船用新型閃蒸氣再液化工藝設計與分析

Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)船用新型閃蒸氣再液化工藝設計與分析*丁智1,楊志強1?,夏夢寒2,王昌1,劉禹1,王靈21.中國船舶集團有限公司第七一一研究所,上海201203;2.上海齊耀動力技術有限公司,上海201203收稿日期:2023-03-24;接收日期:2023-05-31【摘要】液化天然氣(Liquefiednaturalgas,LNG)因單位熱值二氧化碳排放量低、能量密度高、清潔等優(yōu)點,成為世界能源市場上增速最快的化石燃料.利用液化系統(tǒng)對LNG儲運過程產(chǎn)生的閃蒸氣(Boiledoffgas,BOG)進行液化回收,不僅有顯著的經(jīng)濟效益,同時可以滿足環(huán)保要求.基于LNG運輸過程中BOG再液化需求,本文設計了帶冷量回收的新型混合工質再液化系統(tǒng),同時建立了4種常規(guī)BOG液化系統(tǒng)模型,利用化工流程模擬軟件分析了典型工況下各系統(tǒng)的工作原理及內部能量傳遞關系,并對比了不同工況下各系統(tǒng)性能.結果表明,在所設進出口條件下:當BOG組分為純甲烷時,混合工質液化系統(tǒng)比功耗及所需冷卻水量明顯低于氮膨脹液化系統(tǒng),新型混合工質液化系統(tǒng)比功耗最低為0.53kWh·kg-1;BOG流量每增加100kg·h-1,氮膨脹液化系統(tǒng)功耗增加約100.05kW,而帶冷量回收的液化系統(tǒng)功耗僅增加63.60kW.當BOG組分中氮氣含量增加時,液化率降低,所需的制冷量、冷卻水量均降低;當?shù)獨夂考s為5%時存在最小比功耗,此時氮膨脹系統(tǒng)比功耗最小為0.96kWh·kg-1,帶冷量回收的混合工質液化系統(tǒng)比功耗最低為0.51kWh·kg-1.帶冷量回收的新型混合工質再液化系統(tǒng)結構緊湊、能耗更低,是應用于LNG船舶BOG再液化工藝的優(yōu)選方案之一.關鍵詞:LNG;BOG,冷量回收,氮膨脹液化系統(tǒng),混合工質液化系統(tǒng),比功耗PACS:88.85.mfDOI:10.13380/j.ltpl.2023.03.007DesignandAnalysisofNewMarineBoiledoffgasRe-liquefactionSystem*DINGZhi1,YANGZhiqiang1?,XIAMenghan2,WANGChang1,LIUYu1,WANGLing21.ShanghaiMarineDieselEngineResearchInstitute,Shanghai201203,China;2.ShanghaiMicropowers.Ltd.,Shanghai201203,ChinaReceiveddate:2023-03-24;accepteddate:2023-05-31【Abstract】Liquefiednaturalgas(LNG)isthefastestgrowingfossilfuelintheworldenergymarketduetoitslowcarbondioxideemissions,highenergydensityandcleanliness.UsingtheliquefactionsystemtoefficientlydealwiththeBoiledoffgas(BOG)generatedduringLNGtransportationcannotonlyreducethenaturalgasloss,butalsomeettheenvironmentalrequirements.BasedontherequirementsofBOGreliquefactionduringLNGtransportation,thispaperdesignedanewmixedrefrigerantreliquefactionsystemwithcoldrecovery,andestablishedfourconventionalBOGliquefactionsystems.Theworkingprincipleandinternalenergytransferrelationshipofeach*上海市青年科技英才揚帆計劃(批準號:21YF1451400),中國船舶集團自立科技研發(fā)專項(批準號:202204Z),上海齊耀動力技術有限公司自主科研(批準號:K2021Y06-JG)資助的課題.?ipcyzq@163.com069·1069Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)systemwereanalyzedbyusingchemicalprocesssimulationsoftware,andtheperformanceofeachsystemunderdifferentworkingconditionswascompared.TheresultsshowthatwhentheBOGispuremethane,thespecificpowerconsumptionandcoolingwaterrequiredbytheliquefactionsystemofmixedrefrigerantaresignificantlylowerthanthenitrogenexpanderliquefactionsystem,andtheminimumspecificpowerconsumptionofthenewsystemis0.53kWh·kg-1.WhentheBOGflowincreasesby100kg·h-1,thepowerconsumptionofthenitrogenexpanderliquefactionsystemincreasesbyabout100.05kW,whilethepowerconsumptionoftheliquefactionsystemwithcoldrecoveryonlyincreasesby63.60kW.WhenthenitrogencontentinBOGincreases,thecoolingcapacity,coolingwaterandliquefactionratealldecrease.Whenthenitrogencontentisabout5%,theminimumspecificpowerconsumptionexists.Inthiscase,theminimumspecificpowerconsumptionofthenitrogenexpansionsystemis0.96kWh·kg-1,andtheminimumspecificpowerconsumptionofthemixedrefrigerantliquefactionsystemwithcoldcapacityrecoveryis0.51kWh·kg-1.Thenewreliquefactionsystemofmixedrefrigerantwithcoldrecoveryhascompactstructureandlowerenergyconsumption,whichisanalternativeschemeforLNGshipBOGKeywords:LNG;BOG,coldrecovery,expanderliquefactionsystem,mixedrefrigerantliquefactionsystem,specificPACS:88.85.mfDOI:10.13380/j.ltpl.2023.03.007Referencemethod:DINGZhi,YANGZhiqiang,XIAMenghan,WANGChang,LIUYu,WANGLing,Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)···Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)1引言隨著世界能源需求的不斷增長,能源供應日趨緊張[1],天然氣已成為近年來增速最快的化石能源,天然氣作為清潔、高效的化石燃料,可以減少溫室氣體的排放[2].據(jù)統(tǒng)計,世界天然氣消耗量將以每年1.7%的速度增長[3].國家發(fā)改委發(fā)布的《天然氣“十四五”規(guī)劃》中指出,到2025年全國集約布局儲氣能力達到550億~600億立方,占天然氣消費比重約13%[4].液化天然氣(LiquefiedNaturalGas,簡稱LNG)是天然氣最清潔的存儲形式[5].常壓下,-161℃可以將天然氣液化,其體積可縮小為約1/600,因此,液化天然氣具有非常高的能量密度,極大降低了運輸空間與成本[6].對于遠距離、大載量的LNG國際貿(mào)易,利用LNG船運輸是最佳方式,成本僅為管道輸送的1/6~1/7[7].近年來全球LNG船訂單量逐年上升[8],截至2022年11月,全球訂單量創(chuàng)歷史新高達164艘,訂單數(shù)量接近2021年的2倍,在全球碳減排政策推動下,LNG貿(mào)易需求持續(xù)提升,為LNG運輸提供了新一輪的發(fā)展機遇.LNG運輸船中專用儲罐具有良好的絕熱性,但系統(tǒng)漏熱及船體晃動等原因導致部分LNG氣化為閃蒸氣(Boil-offgas,簡稱BOG),BOG積累導致罐內壓力升高,潛在風險增加,及時處理這部分閃蒸氣是LNG運輸船運行中面臨的主要問題.BOG再液化是目前常見的處理方式,不僅可以降低天然氣的損失,更避免直接排放或燃燒帶來的環(huán)境污染[9].現(xiàn)存在三種主要液化形式[10-13]:級聯(lián)式液化過程、膨脹式液化過程以及混合工質液化過程.級聯(lián)液化過程利用幾組獨立的純制冷劑循環(huán)實現(xiàn)天然氣的梯級冷卻,該過程結構復雜,資金成本最高[11].膨脹式液化過程是逆布雷頓制冷循環(huán),利用渦輪膨脹機產(chǎn)生制冷效果,膨脹機輸出的機械功用來驅動壓縮機[14].混合工質液化循環(huán)通過合理選擇混合工質組分,充分利用各組元的相變溫度滑移,減小換熱器冷熱負荷曲線間隙,實現(xiàn)高效制冷[15].海運BOG液化過程的主要需求是系統(tǒng)簡單、可靠性高,同時減小設備空間.