双燃料船舶主机余热及LNG冷能利用研究_常丹.pdf

第 31 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.31 No.1Jan.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言双燃料船舶运行期间需消耗大量 LNG，1 kg LNG所蕴含的冷能为 849 kJ，在双燃料船舶中，LNG 存储于-163环境下，需将 LNG 汽化处理后方可运用，以供主机运行，而 LNG 汽化期间需消耗大量能量，但LNG 冷能却利用不当，在能量大量消耗、冷能低效利用环境下，极大增加了双燃料船舶的运营成本。主机所排烟气经过增加锅炉后其温度可达 300，此时可将该部分烟气加以利用，实现主机余热回收利用，以供 LNG 汽化，在此基础上强化 LNG 冷能利用，以此即可有效控制双燃料船舶运营成本。1 余热回收及 LNG 冷能利用循环系统设计1.1 余热回收系统本文围绕 MAN12S90ME-C 型双燃料船舶主机展开分析，该主机在 100%负荷状态下，功率为 73200 kW，排气温度与排气流量分别为 304、140.1 kg/s，单位功率消耗燃气量为 142.2 g/kWh，而缸套冷却水热量为 9150 kW。本文所设计的双燃料船舶主机余热回收及 LNG 冷能利用循环系统结构如图 1 所示（图中箭头数字表示能量流动顺序），其以有机朗肯循环（ORC）为基础匹配冷源与热源，以此形成一个完整的换热能量网络。热源为缸套冷却水、船舶主机排烟，冷源为 LNG 汽化冷能及海水，在该循环中，LNG 可补充船舶主机排烟余热循环冷源，起到降低循环温度的效果。在实际运行期间，换双燃料船舶主机余热及LNG冷能利用研究常 丹（江苏现代造船技术有限公司，江苏 镇江 212003）摘 要：LNG 是现代船舶的主要燃料，其低碳环保，属于清洁能源，但 LNG 汽化时存在能耗大的问题，此时可借助船舶主机余热实现能量回收。基于此，本文围绕 MAN12S90ME-C 型双燃料船舶主机展开研究，设计余热回收及 LNG 冷能利用循环系统，合理选择工质并进行多工况性能分析，旨在借助该循环系统实现主机余热能量回收与液化天然气冷能利用。关键词：双燃料船舶；余热回收；LNG 冷能中图分类号：U664.1 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.01.029引用格式常丹.双燃料船舶主机余热及 LNG 冷能利用研究 J.船舶物资与市场,2023,31(1):90-92.收稿日期：2022-10-20作者简介：常丹（1985-），女，本科，工程师，研究方向为气体船轮机生产设计技术。热器 1 能够将缸套冷却水传输至循环工质，在此期间缸套冷却水完成升温过程，经换热器 2 处理后冷却水再度升温，换热器 2 以主机排烟为热源，冷却水工质通过换热器 2 后则会升至循环最高温度，随后被传输至涡轮 2，此时可供 G2 发电机对外做功发电，完成做功后，海水进入冷凝器 2 并将其冷却，而海水则在冷凝器 2 的作用下逐渐升温达到 90，此时可为船舶供给热水，待该部分热水冷却后则进入冷凝器 1，便于 LNG 冷却降温，同时水质温度达到循环最低，并进入泵 1 设备进行加压，待加压处理后传输至换热器1，以此即实现了完整循环1。图 1 双燃料船舶主机余热回收及 LNG 冷能利用循环系统结构循环系统结构构建期间应注意，在换热器 1 帮助下缸套冷却水在带走主机缸套热量的同时并可将热量传输至系统工质，而缸套冷却水完成传输并冷却后在可继续吸收船舶主机余热，继而形成完整的缸套冷却水循环。LNG 在冷凝器 1 处完成蒸发，温度提升至指定温度后则会进入船舶主机，并实现 LNG 燃烧，以此则完成了主第 1 期 91 机余热与 LNG 冷能的发电循环，实现 LNG 冷能充分利用。因工况存在差异，若LNG温度较低而无法用于发电，LNG 经过冷凝器 1 后需进一步由换热器 2 换热处理，采用该方式使 LNG 温度达标2。1.2 数据模型分析借助数学模型方式分析主机余热回收及 LNG 冷能利用循环系统的热力性能，了解关键参数对循环过程的作用效果，并依托于数学模型优化系统效率及输出功率，以此验证该循环系统在双燃料船舶中的适用效果。数学模型在构建时设定一系列假设，具体为：1）忽视该循环系统内的摩擦损失、传热损失。2）循环系统内管道压力可降低为 0。3）工质在冷凝器出口位置时处于饱和状态，为饱和液体。