陳 超，闞安康，楊 帆，齊 丹，徐志峰

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

應(yīng)用LNG冷能的漁船冷庫(kù)制冷模擬研究

陳 超，闞安康，楊 帆，齊 丹，徐志峰

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

我國(guó)LNG動(dòng)力漁船數(shù)量逐漸增多，前景廣闊。LNG在由儲(chǔ)罐進(jìn)入動(dòng)力裝置利用之前會(huì)釋放出大量冷能，為了有效的利用這部分冷能，提出了將LNG冷能用于漁船發(fā)電及冷庫(kù)制冷相結(jié)合冷能利用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)及冷庫(kù)內(nèi)部冷能的梯級(jí)利用。利用HYSYS軟件對(duì)該冷庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行流程模擬及熱力學(xué)計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，該冷庫(kù)系統(tǒng)的系統(tǒng)能效(COP)為1.86，火用效率為82.05%。其中LNG換熱器的火用損失最大，為4.08 kW。實(shí)現(xiàn)了LNG動(dòng)力漁船冷庫(kù)冷能利用率及火用效率的大幅提高，節(jié)能效果顯著，為L(zhǎng)NG動(dòng)力漁船冷能的高效利用提供了參考。

LNG；冷能梯級(jí)利用；漁船；HYSYS；火用效率

0 引言

近年來(lái)我國(guó)LNG進(jìn)口量迅速增長(zhǎng)，2016年中國(guó)LNG進(jìn)口量達(dá)到2600萬(wàn)t，占據(jù)全球LNG進(jìn)口量的10%。2017年年初至今國(guó)內(nèi)LNG需求量繼續(xù)穩(wěn)步上升，而進(jìn)口量在今年上半年已同比增長(zhǎng)39%。LNG在常壓下的液化溫度為-162℃，每千克LNG在氣化過(guò)程中大約釋放冷量830 kJ。如果能將這部分冷能充分利用，則能夠達(dá)到節(jié)能減排、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。針對(duì)LNG用于冷庫(kù)制冷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了相關(guān)研究。吳集迎等[1]設(shè)計(jì)了LNG冷能用于冷庫(kù)的系統(tǒng)流程與運(yùn)行模式，驗(yàn)證了LNG冷能用作冷庫(kù)冷源是可行的。楊春等[2]提出了一種LNG冷能用于冷庫(kù)和冷水的撬裝式裝置，解決了LNG氣化和應(yīng)用在時(shí)間和空間上不同步的問(wèn)題。唐賢文等[3]通過(guò)火用分析方法，計(jì)算了LNG冷能在不同冷庫(kù)溫度下的火用效率。肖芳等[4]分析了LNG冷能用于冷藏溫度-30℃、液氨作為中間冷媒的冷庫(kù)項(xiàng)目，解決了當(dāng)天然氣用戶(hù)需求較少時(shí)，LNG冷能供應(yīng)不足、冷媒冷量不夠的問(wèn)題。Messineo等[5]在接收站和用冷地點(diǎn)之間設(shè)置中間冷媒傳輸系統(tǒng)，使用CO2作為中間介質(zhì)，有效降低了傳輸能耗。孫楠楠等[6]提出了將ORC與冷庫(kù)相結(jié)合的LNG冷能利用系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)LNG冷能利用率的大幅提升，節(jié)能效果顯著。董建鍇等[7]設(shè)計(jì)了一種新型LNG冷能制冷的冷庫(kù)系統(tǒng)，并通過(guò)HYSYS模擬對(duì)其進(jìn)行了熱力學(xué)分析和經(jīng)濟(jì)性分析。

LNG動(dòng)力漁船是我國(guó)未來(lái)漁船發(fā)展的新趨勢(shì)，LNG除用作“綠色”漁船燃料，還具有大量的冷能[8-9]。雖然相關(guān)學(xué)者在冷能用于冷庫(kù)方面作了上述研究，但對(duì)于LNG動(dòng)力漁船冷能用于冷庫(kù)的探討相對(duì)較少，其涉及的工藝方案和方法也不符合船舶的要求。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)某型號(hào)LNG動(dòng)力漁船的參數(shù)特點(diǎn)，建立了LNG冷能制冷的雙級(jí)冷庫(kù)模型，并對(duì)其進(jìn)行了熱力學(xué)分析。計(jì)算了各設(shè)備的和整體系統(tǒng)的火用效率和火用損，分析了影響系統(tǒng)火用效率提高的原因，研究了不同LNG進(jìn)口溫度系統(tǒng)火用效率和COP的變化情況。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1冷能利用形式

