30万吨LNG船冷能综合利用系统设计与优化.pdf

第45卷第2 2 期2023年11月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.22Nov.,202330万吨LNG船冷能综合利用系统设计与优化毛惠艺，汪自钊(江苏科技大学能源与动力学院，江苏镇江2 12 10 0)摘要：本文以30 万吨LNG动力船舶为研究对象，基于远洋船舶上空调的应用需求，通过对船舶余热与LNG冷能的研究分析，经过ASPENHYSYS软件模拟LNG流程图，在基于对LNG冷能梯级利用的前提下，提出将烟气高温余热、缸套水余热与LNG高品位冷能进行发电和船舶空调的综合利用方案。基于设计方案的流程模拟与分析，对工质选择进行优化，进一步采用遗传算法进行参数匹配优化。结果表明，在满足船舶空调负荷的前提下，发电功率达到2 6 8.9 kW，系统总效率达到47.6 4%。关键词：LNG动力船；梯级利用；优化；效率中图分类号：TK01+8文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 2-0 116-0 5Comprehensive utilization of 300 000 t LNG-powered vessel cold(School Energy and Power,Jiangsu Univercity of School and Technology,Zhejiang 212100,China)Abstract:This paper takes 300 000-ton LNG powered ships as the research object.Based on the application demand ofair conditioning on ocean-going ships,through the research and analysis of waste heat of ships and cold energy of LNG,andthrough the simulation of LNG flow chart by ASPEN HYSYS software,on the premise of the cascade utilization of cold en-ergy of LNG,the paper proposes to convert high temperature waste heat of flue gas,a comprehensive utilization scheme ofcylinder liner water waste heat and LNG high grade cold energy for power generation and ship air conditioning.Based on theprocess simulation and exergy analysis of the design scheme,the selection of working medium was optimized and the para-meter matching optimization was further carried out by using genetic algorithm.The overall exergy efficiency of the systemwas up to 47.64%under the premise of meeting the air conditioning load of ships.Key words:LNG powered ship;cascade utilization;optimization;exergy efficiency0引言随着全球绿色低碳能源战略的持续推进，全球对大气污染源的排放要求日趋严苛。在船舶与航运领域，相比传统燃用重油的船舶，以天然气为燃料的LNG动力船舶不但满足国际海事组织(IMO)对船舶排放日趋严格的法规要求，而且符合全球对低碳经济及实现可持续发展的目标要求。LNG动力船每天消耗大量的LNG，而现阶段LNG动力船多采用汽化器或废气锅炉进行加热!，大量的LNG冷能被浪费，并且增加了营运成本。LNG冷能作为一种高品位的低温冷能，汽化过程中释放的冷量可用于冷能发电 2 、空调 3、船舶高低温冷库 4 和海水淡化等 5。但在航运LNG动力收稿日期：2 0 2 2-10-2 6作者简介：毛惠艺（1996-），女，硕士研究生，研究方向为LNG汽化器的设计与优化。文献标识码：Aenergy system design and optimizationMAOHui-yi,WANG Zi-zhaodoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.22.021船舶上，LNG汽化冷能利用还基本处于初始阶段。