船用新型闪蒸气再液化工艺设计与分析

Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)船用新型闪蒸气再液化工艺设计与分析*丁智1,杨志强1†,夏梦寒2,王昌1,刘禹1,王灵21.中国船舶集团有限公司第七一一研究所,上海201203;2.上海齐耀动力技术有限公司,上海201203收稿日期:2023-03-24;接收日期:2023-05-31【摘要】液化天然气(Liquefiednaturalgas,LNG)因单位热值二氧化碳排放量低、能量密度高、清洁等优点,成为世界能源市场上增速最快的化石燃料.利用液化系统对LNG储运过程产生的闪蒸气(Boiledoffgas,BOG)进行液化回收,不仅有显著的经济效益,同时可以满足环保要求.基于LNG运输过程中BOG再液化需求,本文设计了带冷量回收的新型混合工质再液化系统,同时建立了4种常规BOG液化系统模型,利用化工流程模拟软件分析了典型工况下各系统的工作原理及内部能量传递关系,并对比了不同工况下各系统性能.结果表明,在所设进出口条件下:当BOG组分为纯甲烷时,混合工质液化系统比功耗及所需冷却水量明显低于氮膨胀液化系统,新型混合工质液化系统比功耗最低为0.53kWh·kg-1;BOG流量每增加100kg·h-1,氮膨胀液化系统功耗增加约100.05kW,而带冷量回收的液化系统功耗仅增加63.60kW.当BOG组分中氮气含量增加时,液化率降低,所需的制冷量、冷却水量均降低;当氮气含量约为5%时存在最小比功耗,此时氮膨胀系统比功耗最小为0.96kWh·kg-1,带冷量回收的混合工质液化系统比功耗最低为0.51kWh·kg-1.带冷量回收的新型混合工质再液化系统结构紧凑、能耗更低,是应用于LNG船舶BOG再液化工艺的优选方案之一.关键词:LNG;BOG,冷量回收,氮膨胀液化系统,混合工质液化系统,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扬帆计划(批准号:21YF1451400),中国船舶集团自立科技研发专项(批准号:202204Z),上海齐耀动力技术有限公司自主科研(批准号:K2021Y06-JG)资助的课题.†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引言随着世界能源需求的不断增长,能源供应日趋紧张[1],天然气已成为近年来增速最快的化石能源,天然气作为清洁、高效的化石燃料,可以减少温室气体的排放[2].据统计,世界天然气消耗量将以每年1.7%的速度增长[3].国家发改委发布的《天然气“十四五”规划》中指出,到2025年全国集约布局储气能力达到550亿~600亿立方,占天然气消费比重约13%[4].液化天然气(LiquefiedNaturalGas,简称LNG)是天然气最清洁的存储形式[5].常压下,-161℃可以将天然气液化,其体积可缩小为约1/600,因此,液化天然气具有非常高的能量密度,极大降低了运输空间与成本[6].对于远距离、大载量的LNG国际贸易,利用LNG船运输是最佳方式,成本仅为管道输送的1/6~1/7[7].近年来全球LNG船订单量逐年上升[8],截至2022年11月,全球订单量创历史新高达164艘,订单数量接近2021年的2倍,在全球碳减排政策推动下,LNG贸易需求持续提升,为LNG运输提供了新一轮的发展机遇.LNG运输船中专用储罐具有良好的绝热性,但系统漏热及船体晃动等原因导致部分LNG气化为闪蒸气(Boil-offgas,简称BOG),BOG积累导致罐内压力升高,潜在风险增加,及时处理这部分闪蒸气是LNG运输船运行中面临的主要问题.BOG再液化是目前常见的处理方式,不仅可以降低天然气的损失,更避免直接排放或燃烧带来的环境污染[9].