因此,采用混合工質液化和膨脹式液化過程被認為更適合海上液化生產(chǎn)的工藝[1].Remeljej等[16]利用分析方法比較了雙級氮膨脹液化系統(tǒng)、開式氮膨脹液化系統(tǒng)以及混合工質液化系統(tǒng)的性能,結果表明氮膨脹液化系統(tǒng)更適用于船用BOG液化系統(tǒng).Li等[17]比較了氮氣膨脹液化過程與混合工質液化過程的單位能耗、布局、對運動的敏感性、對不同氣體資源的適用性、安全性和可操作性等,結果表明,氮氣膨脹液化系統(tǒng)簡單,結構緊湊,但是單位能耗較高.Song等[18]和Lee等[19]提出了新型的氧化亞氮和氮制冷劑的級聯(lián)的海上天然氣液化方法,與傳統(tǒng)的基于渦輪膨脹機的液化流程相比,效率更高.Barclay等[20]提出了一種增強型混合工質液化系統(tǒng),新型系統(tǒng)中壓縮機后冷卻器的冷卻介質為海水,使后冷卻器比空氣冷卻器更緊湊.但是由于海水的腐蝕,需要使用鈦交換器,增加了液化系統(tǒng)的資金成本.Li等[17]設計了丙烷預冷的混合工質液化工藝,研究了系統(tǒng)性能參數(shù)、經(jīng)濟性能、布局、對運動的敏感性、對不同天然氣資源的適用性、安全性和可操作性,考慮了海洋環(huán)境中液化天然氣浮式生產(chǎn)、儲存和卸載裝置的特點.Hwang等[21]介紹了LNG液化循環(huán)的結構和基本原理,提出了單循環(huán)再生、多級壓縮中冷、多級壓縮制冷和多級制冷四種方式,確定了最佳的合成液化循環(huán)并與雙混合制冷劑循環(huán)進行了比較,結果表明最佳合成液化周期縮短了7.45%,優(yōu)化后的液化循環(huán)可在海上應用.Xiong等[22]開展了增壓LNG(PressurizedLNG,簡稱PLNG)的混合液化循環(huán)并應用遺傳算法來優(yōu)化單位能耗,結果表明,基于PLNG的系統(tǒng)單位能耗比傳統(tǒng)液化系統(tǒng)低50%,但液化天然氣的高壓儲存成本更高.與陸上BOG液化裝置不同,LNG船的BOG再液化工藝設計應考慮空間限制等外界約束條件,緊湊性和高效率至關重要.本文基于目前廣泛應用混合工質液化技術,設計了一種帶BOG冷量回收的新型混合工質液化系統(tǒng),并建立了4種常規(guī)再液化系統(tǒng)模型,分析了各系統(tǒng)工作原理及內部能量變化,并通過化工流程模擬軟件得到不同工況下系統(tǒng)運行參數(shù)變化趨勢,分析比較了新型系統(tǒng)與其他常規(guī)系統(tǒng)的性能,新型系統(tǒng)綜合性能明顯高于常規(guī)系統(tǒng),對于指導船用BOG液化系統(tǒng)選擇具有較強的參考意義.2熱力學模型及參數(shù)設置2.1熱力學模型汽液相平衡數(shù)據(jù)是獲得混合物熱力學性質的基····0172·式中,式中,ηComp為壓縮機絕熱效率,%;ηExp為膨脹機絕熱效率,%;ηmec為壓縮機與膨脹機的機械效率,%.2.2參數(shù)設置為對不同再液化系統(tǒng)進行更充分分析,對進入系統(tǒng)的BOG氣體狀態(tài)、壓縮機與膨脹機絕熱效率、BOG節(jié)流閥等系統(tǒng)參數(shù)設置如表2所示.表2液化過程系統(tǒng)參數(shù).狀態(tài)/裝置名稱參數(shù)BOG入口組分溫度流量100%甲烷120K1000kg/hLow.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)礎,Peng-Robinson狀態(tài)方程(簡稱P-R方程)廣泛應用于熱力參數(shù)計算[23]:(1)(2)(3)(4)(5)p=(1)(2)(3)(4)(5)b=0.077796a=0.457235[1+kPR(1-T.5)]2kPR=0.37464+1.54226ω-0.26992ω2Tr=是摩爾體積,m3·mol-1;ω為偏心因子;Tc是臨界式中:R為氣體常數(shù)是摩爾體積,m3·mol-1;ω為偏心因子;Tc是臨界溫度,K;pc是臨界壓力,Pa.混合物計算時有[24]:(6)(7)(8)axixja(6)(7)(8)bxibiaij=(1-kij)aiaj式中:kij=kji為二元相互作用參數(shù).質量守恒方程:(9)mm(9)能量守恒方程:(10)Q-Wm·h-m·h換熱器內制冷量[25]:(10)(11)ΔQBOG=mBOG·(hin-hout)(11)比功耗[26]:(12)Comp-Exp+pumpSP=mLNG(12)式中,m為工質質量流量,kg·h-1;Q為換熱量,kW;W為功耗,kW;h為工質焓值,kJ·kg-1.將系統(tǒng)中每一裝置均作為穩(wěn)態(tài)下控制體,分別采用質量守恒與能量守恒方程對系統(tǒng)各個過程進行分析,該系統(tǒng)內部關鍵部件的質量與換熱平衡方程如表1所示.表1系統(tǒng)關鍵部件平衡方程.關鍵部件質量能量壓縮機mout=minWComp=nunmWComp=nunηComp·ηmec膨脹機mout=minWExp=min·(hout-hin)·ηExp·ηmec冷卻器mout=minQc=min·(hin-hout)泵mout=minWPump=min·(hout-hin)節(jié)流閥mout=minhout=hin加熱器mout=minQh=min·(hout-hin)主冷工質氣液分離器min=mliquid+mgasmin·hin=mliquid·hliquid+mgas·hgasLNG氣液分離器min=mLNG+mBOGmin·hin=mBOG·hBOG+mLNG·hLNG狀態(tài)/裝置名稱壓力參數(shù)0.15MPaBOG加熱器后溫度243K壓縮機/膨脹機[27]絕熱效率75%壓縮機/膨脹機機械效率90%冷卻水[28]溫度309K冷卻器后溫度314KBOG節(jié)流閥閥前溫度閥后壓力120K0.35MPa換熱器窄點溫差<3KLow.