毛惠艺，汪自钊

(江苏科技大学 能源与动力学院，江苏 镇江 212100)

0 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[1]，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LNG 气化冷能利用方案的设计优化研究，并借助ASPEN HYSYS 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。

1 LNG 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、85%负荷、夏季工况下的VLCC 为研究对象。

考虑到LNG 从-162℃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-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3 MPa，远远大于主机NG 进气压力1.6 MPa，在LNG进入气相显热段时，构建LNG 回热系统，不仅能充分利用压力㶲进行发电，还对刚进入系统的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LNG换热曲线的工质[8]。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[6]。

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发电的综合LNG 冷能利用系统，系统设计流程如图1 所示。

图1 系统流程图Fig. 1 System flow chart

LNG 流程：LNG 进口压力为3 000 kPa，高品质冷能依次进入换热器H-1、H-5、H-9、H-12 中，为换热器提供冷量㶲进行发电，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入换热器H-1、H-5、H-13、H-14中，分别对刚进入系统的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。

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。

表1 LNG 系统模拟组分Tab. 1 System simulation component

系统方案中的参数设置如下：泵效率为0.75，膨胀机等熵效率为0.85；换热器最小端差为5℃，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25℃，压力取101.325 kPa

2.2 模拟结果及其分析

部分流程关键参数如表2 所示，㶲部分计算结果如表3 所示。可看出，系统总㶲效率仅为38.87%。分析其㶲损失可发现，换热器H-1，H-5㶲损失较大，分别为125.42 kW，162.02 kW，尤其是H-1 的㶲损失占总㶲损失的16.68%，而H-5 的㶲损失占总㶲损失的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，即在㶲损较大的部分进行优化，以降低㶲损，提高效率。

表2 物流参数的热力学性质Tab. 2 Thermodynamic properties of logistics parameters

表3 系统㶲分析计算结果Tab. 3 Exergy analysis and calculation result

图2 换热器H-1 温度热流图Fig. 2 H-1 temperature heat flow diagram of heat exchanger

图3 换热器H-5 温度热流图Fig. 3 H-5 temperature heat flow diagram of heat exchanger

2.3 工质优化

由上述㶲计算与㶲损分析可知，若想进一步减小系统的㶲损，提高系统㶲效率，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。为选择合适的混合工质，图4 给出了几种常见的单一工质和LNG 温熵曲线的对比。

图4 常见单一工质与LNG 温熵曲线图（H-1）Fig. 4 H-1 temperature entropy curve of common single working medium and LNG (H-1)

可知，只有乙烷和甲烷与LNG 汽化曲线较为相近，其中较低温度（-162℃ ～ -100℃）段乙烷与3 000 kPa 的LNG 气化曲线更为接近，其中1 600 kPa 的LNG 在其温度范围（-108℃～ -103℃）内与甲烷气化曲线接近，因此可考虑将甲烷、乙烷和丙烷作为混合工质。通过ASPEN HYSYS 软件改变换热器H-1 中循环混合工质（甲烷∶乙烷∶丙烷）的比例进行模拟可知，当甲烷的比例高于60%时，系统将出现温度交叉。下图选取甲烷、乙烷、丙烷不同的比例绘制出混合工质与LNG 温熵曲线图，如图5 所示。当甲烷∶乙烷∶丙烷=4∶5∶1 时，其温熵曲线与2 条LNG 曲线最贴合。

图5 混合工质（110 kPa）与LNG 温熵曲线图Fig. 5 Temperature entropy curve of mixed working medium(110 kPa) and LNG

此时，换热器H-1 温度热流曲线如图6 所示，通过工质优化后，换热器LNG1 内温差得到减小，并且曲线更为贴合， LNG-1 的㶲损从最初125.42 kW，降低至32.2 kW。

图6 工质优化后换热器H-1 温度热流图Fig. 6 H-1 temperature heat flow diagram of heat exchanger after working medium optimization

同理，图7 给出了几种常见的单一工质和LNG（3 000 kPa、1 600 kPa）的温熵曲线（温度范围是-100°C～70°C）对比。在所选比例中，当甲烷∶乙烷∶丙烷=4∶3∶3 时，较为贴合。结合循环模拟约束条件及混合工质对系统㶲效率的影响，优化后的混合工质最佳配比为乙烷∶丙烷=0.55∶0.45。

图7 常见单一工质与LNG 温熵曲线图（H-5）Fig. 7 Temperature entropy curve of common single working medium and LNG (H-5)

经过工质优化后，此时换热器H-5 温度热流曲线如图8 所示，工质优化后曲线更为贴合，换热器H-5㶲损从最初的162.02 kW，降低至现在54.3 kW。因此效率得到提高。

图8 工质优化后换热器H-5 温度热流图Fig. 8 H-5 temperature heat flow diagram of heat exchanger after working medium optimization

当改用混合工质后，透平输出总功率增加了15.9 kW，且系统的总㶲效率也有所提升，从最初的38.87%提升至40.71%，相比工质优化前提升了1.84%。

2.4 基于遗传算法的参数优化

考虑到优选设计方案系统中敏感参数的变化对整个系统性能产生很大影响又相互耦合，因此需要以整个系统㶲效率最优为目标，对优选方案进行参数匹配优化，即进行参数优化。

分析图9 可知，换热器H-1、H-5、H-4、H-8 中间介质冷凝压力、蒸发压力都对系统㶲效率均影响较大。为此选择这8 个参数作为敏感参数进行系统全局优化。通过HYSYS 软件模拟，在保证换热器正常工作，不出现温度交叉的前提下，找出各个敏感参数的上下限，再通过Matlab 调用遗传算法寻找最优解。

图9 优化方案各工质相关参数与系统㶲效率Fig. 9 Exergic efficiency of the system and related parameters of each working medium were optimized

表4 给出了各个敏感参数的上下限和基于遗传算法全局参数优化后的参数。

表4 敏感参数的取值范围及优化结果Tab. 4 Value range of sensitive parameters and optimization results

由图10 可看，出在参数优化后，使得曲线更为贴合，减小了换热器㶲损失。

图10 参数优化后换热器H-1 温度热流图Fig. 10 H-1 temperature heat flow diagram of heat exchanger after parameter optimization

基于遗传算法进行参数优化后，输出功率和㶲效率都显著提升，透平输出总功率增加了35.5 KW，系统总㶲效率从40.71%提升至47.64%。

3 结 语

本文通过研究30 万吨燃料动力船冷能利用系统，设计并优化了一套以发电为主、兼顾船舶空调的LNG冷能综合利用方案，经研究得到以下3 点结论：在满足本船空调负荷需求量的前提下，结合船舶主机缸套冷却水和高温烟气，提出了一套优选的、能最大限度利用LNG 冷能发电的综合利用方案；经工质筛选优化，该系统中的最佳匹配工质是：换热器H-1 混合工质配比为甲烷:乙烷:丙烷=4∶5∶1，换热器H-5 混合工质配比为乙烷:丙烷=0.55∶0.45；经系列优化后的该系统㶲效率为47.64%，该系统发电输出功为268.9 kW。