结合图 1 分析，发现 LNG 在循环系统内并非一定通过换热器 2 进行升温换热，因此借助数学模型计算工况性能时，忽视换热器 2 单元。按照数学模型思维确定总功率，总功率 Wnet为：）（=niPiGnetWWW1,，式中：Wnet为循环系统总功率，n 为循环总数，i 为循环编号，WG,i为循环传输功率，WP为泵消耗功。主机余热回收及 LNG 冷能利用循环系统的循环功率分为两部分，其一为由热源散发的热量，记为 QEVA,j，其二为由冷源释放的能量，记为 QCOM,i，在此情况下则得出循环系统能量比率乘积。除此之外，通过输出功与热源热量间的比值可得出循环系统热效率，而循环输出功与冷源热量间的比值则可视为循环系统冷源效率。因此，确定其有效能效率时，需以冷源侧、热源侧为基础，综合考虑各循环单元的焓值、熵值、工质质量及损失量。考虑到系统循环由冷凝器、蒸发器、热交换器、涡轮、泵构成，此时可进一步运用输入有效能与输出有效能之间的比值。但在主机余热回收及 LNG 冷能利用循环系统内，无法借助循环热效率同时表示循环系统内热源与冷源的能量状态，两者能量状态之间存在差异，针对该现象，通常借助循环有效能效率表示能量利用率，在主机余热回收及LNG 冷能利用循环系统环境条件下，则可借助循环系统总净工与 LNG 冷能、主机热量之和的比值确定能量利用率。2 主机余热回收及 LNG 冷能利用循环系统设计工况性能计算2.1 工质选择构建与设计双燃料船舶主机余热回收及 LNG 冷能利用循环系统必须建立在有机朗肯循环或超临界 CO2布雷顿循环基础上，从这一角度来看，工质这一能量传递载体是决定循环系统工况运行性能的重要因素。本次所设计的循环系统应用环境为船舶，因此为防止船舶火灾事故，需控制好工质燃点。经综合分析考量后，最终选择 4 种工质，并分析其工质参数，具体分析情况如下：1）以CO2为工质。该条件下，工质临界温度为304.13 K，临界压力为 7.38 MPa，临界密度为 467.6 kg/m3，而可用最低温度与可用最高温度分别为 216.59 K、2000 K，可用最大压力为 800 MPa。2）以 R134a 为工质。该条件下，工质临界温度为 374.21 K，临界压力为 4.06 MPa，临界密度为 511.9 kg/m3，而可用最低温度与可用最高温度分别为 169.85 K、455 K，可用最大压力为 70 MPa。3）以R245fa 为工质。在该条件下，质临界温度为 427.16 K，临界压力为 3.65 MPa，临界密度为 516.08 kg/m3，而可用最低温度与可用最高温度分别为 171.05 K、440 K，可用最大压力为 200 MPa。4）以 R1234ze 为工质。在该条件下，质临界温度为 382.52 K，临界压力为 3.64 MPa，临界密度为 489.24 kg/m3，而可用最低温度与可用最高温度分别为 168.62 K、420 K，可用最大压力为 20 MPa3。2.2 初始条件对现阶段双燃料船舶主机余热回收及 LNG 冷能利用循环系统已知参数进行总结，具体为：1）主机工况为NCR；2）缸套冷却水进口、出口温度分别为 90、75；3）淡水进口、出口温度分别 20、90；4）环境温度为 25；5）换热器与冷凝器的最小换热温差分别为25、5；6）涡轮等熵效率与泵等熵效率均为0.85；7）电机效率为 0.96；8）换热器压力损失为 0.96；9）环境压力为 0.1 MPa；10）LNG 的存储压力、存储温度、进气温度、进气压力分别为 0.7 MPa、-163、45、0.4 MPa；11）烟气比热容为 1100 Jkg-1K-1。2.3 性能分析在 90%SMCR 主机工况环境下，对所提到的 4 种工质性能展开计算分析，经对比后验证循环系统的有效性，并选择出适宜的工质。将-162作为冷源温度条件进行计算，确定循环系统内存在的设备热力损失情况，了解温度匹配程度与循环系统设备热力损失间的关系。经全面计算后，发现 R134a 工质的效率为 105.23%的 CO2工 质 效 率，R245fa 为 05.92%的 CO2工 质 效率，而 R1234ze 工质效率低于 CO2，是 CO2工质效率的 96.86%，而结合主机余热回收及 LNG 冷能利用循环系统结构来看，最终确定在整个循环系统内，冷凝器 2所造成的热力损失最高，且冷凝器 2 在 R1234ze 工质条件下的热力损失最大，其他工质所造成的热力损失均低于 R1234ze 工质，但其中 CO2所造成的热力损失最低。