现存在三种主要液化形式[10-13]:级联式液化过程、膨胀式液化过程以及混合工质液化过程.级联液化过程利用几组独立的纯制冷剂循环实现天然气的梯级冷却,该过程结构复杂,资金成本最高[11].膨胀式液化过程是逆布雷顿制冷循环,利用涡轮膨胀机产生制冷效果,膨胀机输出的机械功用来驱动压缩机[14].混合工质液化循环通过合理选择混合工质组分,充分利用各组元的相变温度滑移,减小换热器冷热负荷曲线间隙,实现高效制冷[15].海运BOG液化过程的主要需求是系统简单、可靠性高,同时减小设备空间.因此,采用混合工质液化和膨胀式液化过程被认为更适合海上液化生产的工艺[1].Remeljej等[16]利用分析方法比较了双级氮膨胀液化系统、开式氮膨胀液化系统以及混合工质液化系统的性能,结果表明氮膨胀液化系统更适用于船用BOG液化系统.Li等[17]比较了氮气膨胀液化过程与混合工质液化过程的单位能耗、布局、对运动的敏感性、对不同气体资源的适用性、安全性和可操作性等,结果表明,氮气膨胀液化系统简单,结构紧凑,但是单位能耗较高.Song等[18]和Lee等[19]提出了新型的氧化亚氮和氮制冷剂的级联的海上天然气液化方法,与传统的基于涡轮膨胀机的液化流程相比,效率更高.Barclay等[20]提出了一种增强型混合工质液化系统,新型系统中压缩机后冷却器的冷却介质为海水,使后冷却器比空气冷却器更紧凑.但是由于海水的腐蚀,需要使用钛交换器,增加了液化系统的资金成本.Li等[17]设计了丙烷预冷的混合工质液化工艺,研究了系统性能参数、经济性能、布局、对运动的敏感性、对不同天然气资源的适用性、安全性和可操作性,考虑了海洋环境中液化天然气浮式生产、储存和卸载装置的特点.Hwang等[21]介绍了LNG液化循环的结构和基本原理,提出了单循环再生、多级压缩中冷、多级压缩制冷和多级制冷四种方式,确定了最佳的合成液化循环并与双混合制冷剂循环进行了比较,结果表明最佳合成液化周期缩短了7.45%,优化后的液化循环可在海上应用.Xiong等[22]开展了增压LNG(PressurizedLNG,简称PLNG)的混合液化循环并应用遗传算法来优化单位能耗,结果表明,基于PLNG的系统单位能耗比传统液化系统低50%,但液化天然气的高压储存成本更高.与陆上BOG液化装置不同,LNG船的BOG再液化工艺设计应考虑空间限制等外界约束条件,紧凑性和高效率至关重要.本文基于目前广泛应用混合工质液化技术,设计了一种带BOG冷量回收的新型混合工质液化系统,并建立了4种常规再液化系统模型,分析了各系统工作原理及内部能量变化,并通过化工流程模拟软件得到不同工况下系统运行参数变化趋势,分析比较了新型系统与其他常规系统的性能,新型系统综合性能明显高于常规系统,对于指导船用BOG液化系统选择具有较强的参考意义.2热力学模型及参数设置2.1热力学模型汽液相平衡数据是获得混合物热力学性质的基····0172·式中,式中,ηComp为压缩机绝热效率,%;ηExp为膨胀机绝热效率,%;ηmec为压缩机与膨胀机的机械效率,%.2.2参数设置为对不同再液化系统进行更充分分析,对进入系统的BOG气体状态、压缩机与膨胀机绝热效率、BOG节流阀等系统参数设置如表2所示.表2液化过程系统参数.状态/装置名称参数BOG入口组分温度流量100%甲烷120K1000kg/hLow.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)础,Peng-Robinson状态方程(简称P-R方程)广泛应用于热力参数计算[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=是摩尔体积,m3·mol-1;ω为偏心因子;Tc是临界式中:R为气体常数是摩尔体积,m3·mol-1;ω为偏心因子;Tc是临界温度,K;pc是临界压力,Pa.