应用LNG冷能的渔船冷库制冷模拟研究

陈 超，阚安康，杨 帆，齐 丹，徐志峰

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

应用LNG冷能的渔船冷库制冷模拟研究

陈 超，阚安康，杨 帆，齐 丹，徐志峰

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

我国LNG动力渔船数量逐渐增多，前景广阔。LNG在由储罐进入动力装置利用之前会释放出大量冷能，为了有效的利用这部分冷能，提出了将LNG冷能用于渔船发电及冷库制冷相结合冷能利用系统，实现了系统及冷库内部冷能的梯级利用。利用HYSYS软件对该冷库系统进行流程模拟及热力学计算分析。计算结果表明，该冷库系统的系统能效(COP)为1.86，火用效率为82.05%。其中LNG换热器的火用损失最大，为4.08 kW。实现了LNG动力渔船冷库冷能利用率及火用效率的大幅提高，节能效果显著，为LNG动力渔船冷能的高效利用提供了参考。

LNG；冷能梯级利用；渔船；HYSYS；火用效率

0 引言

近年来我国LNG进口量迅速增长，2016年中国LNG进口量达到2600万t，占据全球LNG进口量的10%。2017年年初至今国内LNG需求量继续稳步上升，而进口量在今年上半年已同比增长39%。LNG在常压下的液化温度为-162℃，每千克LNG在气化过程中大约释放冷量830 kJ。如果能将这部分冷能充分利用，则能够达到节能减排、提高经济效益的目的。针对LNG用于冷库制冷，国内外学者做了相关研究。吴集迎等[1]设计了LNG冷能用于冷库的系统流程与运行模式，验证了LNG冷能用作冷库冷源是可行的。杨春等[2]提出了一种LNG冷能用于冷库和冷水的撬装式装置，解决了LNG气化和应用在时间和空间上不同步的问题。唐贤文等[3]通过火用分析方法，计算了LNG冷能在不同冷库温度下的火用效率。肖芳等[4]分析了LNG冷能用于冷藏温度-30℃、液氨作为中间冷媒的冷库项目，解决了当天然气用户需求较少时，LNG冷能供应不足、冷媒冷量不够的问题。Messineo等[5]在接收站和用冷地点之间设置中间冷媒传输系统，使用CO2作为中间介质，有效降低了传输能耗。孙楠楠等[6]提出了将ORC与冷库相结合的LNG冷能利用系统，可实现LNG冷能利用率的大幅提升，节能效果显著。董建锴等[7]设计了一种新型LNG冷能制冷的冷库系统，并通过HYSYS模拟对其进行了热力学分析和经济性分析。

LNG动力渔船是我国未来渔船发展的新趋势，LNG除用作“绿色”渔船燃料，还具有大量的冷能[8-9]。虽然相关学者在冷能用于冷库方面作了上述研究，但对于LNG动力渔船冷能用于冷库的探讨相对较少，其涉及的工艺方案和方法也不符合船舶的要求。本文结合国内某型号LNG动力渔船的参数特点，建立了LNG冷能制冷的双级冷库模型，并对其进行了热力学分析。计算了各设备的和整体系统的火用效率和火用损，分析了影响系统火用效率提高的原因，研究了不同LNG进口温度系统火用效率和COP的变化情况。

1 系统方案设计

1.1冷能利用形式

LNG冷能的利用方式很多，主要有轻烃分离、空气分离、冷能发电、橡胶粉碎、海水淡化、冷冻仓库等[10-15]。LNG冷能利用技术主要分为两类：一类是将冷能独立应用于冷能发电、海水淡化、冷库制冷中；另一类主要是实现冷能的梯级利用[16]。单一利用LNG冷能的方法只考虑了冷能的回收，而没有考虑冷能利用的能级，造成了大量的冷量火用损失。

(1)

从式(1)中可以看出，在热负荷一定的情况下，热源与LNG冷源温差越大，冷量火用损失就越大。梯级利用方式能够减小LNG与热源之间的温差，减小冷量火用损失。故本系统采用了梯级利用的方式。

