劉 銳，沈 妍，胡 寅，姚壽廣，谷家揚

(1.江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學 機電與動力工程學院，江蘇 張家港 215600；3.江蘇科技大學 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

液化天然氣（LNG）是將常溫的天然氣經(jīng)過凈化處理，通過冷凍工藝液化而成的液體（?163 ℃），其體積是標準狀態(tài)下的1/650，有利于長距離輸送。一般LNG 經(jīng)船運抵達接收站后需要重新氣化為氣態(tài)天然氣才能獲得利用，氣化過程釋放的冷能約為840 kJ/kg。隨著全球環(huán)保監(jiān)管越來越嚴格，LNG 作為一種清潔能源，在海運領域推廣應用成了熱點議題[1]。因此，合理利用LNG 氣化冷量，避免傳統(tǒng)氣化過程對環(huán)境影響，降低船舶能耗，符合綠色船舶的發(fā)展趨勢。

當前，LNG 冷能利用方式單一，存在技術(shù)研究不足的問題。LNG 冷能利用項目越多，冷能利用率就越高。現(xiàn)有的LNG 冷能梯級利用的方案是提高冷能合理利用的有效途徑[2 – 5]。因此，LNG 冷能利用具有廣闊的市場前景，近年來受到國內(nèi)外學者關注。LNG 冷能在液化天然氣氣化站上研究梁瑩等[6]提出了一套利用LNG 冷能與布雷德循環(huán)及ORC 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，將?效率提高到40.39%。黃美斌等[7]提出了LNG 用于低溫冷庫，并根據(jù)中間冷媒有無相變提出了2 種流程。Moghimi等[8]提出了利用LNG 冷能的朗肯循環(huán)、有機循環(huán)以及斯特林循環(huán)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，?效率提至47.43%。Koo等[9]提出了LNG 動力船回收LNG 冷能的新解決方案，提出并優(yōu)化了6 個不同的有機朗肯循環(huán)（ORC）系統(tǒng)（3 個用于高壓雙燃料發(fā)動機，3 個用于中壓雙燃料發(fā)動機）并研究了9 種不同的工作冷媒；根據(jù)優(yōu)化結(jié)果減少了ORC 系統(tǒng)的年度成本。LNG 冷能在船舶上應用如馬哲樹[10]針對3 000 t LNG 動力船設計LNG 冷能用于空調(diào)的方案，以60%乙二醇溶液為循環(huán)工質(zhì)。姚壽廣[11]以25 000 t LNG 燃料動力化學品船為研究對象，將主機廢氣進行余熱回收發(fā)電，LNG 冷能用于低溫冷庫，高溫冷庫以及空調(diào)，方案?效率達到 62.87%。

本文以LNG 氣化量596.4 kg/h 的LNG 運輸船為設計對象，基于“溫度對口，梯級利用”的原則，將LNG氣化的冷能用于有機朗肯發(fā)電，海水淡化以及冷庫。從能量梯級利用的角度提出多種適應原船的能源利用方案，并采用Aspen HYSYS 進行仿真模擬，對各方案做比較分析，篩選出最優(yōu)方案。通過Matlab 的遺傳算法對重要參數(shù)進一步優(yōu)化，提高系統(tǒng)總的?效率。

1 原船系統(tǒng)介紹及方案設計

1.1 原船相關信息

LNG 儲罐出口壓力約為0.6 MPa，溫度為?163 ℃；主機燃氣進口溫度為0～60 ℃，進口壓力為600 kPa。主機原船相關信息見表1。

表1 原船主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the original ship

1.2 方案設計

1.2.1 方案1

由于LNG 冷量?分布具有隨溫度升高冷量?遞減的趨勢。根據(jù)“溫度對口，梯級利用”的原則，發(fā)電模塊所需冷量遠高于其他模塊對冷量的需求，因此考慮將高品位的冷能利用于有機朗肯發(fā)電模塊。LNG 經(jīng)過發(fā)電模塊后溫度上升到?101 ℃左右，設過程中壓降為10 kPa。LNG 氣化成?101 ℃左右的天然氣（NG），此時還有大量的冷能，此時的溫度和冷量均符合冷量需求較大的海水淡化模塊。NG 經(jīng)過換熱后溫度上升到?60 ℃左右。再經(jīng)過冷庫換熱器換熱溫度升至?19 ℃左右，最后一級利用為空調(diào)模塊，溫度升至10 ℃。低溫朗肯循環(huán)使用冷媒R170；海水淡化循環(huán)使用冷媒R601a，冷庫循環(huán)使用冷媒R290，空調(diào)循環(huán)使用冷媒R601。

