基于HYSYS的B型LNG燃料艙BOG壓縮供給系統(tǒng)

周萬利

(上海船舶運輸科學研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室， 上海 200135)

0 引 言

發(fā)電船是一種在船上安裝發(fā)電機組，并向外部輸送電力的移動式電廠。采用液化天然氣(Liquefied Naturai Gas，LNG)作為發(fā)電船的燃料能產(chǎn)生積極的環(huán)境效益，幾乎可減少100%的硫氧化物、99%的顆粒、85%～90%的氮氧化物和20%的二氧化碳排放[1]。隨著國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)不斷提高船舶空氣污染的減排指標，2020年燃油中的硫含量將限制不超過0.5%，2050年溫室氣體總排放量將至少減少50%，因此雙燃料發(fā)電船將是發(fā)電船的一個主要發(fā)展方向。

雙燃料發(fā)電船LNG燃料艙內(nèi)的LNG儲存溫度為-163 ℃，空氣和海水的設(shè)計溫度分別為45 ℃和32 ℃，外界環(huán)境與艙內(nèi)的LNG存在巨大的溫差，熱量不可避免地會從邊界傳到艙內(nèi)，導(dǎo)致LNG氣化產(chǎn)生蒸發(fā)氣(Boiled Off Gas，BOG)。若LNG燃料艙內(nèi)的BOG未得到及時處理，會導(dǎo)致艙內(nèi)的壓力逐漸升高，直至超壓釋放。因此，將這些BOG壓縮供給雙燃料發(fā)電機組燃燒發(fā)電，不僅能提高LNG燃料艙的安全性，而且能節(jié)約能源。

當前已有很多學者對BOG壓縮供給系統(tǒng)進行研究，例如：熊曉俊等[2]提出一種利用常溫壓縮機處理LNG接收站BOG的工藝，研究結(jié)果表明，常溫壓縮機工藝適用于以接收富液為主的LNG接收站或小型LNG接收站；汪蝶等[3]將傳統(tǒng)的BOG單級壓縮改為兩級壓縮帶中間LNG冷卻，利用LNG泵出口的過冷LNG冷卻壓縮機第二級入口處的BOG，使BOG的溫度下降，減少壓縮機的功耗；劉浩等[4]基于廣義伯努利方程對BOG壓縮供給系統(tǒng)進行定性分析和定量計算，結(jié)果表明，在相同條件下，BOG壓縮機的功耗大于泵增壓功耗，再冷凝工藝比直接壓縮工藝更為節(jié)能，直接壓縮工藝適合小型調(diào)峰型LNG接收站采用；楊志國等[5]分析了再冷凝器運行參數(shù)對BOG處理工藝的影響；金光等[6]提出一種BOG壓縮供給系統(tǒng)BOG預(yù)冷的再冷凝工藝流程, 利用高壓LNG預(yù)冷增壓之后的BOG, 使接收站在LNG外輸量較少時也能完全液化BOG; 李亞軍等[7]建立了BOG多階壓縮再冷凝工藝模型，結(jié)合實際，認為二階壓縮系統(tǒng)是節(jié)能、操作彈性大的BOG處理系統(tǒng)；曹玉春等[8]提出一種BOG直接壓縮與再冷凝液化混合使用的運行方案，并在再冷凝工藝流程中增加預(yù)冷裝置，使得壓縮機的能耗相比加裝之前減少37.4%；周宇罕等[9]通過控制LNG儲罐內(nèi)的BOG壓力，降低BOG壓縮機的負荷和減少能耗；肖榮鴿等[10]針對LNG無外輸?shù)墓r，通過增設(shè)壓縮BOG儲罐和減壓閥，對LNG 接收站BOG處理工藝進行改進，從而減少能耗。

以上研究都是基于LNG接收站的BOG壓縮工藝開展的，其方案和結(jié)論并不完全適用于雙燃料發(fā)電船。因此，本文以一艘雙燃料發(fā)電船為目標船，針對其3種BOG壓縮供給系統(tǒng)，通過合理設(shè)置邊界條件和BOG參數(shù)，利用模擬軟件HYSYS進行模擬計算，得到系統(tǒng)各節(jié)點的關(guān)鍵熱力性能值和主要設(shè)備的功耗，為系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備選型提供依據(jù)。

1 雙燃料發(fā)電船概況

目標船的主體結(jié)構(gòu)采用駁船型式，在主甲板艏艉設(shè)置2個發(fā)電機艙，船中設(shè)置4個總艙容為30 000 m3的B型LNG燃料艙，其中每個發(fā)電機艙配備10臺低壓雙燃料發(fā)電機組，總發(fā)電能力約為200 MW。目標船的主要參數(shù)見表1。

