CN112197169B

CN112197169B - 一种船用低压燃气供应装置的优化方法

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Publication number: CN112197169B
Application number: CN202011074312.9A
Authority: CN
Inventors: 冯国增; 孟博; 许津津; 沈九兵; 蒋庆峰; 徐彤; 顾鑫鑫; 顾忱
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2040-10-09
Also published as: CN112197169A

Abstract

本发明公开一种用于船用低压燃气供应装置的优化方法，包括在现有燃气供应***设计后，根据工艺流程，利用HYSYS软件建立LNG供气的工艺模型，优化工艺模型中的控制变量，使运行过程中能量利用效率最高，并以当前状态的参数作为该设计工况下燃气供应装置的最优工艺参数。本发明运用模拟方法建立燃气供应***的工艺模型，通过调整控制变量，实现装置用能分析，并输出能源利用效率最优的工艺参数，有效降低现有低压燃气供应装置中能源利用问题，从而为生产建造提供指导和帮助。

Description

一种船用低压燃气供应装置的优化方法

技术领域

本发明涉及一种船用低压燃气供应装置的优化方法，属于船舶技术领域。

背景技术

近年来，柴油/LNG双燃料发动机技术由于其良好的燃烧和经济性能，在船舶领域的应用越来越广泛。为保证动力续航，最为关键的是要处理好燃气供应技术，这很大程度上影响着发动机的稳定可靠性，因此需要研发配套的燃气供应装置。在船舶远洋航行中，船上装备的能源显得尤为珍贵，为了提高装置运行过程中能源利用效率以及优化装置参数，急需一种用于船用低压燃气供应装置的操作条件优化方法来解决这一运行中的问题。

哈尔滨工程大学孙化东针对WP10天然气发动机设计了一套LNG燃烧供给***，并在AMEsim软件中建立气化器-发动机冷却***联合模型，研究分析了LNG 物性参数和冷却水物性参数对气化效果的影响，并未研究设备参数的优化以及***能源利用的变化。

李志鹏等人以20000TEU大型集装箱船为研究对象，通过分析***流程和设备原理设计了配套的LNG燃料供气***，仅为供气***配置提供一定的参考依据，并未从能源利用角度和参数优化方面进行分析研究。

中船三井造船柴油机有限公司裘春华等人针对W7X82DF双燃料船用低速发动机自主设计了配套的低压天然气供气***，并在此基础上对***设备进行了设计计算，但未对***运行过程中能源利用进行分析，也未优化装置参数。

中国船级社范洪军等人针对某25000DWT的LNG动力散货船设计的高压供气***，通过采用Aspen HYSYS软件对***在典型工况下工艺过程进行仿真分析，分析主要围绕高压供气***供气能力是否满足***设计要求，并未涉及***的性能及参数优化。

江苏科技大学洪从媛为ME-GI型船用双燃料发动机设计一套匹配的高压供气***，通过采用Aspen plus软件建立LNG气化装置，为控制LNG气化流程的出口温度及流程的优化设计提供一定的指导意义。

综上所述，有必要提供一种用于实际工程需求的船用低压燃气供应装置的操作条件优化方法，以优化装置参数以及提高运行过程中能源利用效率。

发明内容

本发明公开一种可靠的用于船用低压燃气供应装置的优化方法，其目的在于解决现有低压燃气供应装置中能源浪费问题，以及通过模拟方法验证并优化装置参数，从而为生产建造提供指导和帮助。

为实现上述目的，本发明所提出的技术方案为：

第一点，根据燃气供应装置的***工艺流程，分析并设计***，包括***管路设计，***设备选型。***管路包括主供气支路，BOG(蒸发气)支路。***设备选型包括LNG储罐、LNG循环泵、LNG气化器、加热器、阀。

第二点，根据燃气供应装置的***工艺流程，利用HYSYS软件建立LNG供气的工艺模型，优化工艺模型中的控制变量，使运行过程中能量利用效率最高，并以当前状态的参数作为该设计工况下燃气供应***的最优工艺参数。

进一步地，所述第一点中的分析设计***是根据用户侧用气参数，主要是流量、压力、续航时间进行计算，还需要的有工艺流程图、循环泵的性能曲线、阀组技术手册、气化器加热器的结构参数。