混合物计算时有[24]:(6)(7)(8)axixja(6)(7)(8)bxibiaij=(1-kij)aiaj式中:kij=kji为二元相互作用参数.质量守恒方程:(9)mm(9)能量守恒方程:(10)Q-Wm·h-m·h换热器内制冷量[25]:(10)(11)ΔQBOG=mBOG·(hin-hout)(11)比功耗[26]:(12)Comp-Exp+pumpSP=mLNG(12)式中,m为工质质量流量,kg·h-1;Q为换热量,kW;W为功耗,kW;h为工质焓值,kJ·kg-1.将系统中每一装置均作为稳态下控制体,分别采用质量守恒与能量守恒方程对系统各个过程进行分析,该系统内部关键部件的质量与换热平衡方程如表1所示.表1系统关键部件平衡方程.关键部件质量能量压缩机mout=minWComp=nunmWComp=nunηComp·ηmec膨胀机mout=minWExp=min·(hout-hin)·ηExp·ηmec冷却器mout=minQc=min·(hin-hout)泵mout=minWPump=min·(hout-hin)节流阀mout=minhout=hin加热器mout=minQh=min·(hout-hin)主冷工质气液分离器min=mliquid+mgasmin·hin=mliquid·hliquid+mgas·hgasLNG气液分离器min=mLNG+mBOGmin·hin=mBOG·hBOG+mLNG·hLNG状态/装置名称压力参数0.15MPaBOG加热器后温度243K压缩机/膨胀机[27]绝热效率75%压缩机/膨胀机机械效率90%冷却水[28]温度309K冷却器后温度314KBOG节流阀阀前温度阀后压力120K0.35MPa换热器窄点温差<3KLow.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)·0173·表3为常用于研究的工质热力参数,低沸点工更大的制冷量,因此在低温节流制冷系统中多采用质可以获得较低的制冷温度,高沸点工质可以获得高、低沸点工质混合作为制冷剂[29].表3纯物质组元的基本热力参数及相关特性[30].组元常压沸点/K临界温度/K临界压力/MPaODPGWP安全等级氮气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异丁烷261.40407.813.630~20A3乙二醇470.458.000~20A3混合工质选择要考虑不同组元在制冷机工作范围内能够实现有效的接力匹配,以获取更高的制冷效率.为此,系统中制冷剂的选择要具有与制冷温跨相对应的相变温度滑移[31].图2为当节流阀前后压力分别为2MPa与0.1MPa时,所选组元及其混合物(N2/CH4/C2H4/C2H6/C3H8/i-C4H10比例为0.1/0.2/0.2/0.2/0.2/0.1)的等温节流效应,由图1以看出,混合制冷剂实现了等温节流效应的接力匹配且满足所需制冷温度.图1混合物与纯质组元在全温区等温节流效应.采用化工流程模拟软件对各液化系统进行液化过程模拟,为保证系统有效运行,现对系统运行环境进行假设[32]:(1)所有过程均为稳态和稳流,势能和动能效应可忽略不计;(2)压缩机压缩过程与膨胀机膨胀过程均为绝热过程;(3)节流阀中制冷剂和BOG为等焓节流;(4)忽略连接管压力损失,各换热器压力损失为0.02MPa;(5)换热器和管道是完全隔离的;(6)冷却器后BOG或制冷剂比冷却水温度高5K;(7)忽略各装置内润滑油的影响.3新型BOG再液化系统设计船用压缩机润滑油工作温度不宜过低[33],而来自LNG储罐的蒸发气BOG温度为120K左右,回现冷量再利用.