船上的服務設備和其他設備使用。

1.3 LNG冷熱綜合利用方案

LNG冷熱綜合利用方案(方案一)如圖1所示，其中LNG與BOG初始溫度分別為-162 ℃、-150 ℃，初始壓力為0.3 MPa。

圖1 LNG冷熱綜合利用方案

在BOG再冷凝過程中，BOG經壓縮機加壓至0.5 MPa后與經駁運泵加壓至0.5 MPa的LNG混合換熱，冷凝后與LNG一同為發電與空調冷媒供冷，未冷凝的BOG排回緩沖罐。在冷能利用過程中，冷能的第一、第二級用于朗肯循環發電，其中一級發電冷媒選擇標準沸點為-88.82 ℃的R170，LNG在經過一級發電循環后溫度升至約-90 ℃，此時LNG中氣液兩相共存，仍含有一部分高品位冷能，可用于二級朗肯發電；二級冷媒選擇標準沸點為-47.62 ℃的R1270，LNG經過二級朗肯循環發電后溫度升至約-50 ℃，90%以上的LNG已發生相變，冷能品級降低，因此第三級冷能可用于空調制冷，之后LNG完全氣化為天然氣(Natural Gas, NG)，在NG加熱器中加熱至25 ℃后進入燃氣輪機，與壓縮空氣混合后燃燒，推動透平做功發電。在余熱利用過程中，NG與壓縮后的空氣混合后燃燒，推動燃氣輪機透平做功發電，做功后煙氣溫度在400～650 ℃，仍含有大量的熱能，此時將煙氣通入余熱鍋爐內，將爐內水加熱為過熱蒸汽，推動汽輪機透平做功發電，做功后的乏汽經管道回到余熱鍋爐中繼續循環加熱。余熱鍋爐的排氣溫度在150～180 ℃，經計算可滿足兩級朗肯循環氣化溫度的要求。

兩級朗肯循環以及燃-蒸聯合動力循環中所產生的電力通過電站進行并網，供船舶動力推進系統以及船上的其他用電設備使用。

1.4 改變兩級朗肯循環結構

方案一中兩級朗肯循環經改變可組合成兩種不同的發電方案(方案二與方案三)。

方案二的兩級朗肯循環如圖2所示。方案一的兩級朗肯循環通過四個換熱器分別回收不同溫度下的冷能與熱能，而方案二的兩級循環通過冷媒換熱器耦合在一起，并通過冷凝器1與加熱器1分別回收LNG冷能與排氣熱能。一級朗肯循環的熱源為二級朗肯循環的冷媒，二級朗肯循環的熱源為高溫煙氣。一級冷媒選擇R1270，二級冷媒作為熱源時需要有較高的沸點，而且在與一級冷媒換熱時不會凝固，因此可采用50%的乙二醇溶液，此時，方案二對排氣溫度的要求提高，余熱鍋爐的排氣不足以滿足乙二醇溶液的氣化溫度要求，于是，可直接采用一部分燃氣輪機的排煙作為熱源。

抑郁癥也叫抑郁障礙，為臨床常見疾病的一種，其主要臨床特征為顯著而持久的心境低落；發病后患者情緒消沉，可從悶悶不樂到悲痛欲絕，甚至悲觀厭世、企圖自殺，對患者健康、生活乃至生命安全都有著極大的影響。近年來，隨著人們生活壓力的增加、生活節奏的加快，該病的發生率也呈明顯上升趨勢［1-2］。臨床研究顯示［3］，抑郁癥患者多可見特定腦補結構域功能異?，F象。本研究對單相抑郁癥患者各腦葉CT值的改變情況進行了分析，報告如下。

方案三的兩級朗肯循環如圖3所示。與方案一類似，方案三同樣是通過兩個冷凝器回收不同溫度的LNG冷能，但方案一中兩發電循環在一定程度上相互獨立，而方案三中兩發電循環相互連通，采用同種冷媒回收不同溫度下的冷能。冷媒選擇R1270，升溫氣化后的R1270分為兩路，分別進入兩透平做功發電，然后分別進入冷凝器1與冷凝器2中回收不同溫度下的冷能，此后，兩路冷媒分別經冷媒泵1與冷媒泵2加壓后混合，在加熱器1中升溫氣化。

