劉 銳，沈 妍，胡 寅，姚壽廣，谷家揚(yáng)

(1.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學(xué) 機(jī)電與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600；3.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

液化天然氣（LNG）是將常溫的天然氣經(jīng)過(guò)凈化處理，通過(guò)冷凍工藝液化而成的液體（?163 ℃），其體積是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的1/650，有利于長(zhǎng)距離輸送。一般LNG 經(jīng)船運(yùn)抵達(dá)接收站后需要重新氣化為氣態(tài)天然氣才能獲得利用，氣化過(guò)程釋放的冷能約為840 kJ/kg。隨著全球環(huán)保監(jiān)管越來(lái)越嚴(yán)格，LNG 作為一種清潔能源，在海運(yùn)領(lǐng)域推廣應(yīng)用成了熱點(diǎn)議題[1]。因此，合理利用LNG 氣化冷量，避免傳統(tǒng)氣化過(guò)程對(duì)環(huán)境影響，降低船舶能耗，符合綠色船舶的發(fā)展趨勢(shì)。

當(dāng)前，LNG 冷能利用方式單一，存在技術(shù)研究不足的問(wèn)題。LNG 冷能利用項(xiàng)目越多，冷能利用率就越高?，F(xiàn)有的LNG 冷能梯級(jí)利用的方案是提高冷能合理利用的有效途徑[2 – 5]。因此，LNG 冷能利用具有廣闊的市場(chǎng)前景，近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。LNG 冷能在液化天然氣氣化站上研究梁瑩等[6]提出了一套利用LNG 冷能與布雷德循環(huán)及ORC 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，將?效率提高到40.39%。黃美斌等[7]提出了LNG 用于低溫冷庫(kù)，并根據(jù)中間冷媒有無(wú)相變提出了2 種流程。Moghimi等[8]提出了利用LNG 冷能的朗肯循環(huán)、有機(jī)循環(huán)以及斯特林循環(huán)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，?效率提至47.43%。Koo等[9]提出了LNG 動(dòng)力船回收LNG 冷能的新解決方案，提出并優(yōu)化了6 個(gè)不同的有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）系統(tǒng)（3 個(gè)用于高壓雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，3 個(gè)用于中壓雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)）并研究了9 種不同的工作冷媒；根據(jù)優(yōu)化結(jié)果減少了ORC 系統(tǒng)的年度成本。LNG 冷能在船舶上應(yīng)用如馬哲樹(shù)[10]針對(duì)3 000 t LNG 動(dòng)力船設(shè)計(jì)LNG 冷能用于空調(diào)的方案，以60%乙二醇溶液為循環(huán)工質(zhì)。姚壽廣[11]以25 000 t LNG 燃料動(dòng)力化學(xué)品船為研究對(duì)象，將主機(jī)廢氣進(jìn)行余熱回收發(fā)電，LNG 冷能用于低溫冷庫(kù)，高溫冷庫(kù)以及空調(diào)，方案?效率達(dá)到 62.87%。

本文以L(fǎng)NG 氣化量596.4 kg/h 的LNG 運(yùn)輸船為設(shè)計(jì)對(duì)象，基于“溫度對(duì)口，梯級(jí)利用”的原則，將LNG氣化的冷能用于有機(jī)朗肯發(fā)電，海水淡化以及冷庫(kù)。從能量梯級(jí)利用的角度提出多種適應(yīng)原船的能源利用方案，并采用Aspen HYSYS 進(jìn)行仿真模擬，對(duì)各方案做比較分析，篩選出最優(yōu)方案。通過(guò)Matlab 的遺傳算法對(duì)重要參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，提高系統(tǒng)總的?效率。

1 原船系統(tǒng)介紹及方案設(shè)計(jì)

1.1 原船相關(guān)信息

LNG 儲(chǔ)罐出口壓力約為0.6 MPa，溫度為?163 ℃；主機(jī)燃?xì)膺M(jìn)口溫度為0～60 ℃，進(jìn)口壓力為600 kPa。主機(jī)原船相關(guān)信息見(jiàn)表1。

表1 原船主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the original ship

1.2 方案設(shè)計(jì)

