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        30 萬(wàn)噸LNG 船舶冷能綜合利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

        2024-01-03 16:02:48毛惠藝汪自釗
        艦船科學(xué)技術(shù) 2023年22期
        關(guān)鍵詞:乙烷丙烷工質(zhì)

        毛惠藝,汪自釗

        (江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

        0 引 言

        隨著全球綠色低碳能源戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn),全球?qū)Υ髿馕廴驹吹呐欧乓笕遮厙?yán)苛。在船舶與航運(yùn)領(lǐng)域,相比傳統(tǒng)燃用重油的船舶,以天然氣為燃料的LNG 動(dòng)力船舶不但滿足國(guó)際海事組織(IMO)對(duì)船舶排放日趨嚴(yán)格的法規(guī)要求,而且符合全球?qū)Φ吞冀?jīng)濟(jì)及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)要求。LNG 動(dòng)力船每天消耗大量的LNG,而現(xiàn)階段LNG 動(dòng)力船多采用汽化器或廢氣鍋爐進(jìn)行加熱[1],大量的LNG 冷能被浪費(fèi),并且增加了營(yíng)運(yùn)成本。LNG 冷能作為一種高品位的低溫冷能,汽化過(guò)程中釋放的冷量可用于冷能發(fā)電[2]、空調(diào)[3]、船舶高低溫冷庫(kù)[4]和海水淡化等[5]。但在航運(yùn)LNG 動(dòng)力船舶上,LNG 汽化冷能利用還基本處于初始階段。以30 萬(wàn)噸超大型LNG 動(dòng)力船舶為原型,結(jié)合船舶主機(jī)缸套冷卻水和高溫?zé)煔?,以LNG 冷能發(fā)電為主,兼顧遠(yuǎn)洋船舶所必需的空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)展LNG 氣化冷能利用方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化研究,并借助ASPEN HYSYS 軟件對(duì)方案進(jìn)行模擬對(duì)比分析,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工質(zhì)優(yōu)化,借助Matlab 遺傳算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,為超大型LNG 動(dòng)力船的LNG 氣化冷能提供高效利用的綜合設(shè)計(jì)方案。

        1 LNG 冷能利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        1.1 系統(tǒng)集成的思路和流程

        以設(shè)計(jì)中的30 萬(wàn)噸級(jí)、85%負(fù)荷、夏季工況下的VLCC 為研究對(duì)象。

        考慮到LNG 從-162℃氣化升溫到5℃左右,LNG氣化曲線要經(jīng)歷液相顯熱段、潛熱段、氣相顯熱段。因此,本方案將LNG 溫度區(qū)間內(nèi)的液相顯熱、潛熱段和少部分的氣相顯熱段LNG 冷能進(jìn)行發(fā)電,將大部分氣相顯熱段的LNG 冷能用于船舶空調(diào)需求。最后在換熱器H-14 中,用缸套水對(duì)LNG 進(jìn)行調(diào)溫加熱,以滿足不同溫度的使用需求??紤]到LNG 進(jìn)口壓力為3 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主機(jī)NG 進(jìn)氣壓力1.6 MPa,在LNG進(jìn)入氣相顯熱段時(shí),構(gòu)建LNG 回?zé)嵯到y(tǒng),不僅能充分利用壓力?進(jìn)行發(fā)電,還對(duì)剛進(jìn)入系統(tǒng)的LNG 有預(yù)熱功能。

        目前,利用LNG 冷能發(fā)電的傳統(tǒng)方法有直接膨脹、有機(jī)朗肯循環(huán)和結(jié)合前2 種方法的聯(lián)合循環(huán)[6]。本文采用空調(diào)和發(fā)電實(shí)現(xiàn)LNG 冷能與船舶余熱的聯(lián)合利用?;跍囟葘?duì)口,梯級(jí)利用的原則[7],在構(gòu)建系統(tǒng)時(shí),對(duì)于低溫區(qū)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(gòu)建發(fā)電系統(tǒng);對(duì)于高溫區(qū)LNG 的冷能,充分考慮空調(diào)溫度,以戊烷為中間介質(zhì),建立滿足空調(diào)負(fù)荷的系統(tǒng)。

