LNG船冷热综合利用方案中冷能发电系统的研究

2021-03-11杨桑宇胡德栋李博洋于成龙

中国航海 2021年4期

杨桑宇，胡德栋，李博洋，于成龙

(1.青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061；2.中国科学院海洋研究所，山东青岛 266071)

为了降低船舶污染对环境和人类健康的影响，并遵守有关燃料质量和污染物排放的法规，燃气轮机因功率大、体积小、操作便捷，已成为大型液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)船舶推进系统一个富有吸引力的替代方案[1]，但仍有在低工况下LNG消耗量较大等缺点。为此，可采用燃-蒸联合动力循环，利用余热锅炉回收燃气轮机余热，用于汽轮机发电。与燃气轮机发电相比，使用联合循环将大大节约燃料，减小船舶的建造、维护和运营成本，提高燃料的能量利用率[2]。

LNG运输船上的LNG与闪蒸气(Boiling off Gas, BOG)作为燃料使用前需进行再气化处理，在此过程中LNG会释放出大量冷能(830 kJ/kg)[3]，而BOG同样含有大量冷能。目前关于冷能利用的研究主要集中在陆地上，但由于近年来大型LNG船舶的不断涌现，国内外相关研究者已开始将LNG冷能用于船舶发电、海水淡化、冷库与空调制冷等[4，5]，其中冷能发电是目前LNG冷能利用研究的热点，而朗肯循环已被认为是一种回收发电余热和冷却能力的潜在解决方案，是开发高效的船用燃气综合动力系统的关键[6]。沈仲翔[7]等设计一种LNG动力船冷热电联装置，实现冷热能梯级利用，装置工作可靠、能量率高，可以大幅减少对大气的污染。胡选哲[8]等提出一种LNG动力船冷能发电系统，回收LNG冷能与烟气余热，发电量与效率最高分别可达88.49 kW与48.54%。Tsougranis等[9]针对LNG动力船，提出了一种带有LNG直接膨胀的有机朗肯循环，对比系统在不同工作流体下的热效率，结果表明采用异丁烷时，热效率最高为48%。

根据上述文献，关于LNG船上冷能发电系统的研究，许多研究者只是单独研究一种结构的发电系统，发电系统不同结构之间的对比研究较少，无法确定最佳的发电方案，实现船舶LNG冷能的充分利用。因此，本文提出了一种应用于大型LNG运输船的LNG冷热综合利用方案，包括BOG再冷凝系统、两级朗肯循环发电系统、空调制冷系统以及燃-蒸联合动力循环，通过改变发电系统的连接方式，提出三种不同的发电方案，通过HYSYS软件对各方案进行模拟计算，并采用分析选出最佳方案，研究该方案在不同LNG进口温度以及气化压力下系统效率与膨胀机总发电功率的变化，为LNG冷能发电在大型LNG运输船上的应用提供设计思路以及理论基础。

1 方案设计

1.1 母型船介绍

1.2 设计思路

为处理在运输过程中产生的BOG，系统参考LNG接收站常用的处理方法[11]，采用直接冷凝法对BOG进行处理，LNG储罐中的BOG经压缩机加压后与驳运泵输出的LNG在再冷凝器中混合换热，BOG冷凝为LNG后与其一同进行冷能利用，未冷凝的BOG经管道回到缓冲罐中与刚输出的BOG进行再一次压缩、冷凝。

在LNG冷能利用方面，朗肯循环被认为是最有效的方法之一，在此过程中，LNG作为冷源将工作流体冷却至低温，与在船上使用额外的冷却器相比，提取和再利用这种低温冷却能力可以节省约20%的船舶能耗[12]。为减少换热过程高品位能量的损失，系统主要通过梯级利用来回收冷能[13]。