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)·0173·表3為常用于研究的工質熱力參數(shù),低沸點工更大的制冷量,因此在低溫節(jié)流制冷系統(tǒng)中多采用質可以獲得較低的制冷溫度,高沸點工質可以獲得高、低沸點工質混合作為制冷劑[29].表3純物質組元的基本熱力參數(shù)及相關特性[30].組元常壓沸點/K臨界溫度/K臨界壓力/MPaODPGWP安全等級氮氣3.3900A1甲烷4.590~20A3乙烯5.040~20A3乙烷4.870~20A3丙烯4.550~20A3丙烷4.250~20A3異丁烷261.40407.813.630~20A3乙二醇470.458.000~20A3混合工質選擇要考慮不同組元在制冷機工作范圍內能夠實現(xiàn)有效的接力匹配,以獲取更高的制冷效率.為此,系統(tǒng)中制冷劑的選擇要具有與制冷溫跨相對應的相變溫度滑移[31].圖2為當節(jié)流閥前后壓力分別為2MPa與0.1MPa時,所選組元及其混合物(N2/CH4/C2H4/C2H6/C3H8/i-C4H10比例為0.1/0.2/0.2/0.2/0.2/0.1)的等溫節(jié)流效應,由圖1以看出,混合制冷劑實現(xiàn)了等溫節(jié)流效應的接力匹配且滿足所需制冷溫度.圖1混合物與純質組元在全溫區(qū)等溫節(jié)流效應.采用化工流程模擬軟件對各液化系統(tǒng)進行液化過程模擬,為保證系統(tǒng)有效運行,現(xiàn)對系統(tǒng)運行環(huán)境進行假設[32]:(1)所有過程均為穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)流,勢能和動能效應可忽略不計;(2)壓縮機壓縮過程與膨脹機膨脹過程均為絕熱過程;(3)節(jié)流閥中制冷劑和BOG為等焓節(jié)流;(4)忽略連接管壓力損失,各換熱器壓力損失為0.02MPa;(5)換熱器和管道是完全隔離的;(6)冷卻器后BOG或制冷劑比冷卻水溫度高5K;(7)忽略各裝置內潤滑油的影響.3新型BOG再液化系統(tǒng)設計船用壓縮機潤滑油工作溫度不宜過低[33],而來自LNG儲罐的蒸發(fā)氣BOG溫度為120K左右,回現(xiàn)冷量再利用.通過合理設計與工質選擇,設計了一BOG冷量作為液化系統(tǒng)冷源之一,實現(xiàn)能量高效利用,節(jié)約資源,提升系統(tǒng)效率.3.1系統(tǒng)描述帶冷量回收的新型混合工質液化系統(tǒng)(簡稱RPMRLS)如圖2所示,該系統(tǒng)包含四個循環(huán):BOG液化循環(huán)、乙二醇為工質的冷量回收循環(huán)、丙烯為工質的預冷循環(huán)與混合工質的主冷循環(huán).其中冷量回收循環(huán)吸收BOG冷量并作為冷箱冷源之一.預冷循環(huán)將BOG及主冷工質預冷,主冷循環(huán)經(jīng)過預冷后高沸點組元液化為D6,后經(jīng)過節(jié)流后變?yōu)镈7,低沸點組元D5經(jīng)過進一步降溫至D8節(jié)流后將BOG冷卻至過冷,并與D7匯合為返流冷劑.來自LNG儲罐的低溫低壓BOG首先經(jīng)過冷量回收器升溫后Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)0174···圖2帶冷量回收的混合工質液化系統(tǒng).進入BOG壓縮機,升壓后進入換熱冷箱,經(jīng)過預冷、液化及過冷等過程流出冷箱,再經(jīng)過節(jié)流閥降壓后流入儲罐.3.2系統(tǒng)分析該系統(tǒng)冷量來源為四部分,分別為:預冷循環(huán)B4,乙二醇回收的BOG蒸發(fā)氣冷量C3,主冷循環(huán)中高沸點工質預冷節(jié)流后D7與低沸點工質冷卻節(jié)流后D9.換熱冷箱內部能量平衡關系如式13所示:mA6·(hA6-hA7)+mD3·(hD3-hD4)+mD5·(hD5-hD8)=mB4·(hB1-hB4)+mC3·(hC1-hC3)+mD1·hD1-(mD7·hD7+mD9·hD9)(13)該液化系統(tǒng)中各循環(huán)的T-s圖如圖3所示,其中T為工質溫度,K;s為工質熵值,kJ/(kg·K).乙二醇作為冷量回收工質始終以液相循環(huán),預冷循環(huán)與主冷循環(huán)工質的汽化潛熱均得到充分利用,此時系統(tǒng)比功耗為0.53kWh·kg-1.該帶冷量回收的新型混合工質液化系統(tǒng)不僅可以滿足BOG壓縮機入口氣體條件,又可以實現(xiàn)低溫BOG蒸發(fā)氣冷量回收,為換熱冷箱提供冷源,實現(xiàn)能量的高效利用,適用于大型LNG運輸船.4常規(guī)BOG再液化系統(tǒng)分析針對現(xiàn)有船舶普遍應用的BOG液化技術,本圖3帶冷量回收的混合工質液化循環(huán)中各循環(huán)T-s圖.