通过合理设计与工质选择,设计了一BOG冷量作为液化系统冷源之一,实现能量高效利用,节约资源,提升系统效率.3.1系统描述带冷量回收的新型混合工质液化系统(简称RPMRLS)如图2所示,该系统包含四个循环:BOG液化循环、乙二醇为工质的冷量回收循环、丙烯为工质的预冷循环与混合工质的主冷循环.其中冷量回收循环吸收BOG冷量并作为冷箱冷源之一.预冷循环将BOG及主冷工质预冷,主冷循环经过预冷后高沸点组元液化为D6,后经过节流后变为D7,低沸点组元D5经过进一步降温至D8节流后将BOG冷却至过冷,并与D7汇合为返流冷剂.来自LNG储罐的低温低压BOG首先经过冷量回收器升温后Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)0174···图2带冷量回收的混合工质液化系统.进入BOG压缩机,升压后进入换热冷箱,经过预冷、液化及过冷等过程流出冷箱,再经过节流阀降压后流入储罐.3.2系统分析该系统冷量来源为四部分,分别为:预冷循环B4,乙二醇回收的BOG蒸发气冷量C3,主冷循环中高沸点工质预冷节流后D7与低沸点工质冷却节流后D9.换热冷箱内部能量平衡关系如式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)该液化系统中各循环的T-s图如图3所示,其中T为工质温度,K;s为工质熵值,kJ/(kg·K).乙二醇作为冷量回收工质始终以液相循环,预冷循环与主冷循环工质的汽化潜热均得到充分利用,此时系统比功耗为0.53kWh·kg-1.该带冷量回收的新型混合工质液化系统不仅可以满足BOG压缩机入口气体条件,又可以实现低温BOG蒸发气冷量回收,为换热冷箱提供冷源,实现能量的高效利用,适用于大型LNG运输船.4常规BOG再液化系统分析针对现有船舶普遍应用的BOG液化技术,本图3带冷量回收的混合工质液化循环中各循环T-s图.章主要讨论氮膨胀液化系统以及混合工质液化系统,通过分析各系统工作原理、能量变化、温熵变化趋势,总结各系统运行特点,指导船舶BOG再液化系统选择.4.1单级氮膨胀液化系统氮膨胀液化系统基于逆布雷顿循环[9](BR循环)原理展开,通过压缩气相氮气达到高压状态,经过冷却器冷却后再通过膨胀机膨胀降温到所需温区去液化原料气.单级氮膨胀(简称SNLS)是最简单的膨胀液化Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)0175···图4单级氮膨胀液化系统.过程[34],包含BOG液化循环以及N2制冷循环,氮气作为循环制冷剂提供整个液化过程所需冷量,包括BOG预冷过程、液化过程以及过冷过程,具体过程如下图4所示.单级氮膨胀液化系统工作原理为:低温低压原料气经过BOG加热器复温后经过压缩机压缩提升压力,再经BOG冷却器冷却至后进入换热冷箱与气态N2制冷剂换热,冷箱出口为过冷态BOG,经过节流后流入LNG储罐.N2作为系统的制冷剂经过压缩机压缩及后冷却进入换热冷箱后温度降低至B6,然后经过膨胀机后成为低温低压状态为换热冷箱提供冷源,整个过程中氮气始终为气态.该液化过程所需的全部冷量均来自B7,其中膨胀机对外输出功亦可回收利用,其中冷箱内部能量平衡关系如式14所示.mA4·(hA4-hA5)+mB5·(hB5-hB6)=mB7·(hB1-hB7)(14)该单级氮膨胀液化系统稳定运行过程中系统的T-s图如下图5所示,由图可知,N2作为制冷工质始终以气态运行,BOG由过热气态,最终变为过冷液态流出系统,该系统比功耗为1.03kWh·kg-1.单级氮膨胀液化系统利用气态氮气循环实现BOG液化,系统简单、成本可控,但是系统功耗较大,适合应用在小规模液化系统中.4.2双级氮膨胀液化系统相对于单级氮膨胀液化系统,双级氮膨胀液化系统(简称DNLS)可以达到更高的系统效率[35],这使得各温区内都存在更适配的制冷设备.