在余热利用方面，为提高动力装置的热效率，采用燃-蒸联合动力循环，通过余热锅炉回收燃气轮机的排烟余热，产生的过热蒸汽用于汽轮机发电，并且余热发电与冷能发电所产生的电力可通过电站进行并网，然后供给船舶动力推进系统，同时还可供船上的服务设备和其他设备使用。

1.3 LNG冷热综合利用方案

LNG冷热综合利用方案(方案一)如图1所示，其中LNG与BOG初始温度分别为-162 ℃、-150 ℃，初始压力为0.3 MPa。

图1 LNG冷热综合利用方案

在BOG再冷凝过程中，BOG经压缩机加压至0.5 MPa后与经驳运泵加压至0.5 MPa的LNG混合换热，冷凝后与LNG一同为发电与空调冷媒供冷，未冷凝的BOG排回缓冲罐。在冷能利用过程中，冷能的第一、第二级用于朗肯循环发电，其中一级发电冷媒选择标准沸点为-88.82 ℃的R170，LNG在经过一级发电循环后温度升至约-90 ℃，此时LNG中气液两相共存，仍含有一部分高品位冷能，可用于二级朗肯发电；二级冷媒选择标准沸点为-47.62 ℃的R1270，LNG经过二级朗肯循环发电后温度升至约-50 ℃，90%以上的LNG已发生相变，冷能品级降低，因此第三级冷能可用于空调制冷，之后LNG完全气化为天然气(Natural Gas, NG)，在NG加热器中加热至25 ℃后进入燃气轮机，与压缩空气混合后燃烧，推动透平做功发电。在余热利用过程中，NG与压缩后的空气混合后燃烧，推动燃气轮机透平做功发电，做功后烟气温度在400～650 ℃，仍含有大量的热能，此时将烟气通入余热锅炉内，将炉内水加热为过热蒸汽，推动汽轮机透平做功发电，做功后的乏汽经管道回到余热锅炉中继续循环加热。余热锅炉的排气温度在150～180 ℃，经计算可满足两级朗肯循环气化温度的要求。

两级朗肯循环以及燃-蒸联合动力循环中所产生的电力通过电站进行并网，供船舶动力推进系统以及船上的其他用电设备使用。

1.4 改变两级朗肯循环结构

方案一中两级朗肯循环经改变可组合成两种不同的发电方案(方案二与方案三)。

方案二的两级朗肯循环如图2所示。方案一的两级朗肯循环通过四个换热器分别回收不同温度下的冷能与热能，而方案二的两级循环通过冷媒换热器耦合在一起，并通过冷凝器1与加热器1分别回收LNG冷能与排气热能。一级朗肯循环的热源为二级朗肯循环的冷媒，二级朗肯循环的热源为高温烟气。一级冷媒选择R1270，二级冷媒作为热源时需要有较高的沸点，而且在与一级冷媒换热时不会凝固，因此可采用50%的乙二醇溶液，此时，方案二对排气温度的要求提高，余热锅炉的排气不足以满足乙二醇溶液的气化温度要求，于是，可直接采用一部分燃气轮机的排烟作为热源。

抑郁症也叫抑郁障碍，为临床常见疾病的一种，其主要临床特征为显著而持久的心境低落；发病后患者情绪消沉，可从闷闷不乐到悲痛欲绝，甚至悲观厌世、企图自杀，对患者健康、生活乃至生命安全都有着极大的影响。近年来，随着人们生活压力的增加、生活节奏的加快，该病的发生率也呈明显上升趋势［1-2］。临床研究显示［3］，抑郁症患者多可见特定脑补结构域功能异常现象。本研究对单相抑郁症患者各脑叶CT值的改变情况进行了分析，报告如下。

方案三的两级朗肯循环如图3所示。与方案一类似，方案三同样是通过两个冷凝器回收不同温度的LNG冷能，但方案一中两发电循环在一定程度上相互独立，而方案三中两发电循环相互连通，采用同种冷媒回收不同温度下的冷能。冷媒选择R1270，升温气化后的R1270分为两路，分别进入两透平做功发电，然后分别进入冷凝器1与冷凝器2中回收不同温度下的冷能，此后，两路冷媒分别经冷媒泵1与冷媒泵2加压后混合，在加热器1中升温气化。

