葛冀歡,魏冬亮,韓飛

(招商局金陵船舶(南京)有限公司,南京 210015)

液化天然氣(LNG)與傳統(tǒng)燃料相比,在排放指標(biāo)上優(yōu)勢(shì)極大,能夠滿足Tier III的排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。招商局金陵船舶設(shè)計(jì)建造的某汽車滾裝船采用雙燃料液化天然氣作為動(dòng)力,可以減少100%的硫氧化物、92%的氮氧化物、100%的顆粒物和23%的二氧化碳排放[2]。LNG以-163 ℃液態(tài)儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中,經(jīng)氣化、升溫后供給用戶使用,氣化加熱工藝主要通過(guò)LNG氣化器來(lái)實(shí)現(xiàn),其以熱流媒體為中間介質(zhì),將天然氣由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)[3]。氣化方案不僅需要滿足極端工況下的用戶使用,也適用于各種正常工況,還需要考慮方案的經(jīng)濟(jì)性。此外,由于該船采用的是高壓主機(jī),氣化方案需要同時(shí)滿足高低壓用戶的要求。以某7 000 PCTC汽車滾裝船LNG供氣系統(tǒng)為設(shè)計(jì)對(duì)象,初步設(shè)計(jì)4個(gè)供氣系統(tǒng)氣化方案,采用ASPEN HYSYS軟件對(duì)不同方案在不同工況下的參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算,對(duì)比分析對(duì)計(jì)算結(jié)果,確定最優(yōu)的氣化方案。

1 初步設(shè)計(jì)

1.1 7 000 PCTC汽車滾裝船基本資料

某高壓雙燃料7 000 PCTC汽車滾裝船,船長(zhǎng)199.9 m,型寬38 m,搭載1臺(tái)7S60ME-C10.5-GI-EcoEGR主機(jī),3臺(tái)8H22CDF發(fā)電機(jī)及1臺(tái)雙燃料鍋爐。LNG供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)有2個(gè)C型低溫儲(chǔ)罐,單個(gè)容量2 000 m3;2個(gè)LNG加氣站分別布置在兩舷。主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐的供氣參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐的供氣參數(shù)

1.2 氣化方案

供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)有1臺(tái)高壓氣化器,用于將LNG氣化、升溫后供給主機(jī)使用;1臺(tái)低壓氣化器,用于滿足發(fā)電機(jī)和鍋爐的使用。2個(gè)氣化器均采用水/乙二醇溶液作為換熱介質(zhì),水/乙二醇溶液在氣化LNG時(shí)需要釋放大量熱量,因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)有缸套水加熱器和蒸汽加熱器給水/乙二醇加熱,2個(gè)加熱器串聯(lián)使用。正常工況下,主機(jī)缸套水加熱器的熱量可以滿足氣化的需求,在主機(jī)負(fù)荷較低時(shí),蒸汽會(huì)對(duì)水/乙二醇進(jìn)行二次加熱,確保供氣系統(tǒng)正常工作。

由于LNG儲(chǔ)罐不是完全絕熱的,因此其中的LNG會(huì)自然吸熱氣化,其氣化時(shí)體積會(huì)增加約600倍,從而使得罐內(nèi)壓力升高[5],極端情況下會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐超壓,為此,采用BOG(boil off gas)壓縮機(jī),將自然氣化的天然氣加壓后供給低壓用戶使用。由于BOG壓縮機(jī)無(wú)法承受低溫介質(zhì),因此設(shè)計(jì)有BOG預(yù)加熱器,將天然氣加熱后送入BOG壓縮機(jī),同時(shí)BOG壓縮機(jī)工作時(shí)需要冷卻,天然氣被近似絕熱壓縮后也需要冷卻。為了滿足BOG系統(tǒng)的正常工作,水/乙二醇系統(tǒng)需要加熱BOG預(yù)加熱器,同時(shí)需要冷卻BOG冷卻器。水/乙二醇在冷卻BOG冷卻器時(shí)會(huì)吸收大量熱量,因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)有低溫淡水冷卻器用于冷卻水/乙二醇溶液。

基于以上需求,設(shè)計(jì)4個(gè)供氣系統(tǒng)氣化方案。

1)方案一。采用1套水/乙二醇系統(tǒng),分為高壓、低壓2個(gè)支路,其系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 方案一系統(tǒng)原理示意

