基于HYSYS的LNG冷能利用方案设计与优化.pdf
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1、Modeling and Simulation 建模与仿真建模与仿真,2023,12(5),4480-4487 Published Online September 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mos https:/doi.org/10.12677/mos.2023.125408 文章引用文章引用:汪自钊.基于 HYSYS 的 LNG 冷能利用方案设计与优化J.建模与仿真,2023,12(5):4480-4487.DOI:10.12677/mos.2023.125408 基于基于HYSYS的的LNG冷能利用方案设计与优化冷能利用方案设
2、计与优化 汪自钊汪自钊 江苏科技大学能源与动力学院,江苏 镇江 收稿日期:2023年7月17日;录用日期:2023年9月5日;发布日期:2023年9月12日 摘摘 要要 本文针对某型本文针对某型液化天然气液化天然气(LNG)燃料动力渔船,燃料动力渔船,基于基于船舶船舶的的发电发电、冷库及空调冷库及空调的的需求,需求,同时同时考虑船考虑船内内余余热资源以及发动机消耗的热资源以及发动机消耗的LNG汽化冷能汽化冷能,以实现以实现LNG冷能的梯级合理利用为目标,提出其综合利用设计冷能的梯级合理利用为目标,提出其综合利用设计方案。在对设计方案系统方案。在对设计方案系统利用利用Aspen HYSYS软件软
3、件进行流程模拟计算的基础上,对设计方案进行流程模拟计算的基础上,对设计方案的的循环工质选循环工质选择等方面进行了优化,最终优化方案经过工质优化后总体效率达到了择等方面进行了优化,最终优化方案经过工质优化后总体效率达到了39.54%,设备投入可以在设备投入可以在2.1年年内回收成本内回收成本。关键词关键词 LNG冷能冷能,梯级利用梯级利用,分析分析,优化分析优化分析 Design and Optimization of LNG Cold Energy Utilization Scheme Based on HYSYS Zizhao Wang Energy and Power Department
4、 of Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu Received:Jul.17th,2023;accepted:Sep.5th,2023;published:Sep.12th,2023 Abstract This article focuses on a certain type of liquefied natural gas(LNG)fuel powered fishing vessel,based on the needs of power generation,cold storage,and air
5、 conditioning of the vessel,while considering the residual heat resources inside the vessel and the LNG vaporization cooling energy consumed by the engine.The goal is to achieve the rational utilization of LNG cooling energy in a cascade manner,and proposes a comprehensive utilization design scheme.
6、On the basis of using Aspen HYSYS software for process simulation calculations in the design scheme system,optimiza-tion was carried out on the selection of circulating working fluids in the design scheme.After op-timizing the working fluids,the overall efficiency of the optimized scheme reached 39.
7、54%,and 汪自钊 DOI:10.12677/mos.2023.125408 4481 建模与仿真 the equipment investment can recover costs within 2.1 years.Keywords LNG Cold Energy,Step Utilization,Exergic Analysis,Optimization Analysis Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribu
8、tion International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 随着全球经济发展和人口增加,各种环境污染和能源短缺问题越来越严重,液化天然气(LNG)作为一种洁净能源因为其经济高效和灵活方便等优势,逐渐代替传统煤和石油化石能源,在各种能源应用领域得到了广泛的应用1。与之相关的 LNG 冷能作为一种高品质的能量,其利用技术也开始得到高度重视,目前众多学者针对 LNG 冷能利用做了大量的研究,通常可应用于船舶的发电2、海水淡化3、冷库4和空调5等日常功能。胡选哲等6针对 4800 kW 的
9、双燃料拖船,对其设计了一种发电系统来回收 LNG 冷能和烟气余热,然后对循环工质以及热交换器端部温差进行优化分析,最终方案可以减少一个发电机组,产生较好的经济效益和环境效益。董建锴等7设计了一种新型的 LNG 冷能制冷的冷库系统,并对其进行了热力学分析和经济分析,结果表明该系统的效率达到 80.2%,投资预计 4.77 年回本,产生良好的经济效益。黄兴旺等8设计一套新型的船舶冷库和空调系统,然后选择了系统所需的冷媒并对其进行模拟分析,结果表明通过该系统可以有效地利用 LNG 冷能作为冷库和室内空调的冷源,从而达到节能降耗的目的。本文以瓦锡兰 6L34DF 为主机的 LNG 燃料动力渔船为对象,
10、有针对性地设计船舶 LNG 冷能综合利用方案,通过采用 Aspen Hysys 对该系统进行模拟分析,并进一步对循环工质进行匹配优化,以期得到以该型双燃料发动机为动力的渔船 LNG 冷能梯级最佳利用方案。2.LNG 冷能利用系统设计冷能利用系统设计 为了实现 LNG 冷能和船舶的缸套冷却水携带的低品位热能的利用,本文基于冷能梯级利用的原则设计了一种 LNG 冷能综合利用系统。具体流程如图 1 所示,该系统由四部分组成:第一部分朗肯循环发电系统,其流程为从储罐出来的 LNG 通过泵 P-100 将其加压到 0.65 MPa,然后通过热交换器 LNG-100 与朗肯循环发电系统中循环工质进行热交换
11、。循环工质经泵 P-101 加压以及回热器 LNG-101,先在换热器LNG-105 处与低温冷库的循环工质进行初步换热,然后在换热器 LNG-106 与缸套冷却水进行换热,将循环工质加热为过热蒸汽,在膨胀机 K-100 中做功,降压后工质进入回热器 LNG-101 以及换热器 LNG-100中被冷凝为饱和液体后进入下一次循环。第二部分为低温冷库系统,循环工质在朗肯循环发电系统中的LNG-105 换热以及在换热器 LNG-102 与液化天然气换热后混合在一起,经过泵 P-102 增压,然后通过蒸发器 E-100 释放冷能为低温冷库提供冷量,最后换热后的循环工质通过 TEE-100 重新分流后与
12、朗肯循环系统和 LNG 换热,完成一个低温冷库循环。第三部分高温冷库系统,从蒸发器 E-101 出来的循环工质在换热器 LNG-103 中与 NG 换热后冷凝,经过泵 P-103 增压,然后进入蒸发器 E-101 释放冷能,最后流入LNG-103 完成一个高温冷库循环。第四部分空调系统,从蒸发器 E-102 出来的循环工质在换热器 LNG-104Open AccessOpen Access汪自钊 DOI:10.12677/mos.2023.125408 4482 建模与仿真 中与 NG 换热后冷凝,经过泵 P-104 增压,然后进入蒸发器 E-102 释放冷能,最后流入 LNG-104 完成一
13、个空调循环。Figure 1.System flow chart 图图 1.系统流程图 对于低温朗肯循环的循环物质选择,要尽量遵循以下几点要求:环境友好性、较高的导热系数、热稳定性、较低的凝固点、较好的流动性、安全性和经济性等通用性,同时需要考虑冷凝压力蒸发压力与对应温度的关系,选择更加贴合 LNG 换热曲线的工质,本文根据文献9选择的单一工质如表 1 所示。Table 1.Refrigerants for each module 表表 1.各模块制冷剂 模块 朗肯循环 低温冷库循环 高温冷库循环 空调 制冷剂 R1150 R600 R600 Cl2-C1 3.数学模型的建立数学模型的建立 3
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