楊桑宇， 胡德棟， 李博洋， 于成龍

(1.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061；2.中國科學院 海洋研究所，山東 青島 266071)

為了降低船舶污染對環(huán)境和人類健康的影響，并遵守有關(guān)燃料質(zhì)量和污染物排放的法規(guī)，燃氣輪機因功率大、體積小、操作便捷，已成為大型液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)船舶推進系統(tǒng)一個富有吸引力的替代方案[1]，但仍有在低工況下LNG消耗量較大等缺點。為此，可采用燃-蒸聯(lián)合動力循環(huán)，利用余熱鍋爐回收燃氣輪機余熱，用于汽輪機發(fā)電。與燃氣輪機發(fā)電相比，使用聯(lián)合循環(huán)將大大節(jié)約燃料，減小船舶的建造、維護和運營成本，提高燃料的能量利用率[2]。

LNG運輸船上的LNG與閃蒸氣(Boiling off Gas, BOG)作為燃料使用前需進行再氣化處理，在此過程中LNG會釋放出大量冷能(830 kJ/kg)[3]，而BOG同樣含有大量冷能。目前關(guān)于冷能利用的研究主要集中在陸地上，但由于近年來大型LNG船舶的不斷涌現(xiàn)，國內(nèi)外相關(guān)研究者已開始將LNG冷能用于船舶發(fā)電、海水淡化、冷庫與空調(diào)制冷等[4，5]，其中冷能發(fā)電是目前LNG冷能利用研究的熱點，而朗肯循環(huán)已被認為是一種回收發(fā)電余熱和冷卻能力的潛在解決方案，是開發(fā)高效的船用燃氣綜合動力系統(tǒng)的關(guān)鍵[6]。沈仲翔[7]等設(shè)計一種LNG動力船冷熱電聯(lián)裝置，實現(xiàn)冷熱能梯級利用，裝置工作可靠、能量率高，可以大幅減少對大氣的污染。胡選哲[8]等提出一種LNG動力船冷能發(fā)電系統(tǒng)，回收LNG冷能與煙氣余熱，發(fā)電量與效率最高分別可達88.49 kW與48.54%。Tsougranis等[9]針對LNG動力船，提出了一種帶有LNG直接膨脹的有機朗肯循環(huán)，對比系統(tǒng)在不同工作流體下的熱效率，結(jié)果表明采用異丁烷時，熱效率最高為48%。

根據(jù)上述文獻，關(guān)于LNG船上冷能發(fā)電系統(tǒng)的研究，許多研究者只是單獨研究一種結(jié)構(gòu)的發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)不同結(jié)構(gòu)之間的對比研究較少，無法確定最佳的發(fā)電方案，實現(xiàn)船舶LNG冷能的充分利用。因此，本文提出了一種應(yīng)用于大型LNG運輸船的LNG冷熱綜合利用方案，包括BOG再冷凝系統(tǒng)、兩級朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、空調(diào)制冷系統(tǒng)以及燃-蒸聯(lián)合動力循環(huán)，通過改變發(fā)電系統(tǒng)的連接方式，提出三種不同的發(fā)電方案，通過HYSYS軟件對各方案進行模擬計算，并采用分析選出最佳方案，研究該方案在不同LNG進口溫度以及氣化壓力下系統(tǒng)效率與膨脹機總發(fā)電功率的變化，為LNG冷能發(fā)電在大型LNG運輸船上的應(yīng)用提供設(shè)計思路以及理論基礎(chǔ)。

1 方案設(shè)計

1.1 母型船介紹

1.2 設(shè)計思路

為處理在運輸過程中產(chǎn)生的BOG，系統(tǒng)參考LNG接收站常用的處理方法[11]，采用直接冷凝法對BOG進行處理，LNG儲罐中的BOG經(jīng)壓縮機加壓后與駁運泵輸出的LNG在再冷凝器中混合換熱，BOG冷凝為LNG后與其一同進行冷能利用，未冷凝的BOG經(jīng)管道回到緩沖罐中與剛輸出的BOG進行再一次壓縮、冷凝。

在LNG冷能利用方面，朗肯循環(huán)被認為是最有效的方法之一，在此過程中，LNG作為冷源將工作流體冷卻至低溫，與在船上使用額外的冷卻器相比，提取和再利用這種低溫冷卻能力可以節(jié)省約20%的船舶能耗[12]。為減少換熱過程高品位能量的損失，系統(tǒng)主要通過梯級利用來回收冷能[13]。

在余熱利用方面，為提高動力裝置的熱效率，采用燃-蒸聯(lián)合動力循環(huán)，通過余熱鍋爐回收燃氣輪機的排煙余熱，產(chǎn)生的過熱蒸汽用于汽輪機發(fā)電，并且余熱發(fā)電與冷能發(fā)電所產(chǎn)生的電力可通過電站進行并網(wǎng)，然后供給船舶動力推進系統(tǒng)，同時還可供船上的服務(wù)設(shè)備和其他設(shè)備使用。

