基于HYSYS的LNG动力...箱船冷能利用方案设计与优化_郭超.pdf

第 卷 第期 年月青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）（）文章编号：（）；：基于 的 动力集装箱船冷能利用方案设计与优化郭超，高波，王锋，杨倩倩，李博洋（青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 ；交通运输部北海航海保障中心青岛航标处，山东 青岛 ）摘要：要：针对 动力集装箱船燃料冷能严重过剩和冷藏集装箱所消耗的船舶电力过多的问题，提出了将 动力集装箱船的燃料冷能用于冷藏集装箱方案，并采用流程模拟软件 对该冷能利用方案进行模拟，后又借助 对方案进行了优化分析研究，以 冷能方案的能量利用率为目标函数，探究了一级冷媒流量与压力对能量利用率的影响，并以此对 冷能利用方案进行了优化，得到在选定的工况下 流量为 ，压力为 时，系统能量利用率最优为 。该方案不仅能够使得 燃料中蕴含的大量冷能得以充分利用，而且也大大降低了大量冷藏集装箱所消耗的船舶电力，有效提升整船的能量利用率。关键词：冷能利用；动力船；冷藏集装箱；中图分类号：文献标志码：引用格式：郭超，高波，王锋，等 基于 的 动力集装箱船冷能利用方案设计与优化 青岛科技大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：收稿日期：基金项目：山东省自然科学基金项目（）作者简介：郭超（），男，硕士研究生 通信联系人 ，（，；，）：，青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷 ，：；随着国际海事组织（）和国家船舶节能减排政策的不断推进，船用清洁能源 液化天然气（）的使用正推动着船舶逐渐摆脱 所要求的船舶能效设计指数（）的制约。全球以 为动力的船舶（动力船）的数目正在逐年增长，截至目前已运营和待建造的 动力船数目约达 艘。是一种 的深冷液体，在送入船舶主机燃用前，需加热到常温左右。传统用来加热 的热源通常为海水或主机缸套水，但海水加热会催生“冷污染”问题，主机缸套水加热不仅浪费了船舶热源，还造成了 冷能得不到利用，这种方式与目前的节能降耗理念严重相悖。为此，许多学者对船舶 燃料中的冷能进行了研究。姚寿广等综合考虑原船余热资源及 冷能，提出了多种 动力船能量梯级利用方案，张玉健等用 软件对其设计方案进行模拟分析，建立以火用效率和单位火用值成本为主的系统评价指标。等对 冷能用于空气分离进行了优化和火用分析，徐礼康等 提出了 冷能用于朗肯循环发电的方案。李博洋等 设计了针对大型 动力船的 燃料冷能梯级利用方案。等 将船舶 燃料冷能用于船舶的空调系统。但上述 冷能用于朗肯循环和海水淡化不仅设备繁杂，而且会占用船舶珍贵的空间。船舶冷库与空调所需冷量较少，仅能利用少部分 燃料冷能，依旧存在大量的冷能浪费。尤其是大型 动力集装箱船，每天需消耗 多的 ，冷能过剩问题更加严重，且该类船舶装载的冷藏集装箱数目从几百至 不等，需耗费大量船舶电力进行制冷，造成船舶电网负荷较大，极大增加了船舶的初期建造成本和营运成本。因此，为解决 动力集装箱船上冷能过剩和冷藏集装箱制冷所需电力负荷大的问题，本研究提出了一种将 动力集装箱船的燃料冷能用于冷藏 集 装 箱 方 案，并 采 用 流 程 模 拟 软 件 对该冷能利用方案进行模拟，借助 并结合 开展了 动力集装箱船冷能利用方案的多变量优化研究，以 冷能方案的能量利用率为目标函数，对 冷能利用方案进行优化。动力船冷能利用方案设计冷能利用方案总体设计由于 在汽化的过程中需从 升至常温左右，二者之间存在约 的温差，多数冷媒很难在不产生相变的情况下横跨如此大的温差将 中所蕴含的冷能进行较为有效的吸收。若是冷媒产生相变，其对系统的控制条件会提出更高的要求，且其中的一些冷媒还会对环境产生较大的影响，因此，综合考虑能级、冷媒相态和环境友好等因素，对 动力船冷能利用总体方案进行了设计，如图所示。