秦亞迪, 秦 鋒, 彭延建, 胡蘇陽, 曾賢文, 陳思宇

(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)研發(fā)中心, 北京 100028)

1 概述

我國是漁業(yè)大國,漁船擁有量居世界首位,大多數(shù)漁船使用柴油機(jī)動力裝置[1]。燃油漁船排放大量的NOx、SO2等有害氣體和顆粒,是近年來近海和內(nèi)河流域水體的主要污染源[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì),船舶排氣在大氣污染中占比5%以上[3]。液化天然氣(LNG)替代柴油用于漁船領(lǐng)域,具備經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),是我國未來漁船發(fā)展的新趨勢[4]。以LNG作燃料的動力船,LNG氣化時釋放的大量冷能通常被空氣或者海水帶走,造成能源浪費(fèi)[5-6]。有學(xué)者進(jìn)行了LNG動力船舶的冷能梯級利用方案、利用冷能的冷庫與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等研究[7-8],目前對于LNG漁船冷能利用的研究還處于初級階段。董升朝等人[9]對LNG動力漁船冷能回收利用技術(shù)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)兩級冷媒循環(huán)的整體式回收LNG冷能效果較好。陳超等人[10]提出將LNG冷能用于漁船發(fā)電及冷庫制冷結(jié)合的利用系統(tǒng),模擬計(jì)算結(jié)果表明大幅提高了冷能利用效率。楊晨斌等人[11]提出LNG動力漁船流化冰制取系統(tǒng)。

秦鋒等人[12]設(shè)計(jì)了一種LNG漁船冷能利用工藝,并研制出一套漁船冷能利用試驗(yàn)裝置,開展蓄冷和放冷的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示,裝置在運(yùn)行穩(wěn)定性和控制邏輯正確性方面滿足預(yù)期要求,但在蓄冷、放冷功能方面尚未達(dá)到設(shè)計(jì)要求,主要表現(xiàn)為蓄冷劑儲罐內(nèi)降溫速率較慢,且LNG-蓄冷劑換熱器運(yùn)行一段時間后存在蓄冷劑凝固現(xiàn)象。本文對此問題進(jìn)行分析,從蓄冷劑優(yōu)選、設(shè)備改進(jìn)、工藝流程改進(jìn)等方面進(jìn)行優(yōu)化研究。

2 LNG漁船冷能利用工藝

工藝流程見圖1。漁船冷能利用試驗(yàn)裝置(簡稱裝置)主要由LNG儲罐(模擬漁船的LNG儲罐)、蓄冷系統(tǒng)、供冷系統(tǒng)、冷庫(模擬漁船的魚艙)組成。LNG儲罐中的LNG經(jīng)過管道輸送至蓄冷系統(tǒng),LNG冷能通過熱交換傳遞給蓄冷系統(tǒng)并儲存下來,氣化得到的天然氣進(jìn)入漁船發(fā)動機(jī)作為燃料使用。蓄冷系統(tǒng)中的冷能通過熱交換傳遞給供冷系統(tǒng),由供冷系統(tǒng)將冷能輸送至冷庫,使冷庫保持低溫用于漁船上漁品的冷凍冷藏。在蓄冷系統(tǒng)不工作的情況下,LNG直接進(jìn)入LNG氣化器,氣化后進(jìn)入漁船發(fā)動機(jī)作為燃料,保證漁船動力不受蓄冷系統(tǒng)工作與否的影響[12]。本文主要研究蓄冷劑環(huán)路以及LNG-蓄冷劑換熱器、蓄冷劑儲罐的溫度。蓄冷劑為乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的乙二醇溶液。

圖1 漁船冷能利用工藝流程

3 問題分析

3.1 難點(diǎn)描述

文獻(xiàn)[12]的試驗(yàn)內(nèi)容主要包括通過蓄冷量測試和放冷量測試,驗(yàn)證裝置的蓄冷能力以及放冷過程能否滿足冷庫用冷需求,達(dá)到冷庫設(shè)計(jì)溫度。蓄冷量測試時,測量裝置在完全蓄冷狀態(tài)下(此時供冷系統(tǒng)不工作),蓄冷劑儲罐內(nèi)起始溫度為-5 ℃,蓄冷完成時溫度為-35 ℃,依據(jù)裝置蓄冷量測試數(shù)據(jù)繪制的蓄冷曲線,見圖2[12]。根據(jù)圖2可知,完整的蓄冷周期約為245 min,蓄冷時間過長。

