應用LNG冷能的漁船冷庫制冷模擬研究

陳 超，闞安康，楊 帆，齊 丹，徐志峰

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

應用LNG冷能的漁船冷庫制冷模擬研究

陳 超，闞安康，楊 帆，齊 丹，徐志峰

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

我國LNG動力漁船數(shù)量逐漸增多，前景廣闊。LNG在由儲罐進入動力裝置利用之前會釋放出大量冷能，為了有效的利用這部分冷能，提出了將LNG冷能用于漁船發(fā)電及冷庫制冷相結(jié)合冷能利用系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)及冷庫內(nèi)部冷能的梯級利用。利用HYSYS軟件對該冷庫系統(tǒng)進行流程模擬及熱力學計算分析。計算結(jié)果表明，該冷庫系統(tǒng)的系統(tǒng)能效(COP)為1.86，火用效率為82.05%。其中LNG換熱器的火用損失最大，為4.08 kW。實現(xiàn)了LNG動力漁船冷庫冷能利用率及火用效率的大幅提高，節(jié)能效果顯著，為LNG動力漁船冷能的高效利用提供了參考。

LNG；冷能梯級利用；漁船；HYSYS；火用效率

0 引言

近年來我國LNG進口量迅速增長，2016年中國LNG進口量達到2600萬t，占據(jù)全球LNG進口量的10%。2017年年初至今國內(nèi)LNG需求量繼續(xù)穩(wěn)步上升，而進口量在今年上半年已同比增長39%。LNG在常壓下的液化溫度為-162℃，每千克LNG在氣化過程中大約釋放冷量830 kJ。如果能將這部分冷能充分利用，則能夠達到節(jié)能減排、提高經(jīng)濟效益的目的。針對LNG用于冷庫制冷，國內(nèi)外學者做了相關(guān)研究。吳集迎等[1]設(shè)計了LNG冷能用于冷庫的系統(tǒng)流程與運行模式，驗證了LNG冷能用作冷庫冷源是可行的。楊春等[2]提出了一種LNG冷能用于冷庫和冷水的撬裝式裝置，解決了LNG氣化和應用在時間和空間上不同步的問題。唐賢文等[3]通過火用分析方法，計算了LNG冷能在不同冷庫溫度下的火用效率。肖芳等[4]分析了LNG冷能用于冷藏溫度-30℃、液氨作為中間冷媒的冷庫項目，解決了當天然氣用戶需求較少時，LNG冷能供應不足、冷媒冷量不夠的問題。Messineo等[5]在接收站和用冷地點之間設(shè)置中間冷媒傳輸系統(tǒng)，使用CO2作為中間介質(zhì)，有效降低了傳輸能耗。孫楠楠等[6]提出了將ORC與冷庫相結(jié)合的LNG冷能利用系統(tǒng)，可實現(xiàn)LNG冷能利用率的大幅提升，節(jié)能效果顯著。董建鍇等[7]設(shè)計了一種新型LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)，并通過HYSYS模擬對其進行了熱力學分析和經(jīng)濟性分析。

LNG動力漁船是我國未來漁船發(fā)展的新趨勢，LNG除用作“綠色”漁船燃料，還具有大量的冷能[8-9]。雖然相關(guān)學者在冷能用于冷庫方面作了上述研究，但對于LNG動力漁船冷能用于冷庫的探討相對較少，其涉及的工藝方案和方法也不符合船舶的要求。本文結(jié)合國內(nèi)某型號LNG動力漁船的參數(shù)特點，建立了LNG冷能制冷的雙級冷庫模型，并對其進行了熱力學分析。計算了各設(shè)備的和整體系統(tǒng)的火用效率和火用損，分析了影響系統(tǒng)火用效率提高的原因，研究了不同LNG進口溫度系統(tǒng)火用效率和COP的變化情況。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1冷能利用形式