系统流程如图6所示,其中BOG液化过程与单级氮膨胀过图5单级氮膨胀液化系统中各循环T-s图.程相似,N2制冷过程中,制冷工质经过压缩机压缩后进入换热冷箱预冷后分为B7和B9两部分,B7进入N2膨胀机-1实现降温降压后回到换热冷箱,B9进一步冷却后流入N2膨胀机-2,温度进一步降低后回到换热冷箱为BOG提供过冷冷量,与来自膨胀机-1的N2混合为B11为BOG提供预冷和冷却的冷量,最终流出换热器,完成一个工作循环.其中,汇合为B11的两股来流压力必须相同,N2膨胀机-2与N2压缩机-2通过联轴器连接,可实现功率有效回收.双级氮膨胀系统液化所需冷量一部分来自工质预冷膨胀后B8,另一部分来自冷却膨胀后B10,其中N2膨胀机-2对外输出功可以直接被N2压缩机利用,N2膨胀机-1的输出功亦可回收利用.换热冷箱内部热量平衡方程如式15所示.Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)·0176·图6双级氮膨胀液化系统.mA4·(hA4-hA5)+mB5·hB5-(mB7·hB7+mB9·hB9)=mB1·hB1-(mB10·hB10+mB8·hB8)(15)图7为双级氮膨胀液化系统中各循环T-s图,其中N2制冷循环中状态B6分流为B7与B9两部分,其中B9经过N2膨胀机后温度降低至可以为BOG提供过冷冷量,该系统比功耗为0.99kWh·kg-1.布雷顿循环通常适用于中小型液化天然气过LNG应用中具有一些优势[36].氮气和甲烷都可以作为BR循环中的工质.当在整个液化天然气液化过程(预冷、液化和过冷)中使用单一工质BR循环时,最佳工质为氮气.氮气膨胀机可以为系统实现高效过冷,亦可以通过合理增加膨胀机数量来提升系图7双级氮膨胀液化系统中各循环T-s图.统效率,这个过程的缺点是两个独立的制冷循环增加了资金成本和操作复杂性.图8基本混合工质液化系统.0177···4.3基本混合工质液化系统基本混合工质液化循环(简称SMRLS)原理图如下图8所示,包含BOG液化过程与混合工质制冷循环,其中BOG经过预冷、冷却至过冷状态,经过节流阀后流入液态储罐.常温低压的混合工质经过压缩机后变为高压态B3流入换热冷箱,经返流工质预冷实现高沸点组元冷凝,经过气液分离器后分为气态B5与液态B8,B8经节流阀后降温降压至B9,B5进入冷箱后充分冷却至B6,经过节流降温降压为BOG过冷提供冷量后与B9混合至B10为冷箱前端提供冷量后流出冷箱,此时完成一个制冷循环.关于基本混合工质系统液化过程所需冷量一部分来自混合工质中高沸点工质预冷节流后B9,另一部分来自混合工质中低沸点工质液化节流后B7,换热冷箱内部能量平衡关系如式16所示.mA4·(hA4-hA5)+mB3·(hB3-hB4)+mB5·(hB5-hB6)=mB1·hB1-(mB7·hB7+mB9·hB9)(16)该基本混合工质液化系统T-s图如图9所示,该混合工质液化系统是包含混合工质压缩、冷却并过冷BOG的闭式循环系统,通过调整制冷剂组元配,此时该系统的比功耗为0.69kWh·kg-1.此外,工作流体大多处于两相状态,可以充分利用相变潜热实现高效制冷.该系统功耗相对于氮膨胀系统图9基本混合工质液化循环中各循环T-s图.更低,结构更紧凑.4.4带预冷的混合工质液化系统在大规模应用中,通过反向朗肯循环联级,如混合工质液化循环结合预冷循环实现系统高效制冷.下图10为带丙烯预冷循环的混合工质液化系统(简称PMRLS),该系统包含两个制冷循环,分别为丙烯预冷循环与混合工质主冷循环,其中丙烯预冷循环作用为将BOG与主冷工质预冷降温,主冷循环则将BOG冷却液化至过冷状态.其中BOG经过两级压缩压力达4.5MPa左右,经过与预冷循环、主冷循环换热达到目标出口状态.