LNG動力船冷能和余熱發電系統的模擬優化

胡選哲， 孫文哲， 顧驍勇， 侯 龍， 馮夢嬌

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

HU Xuanzhe, SUN Wenzhe, GU Xiaoyong, HOU Long, FENG Mengjiao

LNG動力船冷能和余熱發電系統的模擬優化

胡選哲， 孫文哲， 顧驍勇， 侯 龍， 馮夢嬌

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

提出利用有機朗肯循環系統來回收液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)動力船上的LNG冷能和煙氣余熱的發電系統。以4 800 kW的雙燃料拖船為研究對象，利用ASPEN PLUS流程模擬軟件對該系統進行模擬，并對循環工質和熱交換器端部溫差進行優化分析。模擬分析結果表明：在相同膨脹機入口溫度下，熱交換器端部溫差為90 ℃時，乙烷工質系統在膨脹機入口的壓力為15 MPa時有最優的發電功率值；雙機系統最大發電功率達157 kW，完全可以通過減少一個150 kW的主柴油機發電機組來產生巨大的經濟效益和環境效益。

HUXuanzhe,SUNWenzhe,GUXiaoyong,HOULong,FENGMengjiao

Abstract: The proposed power generation system uses exhaust heat and the recycle cold energy from Organic Rankine’s cycle on Liquefied Natural Gas(LNG) powered vessels. The 4 800 kW dual fuel tugboat is chosen as an example object of study. Simulation of this system uses ASPEN PLUS process simulation software. The optimization analysis of circulating medium and end temperature difference of the heat exchanger is done. The data of simulation and analysis show that when the inlet pressure is 15 MPa and the end temperature difference of the heat exchanger is 90 ℃ the ethane’s cycle reaches an optimal power. The maximum generation power can reach 157 kW so that the 150 kW main diesel generator set on the tugboat can be replaced, bringing enormous economic and environmental profits.

Keywords: ship engineering; LNG powered vessel； cold energy； ASPEN PLUS； power； exergy efficiency

為有效控制船舶對海洋的污染，國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)已出臺相應規定，要求重質燃料油的平均含硫質量分數從目前的4.5%降到2020年的0.5%，輕質燃料油的平均含硫質量分數降到0.1%；此外，柴油機的NOx排放標準也越來越高，而柴油作為船舶燃料很難達到這些要求。將液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)作為船舶的動力燃料，可在很大程度上降低污染物的排放，其中：CO2的減排能達到10%～15%，硫化物的減排能達到100%，NOx的減排能達到80%～90%。[1]在此過程中，廢油水和煙塵的排放量也能得到一定程度的降低。與柴油燃料相比，LNG燃料對環境的影響較小，可有效實現節能減排的目的。因此，LNG是未來船舶燃料的主要選擇。[2]

目前，天然氣在LNG動力船上是以液態存儲的，使用時通過海水或發動機冷卻水直接加熱氣化，溫度升高到一定程度后進入發動機燃燒。[3]一定壓力下的LNG具有大量的冷量和壓力，若以100%的效率將其轉換成電力，則動力輸出約為250 (kW·h)/t；而在上述過程中，LNG的大量冷能和低品位熱能被白白浪費。近些年已有較多關于利用LNG冷能和低品位熱能發電的研究。HISAZUMI等[4]提出低品位熱源和LNG冷能共同利用的動力循環。王強等[5]對基于LNG和低溫余熱的循環進行熱力分析，提出熱源溫度、冷凝溫度和蒸發壓力對循環效率有重要的影響。MIYAZAKI等[6]提出一種混合動力循環系統，該系統包括利用垃圾焚燒產生的熱能作為高溫熱源、LNG冷能作為低溫冷源，以氨水為工質的朗肯循環。然而，上述系統主要針對的是LNG接收站、衛星站和工業低品位熱源的研究，所用的循環多為聯合法，導致系統復雜；而船上空間有限，且要求系統具有較高的穩定性。此外，所用的循環工質主要是CO2和氨水等[7-8]，所利用的LNG冷能的溫區有限，對有機工質同時回收煙氣余熱和LNG冷能的研究較少，而低沸點的有機工質在回收中、低溫余熱方面有巨大優勢。[9]因此，以4 800 kW雙燃料拖船為研究對象，提出將LNG的低溫與船舶尾氣的熱量相結合的有機朗肯循環發電系統，應用化工流程模擬軟件ASPEN PLUS對各個可用的有機工質進行模擬優化，并針對最佳有機工質系統的回熱器作進一步優化研究。