        1.2 工質(zhì)選擇及系統(tǒng)流程

        工質(zhì)不僅要滿足工作效率高、發(fā)電量大、傳熱性能良好、流動(dòng)阻力小等物性特點(diǎn),還要有穩(wěn)定的化學(xué)性能,安全可靠,腐蝕性小、對(duì)環(huán)境友好、價(jià)格低廉、容易獲取等。充分考慮冷凝、蒸發(fā)壓力與對(duì)應(yīng)溫度的關(guān)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(zhì)[8]?;谏鲜隹紤],對(duì)于換熱器H-1、H-5的中間介質(zhì),選用丙烷。對(duì)于換熱器H-2、H-6、H-9的中間介質(zhì),選用異丁烷。對(duì)于空調(diào)模塊,選用戊烷[6]。

        根據(jù)上述分析,構(gòu)建以LNG 為冷源,以高溫?zé)煔夂透滋桌鋮s水為熱源,建立滿足船舶空調(diào)負(fù)荷和發(fā)電的綜合LNG 冷能利用系統(tǒng),系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。

        圖1 系統(tǒng)流程圖Fig. 1 System flow chart

        LNG 流程:LNG 進(jìn)口壓力為3 000 kPa,高品質(zhì)冷能依次進(jìn)入換熱器H-1、H-5、H-9、H-12 中,為換熱器提供冷量?進(jìn)行發(fā)電,因其中LNG 進(jìn)口壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主機(jī)進(jìn)口壓力,所以經(jīng)過(guò)換熱器H-5 的氣態(tài)NG 先透平發(fā)電再依次進(jìn)入換熱器H-1、H-5、H-13、H-14中,分別對(duì)剛進(jìn)入系統(tǒng)的LNG 進(jìn)行預(yù)熱、吸收換熱器H-5 中丙烷的熱量、提供船上所需的空調(diào)冷負(fù)荷、升溫至主機(jī)所設(shè)定的入口溫度,最后送入主機(jī)。

        2 系統(tǒng)仿真分析與優(yōu)化

        2.1 模擬參數(shù)

        通過(guò)HYSYS 軟件進(jìn)行系統(tǒng)模擬時(shí),LNG 組分如表1 所示。

        表1 LNG 系統(tǒng)模擬組分Tab. 1 System simulation component

        系統(tǒng)方案中的參數(shù)設(shè)置如下:泵效率為0.75,膨脹機(jī)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(shí)狀態(tài)方程選用Peng-Robison 方程;環(huán)境溫度取25℃,壓力取101.325 kPa

        2.2 模擬結(jié)果及其分析

        部分流程關(guān)鍵參數(shù)如表2 所示,?部分計(jì)算結(jié)果如表3 所示??煽闯?,系統(tǒng)總?效率僅為38.87%。分析其?損失可發(fā)現(xiàn),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(jù)圖2、圖3 可看出,LNG 與中間介質(zhì)在換熱曲線上并不貼合。因此對(duì)換熱器H-1、H-5 中間介質(zhì)進(jìn)行介質(zhì)優(yōu)化,并運(yùn)用遺傳算法,對(duì)換熱器H-1、H-5、H-2、H-6 中間介質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝壓力進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,即在?損較大的部分進(jìn)行優(yōu)化,以降低?損,提高效率。

        表2 物流參數(shù)的熱力學(xué)性質(zhì)Tab. 2 Thermodynamic properties of logistics parameters

        表3 系統(tǒng)?分析計(jì)算結(jié)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(zhì)優(yōu)化

        由上述?計(jì)算與?損分析可知,若想進(jìn)一步減小系統(tǒng)的?損,提高系統(tǒng)?效率,可以更換更為合適的工質(zhì)或者采用非共沸混合工質(zhì)來(lái)替代換熱器H-1 和換熱器H-5 中的循環(huán)單一工質(zhì)方式。為選擇合適的混合工質(zhì),圖4 給出了幾種常見(jiàn)的單一工質(zhì)和LNG 溫熵曲線的對(duì)比。

        圖4 常見(jiàn)單一工質(zhì)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(nèi)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(zhì)。通過(guò)ASPEN HYSYS 軟件改變換熱器H-1 中循環(huán)混合工質(zhì)(甲烷∶乙烷∶丙烷)的比例進(jìn)行模擬可知,當(dāng)甲烷的比例高于60%時(shí),系統(tǒng)將出現(xiàn)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(zhì)與LNG 溫熵曲線圖,如圖5 所示。當(dāng)甲烷∶乙烷∶丙烷=4∶5∶1 時(shí),其溫熵曲線與2 條LNG 曲線最貼合。