进一步地，所述第二点中的建模包括：在HYSYS软件中输入LNG组分和换热介质组分，在软件上选择物性方程为Peng-Rebsen方程；按照燃气供应***的工艺流程在HYSYS中建立模型并添加PID控制器，得到标定模型；按照装置实际运行情况，将装置设备的控制变量以及数据输入至标定模型，得到工艺模型。

进一步地，在输入LNG组分过程中，应根据不同地区的LNG成分在HYSYS 软件中输入组分参数，组分类型通常包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氮气。组分比例应根据不同地区的LNG成分输入模型。

进一步地，根据实际工艺流程在HYSYS中建模过程中，PID控制包括主供气支路和BOG支路。主供气支路包括LNG储罐的压力流量监测、LNG循环泵的流速调控、用户调控。BOG支路包括LNG压力流量监测、储罐压力监测。

进一步地，在设置LNG循环泵控制策略时，是通过监测用户侧流量压力变化以控制循环泵转速。

进一步地，根据实际工艺流程得到的数据，使模型与实际工况之间的误差小于5％。

进一步地，根据工艺模型中稳态参数输出的各个设备的

效率，进而分析该设计工况下能量利用效率，通过优化各个设备的控制变量，分析对比后得出最优工艺参数。

本发明的有益效果：本发明与现有技术相比，解决了船企在建造过程中装置***设备的选购匹配问题，有效降低船企建造成本；对装置进行模拟分析，使装置参数设置更合理，有效提高装置运行过程中能量的利用。

附图说明

图1是本发明实施例一中的一种船用低压燃气供应装置的工艺流程图。

图2是本发明实施例一中根据工艺流程图在HYSYS软件中建立的工艺模型图。

图中，1-LNG储罐、2-管路控制阀、3-BOG控制阀、4-LNG循环泵、5-单向截止阀、6-单向截止阀、7-控制阀、8-LNG气化器、9-控制阀、10-燃气加热器、11-加注控制阀。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

一种船用低压燃气供应装置的优化方法，该方法包括第一点，根据燃气供应***的工艺流程，分析并设计***，包括***管路设计，***设备选型。***管路包括主供气支路，BOG(蒸发气)支路。***设备选型包括LNG储罐、LNG循环泵、LNG气化器、加热器。第二点，根据燃气供应***的工艺流程，利用HYSYS 软件建立LNG供气的工艺模型，优化工艺模型中的控制变量，使运行过程中能量利用效率最高，并以当前状态的参数作为该设计工况下燃气供应***的最优设计参数。

本发明中提供的优化方法，是先根据实际燃气供应***的工艺流程进行设计计算，并在HYSYS软件上建立与之相对应的工艺模型。

按照实际供气过程，在HYSYS软件中建模过程中，需要考虑到的设备包括 LNG储罐、LNG循环泵、LNG气化器、加热器、阀组、分离器和混合器、控制逻辑。还需要注意的是建模的控制逻辑主要为实现工艺模型功能所需要的控制回路。还需要的资料包括：PID控制图、管道长度及直径，储罐的设计参数，循环泵的性能曲线，LNG气化器和加热器的设计参数，工艺过程描述，LNG组分，控制***设置。