常丹：双燃料船舶主机余热及 LNG 冷能利用研究船舶物资与市场第 31 卷 第 1 期 92 从热效率角度来看，以 CO2为工质所构建的跨临界循环系统热效率最低，而 R245fa 工质条件下的热效率最高，同时R245fa工质的输出净功是108.41%的CO2输出净功，且 R245fa 具有优异物理性质，工质流量最低，消耗泵功最低。进一步分析 4 种工质的经济效益，计算不同工质的条件下的燃料节省量、运营成本降低量及 CO2排放减少量4，最终计算结果如图 2 所示。图 2 4 种工质的效益分析3 余热回收及 LNG 冷能利用循环系统性能3.1 多工况性能分析 CO2与 R245fa 工质在主机余热回收及 LNG 冷能利用循环系统内的有效能效率，发现随着工况负载的增大，两者的循环系统有效能效率均表现为“先缓慢下降、后迅速上升”变化趋势，在 65%负载工况条件下，两者的有效能效率相差最大，R245fa 工质的有效能效率高于 CO2工质，达到 85%负载后，两者的有效能效率逐渐相近，到 100%负载时，R245fa 工质有效能效率仅超过 CO2工质有效能效率 1.51%。进一步分析研究 2 种工质的热效率情况，发现随着工况负载的增大，CO2与R245fa 工质的热效率均呈现为“先缓慢下降、后迅速上升”趋势，且两者相差不大，但整体而言，R245fa 工质的热效率高于 CO2工质。对比 2 种工质的循环输出净功，CO2与 R245fa 工质的循环输出净功均呈现为不断上升趋势，达到 100%负载时，两者的循环输出净功相差较小，R245fa 工质循环输出净功仅高于 CO2工质 1.20%。3.2 参数敏感性经计算分析发现，R245fa 工质在不同夹点温度条件下所呈现出的循环有效能效率存在差异，在 50%85%负 载 范 围 内，R245fa 工 质 的 平 均 循 环 有 效 能 效 率为 41.04%，在该负载阶段内，循环有效能效率与夹点温度成反比，当夹点温度处于 35 K 条件下时，R245fa工质循环有效能效率为 33.49%。一旦负载超过 85%，R245fa 工质循环有效能效率将会逐渐升高，于 100%负载时达到最大，为 58.67%。进一步分析 R245fa 工质循环系统在不同夹点温度条件下的输出净功情况，发现随着双燃料船舶主机运行负载的升高，R245fa 工质循环系统的输出净功逐渐增加，并呈现出近线性状态特征，而当双燃料船舶主机运行负载超过 85%后，则由近线性状态转化为线性特征。除此之外，随着夹点温度的升高，R245fa 工质循环系统所表现出的输出净功不断降低，在 25 K 温度条件下，50%85%负载范围的 R245fa工质循环系统平均输出净功为 2802.18，而在 35 K 条件下，50%85%负载范围的 R245fa 工质循环系统平均输出净功为 2287.51%5。3.3 环保经济性双燃料船舶主机余热回收及 LNG 冷能利用循环系统具有较强的环保效益、经济效益，结合双燃料船舶实际运营情况展开的环保经济性计算（以 4000 时/年为依据），在双燃料船舶长期运行期间，多以 90%SMCR 主机负荷状态进行运行，若选用 R245fa 为工质搭建主机余热回收及 LNG 冷能利用循环系统，每年则可降低 LNG燃料消耗量约 455.54 吨，按照 2021 年海关总署交易进口数据（LNG进口价2894元/吨）计算成本，此时可得出，循环系统可从 LNG 燃料消耗量角度节约 131.83 万元资金，经济效益显著。此外，应用该循环系统后还可降低CO2排放量约 514 吨，能够极大推进“双碳”战略。4 结语本次所设计的双燃料船舶主机余热回收及 LNG 冷能利用循环系统以 R245fa 为工质材料，其能够实现主机余热的回收再利用，将其转化为循环系统热源，而 LNG冷能则在该循环系统内扮演着冷源角色，以此实现了对LNG 冷能的充分利用。参考文献：1 张玉健,顾丛汇,姚寿广.某渔船燃料 LNG 冷能利用方案的设计和优化 J.船舶工程,2022,44(1):1-7+40.2 骆泽威.基于二氧化碳工质的多模式船舶余热利用联产系统研究 D.镇江:江苏科技大学,2021.3 曾维武,王廷勇,赵超.基于 ORC 的船舶主机余热回收方案选择 J.船舶工程,2021,43(3):12-17+123.4 袁勤辉,孙俊,管聪,等.船舶主机双压余热利用系统仿真及分析 J.中国修船,2020,33(5):34-39.5 曾维武,严志军,董景明,等.船舶主机余热回收 ORC 低碳工质选择研究 J.工程热物理学报,2018,39(6):1213-1219.