章主要討論氮膨脹液化系統(tǒng)以及混合工質液化系統(tǒng),通過分析各系統(tǒng)工作原理、能量變化、溫熵變化趨勢,總結各系統(tǒng)運行特點,指導船舶BOG再液化系統(tǒng)選擇.4.1單級氮膨脹液化系統(tǒng)氮膨脹液化系統(tǒng)基于逆布雷頓循環(huán)[9](BR循環(huán))原理展開,通過壓縮氣相氮氣達到高壓狀態(tài),經(jīng)過冷卻器冷卻后再通過膨脹機膨脹降溫到所需溫區(qū)去液化原料氣.單級氮膨脹(簡稱SNLS)是最簡單的膨脹液化Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)0175···圖4單級氮膨脹液化系統(tǒng).過程[34],包含BOG液化循環(huán)以及N2制冷循環(huán),氮氣作為循環(huán)制冷劑提供整個液化過程所需冷量,包括BOG預冷過程、液化過程以及過冷過程,具體過程如下圖4所示.單級氮膨脹液化系統(tǒng)工作原理為:低溫低壓原料氣經(jīng)過BOG加熱器復溫后經(jīng)過壓縮機壓縮提升壓力,再經(jīng)BOG冷卻器冷卻至后進入換熱冷箱與氣態(tài)N2制冷劑換熱,冷箱出口為過冷態(tài)BOG,經(jīng)過節(jié)流后流入LNG儲罐.N2作為系統(tǒng)的制冷劑經(jīng)過壓縮機壓縮及后冷卻進入換熱冷箱后溫度降低至B6,然后經(jīng)過膨脹機后成為低溫低壓狀態(tài)為換熱冷箱提供冷源,整個過程中氮氣始終為氣態(tài).該液化過程所需的全部冷量均來自B7,其中膨脹機對外輸出功亦可回收利用,其中冷箱內部能量平衡關系如式14所示.mA4·(hA4-hA5)+mB5·(hB5-hB6)=mB7·(hB1-hB7)(14)該單級氮膨脹液化系統(tǒng)穩(wěn)定運行過程中系統(tǒng)的T-s圖如下圖5所示,由圖可知,N2作為制冷工質始終以氣態(tài)運行,BOG由過熱氣態(tài),最終變?yōu)檫^冷液態(tài)流出系統(tǒng),該系統(tǒng)比功耗為1.03kWh·kg-1.單級氮膨脹液化系統(tǒng)利用氣態(tài)氮氣循環(huán)實現(xiàn)BOG液化,系統(tǒng)簡單、成本可控,但是系統(tǒng)功耗較大,適合應用在小規(guī)模液化系統(tǒng)中.4.2雙級氮膨脹液化系統(tǒng)相對于單級氮膨脹液化系統(tǒng),雙級氮膨脹液化系統(tǒng)(簡稱DNLS)可以達到更高的系統(tǒng)效率[35],這使得各溫區(qū)內都存在更適配的制冷設備.系統(tǒng)流程如圖6所示,其中BOG液化過程與單級氮膨脹過圖5單級氮膨脹液化系統(tǒng)中各循環(huán)T-s圖.程相似,N2制冷過程中,制冷工質經(jīng)過壓縮機壓縮后進入換熱冷箱預冷后分為B7和B9兩部分,B7進入N2膨脹機-1實現(xiàn)降溫降壓后回到換熱冷箱,B9進一步冷卻后流入N2膨脹機-2,溫度進一步降低后回到換熱冷箱為BOG提供過冷冷量,與來自膨脹機-1的N2混合為B11為BOG提供預冷和冷卻的冷量,最終流出換熱器,完成一個工作循環(huán).其中,匯合為B11的兩股來流壓力必須相同,N2膨脹機-2與N2壓縮機-2通過聯(lián)軸器連接,可實現(xiàn)功率有效回收.雙級氮膨脹系統(tǒng)液化所需冷量一部分來自工質預冷膨脹后B8,另一部分來自冷卻膨脹后B10,其中N2膨脹機-2對外輸出功可以直接被N2壓縮機利用,N2膨脹機-1的輸出功亦可回收利用.換熱冷箱內部熱量平衡方程如式15所示.Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)·0176·圖6雙級氮膨脹液化系統(tǒng).mA4·(hA4-hA5)+mB5·hB5-(mB7·hB7+mB9·hB9)=mB1·hB1-(mB10·hB10+mB8·hB8)(15)圖7為雙級氮膨脹液化系統(tǒng)中各循環(huán)T-s圖,其中N2制冷循環(huán)中狀態(tài)B6分流為B7與B9兩部分,其中B9經(jīng)過N2膨脹機后溫度降低至可以為BOG提供過冷冷量,該系統(tǒng)比功耗為0.99kWh·kg-1.布雷頓循環(huán)通常適用于中小型液化天然氣過LNG應用中具有一些優(yōu)勢[36].氮氣和甲烷都可以作為BR循環(huán)中的工質.當在整個液化天然氣液化過程(預冷、液化和過冷)中使用單一工質BR循環(huán)時,最佳工質為氮氣.氮氣膨脹機可以為系統(tǒng)實現(xiàn)高效過冷,亦可以通過合理增加膨脹機數(shù)量來提升系圖7雙級氮膨脹液化系統(tǒng)中各循環(huán)T-s圖.統(tǒng)效率,這個過程的缺點是兩個獨立的制冷循環(huán)增加了資金成本和操作復雜性.圖8基本混合工質液化系統(tǒng).0177···4.3基本混合工質液化系統(tǒng)基本混合工質液化循環(huán)(簡稱SMRLS)原理圖如下圖8所示,包含BOG液化過程與混合工質制冷循環(huán),其中BOG經(jīng)過預冷、冷卻至過冷狀態(tài),經(jīng)過節(jié)流閥后流入液態(tài)儲罐.常溫低壓的混合工質經(jīng)過壓縮機后變?yōu)楦邏簯B(tài)B3流入換熱冷箱,經(jīng)返流工質預冷實現(xiàn)高沸點組元冷凝,經(jīng)過氣液分離器后分為氣態(tài)B5與液態(tài)B8,B8經(jīng)節(jié)流閥后降溫降壓至B9,B5進入冷箱后充分冷卻至B6,經(jīng)過節(jié)流降溫降壓為BOG過冷提供冷量后與B9混合至B10為冷箱前端提供冷量后流出冷箱,此時完成一個制冷循環(huán).