LNG冷能的利用方式很多，主要有輕烴分離、空氣分離、冷能發(fā)電、橡膠粉碎、海水淡化、冷凍倉庫等[10-15]。LNG冷能利用技術(shù)主要分為兩類：一類是將冷能獨立應用于冷能發(fā)電、海水淡化、冷庫制冷中；另一類主要是實現(xiàn)冷能的梯級利用[16]。單一利用LNG冷能的方法只考慮了冷能的回收，而沒有考慮冷能利用的能級，造成了大量的冷量火用損失。

(1)

從式(1)中可以看出，在熱負荷一定的情況下，熱源與LNG冷源溫差越大，冷量火用損失就越大。梯級利用方式能夠減小LNG與熱源之間的溫差，減小冷量火用損失。故本系統(tǒng)采用了梯級利用的方式。

1.2系統(tǒng)介紹

圖1為LNG動力漁船冷能利用系統(tǒng)流程圖。選取廣東LNG為動力燃料[17]，其組分見表1。某型號的LNG動力漁船燃料消耗流量為235 kg/h，LNG儲罐內(nèi)的壓力約為0.9 MPa，溫度約為146 K，動力系統(tǒng)要求溫度為283.15 K，壓力為0.8 MPa。該LNG動力漁船冷能利用系統(tǒng)設(shè)計主要考慮了冷能的梯級利用。一方面，在LNG換熱器端實現(xiàn)了LNG的梯級利用，LNG冷能的第一級用于低溫朗肯循環(huán)發(fā)電，LNG的溫度升高到183.15 K，第二級用于實現(xiàn)漁船冷庫制冷；另一方面，在冷庫端實現(xiàn)冷能的梯級利用，該漁船上設(shè)兩個魚艙，每個魚艙各設(shè)一冷庫，分別為保鮮冷庫(-4℃)和低溫冷庫(-20℃)，設(shè)計熱負荷分別為3.4 kW和11.2 kW，由于兩冷庫庫溫不同，所對應的冷媒的蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度也不相同。兩冷庫采用并聯(lián)的方式，使LNG冷能在冷庫系統(tǒng)中能夠得到充分的利用。

圖1 1 LNG動力漁船冷能利用系統(tǒng)圖

表1 LNG各組分及其相應的臨界溫度和壓力

1.3漁船冷庫梯級利用LNG冷能的可行性驗證

由第1.2節(jié)可知，漁船冷庫的總冷負荷為14.6 kW，LNG流量為235 kg/h。LNG由存儲狀態(tài)氣化至進機狀態(tài)時釋放的冷量為：

Q=Q1+Q2+Q3

(2)

式中，Q1、Q2、Q3為LNG由存儲狀態(tài)升溫至飽和液態(tài)時釋放的冷能；LNG由飽和液態(tài)升溫至飽和氣態(tài)時釋放的冷量； LNG由飽和氣態(tài)升溫至進機狀態(tài)時釋放的冷能。

Q1=m·cp1·(TL-Ts)

(3)

Q2=m·(hv-hL)

(4)

Q3=m·cp2·(Tk-Tv)

(5)

式中，m為LNG流量；cp1、cp2為定壓比熱容；TL、Ts為LNG飽和液態(tài)時溫度，LNG存儲溫度；hv、hL為LNG飽和氣態(tài)時焓值，LNG飽和液態(tài)時焓值；Tk、Tv為LNG進機溫度，LNG飽和氣態(tài)溫度。

由式(2)～(5)計算可知該LNG動力漁船冷能總量為46.135 kW，遠大于冷庫的設(shè)計負荷14.6 kW。故此設(shè)計是可行的。且當LNG漁船動力裝置低負荷運行或捕魚量較多的情況下(冷庫熱負荷較多)，其LNG制冷功率也能滿足冷庫制冷的需求。當漁船動力裝置超負荷運行時(LNG流量增大)，LNG制冷功率大于冷庫的需求，在NG進機前利用缸套冷卻水對其加熱，不僅能回收缸套冷卻水的余熱使NG達到進機溫度的需求，同時也能降低缸套冷卻水的溫度。