在 动力船冷能利用总体方案中，燃料从 燃料舱中驳运出后，在 换热器（低温换热器）中将冷能进行释放，之后在循环泵的作用下通过一级冷媒将 冷能传递到 换热器，随后，二级冷媒也在循环泵的作用下在二级循环管路中循环，将所吸收的 冷能通过冷箱换热器传递给各冷藏集装箱放置区的冷藏集装箱，用以给箱中货物制冷，如图。该方案不仅能够解决大型 动力集装箱船上 燃料冷能过剩和其上冷藏集装箱消耗功率过大的问题，而且降低了 冷能与冷藏集装箱所能利用的能量之间的能级差，提升能量的利用率。其中，一级冷媒为 的乙二醇水溶液，二级冷媒为 的乙二醇水溶液，在该方案中一级冷媒与二级冷媒均不发生相变。第期郭超等：基于 的 动力集装箱船冷能利用方案设计与优化图 动力船冷能总体方案设计 图二级冷媒循环系统方案设计 母型船冷能利用方案设计母型船选取本研究所选择的母型船为“达飞索邦”号，由沪东中华为法国达飞集团所建，已于 年月交付，主要参数如表所示。母型船冷能释放量估算船舶在航行过程中，通常处于定速航行状态。此时，船舶主机负载越高，的消耗量越大，提供的 冷能越多。本研究选取该母型船主机负荷为 ，消耗量为 的工况，对 的供给情况及该船上的冷藏集装箱对燃料冷表“达飞索邦”号主要参数 名称数值名称数值总长 主机型号 型宽 主机功率 型深 发电机 台 台设计吃水 能的利用情况进行探究。此时，主机供给储罐中的压力约为 （），温度为约 ，通过 的模拟计算，汽化到 所释青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷放的冷量约为 。冷藏集装箱单元用冷负荷计算对于类似于“达飞索邦”号的远距离运输的大型 动力集装箱船，其所跨越的经纬度范围较大，这也相应地造成了该船在单航次航行过程中不可避免地会经历跨季节运输，导致船舶周围温度通常会发生显著性的变化。而船上用冷单元的热负荷的计算，与船舶周围温度的变化息息相关。为便于对 冷能利用系统进行设计，本研究选取了环境温度为，进行了冷藏集装箱负荷的计算，如表所示。表环境温度 下冷藏集装箱制冷负荷 冷藏集装箱种类传热负荷呼吸热通风负荷太阳辐射热总计负荷高温冷箱 低温冷箱 建立 模拟模型结合冷藏集装箱在船舶上距离汽化室（假设在艉楼旁甲板）的位置不同，划分了个冷藏集装箱放置区（参见图和图）。图冷藏集装箱箱位置 在 中建立了如图所示的 冷能利用流程。对于 这种超低温液体等危险性及计算 成 本 相 对 较 大 的 工 业 流 程，利 用 使得该 冷能利用过程变得简单可靠，还能够实现信息的实时双向传递 。为简化系统，本研究将图中 设置为上述划分成的个冷藏集装箱放置区中全部冷藏集装箱制冷所需的总负荷，也即 分别代表了多个冷藏集装箱的换热负荷和沿程损失等负荷，同时也忽略了二级冷媒将 冷能传递给箱内货物过程中所造成的能量损耗。蓝色区域为冷藏集装箱。图 中 冷能利用流程 第期郭超等：基于 的 动力集装箱船冷能利用方案设计与优化此外，由于 动力集装箱船需时常停靠港口进行集装箱的装卸，因此，船上的冷藏集装箱的数目和放置区域都有可能发生变化，这也导致了本研究中的 冷能利用系统具有各式各样的工况。为此，本研究选择了一种载箱工况（表）进行后续的研究。此工况是选取了母型船在亚欧服务航线上某一航段（两港口间）的冷藏集装箱进行研究，船上冷藏集装箱的总箱数为 个。此外，为便于与所设定 冷能利用系统模拟模型相对应，得到模拟系统中一些关键节点的数值，假定了该工况下低温冷藏集装箱与高温冷藏集装箱的数量如表所示。随后对 模拟流程中各关键节点参数进行了设定，并与模拟结果一同写入表，其中黑体字为设定值。表母型船冷藏集装箱载箱工况 区域名称高温冷箱个数 低温冷箱个数总个数 总个数 表 模拟流程关键节点工艺参数 名称温度压力 质量流量（）注：黑体字为设定值。优化与分析结合冷能的利用方式，本研究主要计算 冷能利用过程中的利用率，计算公式如式（）所示：。（）式（）中：为船上用冷单元所利用的 能量，为 冷能系统中可利用的能量。为进行 冷能利用系统的优化，首先需着重探明系统中主要参数对所设定的目标函数系统能量利用率的影响，以便后续优化过程中能够把握正确的优化方向，选取了一级冷媒流量与一级冷媒压力作为自变量。