LNG冷能的利用方式很多，主要有輕烴分離、空氣分離、冷能發(fā)電、橡膠粉碎、海水淡化、冷凍倉(cāng)庫(kù)等[10-15]。LNG冷能利用技術(shù)主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是將冷能獨(dú)立應(yīng)用于冷能發(fā)電、海水淡化、冷庫(kù)制冷中；另一類(lèi)主要是實(shí)現(xiàn)冷能的梯級(jí)利用[16]。單一利用LNG冷能的方法只考慮了冷能的回收，而沒(méi)有考慮冷能利用的能級(jí)，造成了大量的冷量火用損失。

(1)

從式(1)中可以看出，在熱負(fù)荷一定的情況下，熱源與LNG冷源溫差越大，冷量火用損失就越大。梯級(jí)利用方式能夠減小LNG與熱源之間的溫差，減小冷量火用損失。故本系統(tǒng)采用了梯級(jí)利用的方式。

1.2系統(tǒng)介紹

圖1為L(zhǎng)NG動(dòng)力漁船冷能利用系統(tǒng)流程圖。選取廣東LNG為動(dòng)力燃料[17]，其組分見(jiàn)表1。某型號(hào)的LNG動(dòng)力漁船燃料消耗流量為235 kg/h，LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力約為0.9 MPa，溫度約為146 K，動(dòng)力系統(tǒng)要求溫度為283.15 K，壓力為0.8 MPa。該LNG動(dòng)力漁船冷能利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮了冷能的梯級(jí)利用。一方面，在LNG換熱器端實(shí)現(xiàn)了LNG的梯級(jí)利用，LNG冷能的第一級(jí)用于低溫朗肯循環(huán)發(fā)電，LNG的溫度升高到183.15 K，第二級(jí)用于實(shí)現(xiàn)漁船冷庫(kù)制冷；另一方面，在冷庫(kù)端實(shí)現(xiàn)冷能的梯級(jí)利用，該漁船上設(shè)兩個(gè)魚(yú)艙，每個(gè)魚(yú)艙各設(shè)一冷庫(kù)，分別為保鮮冷庫(kù)(-4℃)和低溫冷庫(kù)(-20℃)，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷分別為3.4 kW和11.2 kW，由于兩冷庫(kù)庫(kù)溫不同，所對(duì)應(yīng)的冷媒的蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度也不相同。兩冷庫(kù)采用并聯(lián)的方式，使LNG冷能在冷庫(kù)系統(tǒng)中能夠得到充分的利用。

圖1 1 LNG動(dòng)力漁船冷能利用系統(tǒng)圖

表1 LNG各組分及其相應(yīng)的臨界溫度和壓力

1.3漁船冷庫(kù)梯級(jí)利用LNG冷能的可行性驗(yàn)證

由第1.2節(jié)可知，漁船冷庫(kù)的總冷負(fù)荷為14.6 kW，LNG流量為235 kg/h。LNG由存儲(chǔ)狀態(tài)氣化至進(jìn)機(jī)狀態(tài)時(shí)釋放的冷量為：

Q=Q1+Q2+Q3

(2)

式中，Q1、Q2、Q3為L(zhǎng)NG由存儲(chǔ)狀態(tài)升溫至飽和液態(tài)時(shí)釋放的冷能；LNG由飽和液態(tài)升溫至飽和氣態(tài)時(shí)釋放的冷量； LNG由飽和氣態(tài)升溫至進(jìn)機(jī)狀態(tài)時(shí)釋放的冷能。

Q1=m·cp1·(TL-Ts)

(3)

Q2=m·(hv-hL)

(4)

Q3=m·cp2·(Tk-Tv)

(5)

式中，m為L(zhǎng)NG流量；cp1、cp2為定壓比熱容；TL、Ts為L(zhǎng)NG飽和液態(tài)時(shí)溫度，LNG存儲(chǔ)溫度；hv、hL為L(zhǎng)NG飽和氣態(tài)時(shí)焓值，LNG飽和液態(tài)時(shí)焓值；Tk、Tv為L(zhǎng)NG進(jìn)機(jī)溫度，LNG飽和氣態(tài)溫度。

由式(2)～(5)計(jì)算可知該LNG動(dòng)力漁船冷能總量為46.135 kW，遠(yuǎn)大于冷庫(kù)的設(shè)計(jì)負(fù)荷14.6 kW。故此設(shè)計(jì)是可行的。且當(dāng)LNG漁船動(dòng)力裝置低負(fù)荷運(yùn)行或捕魚(yú)量較多的情況下(冷庫(kù)熱負(fù)荷較多)，其LNG制冷功率也能滿(mǎn)足冷庫(kù)制冷的需求。當(dāng)漁船動(dòng)力裝置超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)(LNG流量增大)，LNG制冷功率大于冷庫(kù)的需求，在NG進(jìn)機(jī)前利用缸套冷卻水對(duì)其加熱，不僅能回收缸套冷卻水的余熱使NG達(dá)到進(jìn)機(jī)溫度的需求，同時(shí)也能降低缸套冷卻水的溫度。