2 HYSYS模拟

2.1 流程建立

本文主要分析的是不同连接形式对冷能发电系统的影响，根据三种方案提出的两级朗肯循环发电方案，利用HYSYS软件对三种方案的工艺流程进行模拟，如图4～图6所示。

L—LNG； R—冷媒； Q—能量； M—锅炉排气； T—膨胀机透平； P—冷媒泵； HE1—冷凝器1； HE2—冷凝器2； HE3—加热器1； HE4—加热器2。

L—LNG； R—冷媒； Q—能量； M—锅炉排气； T—膨胀机透平； P—冷媒泵； HE1—冷凝器1； HE3—冷媒换热器； HE4—加热器1。

L—LNG； R—冷媒； Q—能量； M—锅炉排气； T—膨胀机透平； P—冷媒泵； HE1—冷凝器1； HE2—冷凝器2； HE3—加热器1。

2.2 参数设定

在许多状态方程中，Peng-Robinson方程更适合计算纯流体和LNG的热力学性质。因此，Peng-Robinson方程可作为LNG以及一些纯组分冷媒(R170、R1270)的状态方程，而燃气轮机的烟气同样可以选择Peng-Robinson方程，乙二醇溶液选择UNIQUAC方程。整个系统为稳态运行，换热器的压降取10 kPa，泵与膨胀机的等熵效率取80%。三种方案中HYSYS模拟参数设定见表1，其中三种方案的LNG进口温度为-162 ℃，进口压力为3 MPa，流量为4 463 kg/h(算上冷凝后的BOG)，此外，为满足空调制冷的需要，LNG经冷能发电后温度应低于-50 ℃。

表1 三种方案模拟参数设定

3 结果与分析

3.1 模拟结果

利用HYSYS对三种方案进行模拟计算，可得到方案中各主要节点的物性参数，包括温度、压力、流量、比焓、比熵、气相分数等。三种方案各关键节点的模拟结果见表2～表4。

表2 方案一中主要节点参数

表3 方案二中主要节点参数

表4 方案三中主要节点参数

3.2 模拟结果分析

Ex=m[(h-h0)-T0(s-s0)]

(1)

式中：m为各物流的质量流量，kg/s；h、s分别为各物流的比焓与比熵，单位分别为kJ/kg与kJ/(kg·K)。

冷媒泵的输入功率为

Wp=m(hp,out-hp,in)/ηp

(2)

式中：hp,in与hp,out分别为冷媒泵进出口的比焓，kJ/kg；ηp为冷媒泵的等熵效率，设为80%。

膨胀机的发电功率为

WT=ηTm(hT,out-hT,in)

(3)

式中：hT,in与hT,out分别为冷媒泵进出口的比焓，kJ/kg；ηT为膨胀机的等熵效率，设为80%。

(4)

式中：ELNG,in与ELNG,out在方案一与方案三中分别为冷凝器1进口与冷凝器2出口LNG的值，在方案二中分别为冷凝器1进出口LNG值，kW；EM,in为加热器1进口烟气值，而EM,out在方案一中为加热器2出口烟气值，在方案二与方案三中为加热器1出口烟气值，kW；WT-tol为两膨胀机发电功率之和，kW；Wp-tol为两冷媒泵输入功率之和，kW。

将表2～表4中的相关数据代入式(1)～式(3)可分别得出三种方案中各节点的值、两冷媒泵的输入功以及两膨胀机的发电功率，然后将式(1)～式(3)的计算结果代入式(4)，可计算出系统效率，表5为三种方案中发电系统效率与膨胀机总发电功率的对比。

表5 三种方案的效率与膨胀机总发电功率比较