1.2系统介绍

图1为LNG动力渔船冷能利用系统流程图。选取广东LNG为动力燃料[17]，其组分见表1。某型号的LNG动力渔船燃料消耗流量为235 kg/h，LNG储罐内的压力约为0.9 MPa，温度约为146 K，动力系统要求温度为283.15 K，压力为0.8 MPa。该LNG动力渔船冷能利用系统设计主要考虑了冷能的梯级利用。一方面，在LNG换热器端实现了LNG的梯级利用，LNG冷能的第一级用于低温朗肯循环发电，LNG的温度升高到183.15 K，第二级用于实现渔船冷库制冷；另一方面，在冷库端实现冷能的梯级利用，该渔船上设两个鱼舱，每个鱼舱各设一冷库，分别为保鲜冷库(-4℃)和低温冷库(-20℃)，设计热负荷分别为3.4 kW和11.2 kW，由于两冷库库温不同，所对应的冷媒的蒸发压力和蒸发温度也不相同。两冷库采用并联的方式，使LNG冷能在冷库系统中能够得到充分的利用。

图1 1 LNG动力渔船冷能利用系统图

表1 LNG各组分及其相应的临界温度和压力

1.3渔船冷库梯级利用LNG冷能的可行性验证

由第1.2节可知，渔船冷库的总冷负荷为14.6 kW，LNG流量为235 kg/h。LNG由存储状态气化至进机状态时释放的冷量为：

Q=Q1+Q2+Q3

(2)

式中，Q1、Q2、Q3为LNG由存储状态升温至饱和液态时释放的冷能；LNG由饱和液态升温至饱和气态时释放的冷量； LNG由饱和气态升温至进机状态时释放的冷能。

Q1=m·cp1·(TL-Ts)

(3)

Q2=m·(hv-hL)

(4)

Q3=m·cp2·(Tk-Tv)

(5)

式中，m为LNG流量；cp1、cp2为定压比热容；TL、Ts为LNG饱和液态时温度，LNG存储温度；hv、hL为LNG饱和气态时焓值，LNG饱和液态时焓值；Tk、Tv为LNG进机温度，LNG饱和气态温度。

由式(2)～(5)计算可知该LNG动力渔船冷能总量为46.135 kW，远大于冷库的设计负荷14.6 kW。故此设计是可行的。且当LNG渔船动力装置低负荷运行或捕鱼量较多的情况下(冷库热负荷较多)，其LNG制冷功率也能满足冷库制冷的需求。当渔船动力装置超负荷运行时(LNG流量增大)，LNG制冷功率大于冷库的需求，在NG进机前利用缸套冷却水对其加热，不仅能回收缸套冷却水的余热使NG达到进机温度的需求，同时也能降低缸套冷却水的温度。

2 模型介绍与计算

2.1状态方程选择

本文仅对LNG冷能用于渔船冷库的流程进行模拟与计算。由于LNG由储罐到动力装置经过了纯液态、气液两相、纯气态的过程，温度跨度较大，所以选择了适应性较强的Peng-Robinson方程来计算LNG物性。冷库冷媒采用工质氨，换热器的压降均为10 kP，泵和压缩机的效率均为75%。

2.2模型建立与分析

工质的火用，包括工质的机械能及其焓火用，工质的机械能变化较小，通常忽略这部分火用值。因此，对于稳定流动的系统，工质火用值计算模型为：

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

(7)

式中，m为各工质的质量流量；h、s为工况下各工质的比焓和比熵；单位分别为kJ/kg，kJ/(kg·K)；h0、s0为基准状态下工质的比焓和比熵，单位分别为kJ/kg，kJ/(kg·K)；基准状态为25℃、0.1 MPa。

LNG冷能用于渔船冷库的流程模拟采用了文献[7]中的模型[7]。如图2所示，采用Aspen HYSYS进行模拟计算。冷媒氨在蒸发器1的蒸发温度和蒸发压力分别设定为-11℃、0.29 MPa；在蒸发器2中的蒸发温度和蒸发压力-30℃、0.12 MPa。蒸发器内的压降都为10 kPa。

LNG输入冷量为：

QLNG=mLNG(hNG-hLNG)

(8)

泵输入功为：

Wpump=m(h2-h1)∕0.75

(9)

压缩机输入功为：

Wcom=0.75m(h6-h5)

(10)

系统能效COP为：

(11)

冷库得到的冷量火用为：

(12)

(13)