1 4 800 kW雙燃料拖船的主要輪機數據

該船為雙機雙舵槳舯機艙型拖船，主機單機最大持續功率約為2 400 kW。主機使用天然氣燃料或船用輕柴油(#0)。設置2臺主柴油發電機組，每臺機組功率為150 kW。正常航行時由1臺發電機組供電，亦可2臺發電機組長期并車運行。根據《瓦錫蘭34DF/2001柴油機技術手冊》，可得到該主機的熱量平衡(見表1)。主機在100%功率負荷時天然氣消耗量為7 877 kJ/(kW·h)(經計算即需LNG燃料流量0.145 87 kg/s)，船舶煙氣流量為4.23 kg/s，溫度為400 ℃。

表1 單個主機熱量平衡

由表1可知，船上煙氣余熱較為豐富，回收這些能量對節能減排意義重大。根據《天然氣燃料動力船舶規范》，儲罐中LNG氣體體積成分為：甲烷占94%，乙烷占4.7%，丙烷占0.8%，丁烷占0.2%，氮氣占0.3%。該主機要求送入的天然氣溫度為0～60 ℃，這里定為15 ℃，壓力為0.60～0.65 MPa。

2 基于ASPEN PLUS的LNG冷能與煙氣余熱相結合的發電系統及其模擬參數

在LNG雙燃料動力船上利用ASPEN PLUS流程模擬軟件建立的LNG冷能與煙氣余熱相結合的發電系統模擬流程見圖1。該發電系統主要由LNG流程(1—H1—2—H2—3)、帶回熱的有機朗肯循環流程(9—B1—4—H4—5—H3—6—P1—7—H4—8—H1—9)、發動機低溫冷卻水循環流程(10—H2—11)和發動機煙氣換熱通道(12— H3—13)等4個部分組成。

圖1 LNG冷能與煙氣余熱結合的發電系統模擬流程

1) 對于LNG流程，LNG經換熱器H1與有機朗肯循環工質換熱后被加熱氣化，從狀態1到狀態2；氣態天然氣再經換熱器H2被發動機冷卻水加熱到燃料進氣所需的溫度15 ℃，從狀態2到狀態3；隨后與空氣混合送入主機燃燒。

2) 對于帶回熱的有機朗肯循環流程，工質被冷凝后經低溫泵B1加壓到一定的壓力而成為低溫高壓液體，從狀態9到狀態4；低溫高壓液體經熱交換器H4被加熱氣化成兩相態或氣態，從狀態4到狀態5；高壓兩相態或氣態工質經加熱器H3被煙氣余熱加熱到一定的溫度(考慮到煙氣溫度為400 ℃、換熱工質均為氣態及船上換熱器不宜太大，該溫度定為300 ℃)，從狀態5到狀態6；高溫、高壓的氣態有機工質經膨脹機P1膨脹做功發電，膨脹到冷凝壓力的同時溫度也降低，從狀態6到狀態7；膨脹后的低壓有機工質經熱交換器H4與高壓的低溫液體換熱，回收一定的熱量后溫度進一步降低，從狀態7到狀態8；換熱后的低溫、低壓工質在H1中與LNG換熱，被冷凝為液體狀態，從狀態8到狀態9，完成整個循環。

3) 對于低溫冷卻水循環流程，從發動機冷卻水系統換熱器前分出一路從狀態10經換熱器H2加熱成低溫天然氣后到狀態11，溫度從38 ℃降低到25 ℃后匯合到發動機冷卻水系統。