1.2.1 方案1

由于LNG 冷量?分布具有隨溫度升高冷量?遞減的趨勢(shì)。根據(jù)“溫度對(duì)口，梯級(jí)利用”的原則，發(fā)電模塊所需冷量遠(yuǎn)高于其他模塊對(duì)冷量的需求，因此考慮將高品位的冷能利用于有機(jī)朗肯發(fā)電模塊。LNG 經(jīng)過(guò)發(fā)電模塊后溫度上升到?101 ℃左右，設(shè)過(guò)程中壓降為10 kPa。LNG 氣化成?101 ℃左右的天然氣（NG），此時(shí)還有大量的冷能，此時(shí)的溫度和冷量均符合冷量需求較大的海水淡化模塊。NG 經(jīng)過(guò)換熱后溫度上升到?60 ℃左右。再經(jīng)過(guò)冷庫(kù)換熱器換熱溫度升至?19 ℃左右，最后一級(jí)利用為空調(diào)模塊，溫度升至10 ℃。低溫朗肯循環(huán)使用冷媒R170；海水淡化循環(huán)使用冷媒R601a，冷庫(kù)循環(huán)使用冷媒R290，空調(diào)循環(huán)使用冷媒R601。

1.2.2 方案2

在方案2 冷能利用設(shè)計(jì)中，考慮到發(fā)電模塊?損較大，冷量?沒(méi)有得到充分利用。將對(duì)冷量需求較小的低溫冷庫(kù)放入發(fā)電模塊膨脹機(jī)入口前，LNG 經(jīng)過(guò)發(fā)電模塊溫度升至?101 ℃，再通過(guò)海水淡化模塊換熱升至?30 ℃，最后經(jīng)過(guò)空調(diào)模塊換熱升至10 ℃。各模塊冷媒與方案1 相同。

1.2.3 方案3

方案1 與方案2 冷能利用都考慮到空調(diào)模塊，但空調(diào)模塊位置最后一級(jí)冷能利用?？照{(diào)獲得冷量達(dá)不到設(shè)計(jì)計(jì)算的冷負(fù)荷。考慮到船舶在靠岸、發(fā)動(dòng)機(jī)在柴油模式等情況下，無(wú)法獲取LNG 釋放的冷能，這種情況下海水淡化、冷庫(kù)沒(méi)有冷量來(lái)源，需要單獨(dú)再配置制冷裝置。因此可以采用蓄冷的方式應(yīng)對(duì)這些情況，為海水淡化、冷庫(kù)提供冷量。方案3 冷能梯級(jí)利用為低溫朗肯發(fā)電模塊、海水淡化、蓄冷。LNG 通過(guò)發(fā)電模塊溫度升至?101 ℃，再經(jīng)過(guò)海水淡化模式溫度升至?26 ℃，NG 經(jīng)過(guò)蓄冷換熱溫度升至?4 ℃，最后通過(guò)缸套水加熱至15 ℃送入主機(jī)。低溫朗肯循環(huán)使用冷媒R170；海水淡化循環(huán)使用冷媒R601a；蓄冷循環(huán)使用冷媒50%乙二醇溶液。

1.2.4 方案4

方案4 冷能利用與方案3 相比，在低溫朗肯循環(huán)膨脹機(jī)入口前加入冷庫(kù)。作為方案2 對(duì)照，其各模塊溫度區(qū)間與方案3 相同。低溫朗肯循環(huán)使用冷媒R170；海水淡化循環(huán)使用冷媒R601a，冷庫(kù)循環(huán)使用冷媒R290；蓄冷循環(huán)使用冷媒50%乙二醇溶液。

1.3 各模塊冷負(fù)荷

表2 為各模塊所需的冷負(fù)荷，估算匯總了海水淡化，低溫冷庫(kù)，空調(diào)所需的冷負(fù)荷。

表2 船舶各模塊所需制冷量Tab.2 Cold energy required for each module of the ship

2 不同方案模擬分析

2.1 各方案模擬

利用Aspen HYSYS 軟件對(duì)各方案進(jìn)行模擬分析，如圖1～圖4 所示。其中冷媒物性方程選取P-R 方程，套缸冷卻水物性方程選取NBS-steam。

圖1 方案1 能量利用模擬流程圖Fig.1 Simulation flow chart of the energy utilization of scheme 1

圖2 方案2 能量利用模擬流程圖Fig.2 Simulation flow chart of the energy utilization of scheme 2

圖3 方案3 能量利用模擬流程圖Fig.3 Simulation flow chart of the energy utilization of scheme 3

圖4 方案4 能量利用模擬流程圖Fig.4 Simulation flow chart of the energy utilization of scheme 4

2.2 模擬分析結(jié)果

?是衡量冷能大小的重要指標(biāo)，冷量?分析不僅能從數(shù)量上反映能量傳遞及變換，還可以揭示系統(tǒng)內(nèi)不可逆損失的大小與成因，為合理利用冷能提供指導(dǎo)。本文通過(guò)分析LNG 的?效率來(lái)反映其冷能的利用程度，4 種方案的?效率如表3 所示?？梢钥闯龇桨??效率最高（37.33%），為最優(yōu)方案。