以30万吨超大型LNG动力船舶为原型，结合船舶主机缸套冷却水和高温烟气，以LNG冷能发电为主，兼顾远洋船舶所必需的空调系统开展LNG气化冷能利用方案的设计优化研究，并借助ASPENHYSYS软件对方案进行模拟对比分析，在此基础上进行工质优化，借助Matlab遗传算法进行参数优化，为超大型LNG动力船的LNG气化冷能提供高效利用的综合设计方案。1LNG冷能利用系统设计1.1系统集成的思路和流程以设计中的30 万吨级、8 5%负荷、夏季工况下的Q-107第45卷VLCC为研究对象。考虑到LNG从-16 2 气化升温到5左右，LNG气化曲线要经历液相显热段、潜热段、气相显热段。因此，本方案将LNG温度区间内的液相显热、潜热段和少部分的气相显热段LNG冷能进行发电，将大部分气相显热段的LNG冷能用于船舶空调需求。最后在换热器H-14中，用缸套水对LNG进行调温加热，以满足不同温度的使用需求。考虑到LNG进口压力为3MPa，远远大于主机NG进气压力1.6 MPa，在LNG进人气相显热段时，构建LNG回热系统，不仅能充分利用压力进行发电，还对刚进人系统的LNG有预热功能。目前，利用LNG冷能发电的传统方法有直接膨胀、有机朗肯循环和结合前2 种方法的联合循环 6 。本文采用空调和发电实现LNG冷能与船舶余热的联合利用。基于温度对口，梯级利用的原则 7 ，在构建系统时，对于低温区的LNG冷能，考虑以LNG作为冷源，缸套冷却水与烟气作为热源，构建发电系统；对于高温区LNG的冷能，充分考虑空调温度，以戊烷为中间介质，建立满足空调负荷的系统。1.2工质选择及系统流程工质不仅要满足工作效率高、发电量大、传热性能良好、流动阻力小等物性特点，还要有稳定的化学性能，安全可靠，腐蚀性小、对环境友好、价格低廉、容易获取等。充分考虑冷凝、蒸发压力与对应温度的关系，在尽量减小泵功耗的前提下，选择更加贴合WY3P-426Q-104P-2W18H-4Q-102Q-21720W12H-2Q-101LG11毛惠艺，等：30 万吨LNG船冷能综合利用系统设计与优化2系统仿真分析与优化2.1模拟参数通过HYSYS软件进行系统模拟时，LNG组分如表1所示。系统方案中的参数设置如下：泵效率为0.7 5，膨胀机等熵效率为0.8 5；换热器最小端差为5，换热器压降为0；各模块冷凝压力初定为110 kPa；模拟时状态方程选用Peng-Robison方程；环境温度取2 5，压力取10 1.32 5kPa2.2模拟结果及其分析部分流程关键参数如表2 所示，部分计算结果G3G235G4H-11H-7Q-52728K-51925P-32H-3Lo-103Q-1Q-315k-114W1K-3H-1NG3117LNG换热曲线的工质。基于上述考虑，对于换热器H-1、H-5的中间介质，选用丙烷。对于换热器H-2、H-6、H-9的中间介质，选用异丁烷。对于空调模块，选用戊烷。根据上述分析，构建以LNG为冷源，以高温烟气和缸套冷却水为热源，建立满足船舶空调负荷和发电的综合LNG冷能利用系统，系统设计流程如图1所示。LNG流程：LNG进口压力为30 0 0 kPa，高品质冷能依次进人换热器H-1、H-5、H-9、H-12 中，为换热器提供冷量进行发电，因其中LNG进口压力远远大于主机进口压力，所以经过换热器H-5的气态NG先透平发电再依次进人换热器H-1、H-5、H-13、H-14中，分别对刚进人系统的LNG进行预热、吸收换热器H-5中丙烷的热量、提供船上所需的空调冷负荷、升温至主机所设定的入口温度，最后送入主机。NGG86Q-6K-634TEE-10037423H-6K-4NG121NG4P-ZNG2Fig.1System flow chartG1H-14NG8Pl64252Q-106Q-1053H-1024WH-5图1系统流程图4.138MIX-100NG5H-9W51H-12NG69E10d5B Q-0p1:118:成分CH4C2H6C,HgCHio（正）C4Hio（异)Mole/%95.853.10.85表2 物流参数的热力学性质Tab.2Thermodynamic properties of logistics parameters比物流温度/压力/kPa11-40.3021-80.0041-20.00LNG-162.00NG1-100.00G90.00G190.00Y4155.21如表3所示。可看出，系统总效率仅为38.8 7%。分析其损失可发现，换热器H-1，H-5损失较大，分别为12 5.42 kW，16 2.0 2 k W，尤其是H-1的损失占总损失的16.6 8%，而H-5的损失占总损失的21.55%。根据图2、图3可看出，LNG与中间介质在换热曲线上并不贴合。因此对换热器H-1、H-5中间介质进行介质优化，并运用遗传算法，对换热器H-1、H-5、H-2、H-6 中间介质的蒸发和冷凝压力进行参数优化，即在损较大的部分进行优化，以降低损，提高效率。表3系统分析计算结果Tab.3 Exergy analysis and calculation result设备收益/kW付出/kW损失/kWH-198.49H-114.37P-10.20K-17.63空调11.70系统净输出功/kW系统效率2.3工质优化由上述计算与损分析可知，若想进一步减小系统的损，提高系统效率，可以更换更为合适的工质或者采用非共沸混合工质来替代换热器H-1和换热器H-5中的循环单一工质方式。