基于HYSYS的LNG供气系统气化设计方案比较

葛冀欢,魏冬亮,韩飞

(招商局金陵船舶(南京)有限公司,南京 210015)

液化天然气(LNG)与传统燃料相比,在排放指标上优势极大,能够满足Tier III的排放标准[1]。招商局金陵船舶设计建造的某汽车滚装船采用双燃料液化天然气作为动力,可以减少100%的硫氧化物、92%的氮氧化物、100%的颗粒物和23%的二氧化碳排放[2]。LNG以-163 ℃液态储存在储罐中,经气化、升温后供给用户使用,气化加热工艺主要通过LNG气化器来实现,其以热流媒体为中间介质,将天然气由液态转化为气态[3]。气化方案不仅需要满足极端工况下的用户使用,也适用于各种正常工况,还需要考虑方案的经济性。此外,由于该船采用的是高压主机,气化方案需要同时满足高低压用户的要求。以某7 000 PCTC汽车滚装船LNG供气系统为设计对象,初步设计4个供气系统气化方案,采用ASPEN HYSYS软件对不同方案在不同工况下的参数进行模拟计算,对比分析对计算结果,确定最优的气化方案。

1 初步设计

1.1 7 000 PCTC汽车滚装船基本资料

某高压双燃料7 000 PCTC汽车滚装船,船长199.9 m,型宽38 m,搭载1台7S60ME-C10.5-GI-EcoEGR主机,3台8H22CDF发电机及1台双燃料锅炉。LNG供气系统设计有2个C型低温储罐,单个容量2 000 m3;2个LNG加气站分别布置在两舷。主机、发电机、锅炉的供气参数见表1。

表1 主机、发电机、锅炉的供气参数

1.2 气化方案

供气系统设计有1台高压气化器,用于将LNG气化、升温后供给主机使用;1台低压气化器,用于满足发电机和锅炉的使用。2个气化器均采用水/乙二醇溶液作为换热介质,水/乙二醇溶液在气化LNG时需要释放大量热量,因此系统设计有缸套水加热器和蒸汽加热器给水/乙二醇加热,2个加热器串联使用。正常工况下,主机缸套水加热器的热量可以满足气化的需求,在主机负荷较低时,蒸汽会对水/乙二醇进行二次加热,确保供气系统正常工作。

由于LNG储罐不是完全绝热的,因此其中的LNG会自然吸热气化,其气化时体积会增加约600倍,从而使得罐内压力升高[5],极端情况下会导致储罐超压,为此,采用BOG(boil off gas)压缩机,将自然气化的天然气加压后供给低压用户使用。由于BOG压缩机无法承受低温介质,因此设计有BOG预加热器,将天然气加热后送入BOG压缩机,同时BOG压缩机工作时需要冷却,天然气被近似绝热压缩后也需要冷却。为了满足BOG系统的正常工作,水/乙二醇系统需要加热BOG预加热器,同时需要冷却BOG冷却器。水/乙二醇在冷却BOG冷却器时会吸收大量热量,因此系统设计有低温淡水冷却器用于冷却水/乙二醇溶液。

基于以上需求,设计4个供气系统气化方案。

1)方案一。采用1套水/乙二醇系统,分为高压、低压2个支路,其系统原理图见图1。

图1 方案一系统原理示意

2)方案二。采用一套水/乙二醇系统,分为加热、冷却2个支路,其系统原理图见图2。

图2 方案二系统原理示意

3)方案三。采用两套水/乙二醇系统,分为高温和低温,其系统原理图见图3。

图3 方案三系统原理示意

4)方案四。采用两套水/乙二醇系统,分为高压和低压,其系统原理图见图4。

图4 方案四的系统原理图

2 基于ASPEN HYSYS的模拟计算

2.1 模拟4个典型工况

1)工况一。主机在燃油模式下工作,BOG压缩机工作以维持LNG储罐内压力稳定。根据LNG储罐的温度场计算,单个罐体表面积约为1 100 m2,罐体表面包裹有330 mm厚聚氨酯保温层,导热系数0.023 W/(m·K),当环境温度为45℃时,传热功率约为18 kW,BOG的生成率为0.44%/d。LNG储罐的设计极限装载率为89.3%,考虑2个储罐满载的极限工况,BOG最大生成量约为277 kg/h。

2)工况二。所有主机、发电机、锅炉满负荷工作的极限工况,BOG压缩机不工作。此时高压耗气量2 000 kg/h,低压耗气量1 050 kg/h。

3)工况三。正常航行工况,主机在70%负荷下工作,本船设计有轴带发电机,在正常工况下可以满足全船用电负荷,发电机不需要工作,锅炉满负荷工作,BOG压缩机不工作。此时高压耗气量1 400 kg/h,低压耗气量90 kg/h。

4)工况四。正常航行工况,主机在70%负荷下工作,发电机不工作,由BOG压缩机供给锅炉满负荷工作,用于稳定LNG储罐内压力。此时高压耗气量1 400 kg/h,低压耗气量90 kg/h。