同时，为克服 手工输入计算耗时力、易出错的弊端，借助 开展 动力集装箱船冷能利用方案的多变量优化研究，通过 强大的计算功能，摆脱 难以实现多 参 数 优 化 的 劣 势 ，借 助 中 的 模块计算出系统冷能利用率，并采用 进行读取并进行可视化处理。一级冷媒流量的影响首先，考虑到一级冷媒的流量关乎一级冷媒循环泵 的消耗，而一级冷媒循环泵的消耗又与目标函数系统能量利用率相关联，设定了一级冷媒流量的变化范围为 ，经 和 模拟后所得到结果如图所示。图（）中随着一级冷媒流量的增加，系统能量利用率在不断降低。而图（）中的温度在不断地升高仅在 左右的温度范围内变化，且在一级冷媒流量的变化范围下，换热器与 换热器并未出现温度交叉的现象，但图（）与（）中换热器热侧 与 的温差和换热器冷侧的 与 的温差出现了较为明显的变化。因此，为保证换热器和换热器的换热效果，换热器同侧的流股温差设置在 之间，此时，一级冷媒的流量不小于 ，不大于 ，当一级冷媒的流量为 ，达到了 。一级冷媒压力的影响取一级冷媒的流量为 ，将一级冷媒的压力从 增加到 ，经 和 模拟后所得到结果如图所示。图（）中随着一级冷媒压力的增加，系统能量利用率在不断地降低，而图（）中 的温度在不断的升高，并且其变化的趋势并不大，仅变化了 左右，且在一级冷媒压力的变化范围下，换热器与 换热器并未出现温度交叉的现象，图（）与（）中 换热器与 换热器的温差也并未超出所设定的 的范围。与图对比发现，即使一级冷媒的压力的变化很大，但对于系统能量利用的提升作用并不大。青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷图主要参数随一级冷媒流量的变化曲线 图主要参数随一级冷媒压力的变化曲线 第期郭超等：基于 的 动力集装箱船冷能利用方案设计与优化因此，一级冷媒的压力可取为 ，一方面可增大系统的能量利用率，另一方面也可降低压缩机的设计要求，节省成本。此时，为 。一级冷媒流量与压力的共同影响由于变量间的相互影响是未知的，因此为探究上述影响因素之间是否会对目标函数产生交叉影响，本研究选择了一级冷媒流量与压力作为两个自变量，探究了一级冷媒流量与压力对系统能量利用率的共同影响。经 和 模拟后所得到结果如图所示。图显示在两种变量的作用下，系统能量利用率、的温度及 换热器冷侧出口 的温度与热侧出口 温度的差值的变化总体是单调变化的，其变化的趋势与单因素所造成的变化趋势几近相同。图一级冷媒的压力和流量对系统的共同影响 因此，当仅有一级冷媒流量和压力作为变量用以优化该 冷能利用系统，则结果与 节与 节求优的结果相同，都是当一级冷媒的流量和压力分别为 和 ，得到最优的系统能量利用率为 ，将上述参数取值输入 模拟程序，得到的系统能量利用率也为 ，表征了寻优结果的准确性，同时也与前述分层寻优的结果相同。全局寻优对整个 冷能利用系统而言，影响因素远不止于一级冷媒流量与压力，为便于对其他因素进行研究，并直接获取变量在何种情况下能够得到系统能量利用率的最大值，仍以一级冷媒流量和压力作为研究对象，如图在 中编写了寻优程序并设定了约束条件：的温度小于；换热器热侧入口 的温度与热侧出口 的温度的差值为 ；换热器冷侧出口 的温度与热侧出口 温度的差值为 。经运行后，优化后的系统能量利用率为 ，对应的 流量为 ，压力为 ，与前述研究结果相同。且由于 编程的便捷性，探究其他因素的影响时仅需改变几行代码就可以实现任意两种变量对系统能量利用率的影响，同样，探究种因素或是更多因素的影响，通过 也很容易实现，因此，利用 能够对系统的任意情况的优化，便捷、简单，在冷藏集装箱的载箱情况与 燃料冷能释放工况已定的情况下，通过对改变系统参数的数值，可以最大程度地对冷能进行充分的利用，提高整船的能量利用率，契合现如今节能减排的大势，具有较大的研究意义。青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷图寻优代码与 计算结果 结论针对 动力集装箱船所存在的问题，利用 并借助 开展了 动力集装箱船冷能利用方案的设计与优化研究，研究发现：为解决 动力集装箱船上冷能过剩和冷藏集装箱制冷所需电力负荷大的问题，设计了将