12 800 t 江海直达船舶LNG 冷能利用方案设计与优化

刘 锐，沈 妍，胡 寅，姚寿广，谷家扬

(1.江苏科技大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212003；2.江苏科技大学 机电与动力工程学院，江苏 张家港 215600；3.江苏科技大学 海洋装备研究院，江苏 镇江 212003)

0 引 言

液化天然气（LNG）是将常温的天然气经过净化处理，通过冷冻工艺液化而成的液体（−163 ℃），其体积是标准状态下的1/650，有利于长距离输送。一般LNG 经船运抵达接收站后需要重新气化为气态天然气才能获得利用，气化过程释放的冷能约为840 kJ/kg。随着全球环保监管越来越严格，LNG 作为一种清洁能源，在海运领域推广应用成了热点议题[1]。因此，合理利用LNG 气化冷量，避免传统气化过程对环境影响，降低船舶能耗，符合绿色船舶的发展趋势。

当前，LNG 冷能利用方式单一，存在技术研究不足的问题。LNG 冷能利用项目越多，冷能利用率就越高。现有的LNG 冷能梯级利用的方案是提高冷能合理利用的有效途径[2 – 5]。因此，LNG 冷能利用具有广阔的市场前景，近年来受到国内外学者关注。LNG 冷能在液化天然气气化站上研究梁莹等[6]提出了一套利用LNG 冷能与布雷德循环及ORC 联合发电系统，将㶲效率提高到40.39%。黄美斌等[7]提出了LNG 用于低温冷库，并根据中间冷媒有无相变提出了2 种流程。Moghimi等[8]提出了利用LNG 冷能的朗肯循环、有机循环以及斯特林循环联合循环系统，㶲效率提至47.43%。Koo等[9]提出了LNG 动力船回收LNG 冷能的新解决方案，提出并优化了6 个不同的有机朗肯循环（ORC）系统（3 个用于高压双燃料发动机，3 个用于中压双燃料发动机）并研究了9 种不同的工作冷媒；根据优化结果减少了ORC 系统的年度成本。LNG 冷能在船舶上应用如马哲树[10]针对3 000 t LNG 动力船设计LNG 冷能用于空调的方案，以60%乙二醇溶液为循环工质。姚寿广[11]以25 000 t LNG 燃料动力化学品船为研究对象，将主机废气进行余热回收发电，LNG 冷能用于低温冷库，高温冷库以及空调，方案㶲效率达到 62.87%。

本文以LNG 气化量596.4 kg/h 的LNG 运输船为设计对象，基于“温度对口，梯级利用”的原则，将LNG气化的冷能用于有机朗肯发电，海水淡化以及冷库。从能量梯级利用的角度提出多种适应原船的能源利用方案，并采用Aspen HYSYS 进行仿真模拟，对各方案做比较分析，筛选出最优方案。通过Matlab 的遗传算法对重要参数进一步优化，提高系统总的㶲效率。

1 原船系统介绍及方案设计

1.1 原船相关信息

LNG 储罐出口压力约为0.6 MPa，温度为−163 ℃；主机燃气进口温度为0～60 ℃，进口压力为600 kPa。主机原船相关信息见表1。

表1 原船主要参数Tab.1 Main parameters of the original ship

1.2 方案设计

1.2.1 方案1

由于LNG 冷量㶲分布具有随温度升高冷量㶲递减的趋势。根据“温度对口，梯级利用”的原则，发电模块所需冷量远高于其他模块对冷量的需求，因此考虑将高品位的冷能利用于有机朗肯发电模块。LNG 经过发电模块后温度上升到−101 ℃左右，设过程中压降为10 kPa。LNG 气化成−101 ℃左右的天然气（NG），此时还有大量的冷能，此时的温度和冷量均符合冷量需求较大的海水淡化模块。NG 经过换热后温度上升到−60 ℃左右。再经过冷库换热器换热温度升至−19 ℃左右，最后一级利用为空调模块，温度升至10 ℃。低温朗肯循环使用冷媒R170；海水淡化循环使用冷媒R601a，冷库循环使用冷媒R290，空调循环使用冷媒R601。

1.2.2 方案2

在方案2 冷能利用设计中，考虑到发电模块㶲损较大，冷量㶲没有得到充分利用。将对冷量需求较小的低温冷库放入发电模块膨胀机入口前，LNG 经过发电模块温度升至−101 ℃，再通过海水淡化模块换热升至−30 ℃，最后经过空调模块换热升至10 ℃。各模块冷媒与方案1 相同。

1.2.3 方案3

方案1 与方案2 冷能利用都考虑到空调模块，但空调模块位置最后一级冷能利用。空调获得冷量达不到设计计算的冷负荷。考虑到船舶在靠岸、发动机在柴油模式等情况下，无法获取LNG 释放的冷能，这种情况下海水淡化、冷库没有冷量来源，需要单独再配置制冷装置。因此可以采用蓄冷的方式应对这些情况，为海水淡化、冷库提供冷量。方案3 冷能梯级利用为低温朗肯发电模块、海水淡化、蓄冷。LNG 通过发电模块温度升至−101 ℃，再经过海水淡化模式温度升至−26 ℃，NG 经过蓄冷换热温度升至−4 ℃，最后通过缸套水加热至15 ℃送入主机。低温朗肯循环使用冷媒R170；海水淡化循环使用冷媒R601a；蓄冷循环使用冷媒50%乙二醇溶液。

