談 震 方江敏 黎志昌

(華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院 廣州 510640)

1 引言

隨著LNG在全球能源市場所占份額日益擴大，LNG(liquefied natural gas)海運行業(yè)得到了空前的發(fā)展。在LNG海運過程中如何提高BOG(boil off gas，LNG蒸發(fā)氣)的回收利用率，成了當前國際建造LNG運輸船的前沿課題［1］。為提高LNG海運效率，降低運輸成本，用BOG再液化系統(tǒng)工藝流程對LNG船進行優(yōu)化設(shè)計有著巨大的運用潛力。

2 模擬流程

2.1 流程建模及說明

LNG船用BOG再液化裝置工藝所涉及的單元設(shè)備有壓縮機、海水換熱器、換熱器、多股流換熱器等［2］。在用ASPEN PLUS化工模擬軟件對LNG船用BOG再液化裝置進行整個工藝流程模擬計算時，分別選用如下的模塊:壓縮機(Cpr)、冷卻器(Cooler)、雙股流換熱器(HeatX)、多股流換熱器(MHeatX)、節(jié)流閥(Valve)。使用上述模塊對LNG船用BOG再液化流程建立模型圖，如圖1所示。

圖1 工藝模擬流程圖Fig.1 Picture of simulation process

再液化系統(tǒng)采用復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，由BOG制冷循環(huán)、丙烯制冷循環(huán)和混合制冷劑制冷循環(huán)構(gòu)成，即由一個以液貨為制冷介質(zhì)的開式循環(huán)和兩個分別采用丙烯、混合制冷劑的閉式制冷循環(huán)組成。3個制冷循環(huán)的說明如下:

(1)BOG制冷循環(huán):LNG液貨艙中的BOG進入回?zé)崞髦?，為混合制冷劑的過冷提供冷量，再由BOG壓縮機壓縮，壓縮后的高溫BOG通過海水換熱器1帶走熱量，降溫后的BOG進入丙烯多股流換熱器預(yù)冷，再通過BOG深冷換熱器進行深冷，最后由BOG節(jié)流閥節(jié)流降溫。節(jié)流后的BOG冷凝液進入氣液分離器，液相直接返回液貨艙，氣相BOG與LNG液貨艙中的BOG匯合在此進入下一次BOG制冷循環(huán)。

(2)丙烯制冷循環(huán):丙烯制冷劑經(jīng)過丙烯壓縮機壓縮后，進入海水換熱器2降溫，再由丙烯節(jié)流閥節(jié)流降溫。進入丙烯預(yù)冷多股流換熱器，為BOG和混合制冷劑的預(yù)冷提供冷量，換熱后進入下一輪循環(huán)。

(3)混合制冷劑制冷循環(huán):混合制冷劑由混合制冷劑壓縮機壓縮后，依次經(jīng)過海水換熱器3、預(yù)冷多股流換熱器、混合制冷劑換熱器、深冷多股流換熱器、回?zé)崞鬟M行換熱直至被液化過冷。經(jīng)回?zé)崞骱蟮倪^冷混合制冷劑由混合制冷劑節(jié)流閥降壓降溫后，進入深冷多股流換熱器提供冷量，流出的混合制冷劑再利用剩余冷量為混合制冷劑換熱器提供冷量后，進入下一輪混合制冷劑循環(huán)。

2.2 流程性能參數(shù)計算公式

通過軟件的模擬計算得到各節(jié)點的壓力、溫度、密度、質(zhì)量流量等熱力學(xué)參數(shù)。運用表1中所示的計算公式，計算出工藝流程分析中用到的重要性能參數(shù)。

表1 重要性能參數(shù)計算公式Table 1 Important performance parameters

3 流程優(yōu)化

3.1 優(yōu)化目標

在流程優(yōu)化問題中，目標函數(shù)十分重要。目標函數(shù)不同，液化流程的性能以及設(shè)計變量的最終優(yōu)化的結(jié)果相差將會很大［3］。追求高效、低能耗、低投資是再液化流程設(shè)計的目的。所以應(yīng)以降低流程功耗和增加再液化系統(tǒng)中3個制冷循環(huán)的制冷效率作為優(yōu)化的目標。本文以BOG壓縮機出口壓力、丙烯預(yù)冷溫度、丙烯壓縮機出口壓力、丙烯制冷節(jié)流閥出口壓力、混合制冷壓縮機出口壓力作為優(yōu)化的變量，以流程中壓縮機功耗最小為優(yōu)化的目標函數(shù)。以此得到如下的優(yōu)化目標函數(shù):

式中:Pmin為總功耗的最小值;a為BOG壓縮機出口壓力;b為丙烯壓縮機出口壓力;c為丙烯預(yù)冷溫度;d為丙烯制冷節(jié)流閥出口壓力;e為混合制冷壓縮機出口壓力;Pcpr1為BOG壓縮機功耗;Pcpr2為丙烯壓縮機功耗;Pcpr3為混合制冷劑壓縮機功耗。

以 a、b、c、d、e為優(yōu)化變量，在優(yōu)化計算中尋找其最佳取值，使得在該最佳取值狀態(tài)下，工藝流程的總功耗最低。

3.2 約束條件

在進行流程優(yōu)化時，為了讓優(yōu)化方法得到的參數(shù)進行流程計算時具有物理意義，在優(yōu)化時設(shè)定如下約束條件:

(1)各制冷循環(huán)的壓縮機入口工質(zhì)必須為氣相;