4) 對于發動機尾氣通道，其用來加熱高壓低溫有機循環工質，使之成為高壓、高溫的氣態有機工質，從狀態12到狀態13；然后去余熱鍋爐進一步利用，或排放到空氣中。

模擬計算中，ASPEN PLUS提供多種物性方法。由于天然氣的主要成分是非極性物系甲烷，因此本系統中LNG流程物性選用RK方程。有機朗肯循環物性選用RKS方程，煙氣通道模擬選用PR物性方程。綜合文獻[10]和文獻[11]，確定系統的模擬計算參數見表2。

表2 系統的模擬計算參數

3 循環有機工質的優化分析

與常規有機朗肯循環工質的選取標準不同，LNG冷能與船舶尾氣熱能相結合的有機朗肯循環發電系統不僅能最大化地回收熱能，而且能最大化地回收LNG的冷能。這里重點考慮工質與LNG的匹配效果。

考慮到LNG在0.65 MPa壓力下的沸點為132.1 ℃及循環中要避免負壓，同時有機工質相對于CO2和氨水等循環工質在相同的壓力下具有更低的冷凝溫度且對冷能的利用更為充分，主要選取乙烷、乙烯、丙烷和丙烯等工質。 根據美國國家標準局發布的軟件REEPROP的工質物性，可得到LNG及所研究有機工質的氣化曲線(見圖2)。由該曲線可知，在相同的冷凝壓力下，乙烯和乙烷的氣化曲線與LNG的更接近。下面分別對這4種有機工質進行模擬研究，并對最佳有機工質的系統進行優化研究。

圖2 LNG及所研究有機工質的氣化曲線

4 該系統的發電功率和效率方程

4.1發電功率方程

該動力循環的發電功率為

W=W1η3-W2

(1)

式(1)中：W為發電功率；W1為膨脹機的做功功率；W2為LNG低溫泵消耗的功率；η3為發電機效率。

4.2效率方程

一般的動力循環都用熱效率來衡量系統的性能，而本系統既應用LNG的低溫冷能，又利用發動機排放煙氣的熱能，屬于跨越環境溫度的動力系統。因此，選用效率來衡量系統的性能。

ex=h-h0-T0(s-s0)

(2)

Eout=EXP1-EXB1

(3)

式(3)中:EXP1為膨脹機產生的,EXP1=W1,即膨脹機膨脹所做的功可由模擬流程模塊P1的模擬結果直接得出;EXB1為有機工質低溫泵消耗的,EXB1=W2,即有機工質低溫泵所消耗的功可由模擬流程模塊B1的模擬結果直接得出。

EXin=EX1+EX2

(4)

式(4)中:EX1為LNG的冷量,EX1=m1(ex1ex3);EX2為發動機尾氣的熱量,EX2=m12(ex12ex13)。因此，該發電系統的效率為

(5)

5 模擬結果及優化研究

由于該系統中的LNG在儲罐中的壓力和溫度及天然氣進入發動機所要求的壓力和溫度均是確定的，因此影響發電功率和效率的因素主要是有機工質種類、循環膨脹前有機工質的溫度和壓力及熱交換器的設計換熱溫差。

5.1系統所用不同有機工質的模擬結果及最優工質選取

5.1.1總發電功率方面

圖3為不同有機工質、不同膨脹機入口壓力下的總發電功率，從中可看出，隨著膨脹前壓力增大，4種有機工質的總發電功率先急劇增大后緩慢減小，呈拋物線形狀，都有一個極大值點。這主要是因為隨著壓力增大，泵耗功增大的速度大于膨脹機發電增大的速度。此外還可看出，在相同條件下，乙烷工質的發電功率遠遠高于其他工質，膨脹機入口壓力約為15 MPa時，發電功率達到最大值75.836 kW。