1.2.4 方案4

方案4 冷能利用与方案3 相比，在低温朗肯循环膨胀机入口前加入冷库。作为方案2 对照，其各模块温度区间与方案3 相同。低温朗肯循环使用冷媒R170；海水淡化循环使用冷媒R601a，冷库循环使用冷媒R290；蓄冷循环使用冷媒50%乙二醇溶液。

1.3 各模块冷负荷

表2 为各模块所需的冷负荷，估算汇总了海水淡化，低温冷库，空调所需的冷负荷。

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

2 不同方案模拟分析

2.1 各方案模拟

利用Aspen HYSYS 软件对各方案进行模拟分析，如图1～图4 所示。其中冷媒物性方程选取P-R 方程，套缸冷却水物性方程选取NBS-steam。

图1 方案1 能量利用模拟流程图Fig.1 Simulation flow chart of the energy utilization of scheme 1

图2 方案2 能量利用模拟流程图Fig.2 Simulation flow chart of the energy utilization of scheme 2

图3 方案3 能量利用模拟流程图Fig.3 Simulation flow chart of the energy utilization of scheme 3

图4 方案4 能量利用模拟流程图Fig.4 Simulation flow chart of the energy utilization of scheme 4

2.2 模拟分析结果

㶲是衡量冷能大小的重要指标，冷量㶲分析不仅能从数量上反映能量传递及变换，还可以揭示系统内不可逆损失的大小与成因，为合理利用冷能提供指导。本文通过分析LNG 的㶲效率来反映其冷能的利用程度，4 种方案的㶲效率如表3 所示。可以看出方案4㶲效率最高（37.33%），为最优方案。

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

3 工质与参数优化

3.1 朗肯循环工质的选择

从各方案分析中看出，朗肯循环选择不同的工质，㶲效率有较大差异。考虑到不同冷媒的物理性质以及冷媒需具有以下特性：

1）臭氧消耗潜值（ODP）、全球变暖潜值（GWP）应尽可能低。

2）冷媒安全性高，无爆炸危险，低毒性。

3）冷媒传热性能良好、凝固点低，避免在降温冷却过程中，凝固阻塞管道。

4）冷媒成本低，方便在市场购买。

5）冷媒动力黏度应尽可能小，有利于减少管程阻力。

为了防止冷媒冻结，朗肯循环主要选择的工质有：R50，R170，R290，R1270，在不同蒸发压力下各工质㶲效率对比如图5 所示。

图5 不同蒸发压力下各工质的㶲效率Fig.5 Exergy efficiency of working medium under different evaporation pressures

由图5 可知，朗肯循环的最优工质是乙烷，由于对单一工质分析如果选用混合工质其中必定有乙烷。通过乙烷与丙烷混合，进行㶲效率对比。结果表明混合工质的朗肯循环㶲效率没有超过单一工质乙烷的㶲效率，因此朗肯循环最优工质为乙烷。

3.2 遗传算法优化参数

遗传算法是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。

由于优化过程是涉及多变量的非线性问题，试算或者靠经验调整参数不仅费时而且精度不高[12–13]。因此采用Matlab 与Aspen HYSYS 连用，利用遗传算法进行参数优化。找到对整个系统㶲效率影响最大的几个参数，再针对这几个参数进行总体优化。

通过㶲分析得知，低温朗肯循环发电模块的㶲损失占总㶲损失的66.7%。因此针对发电模块进行敏感参数优化。由图6 和图7 可知，朗肯循环蒸发压力和冷凝压力对㶲效率影响较大，因此对蒸发压力和冷凝压力进行优化，参数优化前后对比表如表4 所示，优化后发电模块㶲效率提升了3.43%。

图6 膨胀机入口压力与朗肯循环效率的关系图Fig.6 Efficiency of Rankine cycle under different inlet pressures of the expander

图7 膨胀机出口压力与朗肯循环效率的关系图Fig.7 Efficiency of Rankine cycle under different outlet pressures of the expander

表4 优化前后参数Tab.4 Parameters before and after optimization

4 结 语

本文针对基于6ACD320 双燃料发动机的江海直达船舶，开展LNG 冷能利用和余热利用以及蓄冷的研究，得到LNG 汽化冷能梯级综合利最优方案，结论如下：

1）通过几个方案的对比，找到各方案的优缺点，并针对缺点进行优化，最终选择低温朗肯循环发电、冷库、海水淡化和蓄冷相结合的方案。

2）通过㶲效率的计算与分析，选定了最优工质，以及通过参数优化后将最终的㶲效率提升到40.04%，并且在满足船上冷库和海水淡化冷量需求的前提下，用余下的冷量进行朗肯循环发电最终每小时额外获得38.13 kW·h 的发电量。