關于基本混合工質系統(tǒng)液化過程所需冷量一部分來自混合工質中高沸點工質預冷節(jié)流后B9,另一部分來自混合工質中低沸點工質液化節(jié)流后B7,換熱冷箱內部能量平衡關系如式16所示.mA4·(hA4-hA5)+mB3·(hB3-hB4)+mB5·(hB5-hB6)=mB1·hB1-(mB7·hB7+mB9·hB9)(16)該基本混合工質液化系統(tǒng)T-s圖如圖9所示,該混合工質液化系統(tǒng)是包含混合工質壓縮、冷卻并過冷BOG的閉式循環(huán)系統(tǒng),通過調整制冷劑組元配,此時該系統(tǒng)的比功耗為0.69kWh·kg-1.此外,工作流體大多處于兩相狀態(tài),可以充分利用相變潛熱實現(xiàn)高效制冷.該系統(tǒng)功耗相對于氮膨脹系統(tǒng)圖9基本混合工質液化循環(huán)中各循環(huán)T-s圖.更低,結構更緊湊.4.4帶預冷的混合工質液化系統(tǒng)在大規(guī)模應用中,通過反向朗肯循環(huán)聯(lián)級,如混合工質液化循環(huán)結合預冷循環(huán)實現(xiàn)系統(tǒng)高效制冷.下圖10為帶丙烯預冷循環(huán)的混合工質液化系統(tǒng)(簡稱PMRLS),該系統(tǒng)包含兩個制冷循環(huán),分別為丙烯預冷循環(huán)與混合工質主冷循環(huán),其中丙烯預冷循環(huán)作用為將BOG與主冷工質預冷降溫,主冷循環(huán)則將BOG冷卻液化至過冷狀態(tài).其中BOG經(jīng)過兩級壓縮壓力達4.5MPa左右,經(jīng)過與預冷循環(huán)、主冷循環(huán)換熱達到目標出口狀態(tài).帶預冷的混合工質液化循環(huán)系統(tǒng)所需冷量一部分來自預冷循環(huán)B4,另一部分來自主冷循環(huán)中高沸圖10帶預冷的混合工質液化循環(huán)系統(tǒng).Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)·0178·點工質預冷節(jié)流后C7與低沸點工質冷卻節(jié)流后C9,式17為換熱冷箱內部能量平衡關系.mA6·(hA6-hA7)+mC3·(hC3-hC4)+mC5·(hC5-hC8)=mB4(mB1-mB4)+mC1·hC1-(mC7·hC7+mC9·hC9)(17)圖11為帶預冷混合工質液化循環(huán)的T-s圖,由圖可以清晰看出系統(tǒng)運行時各狀態(tài)點變化趨勢,其中主冷冷劑與預冷冷劑的汽化潛熱均得到利用,這有助于提升系統(tǒng)效率,此時系統(tǒng)比功耗為0.61kWh/kg.丙烷預冷循環(huán)可以消除換熱器熱端溫差大的問題,與基本混合工質液化系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)比功耗更低,效率更高,缺點是過程更加復雜,設備數(shù)量和資本成本更高.5熱力參數(shù)計算與分析5.1基本運行工況分析根據(jù)前文對5種系統(tǒng)的描述及分析,結合2.2中基本運行工況下參數(shù),當入口BOG流量為1000kg·h-1、壓力為0.15MPa,換熱冷箱出口溫度為120K、膨脹閥后壓力為0.35MPa時,通過化工流程模擬軟件,得到各個系統(tǒng)的運行參數(shù)如下表4所示.圖11帶預冷的混合工質液化循環(huán)中各循環(huán)T-s圖.表4各系統(tǒng)基本運行參數(shù).液化系統(tǒng)制冷量/kW壓縮機功耗/kW膨脹機輸出/kWLNG/(kg·h-1)比功耗/(kWh·kg-1)冷卻水/(t·h-1)單級氮膨脹232.410001.03雙級氮膨脹10000.99基本混合工質/10000.69帶預冷混合工質240.4/10000.61冷量回收混合工質240.4/10000.53當BOG組分為純甲烷,此時BOG可以被完全液化,液化等量BOG所需制冷量取決于換熱冷箱出入口BOG壓力.由于滿足系統(tǒng)運行時制冷工質及工況壓力不同,因此,壓縮機功耗不同導致各系統(tǒng)間比功耗不同,雙級氮膨脹系統(tǒng)比功耗比單級氮膨脹系統(tǒng)低0.04kWh·kg-1.相比基本混合工質液化系統(tǒng),增加預冷循環(huán)比功耗降低11.59%,增加冷量回收循環(huán)比功耗降低23.19%,冷卻水需求降低16.2t·h-1.混合工質液化系統(tǒng)所需冷卻水量明顯低于氮膨脹液化系統(tǒng)所需冷卻水量.可見,增加冷量回收的新型混合工質再液化系統(tǒng)性能高于常規(guī)液化系統(tǒng).系統(tǒng)運行工況會隨著液化需求、進出口狀態(tài)等參數(shù)變化,為深入探討不同工況下系統(tǒng)運行情況,分別改變BOG入口流量及組分計算對系統(tǒng)運行參數(shù)的影響.5.2BOG入口流量對系統(tǒng)運行的影響根據(jù)現(xiàn)有船舶BOG液化系統(tǒng)規(guī)模情況,分別取入口流量為250kg·h-1~2000kg·h-1區(qū)間內五種工況,此時,BOG組分為純甲烷,其他工況參數(shù)保持不變.