氨動(dòng)力集裝箱船的燃料冷能利用

王 愷, 吳 斌, 王 亮, 楊慶勇, 林軼群

(1.中國(guó)石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司,山東 青島 266400;2.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266061)

近年來(lái)環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)峻,航運(yùn)業(yè)在尾氣排放方面也面臨挑戰(zhàn),船舶的綠色發(fā)展將成為發(fā)展的趨勢(shì),國(guó)際海事組織(IMO)對(duì)船舶的尾氣排放提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求[1-4],尋找可替代傳統(tǒng)化石能源的清潔能源是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵[5-6]。其中氨燃料以其零碳和零污染物排放、便于儲(chǔ)運(yùn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)逐漸得到人類的青睞[7-8],燃用氨燃料的船舶簡(jiǎn)稱“氨動(dòng)力船”。

氨動(dòng)力船上通常以“液氨”的形式對(duì)氨燃料進(jìn)行儲(chǔ)存,液氨溫度為-33℃,在送至船舶主機(jī)燃用之前要加熱至40℃,在這一過(guò)程中會(huì)有冷能的釋放,通常情況下這部分冷能得不到利用,造成冷能的浪費(fèi)。尤其是氨動(dòng)力集裝箱船,此類船舶主機(jī)功率大,燃料消耗多,每天可消耗氨燃料約470 t,且冷藏集裝箱數(shù)量很多,也需要消耗氨燃料利用發(fā)電柴油機(jī)發(fā)電制冷,因此整船氨燃料的消耗量十分巨大,釋放的冷能更為豐富,冷能浪費(fèi)更加嚴(yán)重。

基于以上問(wèn)題,如果可以將氨燃料釋放的冷能進(jìn)行合理利用,將可以減少冷能的浪費(fèi),提高船舶上的能量利用率。目前,關(guān)于燃料冷能的利用大多是關(guān)于基于LNG 進(jìn)行研究的,研究表明,LIN 等[9],孫靖等[10],BABU 等[11]提出可以將LNG 冷能用于海水淡化,減少了海水淡化環(huán)節(jié)的能量消耗;黃廣峰等[12],李碩[13]提出了在船舶的冷庫(kù)和空調(diào)系統(tǒng)中利用LNG 冷能的系統(tǒng),并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化分析,提高了冷能的利用率;CHEN 等[14],WANG 等[15],徐虎等[16]在朗肯循環(huán)發(fā)電環(huán)節(jié)中利用了LNG 的低溫冷能,并對(duì)影響系統(tǒng)發(fā)電效率的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,提高了系統(tǒng)的效率,但是對(duì)于氨燃料冷能的利用基本處于空白階段,因此設(shè)計(jì)一種基于氨動(dòng)力集裝箱船的冷能利用方案是十分必要的。氨動(dòng)力集裝箱船上冷藏集裝箱需要的冷能很多,電力消耗很大,如果可以將氨燃料的冷能用于冷藏集裝箱,不僅可以使冷能得到利用,還能節(jié)約冷藏集裝箱的電力消耗,順應(yīng)船舶節(jié)能減排的趨勢(shì)。因此,本研究提出將液氨的冷能用于冷藏集裝箱,并對(duì)其利用方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),以提高系統(tǒng)的效率為目的,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬優(yōu)化,使液氨冷能得到充分的利用。

1 新型貨艙和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 母型船的選擇

本研究以大型集裝箱船為研究對(duì)象,該船舶的主要參數(shù)如表1所示。假定該船舶采用液氨作為燃料。其主機(jī)功率高達(dá)63 840 k W,在船舶主機(jī)功率75%的輸出條件下,每小時(shí)需要消耗氨燃料約19 494 kg。在實(shí)際的航行過(guò)程中,船舶通常是變工況航行的,在不同的工況條件下,船舶消耗的氨燃料的量也不同,不同工況下船舶需要燃用的氨燃料的量匯總?cè)绫?所示。

