基于Aspen HYSYS的LNG-FSRU冷能利用系统设计和优化

张 刚， 蒋德志， 张运秋， 杨永建

(1．青岛远洋船员职业学院 机电系， 山东 青岛 266071； 2．中国海洋大学 工程学院， 山东 青岛 266061; 3.中远集团研发技术中心 青岛分中心， 山东 青岛 266071)

天然气贸易的迅速增长促使液化天然气接受终端的不断发展。一种新型天然气运输和储存装置(Liquefied Natural Gas-Floating Storage Regasification Unit, LNG-FSRU)凭借与常规LNG接收站相比具有的节约投资、供气灵活、建设周期短、适合环境敏感地区或人口稠密地区、设备大型化和安全环保等特点而成功问世并发展壮大。LNG-FSRU气化外输量十分庞大，由此产生的气化冷能也是巨大的。以天津港LNG-FSRU为例[1]，LNG气化外输压力为7.2 MPa，高峰期气化外输量可达到320 t/h，可提供冷能2.251×108 kJ/h。传统的气化技术采用海水或者燃烧蒸发气(Boil Off Gas, BOG)获得热源直接将LNG加热升温、气化，导致低温冷能被极大浪费，且局部海域海水温度升高，生态环境也将受到一定影响。此外， 浸没式燃烧气化装置(Submerged Combusion Vaporizer, SCV)气化技术会消耗大量的BOG，造成能源的浪费。综上可知：LNG-FSRU冷能开发利用具有广阔的经济前景与社会意义。

基于能量梯级理论和能量守恒理论，设计出包含空气分离、干冰制备、横向两级朗肯循环发电、海水淡化、船舶冷库、船舶空调和制冰等多种利用形式在内的冷能利用系统，借助Aspen HYSYS软件进行系统的模拟计算和参数优化，为LNG-FSRU冷能综合利用提供理论指导和技术支持。

1 设计冷能利用方案

1.1 确定冷能利用梯级及形式

LNG-FSRU冷能独立应用于冷库、空调和低温发电中，造成较大冷量损失。[2]假设用户系统为热源，LNG为冷源，依据能量守恒得出整个过程消耗的冷Ex,Q0为

(1)

目前陆地上将LNG冷能用于空气分离的技术已经成熟，但需要设置大体积精馏塔。[3]LNG-FSRU近岸系泊，虽然相比航行船舶较为稳定，但仍需考虑精馏塔的平衡问题和较低的冷源温度。因此，可将小规模空气分离装置设计为LNG-FSRU冷能利用系统第1梯级。采用低温法制备干冰和液态CO2，所需CO2气源由陆上供应，产品输送至岸上工业用户，由于原料供应和产品输送方便，所需的冷能由LNG气化过程释放的冷量供给，可将制备干冰和液态CO2装置作为冷能系统的第2梯级。系统液态LNG燃料从货舱输出时温度一般稳定在-162～-155 ℃，经过空气分离和干冰制备装置后的冷能和冷总量较大，且持续稳定，可考虑将这部分冷能进行低温冷能发电。因此，可设计横向高、低温两级朗肯循环发电系统最为系统第3、第4梯级，减少单级发电设备的运行负荷，有效降低设备的投资成本，同时增加LNG冷能利用的温度跨度，增加发电量。为提高冷能的利用效率，结合LNG冷能的利用形式与市场需求，可在LNG-FSRU冷能利用系统末级增加制冰系统，根据不同时期对冰产品的需求量调整冷量的供应和制冰产量。

1.2 设计冷能利用总体方案

图1 LNG-FSRU冷能综合利用总体方案

2 模拟流程及确定工况

2.1 基于Aspen HYSYS系统流程的模拟

以夏季工况、货舱液位接近空载为例，此时BOG温度较高，达到-100 ℃，LNG的主要组分按照常规混合比例选取，见表1。

采用Aspen HYSYS软件对LNG-FSRU冷能利用系统流程进行模拟，主要计算热量的传递；忽略管道阻力的影响，设置泵的等熵效率为85%，膨胀机的等熵效率为80%。[4]在Aspen HYSYS中建立LNG-FRCU冷能利用模拟流程见图2。

表1 LNG主要成分含量百分比 %

图2 LNG-FSRU冷能利用模拟流程

2.2 冷能利用系统冷媒的选择

LNG-FSRU气化量庞大，各子系统直接与LNG换热不仅会带来较大的安全隐患，而且会使各部分的检修工作极其困难。[5]因此，采用合理的冷媒工质将LNG冷量带出，送至各冷能利用系统变得十分重要。各子系统冷媒的选择依据和方案相似，故仅以两级朗肯循环发电系统冷媒选型分析为例，说明冷能利用系统冷媒的选择过程。