2 模型介紹與計算

2.1狀態(tài)方程選擇

本文僅對LNG冷能用于漁船冷庫的流程進行模擬與計算。由于LNG由儲罐到動力裝置經(jīng)過了純液態(tài)、氣液兩相、純氣態(tài)的過程，溫度跨度較大，所以選擇了適應性較強的Peng-Robinson方程來計算LNG物性。冷庫冷媒采用工質(zhì)氨，換熱器的壓降均為10 kP，泵和壓縮機的效率均為75%。

2.2模型建立與分析

工質(zhì)的火用，包括工質(zhì)的機械能及其焓火用，工質(zhì)的機械能變化較小，通常忽略這部分火用值。因此，對于穩(wěn)定流動的系統(tǒng)，工質(zhì)火用值計算模型為：

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

(7)

式中，m為各工質(zhì)的質(zhì)量流量；h、s為工況下各工質(zhì)的比焓和比熵；單位分別為kJ/kg，kJ/(kg·K)；h0、s0為基準狀態(tài)下工質(zhì)的比焓和比熵，單位分別為kJ/kg，kJ/(kg·K)；基準狀態(tài)為25℃、0.1 MPa。

LNG冷能用于漁船冷庫的流程模擬采用了文獻[7]中的模型[7]。如圖2所示，采用Aspen HYSYS進行模擬計算。冷媒氨在蒸發(fā)器1的蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力分別設(shè)定為-11℃、0.29 MPa；在蒸發(fā)器2中的蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力-30℃、0.12 MPa。蒸發(fā)器內(nèi)的壓降都為10 kPa。

LNG輸入冷量為：

QLNG=mLNG(hNG-hLNG)

(8)

泵輸入功為：

Wpump=m(h2-h1)∕0.75

(9)

壓縮機輸入功為：

Wcom=0.75m(h6-h5)

(10)

系統(tǒng)能效COP為：

(11)

冷庫得到的冷量火用為：

(12)

(13)

式中，Q1為蒸發(fā)器1的輸出冷量，kW；Q2為蒸發(fā)器2的輸出冷量，kW；ExNG為NG的火用值，kW。

通過流程模擬軟件HYSYS的計算，得到的結(jié)果如表2所示。

由式(8)～(10)可知，模擬流程中的各關(guān)鍵設(shè)備功率的計算結(jié)果如表3所示。

由式(11)計算可知，此LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)能效COP為1.86，使得冷能的利用率大幅度提升。但是單純的能效分析只能從數(shù)量守恒的角度來計算能量的損失，而忽略了內(nèi)部的損失，此時的能效比不能真實的反應內(nèi)部的能耗情況，評價指標也只能計算能量的數(shù)量變化上的變化而忽視了其品質(zhì)的變化。鑒于LNG冷庫系統(tǒng)中壓力、環(huán)境溫度等參數(shù)的變化對LNG可利用冷能的影響，使用火用分析法來彌補能效分析的不足。下面主要從各部分設(shè)備的火用損和火用效率兩個方面進行分析。

圖2 LNG冷能用于漁船冷庫的HYSYS流程模擬

表2 冷庫流程中物流參數(shù)模擬結(jié)果

表3 冷庫流程中各關(guān)鍵設(shè)備功率計算結(jié)果

2.3 火用損及火用效率分析

根據(jù)表2和表3中的數(shù)據(jù)計算可以得到該利用LNG冷能的漁船冷庫中各主要設(shè)備的輸入火用、有效火用、火用損及火用效率。計算結(jié)果如表4所示。