在HYSYS软件中建立工艺模型之后，通过调整主要设备的控制变量，分析各个设备的用能变化，以优化装置设置，使得能源利用效率达到最优化。

本发明提供的上述优化方法中，运用模拟技术建立燃气供应***的工艺模型，实现实时优化分析，并根据不同地区LNG组分以及不同的设计参数，对工艺模型各个设备建立

分析模型，实时调整工艺参数，优化装置设置，使得***运行过程中能源利用效率达到最优化效果。

上述方法中，可以调整的控制变量为LNG储罐的保温参数、管道直径、泵出口压力、泵效率、气化器和加热器的设计参数等。只要其调整之后，经过建立

分析模型分析，能够使得装置运行过程中能源利用效率达到最优化效果即可输出最佳工艺参数。这些参数是影响整个燃气供应***运行的主要变量。

上述方法中，所建立的

分析模型，最终计算出的

效率应当以接近1为目标进行优化，在符合实际工程要求的前提下，调整装置的控制变量为最优化，以此为该工况下能源利用的最优工艺参数。

在上述方法中，第二点建立工艺模型的步骤包括：

在HYSYS软件中输入LNG组分和换热介质组分，在软件上选择物性方程为 Peng-Rebsen方程。

按照燃气供应***的工艺流程在HYSYS中建立模型，根据实际工艺流程添加 PID控制器，得到标定模型。

按照实际工况各个设备的控制变量以及数据输入至标定模型，得到工艺模型。

在输入LNG组分过程中，应根据不同地区的LNG成分在HYSYS软件中输入组分参数，组分类型通常包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氮气。组分比例应根据不同地区的LNG成分输入模型。

PID控制包括主供气支路和BOG支路。主供气支路包括LNG储罐的压力流量监测、LNG循环泵的流速调控、用户调控。BOG支路包括LNG压力流量监测、储罐压力监测。

在设置LNG循环泵控制策略时，是通过监测用户侧流量压力变化以控制循环泵转速。

根据实际工况得到的数据输入模型后，使模型运行与实际工况之间的误差小于5％。

现在结合一个实施例对本发明所述的优化方法进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。

实施例一

某船舶配备的9L34DF型双燃料发动机，与之配套设计的低压燃气供应装置如图1所示，具体的工艺流程如下：

LNG储罐1、管路控制阀2、BOG控制阀3、LNG循环泵4、单向截止阀5、单向截止阀6、控制阀7、LNG气化器8、控制阀9、燃气加热器10、加注控制阀11。

具体工艺流程包括：LNG储罐1内的LNG经循环泵4和单向截止阀5、6后，以雾化喷淋形式进入储罐，达到降温减压目的。随后通过加注管线加快LNG加注。当达到设定液位后，关闭加注阀门11。

装置正常工作时，LNG储罐1内的LNG通过下方管路输出，一路由液位差形成的重力作用直接供给LNG气化器8，一路通过开启控制阀2经由LNG输送泵4 输出，此时输出的LNG经单向截止阀5一路通过开启控制阀7送入LNG气化器8，另一方面开启单向截止阀6返回储罐1。LNG在气化器8内气化后，经控制阀9 进入燃气加热器10内被加热到用户侧要求的温度。

使用装置内产生的BOG时，关闭燃气加热器前控制阀9，将管路切换到BOG 管路。BOG被加热到用户侧要求的温度。

根据工艺流程，对装置***主要设备进行设计计算，结果为：

如图2所示，本发明所述的模拟方法，是根据船用低压燃气供应装置的工艺流程，在HYSYS软件上建立相适应的仿真模型。

首先对上述工艺流程进行分析，确定装置各设备模型原理，所需要建模的设备通常包括LNG储罐、LNG循环泵、LNG气化器、燃气加热器、分离器、混合器和控制阀。控制回路主要为实现仿真模型所需要的控制回路。还需要的资料包括：PID控制图、管道长度及直径，储罐的设计参数，循环泵的性能曲线，LNG气化器和燃气加热器的设计参数，工艺过程描述，LNG组分，控制***设置。

其次在HYSYS软件里输入LNG组分参数、换热介质组分参数，分别选择与之匹配的物性包。一般LNG选择Peng-Robinson物性包，纯水选择ASME Steam物性包。主供气支路主要为LNG供气过程，具体为LNG储罐加注，LNG从储罐输出，经循环泵输送进入LNG气化器和燃气加热器内被加热气化，最后输出到用户侧。

