基于HYSYS的LNG冷能利用方案设计与优化

Design and Optimization of LNG Cold Energy Utilization Scheme Based on HYSYS

摘要: 本文针对某型液化天然气(LNG)燃料动力渔船，基于船舶的发电、冷库及空调的需求，同时考虑船内余热资源以及发动机消耗的LNG汽化冷能，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方案。在对设计方案系统利用Aspen HYSYS软件进行流程模拟计算的基础上，对设计方案的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㶲效率达到了39.54%，设备投入可以在2.1年内回收成本。

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 conditioning of the vessel, while con-sidering the residual heat resources inside the vessel and the LNG vaporization cooling energy con-sumed by the engine. The goal is to achieve the rational utilization of LNG cooling energy in a cas-cade manner, and proposes a comprehensive utilization design scheme. On the basis of using Aspen HYSYS software for process simulation calculations in the design scheme system, optimization was carried out on the selection of circulating working fluids in the design scheme. After optimizing the working fluids, the overall efficiency of the optimized scheme reached 39.54%, and the equipment investment can recover costs within 2.1 years.

1. 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，结果表明该系统的㶲效率达到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，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

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。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-104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完成一个空调循环。

Figure 1. System flow chart

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1. 各模块制冷剂

3. 数学模型的建立

3.1. 热力学模型

对LNG冷能的梯级利用进行热力学分析，其中系统各个参数点的㶲流定义为：

$E=m\cdot \psi$ (1)

$\psi =\left(h-h_0\right)-T_0\cdot \left(s-s_0\right)$ (2)

式中： $\psi$ 表示比㶲。

所有设备或系统的㶲效率可定义为：

$\eta =\frac{\Delta E_{x,\text{rev}}}{\Delta E_{x,\text{in}}}$ (3)

式中： $\Delta E_{x,\text{rev}}$ 为收益的㶲， $\Delta E_{x,\text{in}}$ 为付出的㶲。

对于LNG冷能发电模块㶲效率可定义为：

${\eta }_{发电}=\frac{P_x}{\Delta E_{\mathrm{LNG},\text{in}}+P_{泵,x}}$ (4)

式中： $P_x$ 为膨胀机输出功率，kW； $\Delta E_{\text{LNG},\text{in}}$ 为发电模块所对应的LNG所付出的冷㶲，kW； $P_{泵,x}$ 为发电模块工质泵的功率，kW。

系统总㶲效率可定义为：

${\eta }_{系统}=\frac{{{\displaystyle \sum }}^{\text{}}{P}_x+{{\displaystyle \sum }}^{\text{}}\Delta E_{x,\text{rev}}}{\Delta E_{\text{LNG,in}}+{{\displaystyle \sum }}^{\text{}}{P}_{泵,x}}$ (5)

式中： ${{\displaystyle \sum }}^{\text{}}{P}_x$ 为各发电模块膨胀机输出功总和，kW； ${{\displaystyle \sum }}^{\text{}}\Delta E_{x,\text{rev}}$ 为低温冷库、高温冷库和空调模块冷负荷之和，kW； $\Delta E_{\text{LNG,in}}$ 是整个系统LNG所付出的冷㶲，kW； ${{\displaystyle \sum }}^{\text{}}{P}_{泵,x}$ 为系统各个泵功之和，kW。

3.2. 模拟所需的假设及参数

采用Aspen HYSYS软件对图1初始设计系统进行模拟时，做如下假设：1) 初始循环工质冷凝压力取0.25 MPa；2) 换热器最小端差为5℃，换热器压降为0；3) 朗肯循环换热器中，热物流工质出口过冷度取为2℃；4) 忽略所有换热器漏热损失和压力损失；5) 透平机入口的工质状态为饱和气体；6) 缸套水进口温度取90℃，压力为101 kPa，出口取70℃；

该船主机型号为瓦锡兰6L34DF，该主机的参数由文献 [10] 可知，如表2所示，船舶各个模块所需冷量如表3所示。

Table 2. Host parameter

表2. 主机参数

Table 3. The cooling capacity required for each module of the ship

表3. 船舶各模块所需冷量

4. 计算结果分析与优化

4.1. 冷能利用系统模拟结果及其分析

通过前文热力计算，得出各个部分的效率和㶲损如表4所示。由表中数据可以分析出，系统总㶲效率为38.32%，㶲损主要集中朗肯循环发电部分，而在朗肯循环中LNG-100㶲损占比最大，㶲损为44.58 kW。该系统不仅满足了全船冷库空调所需要的冷量，还能利用高品位的冷能发电，有效降低了全船的能耗。

