LNG船用BOG再液化工藝系統效能優化

談 震 方江敏 黎志昌

(華南理工大學機械與汽車工程學院 廣州 510640)

1 引言

隨著LNG在全球能源市場所占份額日益擴大，LNG(liquefied natural gas)海運行業得到了空前的發展。在LNG海運過程中如何提高BOG(boil off gas，LNG蒸發氣)的回收利用率，成了當前國際建造LNG運輸船的前沿課題［1］。為提高LNG海運效率，降低運輸成本，用BOG再液化系統工藝流程對LNG船進行優化設計有著巨大的運用潛力。

2 模擬流程

2.1 流程建模及說明

LNG船用BOG再液化裝置工藝所涉及的單元設備有壓縮機、海水換熱器、換熱器、多股流換熱器等［2］。在用ASPEN PLUS化工模擬軟件對LNG船用BOG再液化裝置進行整個工藝流程模擬計算時，分別選用如下的模塊:壓縮機(Cpr)、冷卻器(Cooler)、雙股流換熱器(HeatX)、多股流換熱器(MHeatX)、節流閥(Valve)。使用上述模塊對LNG船用BOG再液化流程建立模型圖，如圖1所示。

圖1 工藝模擬流程圖Fig.1 Picture of simulation process

再液化系統采用復疊式制冷系統，由BOG制冷循環、丙烯制冷循環和混合制冷劑制冷循環構成，即由一個以液貨為制冷介質的開式循環和兩個分別采用丙烯、混合制冷劑的閉式制冷循環組成。3個制冷循環的說明如下:

(1)BOG制冷循環:LNG液貨艙中的BOG進入回熱器中，為混合制冷劑的過冷提供冷量，再由BOG壓縮機壓縮，壓縮后的高溫BOG通過海水換熱器1帶走熱量，降溫后的BOG進入丙烯多股流換熱器預冷，再通過BOG深冷換熱器進行深冷，最后由BOG節流閥節流降溫。節流后的BOG冷凝液進入氣液分離器，液相直接返回液貨艙，氣相BOG與LNG液貨艙中的BOG匯合在此進入下一次BOG制冷循環。

(2)丙烯制冷循環:丙烯制冷劑經過丙烯壓縮機壓縮后，進入海水換熱器2降溫，再由丙烯節流閥節流降溫。進入丙烯預冷多股流換熱器，為BOG和混合制冷劑的預冷提供冷量，換熱后進入下一輪循環。

(3)混合制冷劑制冷循環:混合制冷劑由混合制冷劑壓縮機壓縮后，依次經過海水換熱器3、預冷多股流換熱器、混合制冷劑換熱器、深冷多股流換熱器、回熱器進行換熱直至被液化過冷。經回熱器后的過冷混合制冷劑由混合制冷劑節流閥降壓降溫后，進入深冷多股流換熱器提供冷量，流出的混合制冷劑再利用剩余冷量為混合制冷劑換熱器提供冷量后，進入下一輪混合制冷劑循環。

2.2 流程性能參數計算公式

通過軟件的模擬計算得到各節點的壓力、溫度、密度、質量流量等熱力學參數。運用表1中所示的計算公式，計算出工藝流程分析中用到的重要性能參數。

表1 重要性能參數計算公式Table 1 Important performance parameters

3 流程優化

3.1 優化目標

在流程優化問題中，目標函數十分重要。目標函數不同，液化流程的性能以及設計變量的最終優化的結果相差將會很大［3］。追求高效、低能耗、低投資是再液化流程設計的目的。所以應以降低流程功耗和增加再液化系統中3個制冷循環的制冷效率作為優化的目標。本文以BOG壓縮機出口壓力、丙烯預冷溫度、丙烯壓縮機出口壓力、丙烯制冷節流閥出口壓力、混合制冷壓縮機出口壓力作為優化的變量，以流程中壓縮機功耗最小為優化的目標函數。以此得到如下的優化目標函數:

式中:Pmin為總功耗的最小值;a為BOG壓縮機出口壓力;b為丙烯壓縮機出口壓力;c為丙烯預冷溫度;d為丙烯制冷節流閥出口壓力;e為混合制冷壓縮機出口壓力;Pcpr1為BOG壓縮機功耗;Pcpr2為丙烯壓縮機功耗;Pcpr3為混合制冷劑壓縮機功耗。

以 a、b、c、d、e為優化變量，在優化計算中尋找其最佳取值，使得在該最佳取值狀態下，工藝流程的總功耗最低。

3.2 約束條件

在進行流程優化時，為了讓優化方法得到的參數進行流程計算時具有物理意義，在優化時設定如下約束條件:

(1)各制冷循環的壓縮機入口工質必須為氣相;

(2)丙烯制冷循環中，經海水換熱器冷卻后的丙烯制冷劑，至少被部分液化;

(3)海水換熱器入口溫度必須高于出口溫度;

(4)BOG制冷循環中，BOG經深冷多股流換熱器HX4冷卻后，至少被部分液化;

(5)混合制冷劑制冷循環中，混合制冷劑經回熱器HX1冷卻后，至少被部分液化;

(6)根據熱力學第二定律，在優化計算中必須設定各換熱器的熵增大于零;

(7)各節流閥都產生降溫，并且有氣液兩相產生;

(8)產生目標函數的最優值時對應生成的一組流程已知參數，以此為已知參數計算整個流程性能時，各換熱器的熱量要平衡［4］。

3.3 優化方法

由于優化計算中優化變量有5個，求解難度較大。為了簡化求解，采用變量輪換法［5］也稱為交替方向法，基本原理較為簡單，它對目標函數的解析性質沒有特別的要求，適用于各變量之間無本質上聯系或沿坐標軸方向搜索比較容易的特殊結構。圖2為使用變量輪換法進行優化計算的框圖。為了使優化的結果精確，在優化計算中設定了變量的變化值，即優化變量步長Δx，如表2所示。

圖2 模擬優化步驟圖Fig.2 Picture of simulation and optimization steps

表2 優化變量步長Table 2 Optimal step size

圖2中，ε為計算結果是否滿足要求的判據，當兩次計算結果差值絕對值小于判據數值時計算結束。在優化計算中，ε取0.05 kW。

3.4 優化結果

該工藝優化的初始值即優化前的計算值為現有工藝的實際流程參數，見表4。通過模擬工藝流程并對重要性能參數進行計算，得到優化變量的優化值如表3所示。

表3 優化后優化變量的最佳值Table 3 The best values of optimization variables be optimized

根據表3的優化結果，按照表1的重要性能參數計算公式，采用ASPEN PLUS模擬軟件計算出所需要分析的重要性能參數值，并與優化前的工藝流程重要性能參數進行比較，如表4所示。

表4 優化前后重要性能參數比較Table 4 Important performance parameters be compared between before and after be optimized

從表4中的對比結果可見，工藝流程在能耗與制冷效率方面都得到不同程度的優化。

在能耗方面，與優化前工藝流程相比，優化前工藝流程的總功耗為424.9 kW，優化后降為392.555 kW，優化后與優化前相比總功耗降低了7.61%，由此可見，通過優化較好地達到了降低再液化系統能耗的目的。

在制冷效率方面，通過調整各壓縮機出口壓力與各節流閥出口壓力，使得制冷循環中的冷量得到充分利用，即保證制冷量最優化滿足工藝要求。優化后與優化前相比，BOG、丙烯、混合制冷劑制冷循環的制冷系數分別提高了6.54%、15.36%、6.02%，制冷效率得到提高。

4 結論

(1)采用ASPEN PLUS對LNG船BOG再液化裝置工藝流程進行模擬，選定BOG壓縮機出口壓力、丙烯預冷溫度、丙烯壓縮機出口壓力、丙烯制冷節流閥出口壓力、混合制冷壓縮機出口壓力作為優化的變量，以壓縮機功耗最低為優化目標，建立目標函數Pmin。

(2)采用變量輪換法進行優化計算，得出BOG壓縮機出口壓力、丙烯預冷溫度、丙烯壓縮機出口壓力、丙烯制冷節流閥出口壓力、混合制冷壓縮機出口壓力等優化變量的最優值。

(3)采用優化變量最優值計算工藝流程的重要性能參數，并與優化前進行對比。與優化前相比，工藝系統的總功耗降低了7.61%，3個制冷循環的制冷效率都有所提高。

1 范思奇.液化氣體船［M］.大連:大連海運學院出版社，1993:138－139.

2 黎志昌.LPG船用BOG再液化裝置工藝流程模擬與優化［J］.低溫工程，2010(4):62－66.

3 趙國偉，尹全森，季中敏，等.單級混合制冷劑天然氣液化流程動態特性模擬［J］.節能技術.2009，7(4):315－317.

4 顧安忠.液化天然氣技術［M］.北京.機械工業出版社，2008:70－87.

5 何堅勇.最優化方法［M］.北京:清華大學出版社，2007:313－316.