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1 研究背景
液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)是一種低碳較清潔的化石能源，它的沸點(diǎn)低于-160℃，在氣化過(guò)程中會(huì)釋放830kJ/kg的冷能，通常依托于傳統(tǒng)供應(yīng)鏈進(jìn)行生產(chǎn)端到用戶端的輸送。然而在天然氣運(yùn)輸過(guò)程中，通常伴隨著大量能耗和冷能流失的現(xiàn)象，故而凸顯出能源效率低，運(yùn)輸周期長(zhǎng)等問(wèn)題。對(duì)于位于海洋深水區(qū)的海上天然氣氣田，由于與陸地基礎(chǔ)設(shè)施或其他海上管道隔離，開(kāi)采與運(yùn)輸?shù)碾y度更大，因而一種新型海上裝置FLNG被提出用以開(kāi)采深海氣田。FLNG又名浮式LNG生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置特種液貨船舶，是一種用來(lái)開(kāi)發(fā)海上天然氣田的新式裝置，集開(kāi)采，處理，液化等多種功能于一體，并且可以通過(guò)與LNG運(yùn)輸船配合，有效構(gòu)建LNG的海上生產(chǎn)供應(yīng)鏈。FLNG與傳統(tǒng)的海上天然氣田開(kāi)發(fā)模式相比，具有巨大的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)被探測(cè)氣田距離陸地位置較遠(yuǎn)或者規(guī)模過(guò)小時(shí)，若采用傳統(tǒng)的模式進(jìn)行開(kāi)采，所獲取的經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)降低且難以回收成本，而FLNG簡(jiǎn)化了海上LNG生產(chǎn)設(shè)施，有效的減少了開(kāi)發(fā)氣田所需占地，極大的方便了對(duì)處于深海的氣田的開(kāi)發(fā)利用。目前基于FLNG平臺(tái)對(duì)天然氣液化和LNG再氣化階段能源利用與整合的研究較少，天然氣從海上氣田被開(kāi)采出來(lái)后經(jīng)過(guò)液化處理，利用液體儲(chǔ)罐將LNG運(yùn)送到岸邊，而LNG進(jìn)入使用網(wǎng)絡(luò)之前需要進(jìn)行再氣化過(guò)程并最終進(jìn)入輸送管道，向發(fā)電廠和工業(yè)用戶提供天然氣。由于天然氣液化過(guò)程和LNG再氣化過(guò)程通常分別發(fā)生在天然氣海上運(yùn)輸?shù)拈_(kāi)始和結(jié)束階段，需要一種大規(guī)模冷能存儲(chǔ)技術(shù)建立兩個(gè)過(guò)程之間的時(shí)間與空間聯(lián)系。
2 論文解決問(wèn)題及意義
考慮到液態(tài)空氣儲(chǔ)能的優(yōu)越性及天然氣海上運(yùn)輸階段需要一種大規(guī)模冷能儲(chǔ)存技術(shù)以建立天然氣液化過(guò)程和LNG再氣化過(guò)程的聯(lián)系，提出一種新型的特種液貨船低溫能量管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于液態(tài)低溫空氣儲(chǔ)存冷能，集成LNG生產(chǎn)，CO2液化以及電力輸出，實(shí)現(xiàn)了LNG低溫冷能的多級(jí)利用。該系統(tǒng)可以對(duì)LNG冷能進(jìn)行管理、回收與利用，以實(shí)現(xiàn)LNG供應(yīng)鏈優(yōu)化，推動(dòng)能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展，助力航運(yùn)業(yè)“雙碳”目標(biāo)達(dá)成。
3 論文重點(diǎn)內(nèi)容
1）低溫能量管理系統(tǒng)流程建立。
所設(shè)計(jì)的特種液貨船低溫能量管理系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，主要包括一條液態(tài)空氣流，一條天然氣液化流，一條二氧化碳液化流，和一個(gè)混合制冷劑制冷循環(huán)。通過(guò)混合制冷循環(huán)及液態(tài)空氣提供的冷負(fù)荷，在冷卻天然氣的同時(shí)將其轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)NG；利用液態(tài)空氣提供冷能，可以有效的減少混合制冷循環(huán)中壓縮機(jī)消耗的能量，并減少冷卻器承擔(dān)的熱負(fù)荷；剩余的部分冷能用于膨脹做功發(fā)電，可對(duì)外產(chǎn)生一定的電力輸出；最后利用低溫空氣中的冷能生產(chǎn)液態(tài)二氧化碳。
2）系統(tǒng)?分析與經(jīng)濟(jì)性分析。
通過(guò)?分析的方式對(duì)擬建的特種液貨船低溫能量管理系統(tǒng)進(jìn)行能量損失評(píng)價(jià)與可行性評(píng)估，系統(tǒng)整體?流?；鶊D如圖2所示。對(duì)于本文擬建的特種液貨船低溫能量管理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其?效率可以達(dá)到較高水平，系統(tǒng)最終產(chǎn)物呈現(xiàn)出多種的生產(chǎn)布局形式，主要包括LNG，液態(tài)二氧化碳以及電力的輸出。
3）參數(shù)分析與性能多目標(biāo)優(yōu)化。
選取系統(tǒng)中的不同決策變量，包括冷卻器出口溫度，壓縮機(jī)壓縮比，低溫空氣質(zhì)量流量，混合制冷劑和天然氣換熱和出口溫度等，探討其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)?效率以及資本成本的影響。在分別研究了各決策變量對(duì)系統(tǒng)性能的影響后，為了獲得最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化工作，以系統(tǒng)的?效率和年度資本成本作為多目標(biāo)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)求得優(yōu)化后的帕累托最優(yōu)前沿。
圖1 低溫能量管理系統(tǒng)工藝流程圖
圖2 系統(tǒng)整體?流?；鶊D
4 結(jié)論
為促進(jìn)航運(yùn)業(yè)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，以“Prelude”號(hào)FLNG為母船，提出了一種新型的FLNG船舶能量管理系統(tǒng)，擁有低溫空氣冷能集成，綜合產(chǎn)出LNG，液態(tài)二氧化碳與電力的能力，提出的系統(tǒng)具有低能耗，高能效的特點(diǎn)，且系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與較短的回收成本周期。
基于本文已開(kāi)展工作，后續(xù)可開(kāi)展系統(tǒng)非設(shè)計(jì)工況下的動(dòng)態(tài)特性研究，分析設(shè)備與循環(huán)的實(shí)際變功率性能，從機(jī)理層面揭示設(shè)備與循環(huán)的協(xié)同/矛盾機(jī)制，評(píng)估系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)控的靈活性潛力。