现假设透平膨胀机入口工质为饱和气体状态，忽略系统中换热器的压力和漏热损失[7]，工质蒸发器和工质冷凝器最小端温差取5 ℃，现利用HYSYS软件模拟计算得出系统各冷媒在不同蒸发温度条件下的性能。

当透平膨胀机的出口压力保持基本恒定时，输出功率随着冷媒蒸发温度的升高而增大，见图3。 R170具有较高的工作压力，蒸发温度为10 ℃时，系统净输出功可达到每小时55 kJ，说明该冷媒具有良好的膨胀做功能力。低温蒸发温度对系统效率的影响，蒸发温度越高，系统效率也越高，其中R170效率最高。因此，系统低温朗肯循环最佳冷媒为R170，见图4。

各循环工质在不同蒸发温度条件下HEX2 出口 NG 的温度，在蒸发温度为0～15 ℃时，各工质对应的 NG 温度不变，同时R1270的NG温度最低，有利于后面海水淡化、船舶冷库、船舶空调和制冰等对冷媒的续期，见图5。循环工质蒸发温度对系统效率的影响，蒸发温度越高，系统效率越高，其中 R1270输出净功率最大，其循环效率最高。因此，第2级高温朗肯循环最佳冷媒为R1270，见图6。

在LNG-FRCU中，空气分离、制备干冰、海水淡化、船舶冷库、船舶空调和制冰等子系统的工况相近，按照以上冷媒确定方法可得到其他子系统的冷媒，见表2。

表2 LNG-FSRU冷能利用各子系统冷却工质选取类型

3 系统工况参数优化和效率分析

3.1 系统工况参数优化

表3 LNG-FSRU冷能利用系统关键点优化参数值

3.2 系统冷利用分析

设计的LNG-FSRU冷能利用系统是否合理，可通过分析系统冷利用率来验证。采用 Peng-Robinson方程计算方法[9]，建立系统冷利用率数学模型并结合研究对象参数，计算出实际冷利用率来进行验证。

ex=h-h0-t0(S-S0)

(2)

(3)

式(2)和式(3)中:t0为环境温度(℃);h0和S0分别为t0环境温度下下冷媒的焓和熵;h和S分别为某工况下冷媒的焓和熵;ex,j为单位质量流量冷媒j蒸发释放出的冷。

Wi=Gi,in|hi,out-hi,in|

(4)

式(4)中:Gi,in为进入第i个动力设备的发电工质流量,kg/h；hi,out、hi,in分别为流出和输入第i个动力设备的发电工质的焓值；Wnet,i为第i个发电系统工作介质在朗肯循环中所做净功,kJ。发电系统工作介质在朗肯循环中所做的净功为

Wnet=WHT-WPH

(5)

式(5)中：WHT为透平膨胀机做功；WPH为工质循环泵耗功。根据能量守恒定律并由式(1)～式(5)，可得出冷媒与LNG换热利用冷能时的冷利用率μcold数学模型为

(6)

式(6)中:GR,i和ex,R,i，分别为第i个冷能利用子系统(不包含朗肯发电系统)中冷媒的循环质量(kg)和单位质量冷媒在系统中蒸发所释放的冷；GLNG和GLNGex,LNG分别为冷能利用系统利用LNG的质量流量(kg/h)和单位质量LNG提供的冷;WHTi和WPHi分别为第i个发电系统高压膨胀机的输出功和高压泵的消耗功,kJ。将表1～表3中相关数据和基于HYSYS进行过程模拟所得出的优化参数代入式(6)，得出优化参数后的LNG-FSCU冷能利用系统冷利用效率μcold为29.15%。

目前对于船舶类LNG能冷利用系统的开发除了LNG-FSCU冷能利用系统外，还包括LNG动力船舶、LNG运输船舶冷能利用系统。[7-9]该系统与之前船舶冷能利用系统相比存在以下优势：充分利用能量梯级理论，整合多种冷能利用形式，进一步缩小各子系统之间的冷能利用温差，冷利用率较对比系统(LNG动力船舶冷利用率为21%)提高约8%；选取适合船岸共享的冷能利用子系统，进行实际系统参数的模拟优化和验证，扩大LNG-FSCU冷能利用范围。

4 结束语

1) 利用系统能量梯级原理，划分LNG-FSRU冷能温度段利用区间，设计出包含空气分离、干冰制备、横向两级朗肯循环发电、海水淡化、船舶冷库、船舶空调和制冰等形式在内的LNG-FSRU冷能利用系统，缩小LNG产耗温差，提高冷利用率。

2) 通过基于Peng-Robinson方程法建立系统冷利用效率数学模型，进行实际计算分析，验证冷能利用系统经济性。