表1 母型船的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of parent ship

表2 不同的主機(jī)工況氨燃料的消耗量Table 2 Ammonia fuel consumption under different main engine operating conditions

1.2 新型貨艙的設(shè)計(jì)

集裝箱船上的冷藏集裝箱分為低溫工況下的冷藏集裝箱和高溫工況下的冷藏集裝箱,二者的目標(biāo)溫度不同,分別為-20～-18℃、0～5℃。目前的冷藏集裝箱是依靠箱內(nèi)的制冷設(shè)備進(jìn)行制冷的,通常放置在船舶甲板上或者貨艙內(nèi),如果要將液氨冷能用于冷藏集裝箱的制冷,就需要對(duì)現(xiàn)有的冷藏集裝箱逐個(gè)進(jìn)行管道改造,比較復(fù)雜,難以實(shí)施。因此,本研究提出了一種新型的用于集中放置冷藏集裝箱的貨艙,稱為新型貨艙,其設(shè)置在船舶中部貨艙的位置,可以放置500個(gè)標(biāo)準(zhǔn)冷藏集裝箱,貨艙內(nèi)設(shè)置了換熱器,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液氨冷能的利用,還不需要對(duì)冷藏集裝箱進(jìn)行改造。新型貨艙示意圖如圖1所示。

圖1 新型貨艙示意圖Fig.1 Schematic diagram of the new cargo hold

1.3 方案的設(shè)計(jì)

1.3.1 方案一的設(shè)計(jì)

低溫冷藏集裝箱工作溫度與液氨的溫度較為接近,因此低溫貨艙可以直接利用液氨的冷能,剩余的冷能可以用于船舶上普通的高溫冷庫(kù)和空調(diào)系統(tǒng),此方案為方案一。圖2為液氨冷能利用的系統(tǒng)圖。

圖2 方案一系統(tǒng)圖Fig.2 Scheme 1 of system diagram

具體的工作原理如下:先利用增壓泵對(duì)液氨進(jìn)行增壓,然后液氨進(jìn)入低溫貨艙換熱器中與貨艙中的空氣進(jìn)行換熱,將液氨的冷能傳遞給低溫貨艙,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫貨艙的制冷,進(jìn)而冷卻冷藏集裝箱;接著液氨進(jìn)入換熱器H-1、H-2,將液氨的冷能傳遞給冷媒,攜帶了冷能的冷媒進(jìn)入高溫冷庫(kù)和空調(diào)換熱器中,傳遞給高溫冷庫(kù)和空調(diào)系統(tǒng);最后在換熱器H-3利用缸套水將液氨燃料加熱至40℃,再利用增壓泵增壓至80 bar后送至船舶主機(jī)燃用。

1.3.2 熱負(fù)荷的計(jì)算

在進(jìn)行模擬之前應(yīng)該對(duì)各個(gè)冷能利用模塊的熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算,本研究以夏季為例(外界溫度為35℃)對(duì)船舶低溫貨艙、船舶高溫冷庫(kù)、船舶空調(diào)的熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。

1)低溫貨艙的熱負(fù)荷。

對(duì)于低溫貨艙而言,總熱負(fù)荷:

其中Q1為傳熱負(fù)荷、Q2為貨物熱負(fù)荷、Q3為換氣熱負(fù)荷、Q4為設(shè)備及工作人員的操作熱。低溫貨艙的設(shè)計(jì)溫度取為-20℃;外界環(huán)境溫度取35℃。

2)船舶高溫冷庫(kù)的熱負(fù)荷。

高溫冷庫(kù)熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)溫度取為0℃,其熱負(fù)荷的計(jì)算方式與低溫貨艙相同,不再贅述。

3)對(duì)于空調(diào)系統(tǒng),總熱負(fù)荷QAC。

式(2)中:Qa為壁面的傳熱負(fù)荷;Qb為透過(guò)門窗和玻璃形成的傳熱負(fù)荷;Qc為新風(fēng)熱負(fù)荷;Qd為其它因素引起的熱負(fù)荷。