(2)丙烯制冷循環(huán)中，經(jīng)海水換熱器冷卻后的丙烯制冷劑，至少被部分液化;

(3)海水換熱器入口溫度必須高于出口溫度;

(4)BOG制冷循環(huán)中，BOG經(jīng)深冷多股流換熱器HX4冷卻后，至少被部分液化;

(5)混合制冷劑制冷循環(huán)中，混合制冷劑經(jīng)回?zé)崞鱄X1冷卻后，至少被部分液化;

(6)根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在優(yōu)化計算中必須設(shè)定各換熱器的熵增大于零;

(7)各節(jié)流閥都產(chǎn)生降溫，并且有氣液兩相產(chǎn)生;

(8)產(chǎn)生目標函數(shù)的最優(yōu)值時對應(yīng)生成的一組流程已知參數(shù)，以此為已知參數(shù)計算整個流程性能時，各換熱器的熱量要平衡［4］。

3.3 優(yōu)化方法

由于優(yōu)化計算中優(yōu)化變量有5個，求解難度較大。為了簡化求解，采用變量輪換法［5］也稱為交替方向法，基本原理較為簡單，它對目標函數(shù)的解析性質(zhì)沒有特別的要求，適用于各變量之間無本質(zhì)上聯(lián)系或沿坐標軸方向搜索比較容易的特殊結(jié)構(gòu)。圖2為使用變量輪換法進行優(yōu)化計算的框圖。為了使優(yōu)化的結(jié)果精確，在優(yōu)化計算中設(shè)定了變量的變化值，即優(yōu)化變量步長Δx，如表2所示。

圖2 模擬優(yōu)化步驟圖Fig.2 Picture of simulation and optimization steps

表2 優(yōu)化變量步長Table 2 Optimal step size

圖2中，ε為計算結(jié)果是否滿足要求的判據(jù)，當兩次計算結(jié)果差值絕對值小于判據(jù)數(shù)值時計算結(jié)束。在優(yōu)化計算中，ε取0.05 kW。

3.4 優(yōu)化結(jié)果

該工藝優(yōu)化的初始值即優(yōu)化前的計算值為現(xiàn)有工藝的實際流程參數(shù)，見表4。通過模擬工藝流程并對重要性能參數(shù)進行計算，得到優(yōu)化變量的優(yōu)化值如表3所示。

表3 優(yōu)化后優(yōu)化變量的最佳值Table 3 The best values of optimization variables be optimized

根據(jù)表3的優(yōu)化結(jié)果，按照表1的重要性能參數(shù)計算公式，采用ASPEN PLUS模擬軟件計算出所需要分析的重要性能參數(shù)值，并與優(yōu)化前的工藝流程重要性能參數(shù)進行比較，如表4所示。

表4 優(yōu)化前后重要性能參數(shù)比較Table 4 Important performance parameters be compared between before and after be optimized

從表4中的對比結(jié)果可見，工藝流程在能耗與制冷效率方面都得到不同程度的優(yōu)化。

在能耗方面，與優(yōu)化前工藝流程相比，優(yōu)化前工藝流程的總功耗為424.9 kW，優(yōu)化后降為392.555 kW，優(yōu)化后與優(yōu)化前相比總功耗降低了7.61%，由此可見，通過優(yōu)化較好地達到了降低再液化系統(tǒng)能耗的目的。

在制冷效率方面，通過調(diào)整各壓縮機出口壓力與各節(jié)流閥出口壓力，使得制冷循環(huán)中的冷量得到充分利用，即保證制冷量最優(yōu)化滿足工藝要求。優(yōu)化后與優(yōu)化前相比，BOG、丙烯、混合制冷劑制冷循環(huán)的制冷系數(shù)分別提高了6.54%、15.36%、6.02%，制冷效率得到提高。

4 結(jié)論

(1)采用ASPEN PLUS對LNG船BOG再液化裝置工藝流程進行模擬，選定BOG壓縮機出口壓力、丙烯預(yù)冷溫度、丙烯壓縮機出口壓力、丙烯制冷節(jié)流閥出口壓力、混合制冷壓縮機出口壓力作為優(yōu)化的變量，以壓縮機功耗最低為優(yōu)化目標，建立目標函數(shù)Pmin。

(2)采用變量輪換法進行優(yōu)化計算，得出BOG壓縮機出口壓力、丙烯預(yù)冷溫度、丙烯壓縮機出口壓力、丙烯制冷節(jié)流閥出口壓力、混合制冷壓縮機出口壓力等優(yōu)化變量的最優(yōu)值。

(3)采用優(yōu)化變量最優(yōu)值計算工藝流程的重要性能參數(shù)，并與優(yōu)化前進行對比。與優(yōu)化前相比，工藝系統(tǒng)的總功耗降低了7.61%，3個制冷循環(huán)的制冷效率都有所提高。

1 范思奇.液化氣體船［M］.大連:大連海運學(xué)院出版社，1993:138－139.

2 黎志昌.LPG船用BOG再液化裝置工藝流程模擬與優(yōu)化［J］.低溫工程，2010(4):62－66.

3 趙國偉，尹全森，季中敏，等.單級混合制冷劑天然氣液化流程動態(tài)特性模擬［J］.節(jié)能技術(shù).2009，7(4):315－317.

4 顧安忠.液化天然氣技術(shù)［M］.北京.機械工業(yè)出版社，2008:70－87.

5 何堅勇.最優(yōu)化方法［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007:313－316.