带预冷的混合工质液化循环系统所需冷量一部分来自预冷循环B4,另一部分来自主冷循环中高沸图10带预冷的混合工质液化循环系统.Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)·0178·点工质预冷节流后C7与低沸点工质冷却节流后C9,式17为换热冷箱内部能量平衡关系.mA6·(hA6-hA7)+mC3·(hC3-hC4)+mC5·(hC5-hC8)=mB4(mB1-mB4)+mC1·hC1-(mC7·hC7+mC9·hC9)(17)图11为带预冷混合工质液化循环的T-s图,由图可以清晰看出系统运行时各状态点变化趋势,其中主冷冷剂与预冷冷剂的汽化潜热均得到利用,这有助于提升系统效率,此时系统比功耗为0.61kWh/kg.丙烷预冷循环可以消除换热器热端温差大的问题,与基本混合工质液化系统相比,该系统比功耗更低,效率更高,缺点是过程更加复杂,设备数量和资本成本更高.5热力参数计算与分析5.1基本运行工况分析根据前文对5种系统的描述及分析,结合2.2中基本运行工况下参数,当入口BOG流量为1000kg·h-1、压力为0.15MPa,换热冷箱出口温度为120K、膨胀阀后压力为0.35MPa时,通过化工流程模拟软件,得到各个系统的运行参数如下表4所示.图11带预冷的混合工质液化循环中各循环T-s图.表4各系统基本运行参数.液化系统制冷量/kW压缩机功耗/kW膨胀机输出/kWLNG/(kg·h-1)比功耗/(kWh·kg-1)冷却水/(t·h-1)单级氮膨胀232.410001.03双级氮膨胀10000.99基本混合工质/10000.69带预冷混合工质240.4/10000.61冷量回收混合工质240.4/10000.53当BOG组分为纯甲烷,此时BOG可以被完全液化,液化等量BOG所需制冷量取决于换热冷箱出入口BOG压力.由于满足系统运行时制冷工质及工况压力不同,因此,压缩机功耗不同导致各系统间比功耗不同,双级氮膨胀系统比功耗比单级氮膨胀系统低0.04kWh·kg-1.相比基本混合工质液化系统,增加预冷循环比功耗降低11.59%,增加冷量回收循环比功耗降低23.19%,冷却水需求降低16.2t·h-1.混合工质液化系统所需冷却水量明显低于氮膨胀液化系统所需冷却水量.可见,增加冷量回收的新型混合工质再液化系统性能高于常规液化系统.系统运行工况会随着液化需求、进出口状态等参数变化,为深入探讨不同工况下系统运行情况,分别改变BOG入口流量及组分计算对系统运行参数的影响.5.2BOG入口流量对系统运行的影响根据现有船舶BOG液化系统规模情况,分别取入口流量为250kg·h-1~2000kg·h-1区间内五种工况,此时,BOG组分为纯甲烷,其他工况参数保持不变.分析不同流量变化对系统制冷需求、耗功及冷却水需求的变化情况,当BOG组分为纯甲烷时,可以达到完全液化,液化率及比功耗不受流量影响,此处不做分析.BOG入口流量变化对系统制冷需求的影响如图12所示,所需制冷量与BOG流量成正比,BOG流量每增加100kg/h,制冷量增加2.40kW至2.50kW,其中氮膨胀系统及基本混合工质液化系统所需制冷Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)0179···图12不同BOG流量对制冷量需求的影响.量略高于带预冷循环的液化系统,这是因为后者压力高于前者,当BOG温差相同时,压力越大,BOG出入口焓差变化越小,导致制冷量需求减小.(注:SNLS为单级氮膨胀液化系统,DNLS为双级氮膨胀液化系统,SMRLS为基本混合工质液化系统,PMRLS为带预冷的混合工质液化系统,RPMRKLS为带冷量回收的混合工质液化系统.)图13不同BOG流量对系统功耗的影响.