船舶低溫貨艙、高溫冷庫(kù)和船舶空調(diào)的熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果分別為394.44、11.00、100.00 k W。

1.3.3 系統(tǒng)的模擬

以上的設(shè)計(jì)方案理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氨燃料的梯級(jí)利用,但是方案的可行性有待驗(yàn)證,接下來(lái)將利用模擬仿真軟件Aspen HYSYS對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算,以船舶主機(jī)的典型工況75%工況為例,模擬系統(tǒng)圖如圖3所示,主要節(jié)點(diǎn)的模擬參數(shù)如表3所示,經(jīng)過(guò)模擬可以得到主要節(jié)點(diǎn)的模擬結(jié)果如表4所示。

表3 方案一主要模擬參數(shù)匯總Table 3 Summary of the main simulation parameter of scheme 1

表4 方案一模擬結(jié)果匯總Table 4 Summary of simulation results of scheme 1

由制冷循環(huán)可知,制冷劑在汽化時(shí)釋放的冷能更為豐富,通過(guò)表4中的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在整個(gè)過(guò)程中,液氨并沒(méi)有發(fā)生相變,因此在液氨冷能利用過(guò)程中,液氨的冷能并沒(méi)有得到充分的釋放,因此很可能不能滿足低溫貨艙需要的冷量。

2 優(yōu)化分析

2.1 方案二的設(shè)計(jì)

以低溫貨艙出口溫度為-23℃為例,采用圖4中的系統(tǒng),對(duì)船舶在不同工況下液氨在低溫貨艙釋放的冷能進(jìn)行了匯總,如表5所示。由表5可以看出,在5種不同的船舶主機(jī)工況條件下液氨釋放的冷量均小于低溫貨艙的熱負(fù)荷394.44 k W,因此方案一并不能滿足低溫貨艙的冷量所需。

圖4 方案二系統(tǒng)圖Fig.4 System diagram of scheme 2

表5 不同工況下液氨在低溫貨艙釋放的冷量Table 5 Cold energy released by liquid ammonia in low temperature cargo hold under different working conditions

根據(jù)以上問(wèn)題,提出了一種新的液氨冷能利用系統(tǒng),稱為方案二。將液氨分為2部分,一部分進(jìn)入低溫貨艙,另一部分進(jìn)入船舶高溫冷庫(kù)和空調(diào)系統(tǒng),為了使得液氨可以釋放充裕的冷量,用于低溫貨艙的液氨需要發(fā)生汽化,釋放更多的冷能,以此來(lái)滿足低溫貨艙對(duì)冷能的需求,其系統(tǒng)圖如圖4所示。

液氨先利用增壓泵進(jìn)行初步增壓,然后分為兩部分,一部分直接進(jìn)入低溫貨艙換熱器,釋放大量冷能并汽化,然后經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)進(jìn)行增壓至16 bar,再利用海水在換熱器H-1中對(duì)氨燃料進(jìn)行冷卻液化,最后利用增壓泵將氨燃料增壓至80 bar,利用海水冷卻的目的是使氨燃料進(jìn)行液化,然后進(jìn)行壓縮,從而可以減少壓縮氨燃料消耗的能量;另一部分液氨進(jìn)入船舶的高溫冷庫(kù)和空調(diào)換熱器,并利用增壓泵將液氨增壓至80 bar,最后利用缸套水加熱至40℃;兩部分氨燃料一同送入船舶主機(jī)燃用。對(duì)方案二進(jìn)行系統(tǒng)模擬,模擬系統(tǒng)圖如圖5所示。

圖5 方案二系統(tǒng)模擬圖Fig.5 System simulation diagram of scheme 2

通過(guò)模擬可以得到節(jié)點(diǎn)的主要參數(shù),以船舶主機(jī)的75%工況為例,結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表6 方案二模擬結(jié)果匯總Table 6 Summary of the simulation results of scheme 2