2 模型介紹與計(jì)算

2.1狀態(tài)方程選擇

本文僅對(duì)LNG冷能用于漁船冷庫(kù)的流程進(jìn)行模擬與計(jì)算。由于LNG由儲(chǔ)罐到動(dòng)力裝置經(jīng)過(guò)了純液態(tài)、氣液兩相、純氣態(tài)的過(guò)程，溫度跨度較大，所以選擇了適應(yīng)性較強(qiáng)的Peng-Robinson方程來(lái)計(jì)算LNG物性。冷庫(kù)冷媒采用工質(zhì)氨，換熱器的壓降均為10 kP，泵和壓縮機(jī)的效率均為75%。

2.2模型建立與分析

工質(zhì)的火用，包括工質(zhì)的機(jī)械能及其焓火用，工質(zhì)的機(jī)械能變化較小，通常忽略這部分火用值。因此，對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)的系統(tǒng)，工質(zhì)火用值計(jì)算模型為：

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

(7)

式中，m為各工質(zhì)的質(zhì)量流量；h、s為工況下各工質(zhì)的比焓和比熵；單位分別為kJ/kg，kJ/(kg·K)；h0、s0為基準(zhǔn)狀態(tài)下工質(zhì)的比焓和比熵，單位分別為kJ/kg，kJ/(kg·K)；基準(zhǔn)狀態(tài)為25℃、0.1 MPa。

LNG冷能用于漁船冷庫(kù)的流程模擬采用了文獻(xiàn)[7]中的模型[7]。如圖2所示，采用Aspen HYSYS進(jìn)行模擬計(jì)算。冷媒氨在蒸發(fā)器1的蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力分別設(shè)定為-11℃、0.29 MPa；在蒸發(fā)器2中的蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力-30℃、0.12 MPa。蒸發(fā)器內(nèi)的壓降都為10 kPa。

LNG輸入冷量為：

QLNG=mLNG(hNG-hLNG)

(8)

泵輸入功為：

Wpump=m(h2-h1)∕0.75

(9)

壓縮機(jī)輸入功為：

Wcom=0.75m(h6-h5)

(10)

系統(tǒng)能效COP為：

(11)

冷庫(kù)得到的冷量火用為：

(12)

(13)

式中，Q1為蒸發(fā)器1的輸出冷量，kW；Q2為蒸發(fā)器2的輸出冷量，kW；ExNG為NG的火用值，kW。

通過(guò)流程模擬軟件HYSYS的計(jì)算，得到的結(jié)果如表2所示。

由式(8)～(10)可知，模擬流程中的各關(guān)鍵設(shè)備功率的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由式(11)計(jì)算可知，此LNG冷能制冷的冷庫(kù)系統(tǒng)能效COP為1.86，使得冷能的利用率大幅度提升。但是單純的能效分析只能從數(shù)量守恒的角度來(lái)計(jì)算能量的損失，而忽略了內(nèi)部的損失，此時(shí)的能效比不能真實(shí)的反應(yīng)內(nèi)部的能耗情況，評(píng)價(jià)指標(biāo)也只能計(jì)算能量的數(shù)量變化上的變化而忽視了其品質(zhì)的變化。鑒于LNG冷庫(kù)系統(tǒng)中壓力、環(huán)境溫度等參數(shù)的變化對(duì)LNG可利用冷能的影響，使用火用分析法來(lái)彌補(bǔ)能效分析的不足。下面主要從各部分設(shè)備的火用損和火用效率兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

圖2 LNG冷能用于漁船冷庫(kù)的HYSYS流程模擬

表2 冷庫(kù)流程中物流參數(shù)模擬結(jié)果

表3 冷庫(kù)流程中各關(guān)鍵設(shè)備功率計(jì)算結(jié)果

2.3 火用損及火用效率分析

根據(jù)表2和表3中的數(shù)據(jù)計(jì)算可以得到該利用LNG冷能的漁船冷庫(kù)中各主要設(shè)備的輸入火用、有效火用、火用損及火用效率。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 LNG冷能用于漁船冷庫(kù)各設(shè)備的效率及火用損

