30 萬噸LNG 船舶冷能綜合利用系統設計與優化

毛惠藝，汪自釗

(江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇 鎮江 212100)

0 引 言

隨著全球綠色低碳能源戰略的持續推進，全球對大氣污染源的排放要求日趨嚴苛。在船舶與航運領域，相比傳統燃用重油的船舶，以天然氣為燃料的LNG 動力船舶不但滿足國際海事組織(IMO)對船舶排放日趨嚴格的法規要求，而且符合全球對低碳經濟及實現可持續發展的目標要求。LNG 動力船每天消耗大量的LNG，而現階段LNG 動力船多采用汽化器或廢氣鍋爐進行加熱[1]，大量的LNG 冷能被浪費，并且增加了營運成本。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電[2]、空調[3]、船舶高低溫冷庫[4]和海水淡化等[5]。但在航運LNG 動力船舶上，LNG 汽化冷能利用還基本處于初始階段。以30 萬噸超大型LNG 動力船舶為原型，結合船舶主機缸套冷卻水和高溫煙氣，以LNG 冷能發電為主，兼顧遠洋船舶所必需的空調系統開展LNG 氣化冷能利用方案的設計優化研究，并借助ASPEN HYSYS 軟件對方案進行模擬對比分析，在此基礎上進行工質優化，借助Matlab 遺傳算法進行參數優化，為超大型LNG 動力船的LNG 氣化冷能提供高效利用的綜合設計方案。

1 LNG 冷能利用系統設計

1.1 系統集成的思路和流程

以設計中的30 萬噸級、85%負荷、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氣化曲線要經歷液相顯熱段、潛熱段、氣相顯熱段。因此，本方案將LNG 溫度區間內的液相顯熱、潛熱段和少部分的氣相顯熱段LNG 冷能進行發電，將大部分氣相顯熱段的LNG 冷能用于船舶空調需求。最后在換熱器H-14 中，用缸套水對LNG 進行調溫加熱，以滿足不同溫度的使用需求?？紤]到LNG 進口壓力為3 MPa，遠遠大于主機NG 進氣壓力1.6 MPa，在LNG進入氣相顯熱段時，構建LNG 回熱系統，不僅能充分利用壓力?進行發電，還對剛進入系統的LNG 有預熱功能。

目前，利用LNG 冷能發電的傳統方法有直接膨脹、有機朗肯循環和結合前2 種方法的聯合循環[6]。本文采用空調和發電實現LNG 冷能與船舶余熱的聯合利用?；跍囟葘?，梯級利用的原則[7]，在構建系統時，對于低溫區的LNG 冷能，考慮以LNG 作為冷源，缸套冷卻水與煙氣作為熱源，構建發電系統；對于高溫區LNG 的冷能，充分考慮空調溫度，以戊烷為中間介質，建立滿足空調負荷的系統。

1.2 工質選擇及系統流程

工質不僅要滿足工作效率高、發電量大、傳熱性能良好、流動阻力小等物性特點，還要有穩定的化學性能，安全可靠，腐蝕性小、對環境友好、價格低廉、容易獲取等。充分考慮冷凝、蒸發壓力與對應溫度的關系，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[8]?；谏鲜隹紤]，對于換熱器H-1、H-5的中間介質，選用丙烷。對于換熱器H-2、H-6、H-9的中間介質，選用異丁烷。對于空調模塊，選用戊烷[6]。

根據上述分析，構建以LNG 為冷源，以高溫煙氣和缸套冷卻水為熱源，建立滿足船舶空調負荷和發電的綜合LNG 冷能利用系統，系統設計流程如圖1 所示。

圖1 系統流程圖Fig. 1 System flow chart

LNG 流程：LNG 進口壓力為3 000 kPa，高品質冷能依次進入換熱器H-1、H-5、H-9、H-12 中，為換熱器提供冷量?進行發電，因其中LNG 進口壓力遠遠大于主機進口壓力，所以經過換熱器H-5 的氣態NG 先透平發電再依次進入換熱器H-1、H-5、H-13、H-14中，分別對剛進入系統的LNG 進行預熱、吸收換熱器H-5 中丙烷的熱量、提供船上所需的空調冷負荷、升溫至主機所設定的入口溫度，最后送入主機。

2 系統仿真分析與優化

2.1 模擬參數

通過HYSYS 軟件進行系統模擬時，LNG 組分如表1 所示。

表1 LNG 系統模擬組分Tab. 1 System simulation component

系統方案中的參數設置如下：泵效率為0.75，膨脹機等熵效率為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；模擬時狀態方程選用Peng-Robison 方程；環境溫度取25℃，壓力取101.325 kPa