當(dāng)?shù)蜏刎浥摰某隹跍囟劝l(fā)生改變時(shí),液氨釋放的冷量也會(huì)發(fā)生改變,經(jīng)過(guò)模擬可以得到船舶主機(jī)在不同工況下,低溫貨艙系統(tǒng)的出口溫度改變時(shí)方案一和方案二中液氨釋放的冷量,結(jié)果對(duì)比匯總?cè)鐖D6所示。

圖6 不同方案下液氨釋放冷量的對(duì)比Fig.6 Comparison of the cold capacity released by liquid ammonia under different schemes

從圖6可以看出,隨著低溫貨艙出口溫度的升高,在5種不同工況下,液氨釋放的冷量不斷增大,但是無(wú)論是哪種工況下,方案一中液氨釋放的冷量均不能滿足低溫貨艙所需,方案二中液氨在低溫貨艙釋放的冷量遠(yuǎn)大于方案一,這是因?yàn)橐喊卑l(fā)生了汽化,釋放出了更多的冷量。

2.2 方案三的設(shè)計(jì)

方案二雖然可以增大液氨釋放的冷量,但是液氨汽化后需要利用壓縮機(jī)增壓至較高的壓力,壓縮機(jī)功耗較大,方案一中雖然液氨釋放的冷量較少,但是不需要額外的功耗,針對(duì)這一問(wèn)題,提出了方案三,可以將傳統(tǒng)的制冷循環(huán)與方案一結(jié)合起來(lái),使傳統(tǒng)制冷循環(huán)的壓縮機(jī)與方案二中的壓縮機(jī)K-100消耗相同的能量,計(jì)算出此時(shí)方案三的總制冷量,并對(duì)方案三中的制冷循環(huán)進(jìn)行了模擬,模擬系統(tǒng)圖如圖7所示。

圖7 方案三制冷循環(huán)Fig.7 Refrigeration cycle of scheme 3

當(dāng)方案三中壓縮機(jī)K-101 消耗的功率與方案二中壓縮機(jī)K-100消耗的功率相同時(shí),經(jīng)過(guò)模擬可以計(jì)算出方案三中制冷循環(huán)的制冷量Q,再加上方案一中液氨釋放的冷量就可以得到方案三釋放的總冷量,以低溫冷庫(kù)的出口溫度設(shè)定為-20℃為例,結(jié)果匯總?cè)鐖D8所示。

圖8 方案三制冷量與方案二制冷量的對(duì)比Fig.8 Comparison of the cold capacity of scheme 3 and scheme 2

從圖8中可以看出,方案三釋放的冷量依然小于方案二釋放的冷量,且方案三比方案二多了制冷循環(huán),系統(tǒng)復(fù)雜,因此方案二為最佳選擇。為了進(jìn)一步驗(yàn)證方案二對(duì)液氨冷能的利用效果,還應(yīng)對(duì)方案二的系統(tǒng)的效率進(jìn)行評(píng)估。

采用表4和表6中的數(shù)據(jù),通過(guò)公式(3)可以計(jì)算出方案一和方案二不同模塊和整個(gè)系統(tǒng)的效率,結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表7 不同方案下不同模塊的效率Table 7 Exergy efficiency of different modules under different schemes

表7 不同方案下不同模塊的效率Table 7 Exergy efficiency of different modules under different schemes

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從表7中可以看出,方案二的低溫貨艙系統(tǒng)、船舶空調(diào)系統(tǒng)、整個(gè)系統(tǒng)的效率均大于原方案,尤其是低溫貨艙系統(tǒng)的效率有了大幅度提升,這是因?yàn)榉桨付幸喊痹诘蜏刎浥撓到y(tǒng)中發(fā)生了相變,釋放了更多了冷能,冷能利用更加充分,所以低溫貨艙系統(tǒng)的效率有了較為明顯的提高;船舶的高溫冷庫(kù)系統(tǒng)的效率小于方案一,但是高溫冷庫(kù)系統(tǒng)的熱負(fù)荷較小,冷能利用也較少,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率影響不大,因此,綜合考慮,本研究采用方案二,為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率,將對(duì)方案二系統(tǒng)中的不同模塊進(jìn)行優(yōu)化。