5.1.2總效率方面

圖3 不同有機工質、不同膨脹機入口壓力下的總發電功率

圖4 不同有機工質、不同膨脹機入口壓力下的總效率

總的來說，對于該確定的系統，4種常用有機工質中乙烷是最佳的。

5.2熱交換器不同端部溫差下系統的模擬結果及優化分析

上述模擬研究的系統是帶回熱的有機朗肯循環。為對系統作進一步研究，采用最優工質乙烷，膨脹機入口壓力定為15 MPa。由于LNG燃料的流量相對確定，因此乙烷在換熱器H1中冷凝吸收的熱量是隨LNG出口溫度的變化而變化的，而LNG出口溫度的變化主要由狀態8的乙烷溫度決定，狀態8即為膨脹機出口與乙烷熱交換器H4換熱后的狀態。對此，著重對熱交換器H4進行研究。

圖5為熱交換器不同端部溫差下的總發電功率，從中可看出，隨著熱交換器H4端部溫差增大，系統總發電功率先緩慢增大后急劇下降，在端部溫差為90 ℃左右時達拋物線最高點，即最大功率為78.467 kW。此時換熱器即可做得相對較小來適應船上空間較小的情況，發電功率也提高了3.5%。

圖5 熱交換器不同端部溫差下的總發電功率

圖6 熱交換器不同端部溫差下的總效率

圖7為熱交換器不同端部溫差下的工質流量，通過計算可看出，其圖形與總發電功率的圖形極為相似。由此可知，熱交換器H4的端部溫差主要是通過控制乙烷工質的流量來影響總發電功率的。

圖7 熱交換器不同端部溫差下的工質流量

5.3對煙氣出口溫度的分析

圖8和圖9分別為不同膨脹機入口壓力下煙氣的出口溫度和熱交換器不同端部溫差下煙氣的出口溫度。從中可看出，乙烷工質循環系統中，隨著膨脹機入口溫度升高，不同壓力下的平均煙氣出口溫度先急劇下降后緩慢下降，且隨著熱交換器H4端部溫差增大呈直線下降趨勢。然而，在該系統的最優條件下(即膨脹前壓力15 MPa)，熱交換器端部溫差90 ℃時平均煙氣出口溫度還是達到了367 ℃，說明在LNG動力船上增加該LNG冷能和煙氣余熱發電系統后不會對其他余熱的利用產生重大影響。

圖8 不同膨脹機入口壓力下煙氣的出口溫度

圖9 熱交換器不同端部溫差下煙氣的出口溫度

6 結束語

1) 通過對雙燃料拖船LNG冷能和煙氣余熱發電系統進行模擬優化，開啟對LNG動力船上冷能和余熱利用的研究，為以后的研究奠定基礎;同時,驗證LNG冷能在LNG動力船上應用的可行性。

2) 用ASPEN PLUS對該有機朗肯循環系統進行模擬優化，得出乙烷是最佳的循環工質及在熱交換器最優端部溫差為90 ℃左右的模擬優化分析結果；同時，得到最佳循環工況下2 400 kW主機的LNG冷能利用系統最大可產生78.467 kW的電能，兩臺主機的LNG冷能利用系統最大可產生約157 kW的電能，而兩臺主柴油發電機組的發電功率各150 kW，即使考慮發動機負荷變化的情況也可減少一臺主柴油發電機組，以大大降低該船的運營成本，同時獲得巨大的環境效益。

3) 該研究充分利用LNG的冷能，但發動機煙氣換熱利用后的出口溫度仍達367 ℃，其熱能還沒得到充分利用，在以后的研究中應綜合考慮。

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SimulationandOptimizationofColdEnergy-ExhaustEnergyPowerGenerationSystemonLNGPoweredVessel

(Merchant Marine College，Shanghai Maritime University， Shanghai 201306, China)

U665.1; U674.92

A

2016-01-11

上海海事大學研究生創新基金(YXR2014009)

胡選哲(1989—), 男, 河南鄧州人，碩士，從事LNG冷能發電系統的研究。E-mail: huxuanzhe09@163.com

1000-4653(2016)02-0019-05