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30万吨LNG船冷能综合利用系统设计与优化.pdf
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1、第45卷第2 2 期2023年11月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.22Nov.,202330万吨LNG船冷能综合利用系统设计与优化毛惠艺,汪自钊(江苏科技大学能源与动力学院,江苏镇江2 12 10 0)摘要:本文以30 万吨LNG动力船舶为研究对象,基于远洋船舶上空调的应用需求,通过对船舶余热与LNG冷能的研究分析,经过ASPENHYSYS软件模拟LNG流程图,在基于对LNG冷能梯级利用的前提下,提出将烟气高温余热、缸套水余热与LNG高品位冷能进行发电和船舶空调的综合利用方案。基于设计方案的流程模拟与分析,对工质选择进行优化,进一步采用遗传算
2、法进行参数匹配优化。结果表明,在满足船舶空调负荷的前提下,发电功率达到2 6 8.9 kW,系统总效率达到47.6 4%。关键词:LNG动力船;梯级利用;优化;效率中图分类号:TK01+8文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 2-0 116-0 5Comprehensive utilization of 300 000 t LNG-powered vessel cold(School Energy and Power,Jiangsu Univercity of School and Technology,Zhejiang 212100,China)Abstract:This
3、 paper takes 300 000-ton LNG powered ships as the research object.Based on the application demand ofair conditioning on ocean-going ships,through the research and analysis of waste heat of ships and cold energy of LNG,andthrough the simulation of LNG flow chart by ASPEN HYSYS software,on the premise
4、 of the cascade utilization of cold en-ergy of LNG,the paper proposes to convert high temperature waste heat of flue gas,a comprehensive utilization scheme ofcylinder liner water waste heat and LNG high grade cold energy for power generation and ship air conditioning.Based on theprocess simulation a
5、nd exergy analysis of the design scheme,the selection of working medium was optimized and the para-meter matching optimization was further carried out by using genetic algorithm.The overall exergy efficiency of the systemwas up to 47.64%under the premise of meeting the air conditioning load of ships
6、.Key words:LNG powered ship;cascade utilization;optimization;exergy efficiency0引言随着全球绿色低碳能源战略的持续推进,全球对大气污染源的排放要求日趋严苛。在船舶与航运领域,相比传统燃用重油的船舶,以天然气为燃料的LNG动力船舶不但满足国际海事组织(IMO)对船舶排放日趋严格的法规要求,而且符合全球对低碳经济及实现可持续发展的目标要求。LNG动力船每天消耗大量的LNG,而现阶段LNG动力船多采用汽化器或废气锅炉进行加热!,大量的LNG冷能被浪费,并且增加了营运成本。LNG冷能作为一种高品位的低温冷能,汽化过程中释放的
7、冷量可用于冷能发电 2 、空调 3、船舶高低温冷库 4 和海水淡化等 5。但在航运LNG动力收稿日期:2 0 2 2-10-2 6作者简介:毛惠艺(1996-),女,硕士研究生,研究方向为LNG汽化器的设计与优化。文献标识码:Aenergy system design and optimizationMAOHui-yi,WANG Zi-zhaodoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.22.021船舶上,LNG汽化冷能利用还基本处于初始阶段。以30万吨超大型LNG动力船舶为原型,结合船舶主机缸套冷却水和高温烟气,以LNG冷能发电为主,兼顾远洋船舶所必需的空调系统开展L
8、NG气化冷能利用方案的设计优化研究,并借助ASPENHYSYS软件对方案进行模拟对比分析,在此基础上进行工质优化,借助Matlab遗传算法进行参数优化,为超大型LNG动力船的LNG气化冷能提供高效利用的综合设计方案。1LNG冷能利用系统设计1.1系统集成的思路和流程以设计中的30 万吨级、8 5%负荷、夏季工况下的Q-107第45卷VLCC为研究对象。考虑到LNG从-16 2 气化升温到5左右,LNG气化曲线要经历液相显热段、潜热段、气相显热段。因此,本方案将LNG温度区间内的液相显热、潜热段和少部分的气相显热段LNG冷能进行发电,将大部分气相显热段的LNG冷能用于船舶空调需求。最后在换热器H