分析不同流量變化對系統(tǒng)制冷需求、耗功及冷卻水需求的變化情況,當BOG組分為純甲烷時,可以達到完全液化,液化率及比功耗不受流量影響,此處不做分析.BOG入口流量變化對系統(tǒng)制冷需求的影響如圖12所示,所需制冷量與BOG流量成正比,BOG流量每增加100kg/h,制冷量增加2.40kW至2.50kW,其中氮膨脹系統(tǒng)及基本混合工質液化系統(tǒng)所需制冷Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)0179···圖12不同BOG流量對制冷量需求的影響.量略高于帶預冷循環(huán)的液化系統(tǒng),這是因為后者壓力高于前者,當BOG溫差相同時,壓力越大,BOG出入口焓差變化越小,導致制冷量需求減小.(注:SNLS為單級氮膨脹液化系統(tǒng),DNLS為雙級氮膨脹液化系統(tǒng),SMRLS為基本混合工質液化系統(tǒng),PMRLS為帶預冷的混合工質液化系統(tǒng),RPMRKLS為帶冷量回收的混合工質液化系統(tǒng).)圖13不同BOG流量對系統(tǒng)功耗的影響.圖13為不同BOG入口流量對系統(tǒng)所需功耗影響,由圖知,系統(tǒng)所需功耗隨著入口流量增加而增加,對于氮膨脹液化系統(tǒng)功耗明顯高于混合工質液化系統(tǒng)功耗,其中,BOG流量每增加100kg·h-1,102.8kW,基本混合工質液化循環(huán)所需功耗增加約69.81kW,而帶預冷循環(huán)的液化系統(tǒng)所需功耗增加約67.83kW,帶冷量回收的液化系統(tǒng)因減少了BOG加熱器使得所需功耗僅增加63.60kW.可見增加預冷循環(huán)雖增加了系統(tǒng)復雜性,但是更加節(jié)省功耗,對于長久應用到船用BOG液化系統(tǒng)更加有利.冷卻水需求隨BOG入口流量變化趨勢如圖14所示,所需冷卻水量與BOG流量成正比,相同BOG流量下,單級氮膨脹液化系統(tǒng)所需冷卻水量最大,帶冷量回收的混合工質液化系統(tǒng)需冷卻水量最小.BOG流量每增加100kg·h-1,單級氮膨脹液化系統(tǒng)所需冷卻水量增加22.84t·h-1,帶冷量回收的混合工質液化系統(tǒng)所需冷卻水量增加11.09t·h-1.圖14不同BOG流量對冷卻水需求的影響.根據(jù)對不同BOG入口流量分析可知,流量變化對系統(tǒng)運行產(chǎn)生較大影響,氮膨脹系統(tǒng)的功耗及對冷卻水需求量明顯高于混合工質液化系統(tǒng),其中帶冷量回收的新型混合工質液化系統(tǒng)相對于混合工質液化系統(tǒng)及帶預冷的混合工質液化系統(tǒng)比功耗更低,所需冷卻水量更少,性能更優(yōu).5.3BOG入口組分對系統(tǒng)運行的影響甲烷是BOG主要組分,實際過程中往往包含氮氣等雜質氣體,為深入探究氮氣含量對液化系統(tǒng)的影響,分別取BOG中氮氣組分為0%至20%的五種入口組分進行設計計算,此時入口流量為1000kg·h-1,其他條件保持不變.不同BOG組分對系統(tǒng)制冷量的需求如下圖15所示,隨著氮氣含量增加,相同冷箱出口條件下所需制冷量減小,其中雙級氮膨脹液化系統(tǒng)所需制冷量最大,帶預冷的混合工質液化系統(tǒng)及帶冷量回收的混合工質液化系統(tǒng)所需制冷量最小.五種液化系統(tǒng)Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)0180···制冷量隨氮氣變化幅度相當,氮氣含量每增加5%,系統(tǒng)制冷量約減小11.5kW.這是因為相同外界條件下氮氣液化溫度低于甲烷,當甲烷液化后焓值變化大于氮氣焓值變化,導致制冷需求量減小.圖15BOG組分對制冷量需求的影響.圖16為不同BOG組分對系統(tǒng)運行功耗的影響變化趨勢,五種液化系統(tǒng)耗功均隨著氮氣含量增加而減少,其中氮膨脹液化系統(tǒng)功耗最大且變化最顯著,當?shù)獨夂啃∮?0%時,單級氮膨脹液化系統(tǒng)功耗最大,當?shù)獨夂繛?0%時,兩種氮膨脹系統(tǒng)功耗接近約為920.0kW,當?shù)獨夂看笥?0%時,雙級氮膨脹液化系統(tǒng)功耗最高.帶冷量回收的混合工質液化系統(tǒng)功耗最低,氮氣含量每增加5%,功耗約減小26.8kW.這是因為壓縮機壓差相同時,相同狀態(tài)的甲烷焓值變化大于氮氣,導致BOG壓縮機功耗增加,且隨著氮氣含量增加,系統(tǒng)所需制冷劑減小,導致制冷劑壓縮機功耗減小,因此系統(tǒng)功耗隨著氮氣含量增加而降低.圖16BOG組分對系統(tǒng)功耗的影響.BOG組分變化趨勢,五種系統(tǒng)所需冷卻水變化趨勢相同,均隨著氮氣含量增加而減少,其中單級氮膨脹液化系統(tǒng)所需冷卻水最大,帶冷量回收的混合工質液化系統(tǒng)所需冷卻水最少.氮氣含量每增加5%,系統(tǒng)所需冷卻水減少4.91t·h-1至10.43t·h-1不等.圖17BOG組分對冷卻水需求的影響.BOG組分對系統(tǒng)液化率存在較大影響,如圖18所示,隨著氮氣含量增加,系統(tǒng)液化率呈顯著下降趨勢,其中帶預冷的混合工質液化系統(tǒng)因膨脹閥前后壓差大導致其液化率略低于其他系統(tǒng).