2)方案二。采用一套水/乙二醇系統(tǒng),分為加熱、冷卻2個(gè)支路,其系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 方案二系統(tǒng)原理示意

3)方案三。采用兩套水/乙二醇系統(tǒng),分為高溫和低溫,其系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖3。

圖3 方案三系統(tǒng)原理示意

4)方案四。采用兩套水/乙二醇系統(tǒng),分為高壓和低壓,其系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖4。

圖4 方案四的系統(tǒng)原理圖

2 基于ASPEN HYSYS的模擬計(jì)算

2.1 模擬4個(gè)典型工況

1)工況一。主機(jī)在燃油模式下工作,BOG壓縮機(jī)工作以維持LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力穩(wěn)定。根據(jù)LNG儲(chǔ)罐的溫度場(chǎng)計(jì)算,單個(gè)罐體表面積約為1 100 m2,罐體表面包裹有330 mm厚聚氨酯保溫層,導(dǎo)熱系數(shù)0.023 W/(m·K),當(dāng)環(huán)境溫度為45℃時(shí),傳熱功率約為18 kW,BOG的生成率為0.44%/d。LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)極限裝載率為89.3%,考慮2個(gè)儲(chǔ)罐滿載的極限工況,BOG最大生成量約為277 kg/h。

2)工況二。所有主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐滿負(fù)荷工作的極限工況,BOG壓縮機(jī)不工作。此時(shí)高壓耗氣量2 000 kg/h,低壓耗氣量1 050 kg/h。

3)工況三。正常航行工況,主機(jī)在70%負(fù)荷下工作,本船設(shè)計(jì)有軸帶發(fā)電機(jī),在正常工況下可以滿足全船用電負(fù)荷,發(fā)電機(jī)不需要工作,鍋爐滿負(fù)荷工作,BOG壓縮機(jī)不工作。此時(shí)高壓耗氣量1 400 kg/h,低壓耗氣量90 kg/h。

4)工況四。正常航行工況,主機(jī)在70%負(fù)荷下工作,發(fā)電機(jī)不工作,由BOG壓縮機(jī)供給鍋爐滿負(fù)荷工作,用于穩(wěn)定LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力。此時(shí)高壓耗氣量1 400 kg/h,低壓耗氣量90 kg/h。

2.2 流程在模擬時(shí)的簡(jiǎn)化

為了保證系統(tǒng)的安全,其冗余設(shè)計(jì)較多,但在實(shí)際正常使用時(shí)備用設(shè)備并不工作,因此在模擬時(shí)忽略一些與結(jié)果無(wú)關(guān)的設(shè)備,具體如下。

1)不考慮備用的水/乙二醇泵和G/W冷卻水換熱器。

2)由于蒸汽加熱器僅在缸套水熱量不夠時(shí)補(bǔ)充使用,正常情況下并不使用,因此不考慮蒸汽加熱器。

3)不考慮膨脹水箱。

4)BOG冷卻器包含了BOG壓縮機(jī)的冷卻和壓縮后天然氣的冷卻。

5)不考慮空調(diào)、冷藏的LNG冷能回收設(shè)計(jì)[6-7]。

2.3 模擬參數(shù)設(shè)定

流程選擇Peng-Robinson物性包進(jìn)行描述[8],水/乙二醇溶液中乙二醇體積分?jǐn)?shù)為50%,天然氣的組成見(jiàn)表2。

表2 天然氣的組成及標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù) %

各換熱器的進(jìn)出口參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表3。

表3 各換熱器的進(jìn)出口參數(shù)設(shè)定 ℃

2.4 模擬流程的建立

根據(jù)各方案的系統(tǒng)原理,結(jié)合前述簡(jiǎn)化原則,在ASPEN HYSYS中組合泵、壓縮機(jī)、換熱器等模塊,建立各方案流程,見(jiàn)圖5～8。

圖5 方案一的模擬流程

圖6 方案二的模擬流程

圖7 方案三的模擬流程

按照表2設(shè)定LNG的物性參數(shù),參考文獻(xiàn)[9],在軟件的工藝流程選項(xiàng)中定義相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范,讓流程自動(dòng)計(jì)算各支路水/乙二醇以及低溫淡水、缸套水的流量,對(duì)各工況下的參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。