为选择合适的混合舰船科学技术表1LNG系统模拟组分-20Tab.1SSystem simulation component0.07质量流量/kg:h-11101000.001103002.13120400.0030003.000.0030003.000.0010120.000.0012620000.002005.000.00223.929.290.329.18100.00第45卷-NG3-NG4-16-11-40LNG-NG1CsH12N20.050.010.07比烩/kJkg127174.51-130795.04160373.80-89954.13-85940.93-281146.75-281146.1218 724.68125.424.920.121.5588.30751.7038.87%-60-2-80-100-120-140-160-kJ.kg.-1000000100 000200 000 300 000 400 000 500 000600 000 700000 800 00063.8546.8363.5076.16104.3969.1069.10160.62效率0.440.470.620.830.12热流/kJ/kg图2 换热器H-1温度热流图Fig.2H-1 temperature heat flow diagram of heat exchanger-40-50-60270-8090-100-110200:000020000400000080000 000001000014000100000热流/kJkg!图3换热器H-5温度热流图Fig.3 H-5 temperature heat flow diagram of heat exchanger工质，图4给出了几种常见的单一工质和LNG温熵曲线的对比。可知，只有乙烷和甲烷与LNG汽化曲线较为相近，其中较低温度（-16 2-10 0）段乙烷与3000kPa的LNG气化曲线更为接近，其中16 0 0 kPa的LNG在其温度范围（-10 8-10 3）内与甲烷气化曲线接近，因此可考虑将甲烷、乙烷和丙烷作为混合LNG(3 000 kPa)异丁烷(110 kPa)+甲烷(110 kPa)+戊烷(110 kPa)+乙烷(110 kPa)+LNG(1 600 kPa)丙烷(110 kPa)-100-110-1202-130-140-150-160-170+-170-170-170-170-170-170滴/kJkg-1.图4常见单一工质与LNG温熵曲线图（H-1)Fig.4 H-1 temperature entropy curve of common single workingmedium and LNG(H-1)NG3-NG416-11LNG-NG144第45卷工质。通过ASPENHYSYS软件改变换热器H-1中循环混合工质（甲烷：乙烷：丙烷）的比例进行模拟可知，当甲烷的比例高于6 0%时，系统将出现温度交叉。下图选取甲烷、乙烷、丙烷不同的比例绘制出混合工质与LNG温熵曲线图，如图5所示。当甲烷：乙烷：丙烷=4：5：1时，其温熵曲线与2 条LNG曲线最贴合。此时，换热器H-1温度热流曲线如图6 所示，通过工质优化后，换热器LNG1内温差得到减小，并且曲线更为贴合，LNG-1的损从最初12 5.42 kW，降低至32.2 kW。同理，图7 给出了几种常见的单一工质和LNG（30 0 0 k Pa、16 0 0 k Pa）的温熵曲线（温度范围是-1007 0）对比。在所选比例中，当甲烷：乙烷：丙烷=4：3：3时，较为贴合。结合循环模拟约束条件及混合工质对系统效率的影响，优化后的混合工质最佳配比为乙烷：丙烷=0.55：0.45。甲烷：乙烷：丙烷=4:5:1甲烷：乙烷：丙烷=3:4:3甲烷：乙烷：丙烷=2:3:5甲烷：乙烷：丙烷=4:3:3甲烷：乙烷：丙烷=4:1:5甲烷：乙烷：丙烷=3:5:2 LNG(3 000 kPa)-100-110-1206-130-140150-160-170234滴/kJ.kg-l.图5混合工质（110 kPa）与LNG温熵曲线图Fig.5Temperature entropy curve of mixed working medium(110 kPa)and LNG-20NG3-NG416-1140LNG-NG160-80-100-120-140-160-100.000010000200 000300 000 400 000 50000600 000700 000 80000图6 工质优化后换热器H-1温度热流图Fig.6H-1 temperature heat flow diagram of heat exchanger afterworking medium optimization毛惠艺，等：30 万吨LNG船冷能综合利用系统设计与优化-LNG(3.000 kPa)乙烷(110 kPa)异丁烷(110 kPa)戊烷(110 kPa)LNG(1 600 kPa)70-758085-9095-100-0图7 常见单一工质与LNG温熵曲线图（H-5）Fig.7 Temperature entropy curve of common single working me-dium and LNG(H-5)经过工质优化后，此时换热器H-5温度热流曲线如图8 所示，工质优化后曲线更为贴合，换热器H-5损从最初的16 2.0 2 kW，降低至现在54.3kW。