2 HYSYS模擬

2.1 流程建立

本文主要分析的是不同連接形式對冷能發電系統的影響，根據三種方案提出的兩級朗肯循環發電方案，利用HYSYS軟件對三種方案的工藝流程進行模擬，如圖4～圖6所示。

L—LNG； R—冷媒； Q—能量； M—鍋爐排氣； T—膨脹機透平； P—冷媒泵； HE1—冷凝器1； HE2—冷凝器2； HE3—加熱器1； HE4—加熱器2。

L—LNG； R—冷媒； Q—能量； M—鍋爐排氣； T—膨脹機透平； P—冷媒泵； HE1—冷凝器1； HE3—冷媒換熱器； HE4—加熱器1。

L—LNG； R—冷媒； Q—能量； M—鍋爐排氣； T—膨脹機透平； P—冷媒泵； HE1—冷凝器1； HE2—冷凝器2； HE3—加熱器1。

2.2 參數設定

在許多狀態方程中，Peng-Robinson方程更適合計算純流體和LNG的熱力學性質。因此，Peng-Robinson方程可作為LNG以及一些純組分冷媒(R170、R1270)的狀態方程，而燃氣輪機的煙氣同樣可以選擇Peng-Robinson方程，乙二醇溶液選擇UNIQUAC方程。整個系統為穩態運行，換熱器的壓降取10 kPa，泵與膨脹機的等熵效率取80%。三種方案中HYSYS模擬參數設定見表1，其中三種方案的LNG進口溫度為-162 ℃，進口壓力為3 MPa，流量為4 463 kg/h(算上冷凝后的BOG)，此外，為滿足空調制冷的需要，LNG經冷能發電后溫度應低于-50 ℃。

表1 三種方案模擬參數設定

3 結果與分析

3.1 模擬結果

利用HYSYS對三種方案進行模擬計算，可得到方案中各主要節點的物性參數，包括溫度、壓力、流量、比焓、比熵、氣相分數等。三種方案各關鍵節點的模擬結果見表2～表4。

表2 方案一中主要節點參數

表3 方案二中主要節點參數

表4 方案三中主要節點參數

3.2 模擬結果分析

Ex=m[(h-h0)-T0(s-s0)]

(1)

式中：m為各物流的質量流量，kg/s；h、s分別為各物流的比焓與比熵，單位分別為kJ/kg與kJ/(kg·K)。

冷媒泵的輸入功率為

Wp=m(hp,out-hp,in)/ηp

(2)

式中：hp,in與hp,out分別為冷媒泵進出口的比焓，kJ/kg；ηp為冷媒泵的等熵效率，設為80%。

膨脹機的發電功率為

WT=ηTm(hT,out-hT,in)

(3)

式中：hT,in與hT,out分別為冷媒泵進出口的比焓，kJ/kg；ηT為膨脹機的等熵效率，設為80%。

(4)

式中：ELNG,in與ELNG,out在方案一與方案三中分別為冷凝器1進口與冷凝器2出口LNG的值，在方案二中分別為冷凝器1進出口LNG值，kW；EM,in為加熱器1進口煙氣值，而EM,out在方案一中為加熱器2出口煙氣值，在方案二與方案三中為加熱器1出口煙氣值，kW；WT-tol為兩膨脹機發電功率之和，kW；Wp-tol為兩冷媒泵輸入功率之和，kW。

將表2～表4中的相關數據代入式(1)～式(3)可分別得出三種方案中各節點的值、兩冷媒泵的輸入功以及兩膨脹機的發電功率，然后將式(1)～式(3)的計算結果代入式(4)，可計算出系統效率，表5為三種方案中發電系統效率與膨脹機總發電功率的對比。

表5 三種方案的效率與膨脹機總發電功率比較

表5 三種方案的效率與膨脹機總發電功率比較

方案效率/%總發電功率/kW方案一23.41188方案二25.88340方案三19.70162

4 結論

1) 本文通過改變發電系統的連接形式，提出三種不同的發電方案，并通過HYSYS軟件對方案進行模擬計算，對比分析不同方案的系統效率與膨脹機總發電功率，最后得出方案二的效率與膨脹機總功率最高，分別為25.88%與340 kW，為最佳方案，可最大程度利用LNG冷能，減少船舶設備電耗與燃料消耗。