本文是一篇工程硕士论文，本文重点对LNG汽化换热系统设计和LNG蒸发器选型计算进行研究，并完成HYSYS工艺模拟和实船试验。
第一章绪论
1.1研究背景和意义
据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）研究发布，全球气候变暖正在加速，极端天气将更频繁，海洋、冰川覆盖和全球海平面发生的变化不可逆转。为应对全球全人类面临的严峻问题，温室气体减排是重中之重，应尽早实现温室气体尤其二氧化碳净零排放。
《联合国气候变化框架公约》第二十七次缔约方大会（COP27）重申了巴黎协定的温度目标，并将升温幅度限制在1.5℃以内。COP27对加速推进发展中国家可再生能源和低排放能源等清洁能源组合的建设和转型，以及确认天然气在世界能源转型期的关键作用有着积极影响。
2018年，国际海事组织（IMO）制定了航运业在2008年基准上至2030年碳排放强度降低40%、至2050年温室气体年度总排放量降低50%的碳减排目标[1]，为实现这一目标，航运业从各方面寻找合理的实现路径，当前LNG以较好的经济性和环保性应用最为广泛，相比于其它低碳或零碳燃料，应用LNG燃料具有热值高、无毒性、燃烧技术成熟、储罐和加注设施完善、法规和标准健全等优势，以及未来应用生物LNG和合成LNG有着更为广阔的前景和减排优势。
2021年6月，国际海事组织（IMO）海上环境保护委员会（MEPC）召开第76届会议，会议审议并通过了《防污公约》附则VI关于降低国际航运碳强度的修正案，将于2022年11月1日正式生效，该修正案旨在从技术和运营两个方面同时提高船舶能效，降低碳强度水平，船东需要遵守现有船舶能效指数（EEXI）规定，且基于2023年数据的第一次CII评级将不迟于2024年3月31日。
1.2国内外设计现状研究
国内外公司在设计LNG汽化换热系统时，通常采用两级蒸发和加热系统设计，第一级为蒸发，将低温液态的LNG输送到蒸发器内与加热介质（水乙二醇）首次换热将LNG蒸发为气态的天然气；第二级为加热，将蒸发后的气态天然气在加热器内与加热介质（水乙二醇）再次换热，加热至需求温度后供给双燃料机器燃烧使用[7-8]。
（1）国外LNG汽化换热系统
双燃料发动机是LNG双燃料船上的核心动力装置，目前市场上主流的双燃料发动机有MAN、Wärtsilä（瓦锡兰）和WinGD的低速机和中速机等，主要机型分别是ME-GI系列、DF系列和FLEX-DF系列。
芬兰瓦锡兰公司的DF系列双燃料发动机自1996年开始相继推出，其LNGPac装置是一种集成的模块化汽化设备在2010年开发成功，该装置采用中间加热介质加热的方式将LNG汽化加热，使汽化后的天然气达到需求的温度。汽化器中的低温天然气来源分为两部分，一部分来自于LNG储罐中产生的蒸发气（BOG），另一部分是经由低温泵增压或自增压设备增压的LNG，这样可有效解决汽化器结冰问题，同时可以处理LNG储罐中的蒸发气。已有成品油轮“Bit Viking”使用瓦锡兰50DF双燃料发动机，汽化与控制的部分由相应的LNGPac装置完成[9]。
第二章LNG汽化换热系统组成及理论
2.1 LNG汽化换热系统功能
LNG汽化换热系统的核心功能是将低温液态的LNG汽化换热为满足双燃料机器使用温度和压力的气态天然气，具体流程为：将低温液态的天然气从LNG储罐内泵送至LNG蒸发器内进行一次性的蒸发汽化和加热，气态天然气从蒸发器出来后再到缓冲罐内进行稳压，最终输送给双燃料机器燃烧做功。本文中的14000箱双燃料集装箱船安装了一台最大功率为42560kW 、最大转速为80rpm的船用低速主机，机型为WinG D W9X92DF，共9个气缸，缸径为920mm，采用低压供气方式，在气缸扫气过程中将天然气喷入气缸内与空气充分混合后再进入下一步压缩环节。根据厂家资料，主机的单位气耗为141.4g/kW h，主机在MCR（最大持续功率）下的每小时气耗为6017kg/h，按LNG的平均密度450kg/m3换算主机在最大持续功率下每小时约消耗13.4m3的液化天然气，相比船用重油和柴油，LNG的热值较高，为50MJ/kg。当主机消耗同等质量的燃料，LNG能够比重油和柴油输出更高的功率且续航更为持久，由此可见LNG燃料的经济性有明显优势。表2-1为LNG、重油和柴油的常用热值比较。
2.2 LNG加注和储存装置
（1）LNG加注装置
LNG加注装置又称LNG加注站，通常布置于船舶的左右两舷，各配备1个加注站，但有些船型只配备一个加注站[14]。按规定，LNG管路距离船舶舷侧不得少于800mm，在设计和布置加注站管路时需要注意。