3 選定方案的優(yōu)化

3.1 低溫貨艙系統(tǒng)的優(yōu)化

因?yàn)榈蜏刎浥摰臒嶝?fù)荷較大,需要的冷量較多,所以低溫貨艙系統(tǒng)的效率對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率影響較大。從圖6中可以看出,隨著低溫貨艙出口溫度的增高,液氨釋放的冷量逐漸增大,這對(duì)低溫貨艙系統(tǒng)的效率是有影響的。因此對(duì)于低溫貨艙效率的優(yōu)化可以從改變低溫貨艙的出口溫度入手。低溫貨艙的目標(biāo)溫度為-20～-18℃,因此低溫貨艙出口(節(jié)點(diǎn)A3)溫度的取值不應(yīng)該低于-18℃,為了達(dá)到低溫貨艙的目標(biāo)溫度,低溫貨艙的出口溫度應(yīng)該略低于其目標(biāo)溫度,綜合考慮,可以取低溫貨艙的出口溫度為-23、-22、-21、-20、-19℃,在不同的船舶主機(jī)工況下,對(duì)低溫貨艙系統(tǒng)的效率進(jìn)行了計(jì)算匯總,如圖9所示。

圖9 低溫貨艙系統(tǒng)的效率與節(jié)點(diǎn)A3的變化關(guān)系Fig.9 Variation relationship between exergy efficiency of low temperature cargo hold system and node A3

從圖9中可以看出,隨著節(jié)點(diǎn)A3溫度的升高,低溫貨艙系統(tǒng)的效率逐漸增大,船舶主機(jī)在85%工況條件下,優(yōu)化后低溫貨艙的效率最大,為38.01%;船舶主機(jī)在65%工況條件下,優(yōu)化后的低溫貨艙的效率最小,為37.74%。

3.2 高溫冷庫(kù)系統(tǒng)的優(yōu)化

高溫冷庫(kù)系統(tǒng)由換熱器H-2和泵P-4組成,與低溫貨艙系統(tǒng)的優(yōu)化方式類似,通過(guò)改變高溫冷庫(kù)系統(tǒng)的冷媒進(jìn)口溫度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化,在保證可以滿足高溫冷庫(kù)目標(biāo)溫度的前提下,可以取高溫冷庫(kù)系統(tǒng)冷媒的進(jìn)口(B1)溫度分別為-3、-2、-1、0、1℃,將船舶主機(jī)在不同工況下,高溫冷庫(kù)系統(tǒng)及其相關(guān)設(shè)備的效率進(jìn)行了計(jì)算匯總,如圖10所示。

圖10 高溫冷庫(kù)系統(tǒng)及其相關(guān)設(shè)備的效率與節(jié)點(diǎn)B1的變化關(guān)系Fig.10 Relationship between the exergy efficiency of the high temperature cold storage system and its related equipment and the node B1

通過(guò)圖10 可以看出,隨著節(jié)點(diǎn)B1 溫度的升高,換熱器H-2、泵P-4、高溫冷庫(kù)系統(tǒng)的效率逐漸減小。這是因?yàn)榇案邷乩鋷?kù)的熱負(fù)荷較小,即使增大節(jié)點(diǎn)B1的溫度,對(duì)換熱器H-2的冷流進(jìn)出口溫度的影響不大,但是會(huì)增大換熱器H-2的熱流與冷流的溫差,因此換熱器H-2 的損失就會(huì)增大,造成效率降低。因此要提高高溫冷庫(kù)系統(tǒng)的效率就要降低節(jié)點(diǎn)B1的溫度。綜合考慮,取節(jié)點(diǎn)B1的溫度為-3℃。船舶在65%工況條件下,優(yōu)化后的高溫冷庫(kù)的效率最大,為50.21%;船舶在85%工況條件下,優(yōu)化后的高溫冷庫(kù)的效率最小,為48.05%。