因此效率得到提高。-LNG(1 600 kPa)NG1-NG2-5024-21NG4-NG560-70-80-90-100-110FO56热流/kJkgl119.甲烷(110 kPa)丙烷(110 kPa)24焰/kJkgl.200 000 400000600:000800000 1000001 200 0001 400 0007896热流/kJkg-1图8 工质优化后换热器H-5温度热流图Fig.8 H-5 temperature heat flow diagram of heat exchanger afterworking medium optimization当改用混合工质后，透平输出总功率增加了15.9 kW，且系统的总效率也有所提升，从最初的38.8 7%提升至40.7 1%，相比工质优化前提升了1.8 4%。2.4基于遗传算法的参数优化考虑到优选设计方案系统中敏感参数的变化对整个系统性能产生很大影响又相互耦合，因此需要以整个系统效率最优为目标，对优选方案进行参数匹配优化，即进行参数优化。分析图9 可知，换热器H-1、H-5、H-4、H-8 中间介质冷凝压力、蒸发压力都对系统效率均影响较大。为此选择这8 个参数作为敏感参数进行系统全局优化。通过HYSYS软件模拟，在保证换热器正常工作，不出现温度交叉的前提下，找出各个敏感参数的810120H-1中间介质冷凝压力H-1中间介质冷凝压力H-1中间介质蒸发压力H-5中间介质冷凝压力H-5中间介质蒸发压力H-4中间介质冷凝压力H-4中间介质蒸发压力H-8中间介质冷凝压力一一H-8中间介质蒸发压力4442403836343201 0002 000 3 0004 0005 000 6 0007 0008 000图9 优化方案各工质相关参数与系统效率Fig.9 Exergic efficiency of the system and related parameters ofeach working medium were optimized上下限，再通过Matlab调用遗传算法寻找最优解。表4给出了各个敏感参数的上下限和基于遗传算法全局参数优化后的参数。表4敏感参数的取值范围及优化结果Tab.4 Value range of sensitive parameters and optimization results对象H-1中间介质冷凝压力P1/kPaH-1中间介质蒸发压力P2/kPaH-5中间介质冷凝压力P3/kPaH-5中间介质蒸发压力P4/kPaH-4中间介质冷凝压力P5/kPaH-4中间介质蒸发压力P6/kPaH-8中间介质冷凝压力P7/kPaH-8中间介质蒸发压力P8/kPa由图10 可看，出在参数优化后，使得曲线更为贴合，减小了换热器损失。基于遗传算法进行参数优化后，输出功率和效率都显著提升，透平输出总功率增加了35.5KW，系统总效率从40.7 1%提升至47.6 4%。3结语本文通过研究30 万吨燃料动力船冷能利用系统，设计并优化了一套以发电为主、兼顾船舶空调的LNG冷能综合利用方案，经研究得到以下3点结论：在满足本船空调负荷需求量的前提下，结合船舶主机缸套冷却水和高温烟气，提出了一套优选的、能最大限度利用LNG冷能发电的综合利用方案；经工质筛选优舰船科学技术-20-NG3-NG44016-11ALNG-NGI60-80-100-120-140-160-100.0000100 000200 000 300 000 40000 500 000600 000 700 000 80000图10 参数优化后换热器H-1温度热流图Fig.10 H-1 temperature heat flow diagram of heat exchanger afterparameter optimization压力/kPa化，该系统中的最佳匹配工质是：换热器H-1混合工质配比为甲烷：乙烷：丙烷=4：5：1，换热器H-5混合工质配比为乙烷：丙烷=0.55：0.45；经系列优化后的该系统效率为47.6 4%，该系统发电输出功为2 6 8.9 kW。参考文献：1 WANG P,CHUNG T S.A conceptual demonstration of freezedesalination-membrane distillation(FD-MD)hybrid desalina-tion process utilizing liquefied natural gas(LNG)cold下限上限优化后参数108173.95110751010585716213551103303003.6022203508451308第45卷热流/kJkglenergyJ.Water 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