式中，Q1为蒸发器1的输出冷量，kW；Q2为蒸发器2的输出冷量，kW；ExNG为NG的火用值，kW。

通过流程模拟软件HYSYS的计算，得到的结果如表2所示。

由式(8)～(10)可知，模拟流程中的各关键设备功率的计算结果如表3所示。

由式(11)计算可知，此LNG冷能制冷的冷库系统能效COP为1.86，使得冷能的利用率大幅度提升。但是单纯的能效分析只能从数量守恒的角度来计算能量的损失，而忽略了内部的损失，此时的能效比不能真实的反应内部的能耗情况，评价指标也只能计算能量的数量变化上的变化而忽视了其品质的变化。鉴于LNG冷库系统中压力、环境温度等参数的变化对LNG可利用冷能的影响，使用火用分析法来弥补能效分析的不足。下面主要从各部分设备的火用损和火用效率两个方面进行分析。

图2 LNG冷能用于渔船冷库的HYSYS流程模拟

表2 冷库流程中物流参数模拟结果

表3 冷库流程中各关键设备功率计算结果

2.3 火用损及火用效率分析

根据表2和表3中的数据计算可以得到该利用LNG冷能的渔船冷库中各主要设备的输入火用、有效火用、火用损及火用效率。计算结果如表4所示。

表4 LNG冷能用于渔船冷库各设备的效率及火用损

从计算结果可以看出，该利用于渔船冷库的LNG冷能系统的整体火用效率为82.05%，说明该系统不管COP还是火用效率方面相比其他形式的冷库都大大提高。主要原因是该LNG动力渔船冷能利用系统采用了冷能的梯级利用原则，而不仅仅是冷能的单级利用，在LNG进入动力系统之前，经过了两级利用，即高品质的LNG冷能用于朗肯循环发电，为渔船提供电能；低品质的LNG冷能用于渔船的冷库制冷，同时，在冷库中，又根据不同的冷库库温及负荷实现了LNG冷能的梯级利用。充分的利用了LNG的冷能，使冷库出口的LNG温度基本能通过较少量的海水加热既能满足渔船动力装置的温度要求，也减少了对海洋的冷污染。

从计算结果可以看出，整个系统主要设备中，火用效率最低分别是LNG换热器和压缩机。LNG换热器的温度(-90℃)与工质氨的温度(35.83℃)相差太大，从式(1)中可以看出，温差过大导致了LNG的冷量火用损失过大。在理想状态下，压缩机进行的是等熵绝热压缩过程，不会产生火用损失，火用效率较低的原因主要是与其工作效率(75%)有关。在实际的压缩机压缩过程中，不可逆过程造成不可逆的火用损失，这将主要取决于压缩机压缩比和压缩机的制造技术，压缩比越大，压缩机内部的摩擦力越大，火用损失也将越大。

3 结 论

1.本文提出将LNG动力渔船的燃料冷能用于渔船发电和冷库制冷的LNG冷能梯级利用方案。有效的将以往直接废弃的LNG冷能进行了利用。减少了能源浪费。

2.本文利用HYSYS软件对LNG冷能用于冷库制冷系统进行了详细分析，计算出该冷库制冷系统的COP为1.86，火用效率为82.05%。相比于其他类型的冷库制冷系统，COP和火用效率都大大提高。同时分析了LNG换热器和压缩机火用效率较低的原因，为以后提高此类冷库制冷系统的整体火用效率提供参考。

3.本文针对LNG动力渔船提出的冷能利用系统不仅避免了对海水造成的冷污染，节省了传统的渔船冷库设备投资及运行功耗，而且实现了冷能的增益利用。该系统具有优良的经济性和环保性，为我国LNG动力渔船冷能的高效利用提供了指导。

但是，在实际应用中可能还需要解决诸多的困难，比如：需要在船舶上使用高保温材料降低LNG在传送过程冷量的损失；在LNG冷能利用过程中，当直接从LNG取冷时，需要采用设计难度较大的高温差换热器；以及LNG在渔船上存储安全和船员操作培训等都是实际应用中需要解决的问题。

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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

上海市自然基金资助项目(15ZR1419900)

TB69

A

1007-7804(2017)05-0011-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.05.003

陈 超(1991)，男，助理工程师，硕士研究生。主要从事船舶冷藏运输研究。E-mail：15865415835@163.com