图13为不同BOG入口流量对系统所需功耗影响,由图知,系统所需功耗随着入口流量增加而增加,对于氮膨胀液化系统功耗明显高于混合工质液化系统功耗,其中,BOG流量每增加100kg·h-1,102.8kW,基本混合工质液化循环所需功耗增加约69.81kW,而带预冷循环的液化系统所需功耗增加约67.83kW,带冷量回收的液化系统因减少了BOG加热器使得所需功耗仅增加63.60kW.可见增加预冷循环虽增加了系统复杂性,但是更加节省功耗,对于长久应用到船用BOG液化系统更加有利.冷却水需求随BOG入口流量变化趋势如图14所示,所需冷却水量与BOG流量成正比,相同BOG流量下,单级氮膨胀液化系统所需冷却水量最大,带冷量回收的混合工质液化系统需冷却水量最小.BOG流量每增加100kg·h-1,单级氮膨胀液化系统所需冷却水量增加22.84t·h-1,带冷量回收的混合工质液化系统所需冷却水量增加11.09t·h-1.图14不同BOG流量对冷却水需求的影响.根据对不同BOG入口流量分析可知,流量变化对系统运行产生较大影响,氮膨胀系统的功耗及对冷却水需求量明显高于混合工质液化系统,其中带冷量回收的新型混合工质液化系统相对于混合工质液化系统及带预冷的混合工质液化系统比功耗更低,所需冷却水量更少,性能更优.5.3BOG入口组分对系统运行的影响甲烷是BOG主要组分,实际过程中往往包含氮气等杂质气体,为深入探究氮气含量对液化系统的影响,分别取BOG中氮气组分为0%至20%的五种入口组分进行设计计算,此时入口流量为1000kg·h-1,其他条件保持不变.不同BOG组分对系统制冷量的需求如下图15所示,随着氮气含量增加,相同冷箱出口条件下所需制冷量减小,其中双级氮膨胀液化系统所需制冷量最大,带预冷的混合工质液化系统及带冷量回收的混合工质液化系统所需制冷量最小.五种液化系统Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)0180···制冷量随氮气变化幅度相当,氮气含量每增加5%,系统制冷量约减小11.5kW.这是因为相同外界条件下氮气液化温度低于甲烷,当甲烷液化后焓值变化大于氮气焓值变化,导致制冷需求量减小.图15BOG组分对制冷量需求的影响.图16为不同BOG组分对系统运行功耗的影响变化趋势,五种液化系统耗功均随着氮气含量增加而减少,其中氮膨胀液化系统功耗最大且变化最显著,当氮气含量小于10%时,单级氮膨胀液化系统功耗最大,当氮气含量为10%时,两种氮膨胀系统功耗接近约为920.0kW,当氮气含量大于10%时,双级氮膨胀液化系统功耗最高.带冷量回收的混合工质液化系统功耗最低,氮气含量每增加5%,功耗约减小26.8kW.这是因为压缩机压差相同时,相同状态的甲烷焓值变化大于氮气,导致BOG压缩机功耗增加,且随着氮气含量增加,系统所需制冷剂减小,导致制冷剂压缩机功耗减小,因此系统功耗随着氮气含量增加而降低.图16BOG组分对系统功耗的影响.BOG组分变化趋势,五种系统所需冷却水变化趋势相同,均随着氮气含量增加而减少,其中单级氮膨胀液化系统所需冷却水最大,带冷量回收的混合工质液化系统所需冷却水最少.氮气含量每增加5%,系统所需冷却水减少4.91t·h-1至10.43t·h-1不等.图17BOG组分对冷却水需求的影响.BOG组分对系统液化率存在较大影响,如图18所示,随着氮气含量增加,系统液化率呈显著下降趋势,其中带预冷的混合工质液化系统因膨胀阀前后压差大导致其液化率略低于其他系统.对于五种系统而言,氮气含量每增加5%,液化率约降低3.85%~4.14%.图18BOG组分对系统液化率的影响.系统比功耗综合了系统液化能力与能耗需求是评价系统综合性功能的重要指标,BOG中氮气含量对系统比功耗亦存在影响,如图19所示.