表1 目標船的主要參數(shù)

2 B型LNG燃料艙BOG壓縮供給系統(tǒng)

目標船的LNG燃料艙為B型艙，屬于重力艙，不同于常規(guī)壓力式C型艙，《國際氣體及低閃點燃料動力船舶安全規(guī)則》(IGF規(guī)則)要求艙內(nèi)BOG的設(shè)計壓力小于170 kPa(絕對壓力，本文所有壓力均為絕對壓力)，遠低于雙燃料發(fā)動機9L46DF進氣壓力的要求，因此BOG必須經(jīng)壓縮增壓之后才能供給發(fā)電機組使用。

根據(jù)壓縮機進口處BOG的溫度，BOG壓縮供給系統(tǒng)分為低溫BOG壓縮供給系統(tǒng)和常溫BOG壓縮供給系統(tǒng)2種。根據(jù)壓縮機的型式，常溫BOG壓縮供給系統(tǒng)又細分為常溫BOG單級壓縮供給系統(tǒng)和常溫BOG兩級壓縮供給系統(tǒng)2種。

壓縮機是BOG壓縮供給系統(tǒng)的核心設(shè)備。中小型LNG接收站一般使用往復(fù)式無油活塞壓縮機，其排氣壓力高，價格低，可在小氣量條件下工作。在實際應(yīng)用中，往復(fù)式壓縮機一般按API618標準設(shè)計，主要有接觸式活塞環(huán)密封型和非接觸式迷宮密封型2種，其中：活塞環(huán)密封型壓縮機的排氣溫度低于150 ℃(與API618標準的要求相同)；迷宮密封型壓縮機的排氣溫度低于200 ℃[11-13]。本文所述目標船的BOG流量小于LNG接收站，BOG壓縮供給系統(tǒng)與LNG接收站的BOG處理工藝部分類似，因此也選用往復(fù)式壓縮機，同時注意壓縮機出口溫度對其選型的要求。

2.1 低溫BOG壓縮供給系統(tǒng)

低溫BOG壓縮供給系統(tǒng)見圖1，LNG燃料艙內(nèi)的低溫BOG 首先進入氣液分離器，隨后進入低溫壓縮機增壓，接著進入BOG加熱器升溫至常溫，最后與LNG氣化器內(nèi)的常溫燃氣混合，混合之后的燃氣供機艙內(nèi)的發(fā)動機燃燒發(fā)電使用。當BOG壓縮供給系統(tǒng)不工作時，BOG先進入BOG壓力維持系統(tǒng)，再通過安全閥釋放。本文主要研究的是BOG壓縮供給系統(tǒng)，由于LNG管路系統(tǒng)和BOG壓力維持系統(tǒng)與BOG壓縮供給系統(tǒng)的相關(guān)度不高，僅將二者作為系統(tǒng)完整性的背景資料，模擬計算和分析僅涉及BOG管路。

2.2 常溫BOG單級壓縮供給系統(tǒng)

常溫BOG單級壓縮供給系統(tǒng)見圖2。在常規(guī)的低溫BOG壓縮供給系統(tǒng)中，低溫壓縮機啟動之前需先預(yù)冷且造價昂貴。借鑒LNG接收站中采用的常溫壓縮機BOG處理工藝，常溫壓縮機出口的高溫BOG可用于加熱進口的低溫BOG，使低溫BOG加熱為常溫BOG，進而采用技術(shù)成熟的常溫壓縮機，節(jié)約設(shè)備投資成本。

圖1 低溫BOG壓縮供給系統(tǒng)

圖2 常溫BOG單級壓縮供給系統(tǒng)

2.3 常溫BOG兩級壓縮供給系統(tǒng)

基于壓縮機熱力學理論，采用級間冷卻措施可有效減少壓縮機的功耗，因此采用兩級壓縮比采用單級壓縮節(jié)能。常溫BOG兩級壓縮供給系統(tǒng)見圖3，其中經(jīng)過回熱器降溫之后的BOG的溫度需與發(fā)動機進機溫度的要求相比較，由此決定是否需要設(shè)置BOG冷卻器。

圖3 常溫BOG兩級壓縮供給系統(tǒng)

3 模型建立

3.1 LNG和BOG組分

天然氣的組分因氣源地和天然氣處理工藝的不同而可能存在較大的差別，相應(yīng)的物性也有較大的不同。為使研究結(jié)果具有較大的適應(yīng)性，本文選取一種典型LNG燃料，其各組分的摩爾百分數(shù)和產(chǎn)生的BOG各組分的摩爾百分數(shù)見表2[2]。