從計(jì)算結(jié)果可以看出，該利用于漁船冷庫(kù)的LNG冷能系統(tǒng)的整體火用效率為82.05%，說(shuō)明該系統(tǒng)不管COP還是火用效率方面相比其他形式的冷庫(kù)都大大提高。主要原因是該LNG動(dòng)力漁船冷能利用系統(tǒng)采用了冷能的梯級(jí)利用原則，而不僅僅是冷能的單級(jí)利用，在LNG進(jìn)入動(dòng)力系統(tǒng)之前，經(jīng)過(guò)了兩級(jí)利用，即高品質(zhì)的LNG冷能用于朗肯循環(huán)發(fā)電，為漁船提供電能；低品質(zhì)的LNG冷能用于漁船的冷庫(kù)制冷，同時(shí)，在冷庫(kù)中，又根據(jù)不同的冷庫(kù)庫(kù)溫及負(fù)荷實(shí)現(xiàn)了LNG冷能的梯級(jí)利用。充分的利用了LNG的冷能，使冷庫(kù)出口的LNG溫度基本能通過(guò)較少量的海水加熱既能滿(mǎn)足漁船動(dòng)力裝置的溫度要求，也減少了對(duì)海洋的冷污染。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，整個(gè)系統(tǒng)主要設(shè)備中，火用效率最低分別是LNG換熱器和壓縮機(jī)。LNG換熱器的溫度(-90℃)與工質(zhì)氨的溫度(35.83℃)相差太大，從式(1)中可以看出，溫差過(guò)大導(dǎo)致了LNG的冷量火用損失過(guò)大。在理想狀態(tài)下，壓縮機(jī)進(jìn)行的是等熵絕熱壓縮過(guò)程，不會(huì)產(chǎn)生火用損失，火用效率較低的原因主要是與其工作效率(75%)有關(guān)。在實(shí)際的壓縮機(jī)壓縮過(guò)程中，不可逆過(guò)程造成不可逆的火用損失，這將主要取決于壓縮機(jī)壓縮比和壓縮機(jī)的制造技術(shù)，壓縮比越大，壓縮機(jī)內(nèi)部的摩擦力越大，火用損失也將越大。

3 結(jié) 論

1.本文提出將LNG動(dòng)力漁船的燃料冷能用于漁船發(fā)電和冷庫(kù)制冷的LNG冷能梯級(jí)利用方案。有效的將以往直接廢棄的LNG冷能進(jìn)行了利用。減少了能源浪費(fèi)。

2.本文利用HYSYS軟件對(duì)LNG冷能用于冷庫(kù)制冷系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，計(jì)算出該冷庫(kù)制冷系統(tǒng)的COP為1.86，火用效率為82.05%。相比于其他類(lèi)型的冷庫(kù)制冷系統(tǒng)，COP和火用效率都大大提高。同時(shí)分析了LNG換熱器和壓縮機(jī)火用效率較低的原因，為以后提高此類(lèi)冷庫(kù)制冷系統(tǒng)的整體火用效率提供參考。

3.本文針對(duì)LNG動(dòng)力漁船提出的冷能利用系統(tǒng)不僅避免了對(duì)海水造成的冷污染，節(jié)省了傳統(tǒng)的漁船冷庫(kù)設(shè)備投資及運(yùn)行功耗，而且實(shí)現(xiàn)了冷能的增益利用。該系統(tǒng)具有優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，為我國(guó)LNG動(dòng)力漁船冷能的高效利用提供了指導(dǎo)。

但是，在實(shí)際應(yīng)用中可能還需要解決諸多的困難，比如：需要在船舶上使用高保溫材料降低LNG在傳送過(guò)程冷量的損失；在LNG冷能利用過(guò)程中，當(dāng)直接從LNG取冷時(shí)，需要采用設(shè)計(jì)難度較大的高溫差換熱器；以及LNG在漁船上存儲(chǔ)安全和船員操作培訓(xùn)等都是實(shí)際應(yīng)用中需要解決的問(wèn)題。

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SimulationStudyonColdStorageofFishingVesselsUsingLNGColdEnergy

CHEN Chao，KAN Ankang，YANG Fan，QI Dan，XU Zhifeng

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

The number of LNG power fishing vessels is increasing and have a wide horizon of development, LNG releases a lot of cold energy before it enters the power unit from the tank. In order to use this part of the cold energy effectively, it is proposed to use LNG cold energy for the combination of cold storage refrigeration system and power generation system of fishing vessel, and realize the cascade utilization of cold energy inside the system and cold storage. The flow simulation and thermodynamic calculation of the cold storage system were carried out by using HYSYS software. The results show that the energy efficiency (COP) of the cold storage system is 1.86, the exergy efficiency is 82.05%. The loss of LNG heat exchanger is the largest, which is 4.08kW. Which can improve the utilization rate of cold energy and exergy efficiency of LNG fueled fishing vessels. The energy saving effect is remarkable, which provides a reference for the efficient use of LNG fueled fishing vessels.

LNG； cold energy cascade use；fishing vessel； exergy efficiency

2017-09-05

上海市自然基金資助項(xiàng)目(15ZR1419900)

TB69

A

1007-7804(2017)05-0011-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.05.003

陳 超(1991)，男，助理工程師，碩士研究生。主要從事船舶冷藏運(yùn)輸研究。E-mail：15865415835@163.com