五种系统Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)0181···比功耗均呈现先减小后增大趋势,氮气含量约为5%时存在最小比功耗,说明合理控制BOG组分中氮气含量可以缩小系统比功耗,获得系统最佳工况.通过对不同液化系统不同BOG组分的流程计算分析,氮气存在会降低系统功耗及冷却水需求的1000kg·h-1时,系统内存在一个最佳甲烷与氮气的比例约为95%与5%,此时各系统参数如下表5所示.图19BOG组分对系统比功耗的影响.表5甲烷与氮气比例为95%:5%时各系统运行参数.液化系统制冷量/kW总功耗/kWLNG/(kg·h-1)比功耗/(kWh·kg-1)液化率/%冷却水/(t·h-1)单级氮膨胀0.9899.46双级氮膨胀0.96基本混合工质0.6799.46带预冷混合工质0.59冷量回收混合工质0.51分析表9可知,氮膨胀液化系统可以获得较高的液化率,但是系统耗功及冷却水量明显高于混合工质液化系统.混合工质液化系统通过合理配比混合工质组分,充分利用组元的相变温度滑移实现更高效制冷,减小系统功耗及冷却水用量,其中增加预冷循环后,相对于基本混合工质液化系统,系统液化率略有降低约0.74%,但比功耗降低11.94%,当增加冷量回收循环时,系统功耗明显降低约23.88%,所需冷却水量减少约12.70%.6结论本文提出了一种带冷量回收的新型船用BOG再液化技术,并介绍了应用在船舶BOG液化系统中的常规氮膨胀液化系统以及常规混合工质液化系统.采用化工流程模拟软件对五种液化系统进行模拟计算,并进行了系统能量分析以及不同工况的性能对比分析.得到的主要结论如下:(1)对新型混合工质液化系统及常规液化系统进行流程分析,得出系统中各装置内部能量传递关系及各循环T-s图.在设定参数下,单级氮膨胀系统比功耗最大为1.03kWh·kg-1,新型混合工质液化系统比功耗最小仅为0.53kWh·kg-1,同比降低48.54%.(2)不同BOG入口流量对系统运行产生较大影响,BOG流量每增加100kg·h-1,氮膨胀液化系统功耗增加约99.74kW至102.8kW,基本混合工质液化循环功耗增加约69.81kW,而带预冷循环的液化系统所需功耗增加约67.83kW,带冷量回收的液化系统功耗仅增加63.60kW.(3)在所设进出口条件下,氮气含量的增加导致系统液化率降低,同时使系统制冷量及冷却水需求降低.当氮气摩尔比例为5%时,各系统的比功耗均达到最小值,其中氮膨胀系统为0.98kWh/kg,带冷量回收的混合工质液化系统为0.51kWh·kg-1.(4)混合工质液化系统相对氮膨胀系统略复杂,但单位功耗及冷却水用量显著降低.相对于基本混合工质液化系统,增加预冷循环后,系统液化率略有0182···Low.Temp.Phys.Lett.45,0169(2023)降低约0.74%,但比功耗降低11.94%,带冷量回收12.70%,系统比功耗明显降低约23.88%.带冷量回收的新型混合工质再液化系统作为一种新型的再液化系统,具有能耗更低,所需冷却水量更少等有点,是应用于LNG船舶BOG再液化工艺的可选优选方案之一.[1]潘本艺,杨帆,周莉,商丽艳,李萍,高校化学工程学报,35(2021),702[2]董龙伟,天然气与石油,37(2019),44[3]A.Sieminski,EnergyInformationAdministration,(2016)[4]中华人民共和国国家能源局2022天然气发展“十四五”规划(北京:中华人民共和国国家能源局)[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(201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