Table 4. Analyze the result of calculation systematically

表4. 系统㶲分析计算结果

4.2. 工质优化

对于系统循环工质进行优化，要求选取工质的温熵曲线图更加贴合LNG换热曲线，才能降低系统的㶲损。由系统㶲分析看出该系统的㶲损还是集中在朗肯循环发电这一块，而朗肯循环发电部分的㶲损仍然主要集中在换热器LNG-100上，对单一工质的选择，已经无法有效地降低系统的㶲损，而对朗肯循环发电部分工质考虑采用非共沸混合工质可以有效减低㶲损 [11] ，所以考虑采用非共沸混合工质。为选择合适的混合工质，图2给出了几种常见的单一工质和LNG温熵曲线的对比。由图可知，甲烷、乙烷、乙烯与LNG汽化曲线较为相近，因此可以考虑将甲烷、乙烷和乙烯作为混合工质。

Figure 2. The temperature entropy curves of LNG (650 kPa) and common single refrigerant

图2. 常见单一工质与LNG (650 kPa)温熵曲线图

通过ASPEN HYSYS软件改变朗肯发电循环混合工质(甲烷:乙烷:乙烯)的比例进行模拟可知，当甲烷的比例高于50%时，系统将出现温度交叉。下面分别选取混合工质的比例为5:4:1、4:5:1、2:6:2、2:5:3和1:5:4时所得到的混合工质与LNG温熵曲线图，如图3所示。从图中可以看出，朗肯循环的混合工质比例为甲烷:乙烷:乙烯 = 5:4:1时，其温熵曲线最接近LNG的温熵曲线，所以朗肯循环的最佳混合工质比例为甲烷:乙烷:乙烯 = 5:4:1。

Figure 3. The temperature entropy curves of mixture (250 kPa) and LNG (650 kPa)

图3. 混合工质(250 kPa)与LNG (650 kPa)温熵曲线图

通过给出了工质优化前后系统膨胀机输出功率与系统总㶲效率的比较情况，计算可以得出，当改用非共沸混合工质后，透平输出总功率18.02 kW增加到19.88 kW，增加了将近1.8 kW，且系统的总㶲效率也有所提升，从最初的38.32%提升至39.54%，相比工质优化前提升了1.4%。

5. 经济性分析

5.1. 初始设备投入

根据文献 [12] ，给出了系统所投入设备的总投资估算值，如表5所示。

Table 5. The cost of capital investment for each component

表5. 各组成部分的资本投资成本

5.2. 系统运行收益分析

冷库和空调制冷耗电量采用以下公式 [13] 计算：

$\frac{E_{xp}}{Q}=\frac{1}{\text{COP}}$ (6)

其中， $E_{xp}$ 为制冷耗电量，Q为总制冷量，COP为制冷系数，选低温冷库制冷系数为2，高温冷库制冷系数为2.5，空调制冷系数为3。船舶发电、冷库、和空调全年运行天数为300天，最终优化设计方案年收益计算如表6所示。通过计算可以得到回收成本周期为2.1年。

Table 6. The electricity cost saved by each module

表6. 各模块所节约电费

6. 结论

本文针对某主机型号为瓦锡兰6L34DF的LNG燃料动力渔船，对LNG冷能综合利用进行设计与优化研究，得到以下几点结论：

1) 所设计方案在能够充分地利用船上LNG冷能，满足船上低温冷库、高温冷库、空调的冷能需求的同时进行LNG冷能发电。

2) 经工质筛选优化，该系统中的最佳匹配工质是：朗肯循环发电系统混合工质配比为甲烷:乙烷:乙烯 = 5:4:1。

3) 通过设计方案优化，所设计优化方案最终的㶲效率提升达到39.54%，不仅满足船上冷量需求，同时获得每年15.27万元的较高效益，设备投入可以在2.1年内回收成本。