1.2.2 方案2

在方案2 冷能利用設計中，考慮到發(fā)電模塊?損較大，冷量?沒有得到充分利用。將對冷量需求較小的低溫冷庫放入發(fā)電模塊膨脹機入口前，LNG 經(jīng)過發(fā)電模塊溫度升至?101 ℃，再通過海水淡化模塊換熱升至?30 ℃，最后經(jīng)過空調(diào)模塊換熱升至10 ℃。各模塊冷媒與方案1 相同。

1.2.3 方案3

方案1 與方案2 冷能利用都考慮到空調(diào)模塊，但空調(diào)模塊位置最后一級冷能利用。空調(diào)獲得冷量達不到設計計算的冷負荷?？紤]到船舶在靠岸、發(fā)動機在柴油模式等情況下，無法獲取LNG 釋放的冷能，這種情況下海水淡化、冷庫沒有冷量來源，需要單獨再配置制冷裝置。因此可以采用蓄冷的方式應對這些情況，為海水淡化、冷庫提供冷量。方案3 冷能梯級利用為低溫朗肯發(fā)電模塊、海水淡化、蓄冷。LNG 通過發(fā)電模塊溫度升至?101 ℃，再經(jīng)過海水淡化模式溫度升至?26 ℃，NG 經(jīng)過蓄冷換熱溫度升至?4 ℃，最后通過缸套水加熱至15 ℃送入主機。低溫朗肯循環(huán)使用冷媒R170；海水淡化循環(huán)使用冷媒R601a；蓄冷循環(huán)使用冷媒50%乙二醇溶液。

1.2.4 方案4

方案4 冷能利用與方案3 相比，在低溫朗肯循環(huán)膨脹機入口前加入冷庫。作為方案2 對照，其各模塊溫度區(qū)間與方案3 相同。低溫朗肯循環(huán)使用冷媒R170；海水淡化循環(huán)使用冷媒R601a，冷庫循環(huán)使用冷媒R290；蓄冷循環(huán)使用冷媒50%乙二醇溶液。

1.3 各模塊冷負荷

表2 為各模塊所需的冷負荷，估算匯總了海水淡化，低溫冷庫，空調(diào)所需的冷負荷。

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

2 不同方案模擬分析

2.1 各方案模擬

利用Aspen HYSYS 軟件對各方案進行模擬分析，如圖1～圖4 所示。其中冷媒物性方程選取P-R 方程，套缸冷卻水物性方程選取NBS-steam。

圖1 方案1 能量利用模擬流程圖Fig.1 Simulation flow chart of the energy utilization of scheme 1

圖2 方案2 能量利用模擬流程圖Fig.2 Simulation flow chart of the energy utilization of scheme 2

圖3 方案3 能量利用模擬流程圖Fig.3 Simulation flow chart of the energy utilization of scheme 3

圖4 方案4 能量利用模擬流程圖Fig.4 Simulation flow chart of the energy utilization of scheme 4

2.2 模擬分析結(jié)果

?是衡量冷能大小的重要指標，冷量?分析不僅能從數(shù)量上反映能量傳遞及變換，還可以揭示系統(tǒng)內(nèi)不可逆損失的大小與成因，為合理利用冷能提供指導。本文通過分析LNG 的?效率來反映其冷能的利用程度，4 種方案的?效率如表3 所示。可以看出方案4?效率最高（37.33%），為最優(yōu)方案。