2.2 模擬結果及其分析

部分流程關鍵參數如表2 所示，?部分計算結果如表3 所示?？煽闯?，系統總?效率僅為38.87%。分析其?損失可發現，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%。根據圖2、圖3 可看出，LNG 與中間介質在換熱曲線上并不貼合。因此對換熱器H-1、H-5 中間介質進行介質優化，并運用遺傳算法，對換熱器H-1、H-5、H-2、H-6 中間介質的蒸發和冷凝壓力進行參數優化，即在?損較大的部分進行優化，以降低?損，提高效率。

表2 物流參數的熱力學性質Tab. 2 Thermodynamic properties of logistics parameters

表3 系統?分析計算結果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 工質優化

由上述?計算與?損分析可知，若想進一步減小系統的?損，提高系統?效率，可以更換更為合適的工質或者采用非共沸混合工質來替代換熱器H-1 和換熱器H-5 中的循環單一工質方式。為選擇合適的混合工質，圖4 給出了幾種常見的單一工質和LNG 溫熵曲線的對比。

圖4 常見單一工質與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。通過ASPEN HYSYS 軟件改變換熱器H-1 中循環混合工質（甲烷∶乙烷∶丙烷）的比例進行模擬可知，當甲烷的比例高于60%時，系統將出現溫度交叉。下圖選取甲烷、乙烷、丙烷不同的比例繪制出混合工質與LNG 溫熵曲線圖，如圖5 所示。當甲烷∶乙烷∶丙烷=4∶5∶1 時，其溫熵曲線與2 條LNG 曲線最貼合。

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

此時，換熱器H-1 溫度熱流曲線如圖6 所示，通過工質優化后，換熱器LNG1 內溫差得到減小，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 工質優化后換熱器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，當甲烷∶乙烷∶丙烷=4∶3∶3 時，較為貼合。結合循環模擬約束條件及混合工質對系統?效率的影響，優化后的混合工質最佳配比為乙烷∶丙烷=0.55∶0.45。

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

經過工質優化后，此時換熱器H-5 溫度熱流曲線如圖8 所示，工質優化后曲線更為貼合，換熱器H-5?損從最初的162.02 kW，降低至現在54.3 kW。因此效率得到提高。

圖8 工質優化后換熱器H-5 溫度熱流圖Fig. 8 H-5 temperature heat flow diagram of heat exchanger after working medium optimization

當改用混合工質后，透平輸出總功率增加了15.9 kW，且系統的總?效率也有所提升，從最初的38.87%提升至40.71%，相比工質優化前提升了1.84%。

2.4 基于遺傳算法的參數優化

考慮到優選設計方案系統中敏感參數的變化對整個系統性能產生很大影響又相互耦合，因此需要以整個系統?效率最優為目標，對優選方案進行參數匹配優化，即進行參數優化。

分析圖9 可知，換熱器H-1、H-5、H-4、H-8 中間介質冷凝壓力、蒸發壓力都對系統?效率均影響較大。為此選擇這8 個參數作為敏感參數進行系統全局優化。通過HYSYS 軟件模擬，在保證換熱器正常工作，不出現溫度交叉的前提下，找出各個敏感參數的上下限，再通過Matlab 調用遺傳算法尋找最優解。

圖9 優化方案各工質相關參數與系統?效率Fig. 9 Exergic efficiency of the system and related parameters of each working medium were optimized

表4 給出了各個敏感參數的上下限和基于遺傳算法全局參數優化后的參數。

表4 敏感參數的取值范圍及優化結果Tab. 4 Value range of sensitive parameters and optimization results

由圖10 可看，出在參數優化后，使得曲線更為貼合，減小了換熱器?損失。

圖10 參數優化后換熱器H-1 溫度熱流圖Fig. 10 H-1 temperature heat flow diagram of heat exchanger after parameter optimization

基于遺傳算法進行參數優化后，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，系統總?效率從40.71%提升至47.64%。

3 結 語

本文通過研究30 萬噸燃料動力船冷能利用系統，設計并優化了一套以發電為主、兼顧船舶空調的LNG冷能綜合利用方案，經研究得到以下3 點結論：在滿足本船空調負荷需求量的前提下，結合船舶主機缸套冷卻水和高溫煙氣，提出了一套優選的、能最大限度利用LNG 冷能發電的綜合利用方案；經工質篩選優化，該系統中的最佳匹配工質是：換熱器H-1 混合工質配比為甲烷:乙烷:丙烷=4∶5∶1，換熱器H-5 混合工質配比為乙烷:丙烷=0.55∶0.45；經系列優化后的該系統?效率為47.64%，該系統發電輸出功為268.9 kW。