3 500 t双燃料主机运输船LNG冷能利用方案设计与优化

刘 锐，沈 妍，吴春明，姚寿广*,谷家扬

(1. 江苏科技大学 能源与动力工程学院, 镇江 212100) (2. 江苏科技大学 机电与动力工程学院, 张家港 215600) (3. 江苏科技大学 海洋装备研究院, 镇江 212003)

文中以长江干线3 500 t运输船双燃料主机LNG冷能利用方案的设计与优化为目标，整合LNG冷能和套缸冷却水余热，从能量梯级利用的角度提出多种适应该船需要的冷能利用系统方案.利用Aspen HYSYS软件对新设计的方案进行模拟对比分析，并采用遗传算法对筛选出的方案进行参数优化，以为该型运输船舶双燃料主机LNG冷能综合利用提供可供设计选用的方案.

1 原船的设计参数及方案

1.1 原船的设计参数

根据该船设计说明书及主机工程手册，其主要参数见表1.

表1 船舶系统系统的设计参数

运输船冷库为高温冷库(-5 ℃).根据《船舶伙食冷库压缩机制冷量的预测》，船舶冷库所需制冷量为8 kW.

1.2 设计理念

在设计中，由于船舶吨位较小，LNG汽化流量不高，所以系统方案便以“高品位冷能满足发电，低品位冷能替代原船舶制冷系统所需冷能”为设计理念.

方案中采用低温有机工质朗肯循环实现LNG冷能发电，热源选取套缸冷却水.制冷系统中，利用LNG换热器将冷能传递给冷媒，再通过冷媒实现原制冷系统的目的.在此基础上结合该运输船的需求设计综合性的船舶能量利用系统方案.所设计4种方案.

方案1：由于该船舶吨位较小，为了减少不必要的资金投入，方案1采用纯发电模式，冷媒选择丙烷.

方案2：在方案1的流程模拟过程中发现，还有冷能未能利用.方案2在保证发电功率不变的情况下，利用剩余冷能用于蓄冷，蓄冷系统可以在船切换燃料和靠岸时用于冷库制冷，冷媒选择40%的乙二醇溶液.

方案4：为进一步调和方案3中各模块冷能的配置，在方案3的发电部分处加一个回热器.

2 Aspen HYSYS软件模拟

2.1 流程建立

Aspen HYSYS是成熟的行业标准模拟软件，可用于改进工程的设计与操作，提高能量利用率以及降低资本消耗.根据初步设计的LNG冷能利用方案，用Aspen HYSYS软件对4种方案进行流程模拟，选出最佳方案，如图1.

(a) 方案1

2.2 模拟结果

表2 不同方案的模拟结果

2.3 最佳方案选择

3 优化设计方案

3.1 工质的优化

表3 方案4各模块损

图2 换热器1的温度与热流的曲线

表4 乙烷在混合工质中不同摩尔分数下的分析

由表4分析得出，不同比例的混合工质在满足系统要求和收益来看效果都不如单一工质乙烷好，所以系统的低温朗肯循环发电的工质应选取单一工质乙烷.

3.2 参数优化

3.2.1 确定敏感参数

图3 膨胀机入口压力与发电模块效率的关系

图4 膨胀机出口压力与发电模块效率的关系

3.2.2 利用遗传算法进行参数优化

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，通过遗传算法可以针对几个敏感参数采用恰当的最优算法进行系统方案全局参数优化，这样才能得到最佳设计系统方案.

表5 优化前后对比

4 经济性分析

4.1 初始设备投入

根据中国国内市场询价给出系统初始投入设备的投资总价，见表6.

表6 设备资金投入

4.2 运行收益

系统的运行成本为[16]：

(1)

式中：ZCI,k为系统组件投资；ZOM,k为系统运行成本.

(2)

式中：Zk为系统各组件投资成本；φ为系统维护系数，取1.06[17]；N为系统年运行时间，取7 200 h；CRF为资本回收率：

(3)

式中：n为系统寿命，取20年；i为年利率，取14%.电力生产成本EPC和系统年净收入ATNI为：

(4)

ATNI=7 300(EP-EPC)·Wnet

(5)

式中：EP为目前电力价格取0.86元/(kW·h)(数据来源于中国工业市场电价)；EPC为该系统单位电能生产成本，计算可得EPC值为0.313 2元，二者差值为系统单位生产电能净利润，通过以上公式，可以计算出系统年净收入总额为5.75万元，回收成本周期为3.6年.

5 结论

(1) 通过对双燃料运输船LNG冷能利用途径和目标船只需求的研究，提出了的4个方案.最终的优化方案不仅在运行时能提供电量和满足冷库需求，还能在船切换燃料和停靠时为冷库提供冷能.

(3) 通过对优化方案的投入资金和收益的计算，回收成本周期为3.6年，经济收益明显.