2.2 流程在模拟时的简化

为了保证系统的安全,其冗余设计较多,但在实际正常使用时备用设备并不工作,因此在模拟时忽略一些与结果无关的设备,具体如下。

1)不考虑备用的水/乙二醇泵和G/W冷却水换热器。

2)由于蒸汽加热器仅在缸套水热量不够时补充使用,正常情况下并不使用,因此不考虑蒸汽加热器。

3)不考虑膨胀水箱。

4)BOG冷却器包含了BOG压缩机的冷却和压缩后天然气的冷却。

5)不考虑空调、冷藏的LNG冷能回收设计[6-7]。

2.3 模拟参数设定

流程选择Peng-Robinson物性包进行描述[8],水/乙二醇溶液中乙二醇体积分数为50%,天然气的组成见表2。

表2 天然气的组成及标准体积分数 %

各换热器的进出口参数设定见表3。

表3 各换热器的进出口参数设定 ℃

2.4 模拟流程的建立

根据各方案的系统原理,结合前述简化原则,在ASPEN HYSYS中组合泵、压缩机、换热器等模块,建立各方案流程,见图5～8。

图5 方案一的模拟流程

图6 方案二的模拟流程

图7 方案三的模拟流程

按照表2设定LNG的物性参数,参考文献[9],在软件的工艺流程选项中定义相应的设计规范,让流程自动计算各支路水/乙二醇以及低温淡水、缸套水的流量,对各工况下的参数进行模拟计算。

3 模拟结果对比分析

3.1 水/乙二醇系统的流量

各工况下每种方案中的各换热器的水/乙二醇流量见表4。

表4 不同方案换热器在各工况下的水/乙二醇流量 kg/h

各方案在各工况下水/乙二醇泵的流量见表5。

表5 各方案在各工况下水/乙二醇泵的流量 kg/h

3.2 低温淡水和缸套水的流量

各方案在各工况下低温淡水和缸套水的流量见表6。

图8 方案四的模拟流程图

表6 各方案在各工况下低温淡水和缸套水的流量 kg/h

3.3 气化方案综合对比分析

各方案在同一工况下,天然气的流量相同,因此各方案水/乙二醇的总流量没有太大区别,根据模拟结果总结各方案的特点如下。

1)方案一。工况一时仅低压支路工作,其他3个工况时2个支路均工作,仅采用2台G/W循环泵,1用1备,节约成本。但在工况一时泵的流量百分数太低,靠泵变频控制无法满足该流量,需要设计旁通支路,控制比较复杂。G/W冷却器在工况二、三时给水/乙二醇加热,在工况一、四时给水/乙二醇加热,控制比较混乱,不利于监测、维护。其低温淡水最大流量较大,且在不同工况下低温淡水的流量相差很大,对于低温淡水系统设计带来困难。

2)方案二。在所有工况下高温支路均工作,在工况一、四时低温支路工作,仅采用2台G/W循环泵,1用1备,节约成本。但在工况一时泵的流量百分数太低,靠泵变频控制无法满足该流量,需要设计旁通支路,控制比较复杂。其在不同工况下缸套水的流量相差很大,对于高温淡水系统设计带来困难。

3)方案三。在工况一时仅低压循环系统工作,在工况二、三时仅高温循环系统工作,在工况四时2个系统均工作,采用4台G/W循环泵,2用2备,初期成本较高。在不同工况下,2个G/W循环泵的流量均可以靠变频控制来实现,控制简单。其低温淡水和缸套水流量在不同工况下差距较小,高/低温淡水系统设计简单。

4)方案四。在工况一时仅低温循环系统工作,在其他3个工况时2个循环系统均工作,采用4台G/W循环泵,2用2备,初期成本较高。G/W冷却器在工况二、三时给水/乙二醇加热,在工况一、四时给水/乙二醇加热,控制比较混乱,不利于监测、维护。其低温淡水最大流量较大,且在不同工况下低温淡水的流量相差很大,对于低温淡水系统设计带来困难。

方案三、四相较于方案一、二增加了2台水/乙二醇循环泵,但该泵流量和压头均较小,因此增加的成本较低。工况三为该船舶正常航行最常使用的工况,在这个工况下,方案一、二、三仅单台G/W循环泵工作,方案四需要2台同时工作。

综合以上分析,从经济性、常用工况下的设备运行状态、控制难度、检测方便程度,以及对高/低温淡水系统设计难度的程度对比分析,方案三为最优的设计方案。

4 结论

1)从经济性角度来看,方案一、二较好,方案三、四成本有少量增加。

2)从工况三这个常用工况下的设备运行状态来看,方案一、二、三仅单台G/W循环泵工作,方案四需要两台同时工作,方案四有劣势。

3)从控制和运行检测难度和对高/低温淡水系统设计难度来看,方案三最优,其他方案均存在一些问题。

4)综合考虑,方案三为最优的设计方案,项目最终采用方案三。