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

        此時(shí),換熱器H-1 溫度熱流曲線如圖6 所示,通過(guò)工質(zhì)優(yōu)化后,換熱器LNG1 內(nèi)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(zhì)優(yōu)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(jiàn)的單一工質(zhì)和LNG(3 000 kPa、1 600 kPa)的溫熵曲線(溫度范圍是-100°C~70°C)對(duì)比。在所選比例中,當(dāng)甲烷∶乙烷∶丙烷=4∶3∶3 時(shí),較為貼合。結(jié)合循環(huán)模擬約束條件及混合工質(zhì)對(duì)系統(tǒng)?效率的影響,優(yōu)化后的混合工質(zhì)最佳配比為乙烷∶丙烷=0.55∶0.45。

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

        經(jīng)過(guò)工質(zhì)優(yōu)化后,此時(shí)換熱器H-5 溫度熱流曲線如圖8 所示,工質(zhì)優(yōu)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(xiàn)在54.3 kW。因此效率得到提高。

        圖8 工質(zhì)優(yōu)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(dāng)改用混合工質(zhì)后,透平輸出總功率增加了15.9 kW,且系統(tǒng)的總?效率也有所提升,從最初的38.87%提升至40.71%,相比工質(zhì)優(yōu)化前提升了1.84%。

        2.4 基于遺傳算法的參數(shù)優(yōu)化

        考慮到優(yōu)選設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)中敏感參數(shù)的變化對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大影響又相互耦合,因此需要以整個(gè)系統(tǒng)?效率最優(yōu)為目標(biāo),對(duì)優(yōu)選方案進(jìn)行參數(shù)匹配優(yōu)化,即進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

        分析圖9 可知,換熱器H-1、H-5、H-4、H-8 中間介質(zhì)冷凝壓力、蒸發(fā)壓力都對(duì)系統(tǒng)?效率均影響較大。為此選擇這8 個(gè)參數(shù)作為敏感參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)全局優(yōu)化。通過(guò)HYSYS 軟件模擬,在保證換熱器正常工作,不出現(xiàn)溫度交叉的前提下,找出各個(gè)敏感參數(shù)的上下限,再通過(guò)Matlab 調(diào)用遺傳算法尋找最優(yōu)解。

        圖9 優(yōu)化方案各工質(zhì)相關(guān)參數(shù)與系統(tǒng)?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(gè)敏感參數(shù)的上下限和基于遺傳算法全局參數(shù)優(yōu)化后的參數(shù)。

        表4 敏感參數(shù)的取值范圍及優(yōu)化結(jié)果Tab. 4 Value range of sensitive parameters and optimization results

        由圖10 可看,出在參數(shù)優(yōu)化后,使得曲線更為貼合,減小了換熱器?損失。

        圖10 參數(shù)優(yōu)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(jìn)行參數(shù)優(yōu)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(tǒng)總?效率從40.71%提升至47.64%。

        3 結(jié) 語(yǔ)

        本文通過(guò)研究30 萬(wàn)噸燃料動(dòng)力船冷能利用系統(tǒng),設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一套以發(fā)電為主、兼顧船舶空調(diào)的LNG冷能綜合利用方案,經(jīng)研究得到以下3 點(diǎn)結(jié)論:在滿足本船空調(diào)負(fù)荷需求量的前提下,結(jié)合船舶主機(jī)缸套冷卻水和高溫?zé)煔?,提出了一套?yōu)選的、能最大限度利用LNG 冷能發(fā)電的綜合利用方案;經(jīng)工質(zhì)篩選優(yōu)化,該系統(tǒng)中的最佳匹配工質(zhì)是:換熱器H-1 混合工質(zhì)配比為甲烷:乙烷:丙烷=4∶5∶1,換熱器H-5 混合工質(zhì)配比為乙烷:丙烷=0.55∶0.45;經(jīng)系列優(yōu)化后的該系統(tǒng)?效率為47.64%,該系統(tǒng)發(fā)電輸出功為268.9 kW。

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