表2 典型LNG和BOG各組分的摩爾百分數(shù)

3.2 BOG狀態(tài)方程

BOG物性計算結(jié)果是該船BOG壓縮供給系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)。低溫BOG接近液態(tài)狀態(tài)，物性計算須按實際氣體狀態(tài)處理。在BOG實際氣體狀態(tài)方程中，立方型狀態(tài)方程Peng-Robinson(PR)被廣泛采用，具有較高的物性計算精度[14]。

式(1)～(8)式中：P為壓力，Pa；R為摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T為溫度，K;Vm為摩爾體積，m3/mol；b、bi、a、ai、αi和aα為與氣體有關(guān)的常數(shù)；zi為組分i的摩爾分數(shù)；Tci為組分i的臨界溫度，K；Pci為組分i的臨界壓力，Pa；kij為二元交互作用系數(shù)；Tri為組分i的對比溫度；ωi為組分i的偏心因子。

3.3 模擬計算的邊界條件

該船LNG燃料艙的日蒸發(fā)率為0.15%，BOG的流量為85～850 kg/h。LNG燃料艙BOG的設(shè)計壓力為125 kPa，為保證LNG燃料艙的安全，將BOG的壓力控制在105～120 kPa，以防止真空和超壓。根據(jù)LNG船實際操作經(jīng)驗，艙內(nèi)BOG的溫度約為-140 ℃[15]。雙燃料發(fā)動機要求進機燃氣的溫度為0～60 ℃，壓力最小為617 kPa。

綜合以上分析，模擬計算的邊界條件見表3。

表3 模擬計算的邊界條件

3.4 3種BOG壓縮供給模型

針對3種BOG壓縮供給系統(tǒng)，LNG燃料艙內(nèi)的BOG經(jīng)過氣液分離器之后，其溫度和壓力不變，LNG管路與BOG管路的相關(guān)度不大，忽略LNG管路。簡化之后的HYSYS軟件模型見圖4～圖6，其中：BOG選取PR方程為物性計算方程；50%乙二醇選取NRTL(Non-Randorn Two Liquids)方程為物性計算方程。假定壓縮機的等熵效率為80%，忽略BOG供給系統(tǒng)中的流體壓降。進口B101、B201和B301為BOG入口，出口NG101、NG201和NG301為進機艙發(fā)動機的燃氣，EG為50%乙二醇。

圖4 低溫BOG壓縮供給模型

圖5 常溫BOG單級壓縮供給模型

圖6 常溫BOG兩級壓縮供給模型

4 模擬計算結(jié)果及分析

BOG的溫度、壓力和流量對系統(tǒng)的熱力性能均有影響，在分析時采用單變量變化、另外2個變量固定的方法。

4.1 低溫BOG壓縮供給系統(tǒng)

在采用低溫系統(tǒng)時，壓縮機進口前無BOG回熱器，BOG的溫度保持不變，因此只考慮BOG壓力和BOG流量的變化。

4.1.1 BOG壓力變化對熱力性能的影響

在分析BOG壓力的變化時，BOG流量固定為850 kg/h。圖7為熱力性能值隨BOG壓力的變化曲線。從圖7中可看出：壓縮機功率線性下降；BOG加熱器功率線性升高；節(jié)點B102的溫度從-26.60 ℃下降為-35.74 ℃，仍處于低溫狀態(tài)，為減小BOG加熱器的功率，將節(jié)點NG101(進機燃氣)的溫度設(shè)置為下限25 ℃；節(jié)點EG102的溫度從23.1 ℃下降為20.84 ℃，在正常溫度范圍內(nèi)。

4.1.2 BOG流量變化對設(shè)備功耗的影響

在分析BOG流量變化時，BOG壓力分別取上限120 kPa和下限105 kPa。圖8為設(shè)備功耗隨BOG流量的變化曲線。從圖8中可看出：BOG壓力越小，壓縮機功率升高的速度越快，最小值相比最大值小8.6%；BOG壓力越大，BOG加熱器功率升高的速度越快，最小值比最大值小14.8%。壓縮機功耗直接影響系統(tǒng)的日常運營成本，系統(tǒng)優(yōu)化以壓縮機功耗最小為重點方向。

4.1.3 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

提高LNG燃料艙內(nèi)BOG的壓力，減小低溫BOG壓縮機的增壓比，能有效減小壓縮機的功率，同時進機燃氣溫度取下限25 ℃，可減少系統(tǒng)的運營功耗。因此，目標船的LNG燃料艙內(nèi)的BOG壓力盡量維持高壓，越接近120 kPa越好。表4為系統(tǒng)優(yōu)化之后各節(jié)點熱力性能值和設(shè)備功耗(BOG最大流量)。