3.3 船舶空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化

船舶空調(diào)系統(tǒng)的目標(biāo)溫度為15～25℃,因此船舶空調(diào)系統(tǒng)的冷媒進(jìn)口溫度不應(yīng)高于25℃,在這里分別取節(jié)點(diǎn)C1的溫度為18、19、20、21、22℃,并對(duì)系統(tǒng)在不同工況下的效率進(jìn)行匯總,如圖11所示。

圖11 空調(diào)系統(tǒng)及其相關(guān)設(shè)備的效率與節(jié)點(diǎn)C1的變化關(guān)系Fig.11 Relationship between the exergy efficiency of the air-conditioning system and its related equipment and node C1

從圖11 可以看出,空調(diào)系統(tǒng)冷媒進(jìn)口(節(jié)點(diǎn)C1)溫度越高,系統(tǒng)的效率越小,且隨著船舶主機(jī)工況的增加,系統(tǒng)的效率越小。這是因?yàn)楦邷乩鋷?kù)需要的冷量已經(jīng)確定,同時(shí)換熱器H-2的冷流出口溫度已經(jīng)確定,空調(diào)系統(tǒng)的熱負(fù)荷較小,需要的冷量也不多,節(jié)點(diǎn)C1的溫度升高,換熱器H-3的冷流出口溫度變化也不明顯,但是換熱器H-3的熱流與冷流的溫差會(huì)變大,造成換熱器的效率降低,導(dǎo)致系統(tǒng)的效率下降。在保證系統(tǒng)可以正常工作和空調(diào)系統(tǒng)的效率較高的前提下,取節(jié)點(diǎn)C1的溫度為18℃,船舶主機(jī)在65%工況條件下,優(yōu)化后的船舶空調(diào)系統(tǒng)的效率最大,為18.7%;船舶主機(jī)在85%工況條件下,優(yōu)化后的船舶空調(diào)系統(tǒng)的效率最小,為16.6%。

3.4 結(jié)果匯總

以上分別對(duì)液氨冷能利用方案中的低溫貨艙系統(tǒng)、船舶高溫冷庫(kù)系統(tǒng)、船舶空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化后的冷能利用系統(tǒng)的效率相比于優(yōu)化前均得到了提高,同理,優(yōu)化前后的整個(gè)冷能利用系統(tǒng)的效率也可以被計(jì)算出來(lái),匯總結(jié)果如表8所示。通過(guò)優(yōu)化,船舶主機(jī)在75%工況條件下,整個(gè)冷能利用系統(tǒng)的效率提高了2.74%,達(dá)到39.56%,為5種工況條件下的最大值。

表8 冷能利用系統(tǒng)優(yōu)化前后的效率匯總Table 8 Summary of exergy efficiency before and after optimization of cold energy utilization system

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4 結(jié) 論

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)氨動(dòng)集裝箱船上的冷能進(jìn)行合理利用,設(shè)計(jì)了一套用于氨動(dòng)力集裝箱船的液氨冷能利用方案,并對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),主要結(jié)論如下:

1)提出將液氨的冷能分別用于船舶的低溫貨艙、船舶高溫冷庫(kù)和空調(diào),不僅大大減少了冷藏集裝箱制冷的電力消耗,而且實(shí)現(xiàn)了液氨冷能的梯級(jí)利用,解決了氨動(dòng)力集裝箱船上冷能浪費(fèi)的問(wèn)題,提高了整船的能量利用率。

2)對(duì)液氨冷能利用系統(tǒng)進(jìn)行了不同的方案設(shè)計(jì),利用Aspen HYSYS模擬軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬,得到不同節(jié)點(diǎn)的主要參數(shù),對(duì)比分析了不同方案下系統(tǒng)釋放的冷量和各個(gè)冷能利用模塊的效率,得到了較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案,結(jié)果顯示方案二釋放的冷量高于方案一,且優(yōu)化前的方案二的系統(tǒng)效率為36.82%,比方案一高6.29%。