表4 LNG冷能用于漁船冷庫各設(shè)備的效率及火用損

從計算結(jié)果可以看出，該利用于漁船冷庫的LNG冷能系統(tǒng)的整體火用效率為82.05%，說明該系統(tǒng)不管COP還是火用效率方面相比其他形式的冷庫都大大提高。主要原因是該LNG動力漁船冷能利用系統(tǒng)采用了冷能的梯級利用原則，而不僅僅是冷能的單級利用，在LNG進入動力系統(tǒng)之前，經(jīng)過了兩級利用，即高品質(zhì)的LNG冷能用于朗肯循環(huán)發(fā)電，為漁船提供電能；低品質(zhì)的LNG冷能用于漁船的冷庫制冷，同時，在冷庫中，又根據(jù)不同的冷庫庫溫及負荷實現(xiàn)了LNG冷能的梯級利用。充分的利用了LNG的冷能，使冷庫出口的LNG溫度基本能通過較少量的海水加熱既能滿足漁船動力裝置的溫度要求，也減少了對海洋的冷污染。

從計算結(jié)果可以看出，整個系統(tǒng)主要設(shè)備中，火用效率最低分別是LNG換熱器和壓縮機。LNG換熱器的溫度(-90℃)與工質(zhì)氨的溫度(35.83℃)相差太大，從式(1)中可以看出，溫差過大導致了LNG的冷量火用損失過大。在理想狀態(tài)下，壓縮機進行的是等熵絕熱壓縮過程，不會產(chǎn)生火用損失，火用效率較低的原因主要是與其工作效率(75%)有關(guān)。在實際的壓縮機壓縮過程中，不可逆過程造成不可逆的火用損失，這將主要取決于壓縮機壓縮比和壓縮機的制造技術(shù)，壓縮比越大，壓縮機內(nèi)部的摩擦力越大，火用損失也將越大。

3 結(jié) 論

1.本文提出將LNG動力漁船的燃料冷能用于漁船發(fā)電和冷庫制冷的LNG冷能梯級利用方案。有效的將以往直接廢棄的LNG冷能進行了利用。減少了能源浪費。

2.本文利用HYSYS軟件對LNG冷能用于冷庫制冷系統(tǒng)進行了詳細分析，計算出該冷庫制冷系統(tǒng)的COP為1.86，火用效率為82.05%。相比于其他類型的冷庫制冷系統(tǒng)，COP和火用效率都大大提高。同時分析了LNG換熱器和壓縮機火用效率較低的原因，為以后提高此類冷庫制冷系統(tǒng)的整體火用效率提供參考。

3.本文針對LNG動力漁船提出的冷能利用系統(tǒng)不僅避免了對海水造成的冷污染，節(jié)省了傳統(tǒng)的漁船冷庫設(shè)備投資及運行功耗，而且實現(xiàn)了冷能的增益利用。該系統(tǒng)具有優(yōu)良的經(jīng)濟性和環(huán)保性，為我國LNG動力漁船冷能的高效利用提供了指導。

但是，在實際應用中可能還需要解決諸多的困難，比如：需要在船舶上使用高保溫材料降低LNG在傳送過程冷量的損失；在LNG冷能利用過程中，當直接從LNG取冷時，需要采用設(shè)計難度較大的高溫差換熱器；以及LNG在漁船上存儲安全和船員操作培訓等都是實際應用中需要解決的問題。

[1] 吳集迎, 馬益民, 陳仕清. LNG冷能用于冷庫的系統(tǒng)設(shè)計及分析[J]. 集美大學學報:自然科學版, 2010, 15(1):44-47.

[2] 楊春, 徐文東, 張輝,等. LNG冷能用于冷庫和冷水的技術(shù)開發(fā)[J]. 煤氣與熱力, 2012, 32(12):4-7.

[3] 唐賢文, 王聰, 楊澤亮. 廣東LNG冷能及其在冷庫中應用的火用分析[J]. 能源與節(jié)能, 2012(5):12-13.

[4] 肖芳, 申成華, 徐鴻,等. LNG氣化站冷能用于冷庫技術(shù)分析[J]. 天然氣技術(shù)與經(jīng)濟, 2014(4):45-47.