圖2 蓄冷曲線

文獻(xiàn)[12]顯示,蓄冷過程中,LNG-蓄冷劑換熱器運(yùn)行一段時間后存在蓄冷劑凝固現(xiàn)象,導(dǎo)致?lián)Q熱效果變差,無法達(dá)到預(yù)期效果。

3.2 蓄冷劑降溫特性試驗(yàn)

為了分析問題所在,采用裝置開展蓄冷劑降溫特性試驗(yàn),試驗(yàn)工藝流程(為圖1中的局部流程)見圖3,溫度測點(diǎn)見圖3虛線框。操作步驟如下。

圖3 蓄冷劑降溫特性試驗(yàn)工藝流程

① 開啟裝置。利用自增壓的方式確保LNG儲罐(圖3未畫出)處于正常工作壓力,隨后緩慢打開出液閥,并控制LNG保持較小流量,持續(xù)通入管道30 min以上,保證管道充分預(yù)冷,使得LNG以全液態(tài)進(jìn)入LNG-蓄冷劑換熱器。

② 管道預(yù)冷完成后,分別調(diào)節(jié)LNG、蓄冷劑的流量至額定值。

③ 記錄蓄冷劑儲罐上溫度變送器TE-101所測溫度。

④ 記錄LNG-蓄冷劑換熱器殼程溫度表TG-103及出口溫度變送器TE-102所測溫度。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)TE-101、TE-102及TG-103所測溫度在-20 ℃以上時,溫度基本是同步降低,表明在裝置運(yùn)行前期,蓄冷劑降溫過程比較正常。但運(yùn)行一段時間后,當(dāng)TG-103讀數(shù)低于-20 ℃時,TE-102所測溫度比TG-103讀數(shù)高,當(dāng)TG-103顯示的換熱器殼程溫度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)溫度(-40 ℃)時,TE-102測出的殼程出口溫度卻高于設(shè)計(jì)溫度(-40 ℃)。由此可知,換熱器中蓄冷劑與LNG換熱效果不佳,換熱器殼程可能存在局部低溫區(qū)域。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),TE-101顯示的溫度變化非常緩慢。

3.3 問題分析

在實(shí)際運(yùn)行時,發(fā)現(xiàn)盡管蓄冷劑儲罐入口的蓄冷劑溫度不斷下降,但蓄冷劑儲罐測溫元件顯示的溫度變化非常緩慢。排除測溫元件故障可能性后,分析原因,認(rèn)為是溫度傳感器安裝位置不佳,且溫度探頭不位于儲罐中心,未能準(zhǔn)確反映儲罐主流區(qū)溫度變化。

LNG-蓄冷劑換熱器存在蓄冷劑凝固現(xiàn)象,分析是LNG-蓄冷劑換熱器換熱效果不佳,殼程存在局部低溫區(qū)域,使溫度低于蓄冷劑凝固點(diǎn),或蓄冷劑凝固點(diǎn)偏高。

4 優(yōu)化措施

4.1 蓄冷劑凝固點(diǎn)驗(yàn)證測試

為了探討是否存在蓄冷劑凝固點(diǎn)偏高的問題,進(jìn)行了蓄冷劑凝固點(diǎn)驗(yàn)證測試。蓄冷劑為乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的乙二醇溶液,與LNG換熱后溫度不低于-40 ℃。在實(shí)際使用過程中,溶液的凝固點(diǎn)與物性手冊可能會有不同。為了確保裝置使用的蓄冷劑凝固點(diǎn)達(dá)到要求,對裝置內(nèi)的乙二醇溶液進(jìn)行凝固點(diǎn)測試,采用低溫試驗(yàn)箱提供低溫環(huán)境。操作步驟為:將裝有乙二醇溶液的不銹鋼容器密封放入低溫試驗(yàn)箱中,設(shè)定溫度后開始計(jì)時,2 h后取出不銹鋼容器,觀察溶液是否有凝固現(xiàn)象。測試結(jié)果見表1。從表1可知,蓄冷劑凝固點(diǎn)應(yīng)該在-55～-60 ℃范圍內(nèi),低于-40 ℃,蓄冷劑凝固點(diǎn)是達(dá)標(biāo)的。因此,可以推測出換熱器存在蓄冷劑凝固現(xiàn)象的原因:換熱器殼程存在局部低溫區(qū)域,使溫度低于蓄冷劑凝固點(diǎn)。