接着按照实际装置***添加PID控制模块，得到标定模型；随后根据需要输入的控制变量，设置模型参数以及仿真参数，得到***工艺流程模型。

在燃气供应***中多进行的是粗略分析，一般选用黑箱法进行

分析。在主供气支路上涉及能量交换和转化的设备有LNG储罐、LNG循环泵、LNG气化器、加热器、阀、混合器、分离器。这些设备分别具有各自的

损失计算，见下表1。

表1 注：表1中m为对应工质的质量流量，e为该状态点下

值。W₁为LNG循环泵的输入功。

通过运行工艺模型，保证装置稳定运行之后记录各个状态点的焓值，通过表 1进行计算得出装置***的

效率。通过改变装置模型的控制变量，分别记录不同控制变量下装置***的

效率，比较得出该工况下最优的工艺参数。

装置模型的控制变量有多方面的参照，本实施例以气化性能为评价依据，选取换热介质乙二醇水溶液的浓度参数作为变量(30％、50％和70％)，以此来分析各工况下的

效率。

(1)乙二醇水溶液浓度为30％时，各主要设备的

分析为：

(2)乙二醇水溶液浓度为50％时，各主要设备的

分析为：

(3)乙二醇水溶液浓度为70％时，各主要设备的

分析为：

通过对比以上三种控制变量下各设备的

分析，当乙二醇水溶液浓度在50％的时候，气化器和循环泵在设计参数下的

效率均高于浓度30％和70％状态下的值，但是浓度在70％的时候，气化器的

损失最小。而燃气加热器的

效率随着乙二醇水溶液浓度的增加而不断减小，这是由于乙二醇水溶液浓度的增加，与燃气加热器换热加强。但是在浓度为50％的时候，LNG循环泵冷量损失较少。因此相比可以得出，从

分析角度，乙二醇水溶液浓度在50％的时候，设备能最优化发挥。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种船用低压燃气供应装置的优化方法，其特征在于，根据所述船用低压燃气供应装置的***工艺流程，分析并设计***，具体包括***管路设计、***设备选型，所述***管路包括主供气支路，蒸发气支路，所述***设备选型包括LNG储罐、LNG循环泵、LNG气化器、加热器、阀；

所述一种船用低压燃气供应装置的优化方法是先根据实际燃气供应***的工艺流程进行设计计算,并在HYSYS软件上建立与之相对应的工艺模型，在HYSYS软件中建立工艺模型之后,通过调整主要设备的控制变量,分析各个设备的用能变化,以优化所述装置设置，使得能源利用效率达到最优化；

所述分析并设计***是根据用户侧用气参数进行计算,所述用户侧用气参数主要包括流量、压力、续航时间,还需要有工艺流程图、循环泵的性能曲线、阀组技术手册、气化器加热器的结构参数;

所述建立工艺模型的步骤包括：（1）在HYSYS软件中输入LNG组分和换热介质组分,在软件上选择物性方程为Peng-Rebsen方程；在输入LNG组分过程中,应根据不同地区的LNG组分在HYSYS软件中输入组分参数,组分类型包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氮气，组分比例应根据不同地区的LNG组分输入模型；

（2）按照燃气供应的***工艺流程在HYSYS中建立模型,根据实际工艺流程添加PID控制器,得到标定模型；PID控制包括主供气支路和BOG支路，主供气支路包括LNG储罐的压力流量监测、LNG循环泵的流速调控、用户调控，BOG支路包括LNG压力流量监测、储罐压力监测；在设置LNG循环泵控制策略时,是通过监测用户侧流量压力变化以控制LNG循环泵转速；

（3）按照实际工况各个设备的控制变量以及数据输入至标定模型,得到工艺模型；

（4）根据实际工况得到的各个设备的控制变量以及数据输入至标定模型后,使工艺模型运行与实际工况之间的误差小于5%；

最优化的步骤包括：（1）根据不同地区LNG组分以及不同的设计参数，对工艺模型的各个设备建立㶲分析模型；

（2）通过运行工艺模型，保证所述装置稳定运行之后记录各个状态点的焓值，计算得出装置***的㶲效率；

（3）通过改变所述装置的工艺模型的控制变量，分别记录不同控制变量下装置***的㶲效率；可以调整的控制变量为LNG储罐的保温参数、管道直径、泵出口压力、泵效率、气化器和加热器的设计参数；

（4）计算出的㶲效率应当以接近1为目标进行优化，在符合实际工程要求的前提下，调整所述装置的控制变量为最优化，并以此为该工况下能源利用的最优工艺参数。

2.根据权利要求1所述的船用低压燃气供应装置的优化方法，其特征在于，根据工艺模型中稳态参数输出的各个设备的㶲效率，进而分析相应的设计工况下能量利用效率，通过优化各个设备的控制变量，分析对比后得出最优工艺参数。