1.3 LNG冷熱綜合利用方案

LNG冷熱綜合利用方案(方案一)如圖1所示，其中LNG與BOG初始溫度分別為-162 ℃、-150 ℃，初始壓力為0.3 MPa。

圖1 LNG冷熱綜合利用方案

在BOG再冷凝過程中，BOG經(jīng)壓縮機加壓至0.5 MPa后與經(jīng)駁運泵加壓至0.5 MPa的LNG混合換熱，冷凝后與LNG一同為發(fā)電與空調(diào)冷媒供冷，未冷凝的BOG排回緩沖罐。在冷能利用過程中，冷能的第一、第二級用于朗肯循環(huán)發(fā)電，其中一級發(fā)電冷媒選擇標準沸點為-88.82 ℃的R170，LNG在經(jīng)過一級發(fā)電循環(huán)后溫度升至約-90 ℃，此時LNG中氣液兩相共存，仍含有一部分高品位冷能，可用于二級朗肯發(fā)電；二級冷媒選擇標準沸點為-47.62 ℃的R1270，LNG經(jīng)過二級朗肯循環(huán)發(fā)電后溫度升至約-50 ℃，90%以上的LNG已發(fā)生相變，冷能品級降低，因此第三級冷能可用于空調(diào)制冷，之后LNG完全氣化為天然氣(Natural Gas, NG)，在NG加熱器中加熱至25 ℃后進入燃氣輪機，與壓縮空氣混合后燃燒，推動透平做功發(fā)電。在余熱利用過程中，NG與壓縮后的空氣混合后燃燒，推動燃氣輪機透平做功發(fā)電，做功后煙氣溫度在400～650 ℃，仍含有大量的熱能，此時將煙氣通入余熱鍋爐內(nèi)，將爐內(nèi)水加熱為過熱蒸汽，推動汽輪機透平做功發(fā)電，做功后的乏汽經(jīng)管道回到余熱鍋爐中繼續(xù)循環(huán)加熱。余熱鍋爐的排氣溫度在150～180 ℃，經(jīng)計算可滿足兩級朗肯循環(huán)氣化溫度的要求。

兩級朗肯循環(huán)以及燃-蒸聯(lián)合動力循環(huán)中所產(chǎn)生的電力通過電站進行并網(wǎng)，供船舶動力推進系統(tǒng)以及船上的其他用電設(shè)備使用。

1.4 改變兩級朗肯循環(huán)結(jié)構(gòu)

方案一中兩級朗肯循環(huán)經(jīng)改變可組合成兩種不同的發(fā)電方案(方案二與方案三)。

方案二的兩級朗肯循環(huán)如圖2所示。方案一的兩級朗肯循環(huán)通過四個換熱器分別回收不同溫度下的冷能與熱能，而方案二的兩級循環(huán)通過冷媒換熱器耦合在一起，并通過冷凝器1與加熱器1分別回收LNG冷能與排氣熱能。一級朗肯循環(huán)的熱源為二級朗肯循環(huán)的冷媒，二級朗肯循環(huán)的熱源為高溫煙氣。一級冷媒選擇R1270，二級冷媒作為熱源時需要有較高的沸點，而且在與一級冷媒換熱時不會凝固，因此可采用50%的乙二醇溶液，此時，方案二對排氣溫度的要求提高，余熱鍋爐的排氣不足以滿足乙二醇溶液的氣化溫度要求，于是，可直接采用一部分燃氣輪機的排煙作為熱源。

抑郁癥也叫抑郁障礙，為臨床常見疾病的一種，其主要臨床特征為顯著而持久的心境低落；發(fā)病后患者情緒消沉，可從悶悶不樂到悲痛欲絕，甚至悲觀厭世、企圖自殺，對患者健康、生活乃至生命安全都有著極大的影響。近年來，隨著人們生活壓力的增加、生活節(jié)奏的加快，該病的發(fā)生率也呈明顯上升趨勢［1-2］。臨床研究顯示［3］，抑郁癥患者多可見特定腦補結(jié)構(gòu)域功能異?，F(xiàn)象。本研究對單相抑郁癥患者各腦葉CT值的改變情況進行了分析，報告如下。

方案三的兩級朗肯循環(huán)如圖3所示。與方案一類似，方案三同樣是通過兩個冷凝器回收不同溫度的LNG冷能，但方案一中兩發(fā)電循環(huán)在一定程度上相互獨立，而方案三中兩發(fā)電循環(huán)相互連通，采用同種冷媒回收不同溫度下的冷能。冷媒選擇R1270，升溫氣化后的R1270分為兩路，分別進入兩透平做功發(fā)電，然后分別進入冷凝器1與冷凝器2中回收不同溫度下的冷能，此后，兩路冷媒分別經(jīng)冷媒泵1與冷媒泵2加壓后混合，在加熱器1中升溫氣化。