表1 蓄冷劑凝固點(diǎn)測試結(jié)果

4.2 設(shè)備改進(jìn)

4.2.1蓄冷劑儲罐測溫位置改進(jìn)

圖4為改進(jìn)前、后的蓄冷劑儲罐測溫位置對比。根據(jù)設(shè)備尺寸,重新采購了加長型的溫度傳感器。改進(jìn)后,溫度傳感器從儲罐正上方插入,溫度探頭位于儲罐中心。

圖4 改進(jìn)前、后的蓄冷劑儲罐測溫位置對比

4.2.2LNG-蓄冷劑換熱器設(shè)備形式改進(jìn)

目前裝置采用的LNG-蓄冷劑換熱器為螺旋盤管式,初步擬改為采用弓形折流板式換熱器(見圖5),并對弓形折流板式換熱器的流場和溫度場進(jìn)行模擬分析。模擬發(fā)現(xiàn),在折流板與筒體結(jié)合處存在一定的流動不暢區(qū)域,該區(qū)域溫度較主流區(qū)域偏低,也存在一定的凝固可能,因此不能采用弓形折流板式換熱器。決定采用組合式中間介質(zhì)換熱器,組合式中間介質(zhì)換熱器結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 組合式中間介質(zhì)換熱器結(jié)構(gòu)

組合式中間介質(zhì)換熱器結(jié)合了列管式折流板換熱器、重力熱管式換熱器和中間介質(zhì)換熱器的特點(diǎn),可完全防止發(fā)生凝固風(fēng)險(xiǎn)。組合式中間介質(zhì)換熱器分為冷凝段、蒸發(fā)段上下兩部分,其核心換熱組件為換熱管束,內(nèi)封裝有適量的低沸點(diǎn)液相中間介質(zhì)。工作原理:組合式中間介質(zhì)換熱器利用低沸點(diǎn)中間介質(zhì)的蒸發(fā)吸熱和冷凝放熱,完成冷熱介質(zhì)的換熱,實(shí)現(xiàn)LNG氣化。液相中間介質(zhì)在蒸發(fā)段與熱流體(乙二醇溶液)換熱蒸發(fā),蒸氣以一定速度做上升運(yùn)動,抵達(dá)冷凝段后與冷流體(LNG)換熱,冷凝成液體后,在重力作用下沿管壁回流至蒸發(fā)段,如此往復(fù)。

4.3 工藝流程優(yōu)化

在原工藝中的螺旋盤管式換熱器基礎(chǔ)上,并聯(lián)1臺組合式中間介質(zhì)換熱器。2臺換熱器可切換使用,螺旋盤管式換熱器凝固后,開啟組合式中間介質(zhì)換熱器,并關(guān)閉螺旋盤管式換熱器的管程進(jìn)氣,保持殼程流體流動,縮短熔化時間。

4.4 優(yōu)化效果

進(jìn)行上述設(shè)備和工藝流程改進(jìn)后,裝置中蓄冷劑儲罐內(nèi)降溫正常,蓄冷時間縮短。

5 結(jié)束語

針對LNG漁船冷能利用裝置蓄冷時間過長、LNG-蓄冷劑換熱器中蓄冷劑凝固的現(xiàn)象,進(jìn)行分析研究,發(fā)現(xiàn)問題產(chǎn)生的原因:蓄冷劑儲罐測溫位置不佳、LNG-蓄冷劑換熱器換熱效果不佳或蓄冷劑凝固點(diǎn)偏高。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),蓄冷劑凝固點(diǎn)滿足工藝要求,因此對蓄冷劑儲罐測溫位置、LNG-蓄冷劑換熱器設(shè)備形式進(jìn)行改進(jìn),在原工藝中的螺旋盤管式換熱器基礎(chǔ)上,并聯(lián)1臺組合式中間介質(zhì)換熱器,2臺換熱器切換使用。改進(jìn)措施很好地解決了上述問題。