9、-14中,用缸套水对LNG进行调温加热,以满足不同温度的使用需求。考虑到LNG进口压力为3MPa,远远大于主机NG进气压力1.6 MPa,在LNG进人气相显热段时,构建LNG回热系统,不仅能充分利用压力进行发电,还对刚进人系统的LNG有预热功能。目前,利用LNG冷能发电的传统方法有直接膨胀、有机朗肯循环和结合前2 种方法的联合循环 6 。本文采用空调和发电实现LNG冷能与船舶余热的联合利用。基于温度对口,梯级利用的原则 7 ,在构建系统时,对于低温区的LNG冷能,考虑以LNG作为冷源,缸套冷却水与烟气作为热源,构建发电系统;对于高温区LNG的冷能,充分考虑空调温度,以戊烷为中间介质,建立满足空
10、调负荷的系统。1.2工质选择及系统流程工质不仅要满足工作效率高、发电量大、传热性能良好、流动阻力小等物性特点,还要有稳定的化学性能,安全可靠,腐蚀性小、对环境友好、价格低廉、容易获取等。充分考虑冷凝、蒸发压力与对应温度的关系,在尽量减小泵功耗的前提下,选择更加贴合WY3P-426Q-104P-2W18H-4Q-102Q-21720W12H-2Q-101LG11毛惠艺,等:30 万吨LNG船冷能综合利用系统设计与优化2系统仿真分析与优化2.1模拟参数通过HYSYS软件进行系统模拟时,LNG组分如表1所示。系统方案中的参数设置如下:泵效率为0.7 5,膨胀机等熵效率为0.8 5;换热器最小端差为5
11、,换热器压降为0;各模块冷凝压力初定为110 kPa;模拟时状态方程选用Peng-Robison方程;环境温度取2 5,压力取10 1.32 5kPa2.2模拟结果及其分析部分流程关键参数如表2 所示,部分计算结果G3G235G4H-11H-7Q-52728K-51925P-32H-3Lo-103Q-1Q-315k-114W1K-3H-1NG3117LNG换热曲线的工质。基于上述考虑,对于换热器H-1、H-5的中间介质,选用丙烷。对于换热器H-2、H-6、H-9的中间介质,选用异丁烷。对于空调模块,选用戊烷。根据上述分析,构建以LNG为冷源,以高温烟气和缸套冷却水为热源,建立满足船舶空调负荷和
12、发电的综合LNG冷能利用系统,系统设计流程如图1所示。LNG流程:LNG进口压力为30 0 0 kPa,高品质冷能依次进人换热器H-1、H-5、H-9、H-12 中,为换热器提供冷量进行发电,因其中LNG进口压力远远大于主机进口压力,所以经过换热器H-5的气态NG先透平发电再依次进人换热器H-1、H-5、H-13、H-14中,分别对刚进人系统的LNG进行预热、吸收换热器H-5中丙烷的热量、提供船上所需的空调冷负荷、升温至主机所设定的入口温度,最后送入主机。NGG86Q-6K-634TEE-10037423H-6K-4NG121NG4P-ZNG2Fig.1System flow chartG1H
13、-14NG8Pl64252Q-106Q-1053H-1024WH-5图1系统流程图4.138MIX-100NG5H-9W51H-12NG69E10d5B Q-0p1:118:成分CH4C2H6C,HgCHio(正)C4Hio(异)Mole/%95.853.10.85表2 物流参数的热力学性质Tab.2Thermodynamic properties of logistics parameters比物流温度/压力/kPa11-40.3021-80.0041-20.00LNG-162.00NG1-100.00G90.00G190.00Y4155.21如表3所示。可看出,系统总效率仅为38.8 7%
14、。分析其损失可发现,换热器H-1,H-5损失较大,分别为12 5.42 kW,16 2.0 2 k W,尤其是H-1的损失占总损失的16.6 8%,而H-5的损失占总损失的21.55%。根据图2、图3可看出,LNG与中间介质在换热曲线上并不贴合。因此对换热器H-1、H-5中间介质进行介质优化,并运用遗传算法,对换热器H-1、H-5、H-2、H-6 中间介质的蒸发和冷凝压力进行参数优化,即在损较大的部分进行优化,以降低损,提高效率。表3系统分析计算结果Tab.3 Exergy analysis and calculation result设备收益/kW付出/kW损失/kWH-198.49H-11
15、4.37P-10.20K-17.63空调11.70系统净输出功/kW系统效率2.3工质优化由上述计算与损分析可知,若想进一步减小系统的损,提高系统效率,可以更换更为合适的工质或者采用非共沸混合工质来替代换热器H-1和换热器H-5中的循环单一工质方式。为选择合适的混合舰船科学技术表1LNG系统模拟组分-20Tab.1SSystem simulation component0.07质量流量/kg:h-11101000.001103002.13120400.0030003.000.0030003.000.0010120.000.0012620000.002005.000.00223.929.290.
16、329.18100.00第45卷-NG3-NG4-16-11-40LNG-NG1CsH12N20.050.010.07比烩/kJkg127174.51-130795.04160373.80-89954.13-85940.93-281146.75-281146.1218 724.68125.424.920.121.5588.30751.7038.87%-60-2-80-100-120-140-160-kJ.kg.-1000000100 000200 000 300 000 400 000 500 000600 000 700000 800 00063.8546.8363.5076.16104.3
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