[5] MESSINEO A, PANNO G. LNG cold energy use in agro-food industry: A case study in Sicily[J]. Journal of Natural Gas Science & Engineering, 2011, 3(1):356-363.

[6] 孫楠楠, 譚宏博, 張楊,等. LNG動力漁船的冷能利用技術(shù)初探[J]. 化工學報, 2015, 66(s2):50-55.

[7] 董建鍇, 黃順, 李碩,等. LNG冷能用于冷庫制冷性能模擬研究[J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報, 2017, 49(2):103-108.

[8] 董升朝, 種道彤, 蔣鵬,等. LNG動力漁船冷能回收利用技術(shù)研究[J]. 船舶工程, 2016(4):18-21.

[9] 王強, 厲彥忠, 陳曦. 液化天然氣冷量(火用)的特性及在汽車制冷中的回收利用[J]. 西安交通大學學報, 2003, 37(3):294-297.

[10] XIONG Y Q, HUA B. Simulation and Analysis of Cryogenic Air Separation Process with LNG Cold Energy Utilization[J].Advanced Materials Research, 2014,(881-883):653-658.

[11] KUMAR S, KWON H T, CHOI K H, et al. LNG: An eco-friendly cryogenic fuel for sustainable development[J]. Applied Energy, 2011, 88(12):4264-4273.

[12] 王弢, 林文勝, 顧安忠.利用LNG冷能的有機朗肯循 環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)研究和變工況性能分析[J]. 化工學報, 2010(s2):107-111.

[13] 賀雷, 高為, 張磊,等. 發(fā)電與海水淡化相結(jié)合的LNG冷能梯級利用技術(shù)研究[J]. 化學工業(yè), 2015, 33(7):11-15.

[14] WANG P, CHUNG T S. A conceptual demonstration of freeze desalination-membrane distillation (FD-MD) hybrid desalination process utilizing liquefied natural gas (LNG) cold energy[J]. Water Research, 2012,46(13):4037.

[15] 熊永強, 華賁, 賈德民. 利用液化天然氣衛(wèi)星站冷能 的廢舊橡膠低溫粉碎裝置[J]. 現(xiàn)代化工, 2009, 29(7):59-62.

[16] 李博洋, 胡德棟, 錢德松,等. LNG動力船燃料冷能綜合利用研究[J]. 大連海事大學學報, 2017, 43(1):45-52.

[17] 李碩. LNG冷能用于有機朗肯循環(huán)和冷庫模擬研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學, 2015.

SimulationStudyonColdStorageofFishingVesselsUsingLNGColdEnergy

CHEN Chao，KAN Ankang，YANG Fan，QI Dan，XU Zhifeng

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

The number of LNG power fishing vessels is increasing and have a wide horizon of development, LNG releases a lot of cold energy before it enters the power unit from the tank. In order to use this part of the cold energy effectively, it is proposed to use LNG cold energy for the combination of cold storage refrigeration system and power generation system of fishing vessel, and realize the cascade utilization of cold energy inside the system and cold storage. The flow simulation and thermodynamic calculation of the cold storage system were carried out by using HYSYS software. The results show that the energy efficiency (COP) of the cold storage system is 1.86, the exergy efficiency is 82.05%. The loss of LNG heat exchanger is the largest, which is 4.08kW. Which can improve the utilization rate of cold energy and exergy efficiency of LNG fueled fishing vessels. The energy saving effect is remarkable, which provides a reference for the efficient use of LNG fueled fishing vessels.

LNG； cold energy cascade use；fishing vessel； exergy efficiency

2017-09-05

上海市自然基金資助項目(15ZR1419900)

TB69

A

1007-7804(2017)05-0011-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.05.003

陳 超(1991)，男，助理工程師，碩士研究生。主要從事船舶冷藏運輸研究。E-mail：15865415835@163.com