3 模擬結(jié)果對(duì)比分析

3.1 水/乙二醇系統(tǒng)的流量

各工況下每種方案中的各換熱器的水/乙二醇流量見(jiàn)表4。

表4 不同方案換熱器在各工況下的水/乙二醇流量 kg/h

各方案在各工況下水/乙二醇泵的流量見(jiàn)表5。

表5 各方案在各工況下水/乙二醇泵的流量 kg/h

3.2 低溫淡水和缸套水的流量

各方案在各工況下低溫淡水和缸套水的流量見(jiàn)表6。

圖8 方案四的模擬流程圖

表6 各方案在各工況下低溫淡水和缸套水的流量 kg/h

3.3 氣化方案綜合對(duì)比分析

各方案在同一工況下,天然氣的流量相同,因此各方案水/乙二醇的總流量沒(méi)有太大區(qū)別,根據(jù)模擬結(jié)果總結(jié)各方案的特點(diǎn)如下。

1)方案一。工況一時(shí)僅低壓支路工作,其他3個(gè)工況時(shí)2個(gè)支路均工作,僅采用2臺(tái)G/W循環(huán)泵,1用1備,節(jié)約成本。但在工況一時(shí)泵的流量百分?jǐn)?shù)太低,靠泵變頻控制無(wú)法滿足該流量,需要設(shè)計(jì)旁通支路,控制比較復(fù)雜。G/W冷卻器在工況二、三時(shí)給水/乙二醇加熱,在工況一、四時(shí)給水/乙二醇加熱,控制比較混亂,不利于監(jiān)測(cè)、維護(hù)。其低溫淡水最大流量較大,且在不同工況下低溫淡水的流量相差很大,對(duì)于低溫淡水系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。

2)方案二。在所有工況下高溫支路均工作,在工況一、四時(shí)低溫支路工作,僅采用2臺(tái)G/W循環(huán)泵,1用1備,節(jié)約成本。但在工況一時(shí)泵的流量百分?jǐn)?shù)太低,靠泵變頻控制無(wú)法滿足該流量,需要設(shè)計(jì)旁通支路,控制比較復(fù)雜。其在不同工況下缸套水的流量相差很大,對(duì)于高溫淡水系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。

3)方案三。在工況一時(shí)僅低壓循環(huán)系統(tǒng)工作,在工況二、三時(shí)僅高溫循環(huán)系統(tǒng)工作,在工況四時(shí)2個(gè)系統(tǒng)均工作,采用4臺(tái)G/W循環(huán)泵,2用2備,初期成本較高。在不同工況下,2個(gè)G/W循環(huán)泵的流量均可以靠變頻控制來(lái)實(shí)現(xiàn),控制簡(jiǎn)單。其低溫淡水和缸套水流量在不同工況下差距較小,高/低溫淡水系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。

4)方案四。在工況一時(shí)僅低溫循環(huán)系統(tǒng)工作,在其他3個(gè)工況時(shí)2個(gè)循環(huán)系統(tǒng)均工作,采用4臺(tái)G/W循環(huán)泵,2用2備,初期成本較高。G/W冷卻器在工況二、三時(shí)給水/乙二醇加熱,在工況一、四時(shí)給水/乙二醇加熱,控制比較混亂,不利于監(jiān)測(cè)、維護(hù)。其低溫淡水最大流量較大,且在不同工況下低溫淡水的流量相差很大,對(duì)于低溫淡水系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。

方案三、四相較于方案一、二增加了2臺(tái)水/乙二醇循環(huán)泵,但該泵流量和壓頭均較小,因此增加的成本較低。工況三為該船舶正常航行最常使用的工況,在這個(gè)工況下,方案一、二、三僅單臺(tái)G/W循環(huán)泵工作,方案四需要2臺(tái)同時(shí)工作。

綜合以上分析,從經(jīng)濟(jì)性、常用工況下的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、控制難度、檢測(cè)方便程度,以及對(duì)高/低溫淡水系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度的程度對(duì)比分析,方案三為最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)論

1)從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看,方案一、二較好,方案三、四成本有少量增加。

2)從工況三這個(gè)常用工況下的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)來(lái)看,方案一、二、三僅單臺(tái)G/W循環(huán)泵工作,方案四需要兩臺(tái)同時(shí)工作,方案四有劣勢(shì)。

3)從控制和運(yùn)行檢測(cè)難度和對(duì)高/低溫淡水系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度來(lái)看,方案三最優(yōu),其他方案均存在一些問(wèn)題。

4)綜合考慮,方案三為最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案,項(xiàng)目最終采用方案三。