對于五種系統(tǒng)而言,氮氣含量每增加5%,液化率約降低3.85%~4.14%.圖18BOG組分對系統(tǒng)液化率的影響.系統(tǒng)比功耗綜合了系統(tǒng)液化能力與能耗需求是評價系統(tǒng)綜合性功能的重要指標,BOG中氮氣含量對系統(tǒng)比功耗亦存在影響,如圖19所示.五種系統(tǒng)Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)0181···比功耗均呈現(xiàn)先減小后增大趨勢,氮氣含量約為5%時存在最小比功耗,說明合理控制BOG組分中氮氣含量可以縮小系統(tǒng)比功耗,獲得系統(tǒng)最佳工況.通過對不同液化系統(tǒng)不同BOG組分的流程計算分析,氮氣存在會降低系統(tǒng)功耗及冷卻水需求的1000kg·h-1時,系統(tǒng)內存在一個最佳甲烷與氮氣的比例約為95%與5%,此時各系統(tǒng)參數(shù)如下表5所示.圖19BOG組分對系統(tǒng)比功耗的影響.表5甲烷與氮氣比例為95%:5%時各系統(tǒng)運行參數(shù).液化系統(tǒng)制冷量/kW總功耗/kWLNG/(kg·h-1)比功耗/(kWh·kg-1)液化率/%冷卻水/(t·h-1)單級氮膨脹0.9899.46雙級氮膨脹0.96基本混合工質0.6799.46帶預冷混合工質0.59冷量回收混合工質0.51分析表9可知,氮膨脹液化系統(tǒng)可以獲得較高的液化率,但是系統(tǒng)耗功及冷卻水量明顯高于混合工質液化系統(tǒng).混合工質液化系統(tǒng)通過合理配比混合工質組分,充分利用組元的相變溫度滑移實現(xiàn)更高效制冷,減小系統(tǒng)功耗及冷卻水用量,其中增加預冷循環(huán)后,相對于基本混合工質液化系統(tǒng),系統(tǒng)液化率略有降低約0.74%,但比功耗降低11.94%,當增加冷量回收循環(huán)時,系統(tǒng)功耗明顯降低約23.88%,所需冷卻水量減少約12.70%.6結論本文提出了一種帶冷量回收的新型船用BOG再液化技術,并介紹了應用在船舶BOG液化系統(tǒng)中的常規(guī)氮膨脹液化系統(tǒng)以及常規(guī)混合工質液化系統(tǒng).采用化工流程模擬軟件對五種液化系統(tǒng)進行模擬計算,并進行了系統(tǒng)能量分析以及不同工況的性能對比分析.得到的主要結論如下:(1)對新型混合工質液化系統(tǒng)及常規(guī)液化系統(tǒng)進行流程分析,得出系統(tǒng)中各裝置內部能量傳遞關系及各循環(huán)T-s圖.在設定參數(shù)下,單級氮膨脹系統(tǒng)比功耗最大為1.03kWh·kg-1,新型混合工質液化系統(tǒng)比功耗最小僅為0.53kWh·kg-1,同比降低48.54%.(2)不同BOG入口流量對系統(tǒng)運行產(chǎn)生較大影響,BOG流量每增加100kg·h-1,氮膨脹液化系統(tǒng)功耗增加約99.74kW至102.8kW,基本混合工質液化循環(huán)功耗增加約69.81kW,而帶預冷循環(huán)的液化系統(tǒng)所需功耗增加約67.83kW,帶冷量回收的液化系統(tǒng)功耗僅增加63.60kW.(3)在所設進出口條件下,氮氣含量的增加導致系統(tǒng)液化率降低,同時使系統(tǒng)制冷量及冷卻水需求降低.當?shù)獨饽柋壤秊?%時,各系統(tǒng)的比功耗均達到最小值,其中氮膨脹系統(tǒng)為0.98kWh/kg,帶冷量回收的混合工質液化系統(tǒng)為0.51kWh·kg-1.(4)混合工質液化系統(tǒng)相對氮膨脹系統(tǒng)略復雜,但單位功耗及冷卻水用量顯著降低.相對于基本混合工質液化系統(tǒng),增加預冷循環(huán)后,系統(tǒng)液化率略有0182···Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)降低約0.74%,但比功耗降低11.94%,帶冷量回收12.70%,系統(tǒng)比功耗明顯降低約23.88%.帶冷量回收的新型混合工質再液化系統(tǒng)作為一種新型的再液化系統(tǒng),具有能耗更低,所需冷卻水量更少等有點,是應用于LNG船舶BOG再液化工藝的可選優(yōu)選方案之一.[1]潘本藝,楊帆,周莉,商麗艷,李萍,高?；瘜W工程學報,35(2021),702[2]董龍偉,天然氣與石油,37(2019),44[3]A.Sieminski,EnergyInformationAdministration,(2016)[4]中華人民共和國國家能源局2022天然氣發(fā)展“十四五”規(guī)劃(北京:中華人民共和國國家能源局)[5]S.Kumar,H.T.Kwon,K.H.Choi,W.Li,J.H.Cho,K.Tak,I.Moon,Appl.Eng.,88(2011),4264[6]W.Lin,N.Zhang,A.Gu,Energy,35(2010),4383[7]戴萍,路浩澍,天然氣與石油,38(2020),40[8]周守為,朱軍龍,單彤文,付強,張丹,中國海上油氣,34(2022),1[9]邊江,楊健,蔡偉華,花亦懷,蔣文明,天然氣化工-C1化學與化工,47(2022),109[10]F.Capra,F.Magli,M.Gatti,Appl.Therm.Eng.,158(2019),11