表3 各方案?效率Tab.3 Exergy efficiency of different schemes

3 工質(zhì)與參數(shù)優(yōu)化

3.1 朗肯循環(huán)工質(zhì)的選擇

從各方案分析中看出，朗肯循環(huán)選擇不同的工質(zhì)，?效率有較大差異?？紤]到不同冷媒的物理性質(zhì)以及冷媒需具有以下特性：

1）臭氧消耗潛值（ODP）、全球變暖潛值（GWP）應(yīng)盡可能低。

2）冷媒安全性高，無(wú)爆炸危險(xiǎn)，低毒性。

3）冷媒傳熱性能良好、凝固點(diǎn)低，避免在降溫冷卻過(guò)程中，凝固阻塞管道。

4）冷媒成本低，方便在市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)。

5）冷媒動(dòng)力黏度應(yīng)盡可能小，有利于減少管程阻力。

為了防止冷媒凍結(jié)，朗肯循環(huán)主要選擇的工質(zhì)有：R50，R170，R290，R1270，在不同蒸發(fā)壓力下各工質(zhì)?效率對(duì)比如圖5 所示。

圖5 不同蒸發(fā)壓力下各工質(zhì)的?效率Fig.5 Exergy efficiency of working medium under different evaporation pressures

由圖5 可知，朗肯循環(huán)的最優(yōu)工質(zhì)是乙烷，由于對(duì)單一工質(zhì)分析如果選用混合工質(zhì)其中必定有乙烷。通過(guò)乙烷與丙烷混合，進(jìn)行?效率對(duì)比。結(jié)果表明混合工質(zhì)的朗肯循環(huán)?效率沒(méi)有超過(guò)單一工質(zhì)乙烷的?效率，因此朗肯循環(huán)最優(yōu)工質(zhì)為乙烷。

3.2 遺傳算法優(yōu)化參數(shù)

遺傳算法是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過(guò)程的計(jì)算模型，是一種通過(guò)模擬自然進(jìn)化過(guò)程搜索最優(yōu)解的方法。

由于優(yōu)化過(guò)程是涉及多變量的非線(xiàn)性問(wèn)題，試算或者靠經(jīng)驗(yàn)調(diào)整參數(shù)不僅費(fèi)時(shí)而且精度不高[12–13]。因此采用Matlab 與Aspen HYSYS 連用，利用遺傳算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。找到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)?效率影響最大的幾個(gè)參數(shù)，再針對(duì)這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行總體優(yōu)化。

通過(guò)?分析得知，低溫朗肯循環(huán)發(fā)電模塊的?損失占總?損失的66.7%。因此針對(duì)發(fā)電模塊進(jìn)行敏感參數(shù)優(yōu)化。由圖6 和圖7 可知，朗肯循環(huán)蒸發(fā)壓力和冷凝壓力對(duì)?效率影響較大，因此對(duì)蒸發(fā)壓力和冷凝壓力進(jìn)行優(yōu)化，參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比表如表4 所示，優(yōu)化后發(fā)電模塊?效率提升了3.43%。

圖6 膨脹機(jī)入口壓力與朗肯循環(huán)效率的關(guān)系圖Fig.6 Efficiency of Rankine cycle under different inlet pressures of the expander

圖7 膨脹機(jī)出口壓力與朗肯循環(huán)效率的關(guān)系圖Fig.7 Efficiency of Rankine cycle under different outlet pressures of the expander

表4 優(yōu)化前后參數(shù)Tab.4 Parameters before and after optimization

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)基于6ACD320 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的江海直達(dá)船舶，開(kāi)展LNG 冷能利用和余熱利用以及蓄冷的研究，得到LNG 汽化冷能梯級(jí)綜合利最優(yōu)方案，結(jié)論如下：

1）通過(guò)幾個(gè)方案的對(duì)比，找到各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)缺點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，最終選擇低溫朗肯循環(huán)發(fā)電、冷庫(kù)、海水淡化和蓄冷相結(jié)合的方案。

2）通過(guò)?效率的計(jì)算與分析，選定了最優(yōu)工質(zhì)，以及通過(guò)參數(shù)優(yōu)化后將最終的?效率提升到40.04%，并且在滿(mǎn)足船上冷庫(kù)和海水淡化冷量需求的前提下，用余下的冷量進(jìn)行朗肯循環(huán)發(fā)電最終每小時(shí)額外獲得38.13 kW·h 的發(fā)電量。