表4 系統(tǒng)優(yōu)化之后各節(jié)點的熱力性能值和設(shè)備功耗(BOG最大流量)

4.2 常溫BOG單級壓縮供給系統(tǒng)

4.2.1 BOG溫度變化對熱力性能的影響

BOG先進入回熱器1加熱至常溫(0～10 ℃)，再進入壓縮機增壓。在分析BOG溫度的變化情況時， BOG流量固定為最大值850 kg/h，BOG壓力分別取上限120 kPa和下限105 kPa。

圖9為熱力性能值隨B202溫度的變化曲線。從圖9中可看出：壓縮機和冷卻器的功率隨溫度的升高變化幅度并不大，但BOG壓力對其功率的影響較大；節(jié)點B203的溫度處于179.5～207.1 ℃，API618標準要求壓縮機的最大排氣溫度為150 ℃，立式迷宮型往復(fù)壓縮機的最大排氣溫度為200 ℃，必須將節(jié)點B203的溫度降低至200 ℃以下，因此當BOG的壓力為105 kPa時，節(jié)點B202的溫度不能超過4 ℃；節(jié)點B204的溫度處于61.2～83.9 ℃，始終高于36 ℃的50%乙二醇(EG201)換熱流體的溫度;BOG換熱器應(yīng)為冷卻器，將燃氣(NG201)的溫度設(shè)定為45 ℃，可減小冷卻器的換熱功率，從而達到減少功耗的目的。節(jié)點EG202的溫度始終處于正常范圍之內(nèi)，符合設(shè)計要求。

圖9 熱力性能值隨B202溫度的變化曲線

4.2.2 BOG壓力變化對熱力性能的影響

在分析BOG壓力的變化情況時，BOG流量固定為最大值850 kg/h，BOG的溫度分別取0 ℃和10 ℃。

圖10為熱力性能值隨BOG壓力的變化曲線。從圖10中可看出：設(shè)備的功率和各節(jié)點的溫度均線性減?。还?jié)點B203的溫度超出200 ℃的區(qū)域為禁止運行區(qū)域，當節(jié)點B202的溫度為10 ℃時，對應(yīng)BOG的壓力范圍為105～111 kPa；節(jié)點B204的溫度始終高于冷卻器冷端進口流體的溫度,因此同樣將燃氣(NG201)的溫度設(shè)定為45 ℃，減少冷卻器的功耗。

圖10 熱力性能值隨BOG壓力的變化曲線

4.2.3 BOG流量變化對熱力性能的影響

在分析BOG流量的變化情況時， BOG的溫度分別取0 ℃和10 ℃，BOG的壓力分別取上限120 kPa和下限105 kPa。

圖11為設(shè)備功耗隨BOG流量的變化曲線。從圖11中可看出：隨著流量的增加，BOG的溫度和壓力對壓縮機和冷卻器功率的影響變大，且BOG壓力的影響大于BOG溫度的影響；當BOG的流量為850 kg/h時，壓縮機功率的最小值相比最大值小11.1%，冷卻器功率的最小值相比最大值小58.8%。

圖11 設(shè)備功耗隨BOG流量的變化曲線

4.2.4 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

由上述分析可知，BOG的流量很難調(diào)整，BOG的壓力和溫度較易調(diào)整，因此取BOG的壓力為120 kPa，溫度為0 ℃，進機燃氣的溫度為45 ℃，壓縮機和冷卻器的功率最小，且整個系統(tǒng)各節(jié)點的熱力性能值在合理范圍內(nèi)。表5為系統(tǒng)優(yōu)化之后各節(jié)點的熱力性能值和設(shè)備功耗(BOG最大流量)。

表5 系統(tǒng)優(yōu)化之后各節(jié)點的熱力性能值和設(shè)備功耗(BOG最大流量)

4.3 常溫BOG兩級壓縮供給系統(tǒng)

4.3.1 BOG溫度變化對熱力性能的影響

在分析BOG溫度的變化情況時，BOG的流量固定為最大值850 kg/h，BOG的壓力分別取上限120 kPa和下限105 kPa，壓縮機第一級和第二級的增壓比相同。由于增加了中間冷卻器，理論上節(jié)點B304的溫度降低到節(jié)點B302的溫度，可最大程度地減少壓縮機第二級的功耗，但節(jié)點B304的溫度過低可能會導(dǎo)致節(jié)點NG301的溫度低于發(fā)動機的燃氣進機溫度要求。因此，控制節(jié)點B304的溫度，可實現(xiàn)降低壓縮機第二級的功耗和免設(shè)BOG冷卻器的雙重目的。