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

3 工質(zhì)與參數(shù)優(yōu)化

3.1 朗肯循環(huán)工質(zhì)的選擇

從各方案分析中看出，朗肯循環(huán)選擇不同的工質(zhì)，?效率有較大差異。考慮到不同冷媒的物理性質(zhì)以及冷媒需具有以下特性：

1）臭氧消耗潛值（ODP）、全球變暖潛值（GWP）應盡可能低。

2）冷媒安全性高，無爆炸危險，低毒性。

3）冷媒傳熱性能良好、凝固點低，避免在降溫冷卻過程中，凝固阻塞管道。

4）冷媒成本低，方便在市場購買。

5）冷媒動力黏度應盡可能小，有利于減少管程阻力。

為了防止冷媒凍結(jié)，朗肯循環(huán)主要選擇的工質(zhì)有：R50，R170，R290，R1270，在不同蒸發(fā)壓力下各工質(zhì)?效率對比如圖5 所示。

圖5 不同蒸發(fā)壓力下各工質(zhì)的?效率Fig.5 Exergy efficiency of working medium under different evaporation pressures

由圖5 可知，朗肯循環(huán)的最優(yōu)工質(zhì)是乙烷，由于對單一工質(zhì)分析如果選用混合工質(zhì)其中必定有乙烷。通過乙烷與丙烷混合，進行?效率對比。結(jié)果表明混合工質(zhì)的朗肯循環(huán)?效率沒有超過單一工質(zhì)乙烷的?效率，因此朗肯循環(huán)最優(yōu)工質(zhì)為乙烷。

3.2 遺傳算法優(yōu)化參數(shù)

遺傳算法是模擬達爾文生物進化論的自然選擇和遺傳學機理的生物進化過程的計算模型，是一種通過模擬自然進化過程搜索最優(yōu)解的方法。

由于優(yōu)化過程是涉及多變量的非線性問題，試算或者靠經(jīng)驗調(diào)整參數(shù)不僅費時而且精度不高[12–13]。因此采用Matlab 與Aspen HYSYS 連用，利用遺傳算法進行參數(shù)優(yōu)化。找到對整個系統(tǒng)?效率影響最大的幾個參數(shù)，再針對這幾個參數(shù)進行總體優(yōu)化。

通過?分析得知，低溫朗肯循環(huán)發(fā)電模塊的?損失占總?損失的66.7%。因此針對發(fā)電模塊進行敏感參數(shù)優(yōu)化。由圖6 和圖7 可知，朗肯循環(huán)蒸發(fā)壓力和冷凝壓力對?效率影響較大，因此對蒸發(fā)壓力和冷凝壓力進行優(yōu)化，參數(shù)優(yōu)化前后對比表如表4 所示，優(yōu)化后發(fā)電模塊?效率提升了3.43%。

圖6 膨脹機入口壓力與朗肯循環(huán)效率的關系圖Fig.6 Efficiency of Rankine cycle under different inlet pressures of the expander

圖7 膨脹機出口壓力與朗肯循環(huán)效率的關系圖Fig.7 Efficiency of Rankine cycle under different outlet pressures of the expander

表4 優(yōu)化前后參數(shù)Tab.4 Parameters before and after optimization

4 結(jié) 語

本文針對基于6ACD320 雙燃料發(fā)動機的江海直達船舶，開展LNG 冷能利用和余熱利用以及蓄冷的研究，得到LNG 汽化冷能梯級綜合利最優(yōu)方案，結(jié)論如下：

1）通過幾個方案的對比，找到各方案的優(yōu)缺點，并針對缺點進行優(yōu)化，最終選擇低溫朗肯循環(huán)發(fā)電、冷庫、海水淡化和蓄冷相結(jié)合的方案。

2）通過?效率的計算與分析，選定了最優(yōu)工質(zhì)，以及通過參數(shù)優(yōu)化后將最終的?效率提升到40.04%，并且在滿足船上冷庫和海水淡化冷量需求的前提下，用余下的冷量進行朗肯循環(huán)發(fā)電最終每小時額外獲得38.13 kW·h 的發(fā)電量。