2 HYSYS模擬

2.1 流程建立

本文主要分析的是不同連接形式對冷能發(fā)電系統(tǒng)的影響，根據(jù)三種方案提出的兩級朗肯循環(huán)發(fā)電方案，利用HYSYS軟件對三種方案的工藝流程進行模擬，如圖4～圖6所示。

L—LNG； R—冷媒； Q—能量； M—鍋爐排氣； T—膨脹機透平； P—冷媒泵； HE1—冷凝器1； HE2—冷凝器2； HE3—加熱器1； HE4—加熱器2。

L—LNG； R—冷媒； Q—能量； M—鍋爐排氣； T—膨脹機透平； P—冷媒泵； HE1—冷凝器1； HE3—冷媒換熱器； HE4—加熱器1。

L—LNG； R—冷媒； Q—能量； M—鍋爐排氣； T—膨脹機透平； P—冷媒泵； HE1—冷凝器1； HE2—冷凝器2； HE3—加熱器1。

2.2 參數(shù)設(shè)定

在許多狀態(tài)方程中，Peng-Robinson方程更適合計算純流體和LNG的熱力學性質(zhì)。因此，Peng-Robinson方程可作為LNG以及一些純組分冷媒(R170、R1270)的狀態(tài)方程，而燃氣輪機的煙氣同樣可以選擇Peng-Robinson方程，乙二醇溶液選擇UNIQUAC方程。整個系統(tǒng)為穩(wěn)態(tài)運行，換熱器的壓降取10 kPa，泵與膨脹機的等熵效率取80%。三種方案中HYSYS模擬參數(shù)設(shè)定見表1，其中三種方案的LNG進口溫度為-162 ℃，進口壓力為3 MPa，流量為4 463 kg/h(算上冷凝后的BOG)，此外，為滿足空調(diào)制冷的需要，LNG經(jīng)冷能發(fā)電后溫度應(yīng)低于-50 ℃。

表1 三種方案模擬參數(shù)設(shè)定

3 結(jié)果與分析

3.1 模擬結(jié)果

利用HYSYS對三種方案進行模擬計算，可得到方案中各主要節(jié)點的物性參數(shù)，包括溫度、壓力、流量、比焓、比熵、氣相分數(shù)等。三種方案各關(guān)鍵節(jié)點的模擬結(jié)果見表2～表4。

表2 方案一中主要節(jié)點參數(shù)

表3 方案二中主要節(jié)點參數(shù)

表4 方案三中主要節(jié)點參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

Ex=m[(h-h0)-T0(s-s0)]

(1)

式中：m為各物流的質(zhì)量流量，kg/s；h、s分別為各物流的比焓與比熵，單位分別為kJ/kg與kJ/(kg·K)。

冷媒泵的輸入功率為

Wp=m(hp,out-hp,in)/ηp

(2)

式中：hp,in與hp,out分別為冷媒泵進出口的比焓，kJ/kg；ηp為冷媒泵的等熵效率，設(shè)為80%。

膨脹機的發(fā)電功率為

WT=ηTm(hT,out-hT,in)

(3)

式中：hT,in與hT,out分別為冷媒泵進出口的比焓，kJ/kg；ηT為膨脹機的等熵效率，設(shè)為80%。

(4)

式中：ELNG,in與ELNG,out在方案一與方案三中分別為冷凝器1進口與冷凝器2出口LNG的值，在方案二中分別為冷凝器1進出口LNG值，kW；EM,in為加熱器1進口煙氣值，而EM,out在方案一中為加熱器2出口煙氣值，在方案二與方案三中為加熱器1出口煙氣值，kW；WT-tol為兩膨脹機發(fā)電功率之和，kW；Wp-tol為兩冷媒泵輸入功率之和，kW。

將表2～表4中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)～式(3)可分別得出三種方案中各節(jié)點的值、兩冷媒泵的輸入功以及兩膨脹機的發(fā)電功率，然后將式(1)～式(3)的計算結(jié)果代入式(4)，可計算出系統(tǒng)效率，表5為三種方案中發(fā)電系統(tǒng)效率與膨脹機總發(fā)電功率的對比。

表5 三種方案的效率與膨脹機總發(fā)電功率比較

表5 三種方案的效率與膨脹機總發(fā)電功率比較

方案效率/%總發(fā)電功率/kW方案一23.41188方案二25.88340方案三19.70162

4 結(jié)論

1) 本文通過改變發(fā)電系統(tǒng)的連接形式，提出三種不同的發(fā)電方案，并通過HYSYS軟件對方案進行模擬計算，對比分析不同方案的系統(tǒng)效率與膨脹機總發(fā)電功率，最后得出方案二的效率與膨脹機總功率最高，分別為25.88%與340 kW，為最佳方案，可最大程度利用LNG冷能，減少船舶設(shè)備電耗與燃料消耗。