3 500 t雙燃料主機運輸船LNG冷能利用方案設(shè)計與優(yōu)化

劉 銳，沈 妍，吳春明，姚壽廣*,谷家揚

(1. 江蘇科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212100) (2. 江蘇科技大學(xué) 機電與動力工程學(xué)院, 張家港 215600) (3. 江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院, 鎮(zhèn)江 212003)

文中以長江干線3 500 t運輸船雙燃料主機LNG冷能利用方案的設(shè)計與優(yōu)化為目標(biāo)，整合LNG冷能和套缸冷卻水余熱，從能量梯級利用的角度提出多種適應(yīng)該船需要的冷能利用系統(tǒng)方案.利用Aspen HYSYS軟件對新設(shè)計的方案進行模擬對比分析，并采用遺傳算法對篩選出的方案進行參數(shù)優(yōu)化，以為該型運輸船舶雙燃料主機LNG冷能綜合利用提供可供設(shè)計選用的方案.

1 原船的設(shè)計參數(shù)及方案

1.1 原船的設(shè)計參數(shù)

根據(jù)該船設(shè)計說明書及主機工程手冊，其主要參數(shù)見表1.

表1 船舶系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)

運輸船冷庫為高溫冷庫(-5 ℃).根據(jù)《船舶伙食冷庫壓縮機制冷量的預(yù)測》，船舶冷庫所需制冷量為8 kW.

1.2 設(shè)計理念

在設(shè)計中，由于船舶噸位較小，LNG汽化流量不高，所以系統(tǒng)方案便以“高品位冷能滿足發(fā)電，低品位冷能替代原船舶制冷系統(tǒng)所需冷能”為設(shè)計理念.

方案中采用低溫有機工質(zhì)朗肯循環(huán)實現(xiàn)LNG冷能發(fā)電，熱源選取套缸冷卻水.制冷系統(tǒng)中，利用LNG換熱器將冷能傳遞給冷媒，再通過冷媒實現(xiàn)原制冷系統(tǒng)的目的.在此基礎(chǔ)上結(jié)合該運輸船的需求設(shè)計綜合性的船舶能量利用系統(tǒng)方案.所設(shè)計4種方案.

方案1：由于該船舶噸位較小，為了減少不必要的資金投入，方案1采用純發(fā)電模式，冷媒選擇丙烷.

方案2：在方案1的流程模擬過程中發(fā)現(xiàn)，還有冷能未能利用.方案2在保證發(fā)電功率不變的情況下，利用剩余冷能用于蓄冷，蓄冷系統(tǒng)可以在船切換燃料和靠岸時用于冷庫制冷，冷媒選擇40%的乙二醇溶液.

方案4：為進一步調(diào)和方案3中各模塊冷能的配置，在方案3的發(fā)電部分處加一個回?zé)崞?

2 Aspen HYSYS軟件模擬

2.1 流程建立

Aspen HYSYS是成熟的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模擬軟件，可用于改進工程的設(shè)計與操作，提高能量利用率以及降低資本消耗.根據(jù)初步設(shè)計的LNG冷能利用方案，用Aspen HYSYS軟件對4種方案進行流程模擬，選出最佳方案，如圖1.

(a) 方案1

2.2 模擬結(jié)果

表2 不同方案的模擬結(jié)果

2.3 最佳方案選擇

3 優(yōu)化設(shè)計方案

3.1 工質(zhì)的優(yōu)化

表3 方案4各模塊損

圖2 換熱器1的溫度與熱流的曲線

表4 乙烷在混合工質(zhì)中不同摩爾分數(shù)下的分析

由表4分析得出，不同比例的混合工質(zhì)在滿足系統(tǒng)要求和收益來看效果都不如單一工質(zhì)乙烷好，所以系統(tǒng)的低溫朗肯循環(huán)發(fā)電的工質(zhì)應(yīng)選取單一工質(zhì)乙烷.

3.2 參數(shù)優(yōu)化

3.2.1 確定敏感參數(shù)

圖3 膨脹機入口壓力與發(fā)電模塊效率的關(guān)系

圖4 膨脹機出口壓力與發(fā)電模塊效率的關(guān)系

3.2.2 利用遺傳算法進行參數(shù)優(yōu)化

遺傳算法是模擬達爾文生物進化論的自然選擇和遺傳學(xué)機理的生物進化過程的計算模型，是一種通過模擬自然進化過程搜索最優(yōu)解的方法，通過遺傳算法可以針對幾個敏感參數(shù)采用恰當(dāng)?shù)淖顑?yōu)算法進行系統(tǒng)方案全局參數(shù)優(yōu)化，這樣才能得到最佳設(shè)計系統(tǒng)方案.

表5 優(yōu)化前后對比

4 經(jīng)濟性分析

4.1 初始設(shè)備投入

根據(jù)中國國內(nèi)市場詢價給出系統(tǒng)初始投入設(shè)備的投資總價，見表6.

表6 設(shè)備資金投入

4.2 運行收益

系統(tǒng)的運行成本為[16]：

(1)

式中：ZCI,k為系統(tǒng)組件投資；ZOM,k為系統(tǒng)運行成本.

(2)

式中：Zk為系統(tǒng)各組件投資成本；φ為系統(tǒng)維護系數(shù)，取1.06[17]；N為系統(tǒng)年運行時間，取7 200 h；CRF為資本回收率：

(3)

式中：n為系統(tǒng)壽命，取20年；i為年利率，取14%.電力生產(chǎn)成本EPC和系統(tǒng)年凈收入ATNI為：

(4)

ATNI=7 300(EP-EPC)·Wnet

(5)

式中：EP為目前電力價格取0.86元/(kW·h)(數(shù)據(jù)來源于中國工業(yè)市場電價)；EPC為該系統(tǒng)單位電能生產(chǎn)成本，計算可得EPC值為0.313 2元，二者差值為系統(tǒng)單位生產(chǎn)電能凈利潤，通過以上公式，可以計算出系統(tǒng)年凈收入總額為5.75萬元，回收成本周期為3.6年.

5 結(jié)論

(1) 通過對雙燃料運輸船LNG冷能利用途徑和目標(biāo)船只需求的研究，提出了的4個方案.最終的優(yōu)化方案不僅在運行時能提供電量和滿足冷庫需求，還能在船切換燃料和?？繒r為冷庫提供冷能.

(3) 通過對優(yōu)化方案的投入資金和收益的計算，回收成本周期為3.6年，經(jīng)濟收益明顯.