圖12為熱力性能值隨B302溫度的變化曲線。從圖12中可看出：壓縮機和中間冷卻器的功率受BOG溫度的影響不大；BOG的壓力越小，壓縮機和中間冷卻器的功率越大；節(jié)點B305的溫度線性升高，最高為156.01 ℃，超過API618標準要求的150 ℃；節(jié)點NG301的溫度設(shè)置為下限25 ℃，能最大程度地降低節(jié)點B304的溫度；其余節(jié)點的溫度均處在正常范圍內(nèi)。

4.3.2 BOG壓力變化對熱力性能的影響

在分析BOG壓力的變化情況時， BOG的流量固定為最大值850 kg/h，節(jié)點B302處BOG的溫度分別取0 ℃和10 ℃，壓縮機第一級和第二級的增壓比相同。

圖13為熱力性能值隨BOG壓力的變化曲線。從圖13中可看出：設(shè)備功率和各節(jié)點的溫度(B304除外)均線性下降；當節(jié)點B302的溫度為10 ℃時，節(jié)點B305的溫度超出150 ℃；節(jié)點NG301的燃氣溫度設(shè)定為下限25 ℃。

圖12 熱力性能值隨BOG溫度的變化曲線

圖13 熱力性能值隨BOG壓力的變化曲線

4.3.3 BOG流量變化對熱力性能的影響

在分析BOG流量的變化時，BOG的溫度分別取0 ℃和10 ℃，BOG的壓力分別取上限120 kPa和下限105 kPa。

圖14為設(shè)備功率隨BOG流量的變化曲線。從圖14中可看出：隨著BOG流量的增加，BOG的溫度和壓力對壓縮機和中間冷卻器功率的影響變大，且BOG壓力的影響大于BOG溫度的影響；當BOG流量為850 kg/h時，壓縮機功率的最小值相比最大值小16.3%，中間冷卻器功率的最小值相比最大值小58.8%。

圖14 設(shè)備功率隨BOG流量的變化曲線

4.3.4 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

由上述分析可知，BOG的溫度取0 ℃，壓力取120 kPa，進機燃氣的溫度取25 ℃，則壓縮機和中間冷卻器的功率最小，免設(shè)BOG冷卻器，且整個系統(tǒng)各節(jié)點的熱力參數(shù)在合理范圍內(nèi)。表6為系統(tǒng)優(yōu)化之后各節(jié)點的熱力性能值和設(shè)備功耗(BOG最大流量)。

表6 系統(tǒng)優(yōu)化之后各節(jié)點的熱力性能值和設(shè)備功耗(BOG最大流量)

5 結(jié) 語

1) 在3種系統(tǒng)中，壓縮機進口處BOG的壓力應(yīng)盡可能地高，其中常溫系統(tǒng)中壓縮機進口處BOG的溫度應(yīng)盡可能地低，以利于減少系統(tǒng)設(shè)備的功耗。

2) 在低溫BOG壓縮供給系統(tǒng)中，壓縮機出口BOG的溫度低于-25 ℃，仍處于低溫狀態(tài)，進機燃氣的溫度應(yīng)設(shè)定在下限25 ℃，以利于減少BOG加熱器的功耗；壓縮機功率的最小值相比最大值小8.6%。

3) 在常溫BOG單級壓縮供給系統(tǒng)中，壓縮機出口的溫度始終超過150 ℃，不能選用接觸式活塞環(huán)密封型壓縮機，應(yīng)選用立式非接觸式迷宮密封型壓縮機；當壓縮機進口BOG的壓力為105 kPa時，進口BOG的溫度應(yīng)不高于4 ℃； 進機燃氣的溫度應(yīng)設(shè)定在上限45 ℃，以利于減少BOG冷卻器的功耗；壓縮機功率的最小值相比最大值小11.1%。

4) 在常溫BOG兩級壓縮供給系統(tǒng)中，當燃氣進機的溫度為25 ℃，且壓縮機進口BOG的溫度不高于2 ℃時，壓縮機出口的溫度不高于150 ℃，壓縮機選型不受限制；控制壓縮機第二級進口處BOG的溫度，實現(xiàn)回熱器2進機燃氣溫度為25 ℃，省去設(shè)置BOG冷卻器，可節(jié)約投資；壓縮機功率最小值相比最大值小16.3%。