LNG加注站用于向LNG储存装置充装加注低温液态的LNG，一般位于露天甲板上或舷侧的半围蔽处所内，含加注管、回气管、透气管、吹扫管等。按SGMF指导性说明[15]，加注管靠舷侧末端安装可拆的干式快拉通岸接头，而加注船的加注软管也装有干式快拉通岸接头，在发生紧急情况时可以从这个通岸接头处快速拉断，同时保证加注软管侧和加注站侧的LNG不泄漏到外界。图2-1为14000箱双燃料集装箱船的加注站实图。图中所示的加注管及加注软管正处于LNG加注操作中，管子外部结霜是由于LNG管路外壁温度较低遇空气而致。
在加注站接头处以及任何可能泄漏LNG的位置下方应安装承滴盘[17]，用于承接和收集泄漏的LNG。承滴盘材料通常为不锈钢316L（可耐低温同时防腐）。承滴盘的容积设计需考虑此区域内最大可能的LNG泄漏量、泄漏探测时间、应急切断阀关闭时间以及如上两段时间内的LNG自然蒸发量等因素。承滴盘的下方带有泄放阀，可通过固定管路或临时软管将泄漏的液体排出舷外。按当前IGF规则要求，加注管通常为单壁管并包覆低温绝缘。参考最新IGF规则的修改草案，2024年之后加注站的加注管要求为双壁管，不用包覆低温绝缘。根据加注操作和系统监测需要，加注站需安装压力表和温度计（注：不同船级社规范会要求安装压力传感器和温度传感器），以实时监测加注管和回气管的压力和温度参数。
第三章 LNG汽化换热系统设计与研究 .................... 19
3.1 工艺流程设计与关键设备研究 ................... 19
3.1.1 工艺流程设计 .......................... 19
3.1.2 关键设备研究 ............................. 21
第四章 LNG蒸发器选型计算与研究 ................... 30
4.1 蒸发器的理论换热量计算 ................ 31
4.1.1 蒸发器壳侧换热量计算 ...................... 31
4.1.2 蒸发器板侧换热量计算 .................... 31
第五章 HYSYS工艺模拟与实船试验 .............. 35
5.1 HYSYS软件简介 ............................... 35
5.2 HYSYS建模与工况模拟 ........................ 35
第五章HYSYS工艺模拟与实船试验
5.1 HYSYS软件简介
HYSYS是广泛应用于油气生产、炼油工艺以及油气处理等领域的过程模拟软件，可用于工艺流程模拟、系统设计和性能检测等工作，最早由加拿大Hyprotech公司开发，2002年美国Aspentech公司将Hyprotech公司收购并将软件更名为Aspen HYSYS。
Aspen HYSYS可以为用户提供强大的物性数据支持，其中物性计算包的基础数据来自于权威的物性数据系统，除了丰富的已有工质外，软件允许对于标准库中没有包括的混合工质，自定义虚拟组分进行计算。
Aspen HYSYS软件分为稳态和动态两大部分，动态模拟通常是在稳态模拟的基础上增加控制仪表和动态操作数据后开始，有时也可以直接从动态模式开始建立流程。AspenHYSY提供PID控制器、数控开关、传递函数发生器等动态控制单元，在计算过程中，可以随时调整压力、温度等工艺变量，稳态和动态两种模式共享相同的计算对象，因此稳态模拟和动态模拟之间可以互相切换[45]。
第六章结论与展望
6.1结论
本文重点对LNG汽化换热系统设计和LNG蒸发器选型计算进行研究，并完成HYSYS工艺模拟和实船试验，最终结论如下：
（1）LNG汽化换热系统设计需满足全船双燃料机器的供气压力、供气温度以及供气流量需求。水乙二醇系统作为LNG汽化换热的关键辅助系统，其设定温度和流量需满足LNG的最大换热量，避免蒸发器因换热量不足而结冰堵塞。
（2）提出LNG汽化换热系统的设计原理，经计算确定LNG潜液泵参数（20m3@17barg）、LNG蒸发器参数（1334kW）以及中压缓冲罐参数（2m3）来满足系统设计要求。
（3）对LNG汽化换热系统中的核心设备LNG蒸发器进行选型计算，经计算得出壳侧理论换热量为1330kW，板侧理论换热量为1335kW，对数平均温差为59℃，换热面积为70 m2及板片数234片，依据上述计算结果来选择换热器型号PSHE 6LL-234/3/3作为本船的LNG蒸发器。
（4）利用HYSYS软件对LNG汽化换热系统的高负荷工况和低负荷工况进行建模和模拟，得出高负荷工况下的LNG蒸发器模拟换热量为1308kW，与设计换热量1334kW和实际换热量1281kW基本一致，表明HYSYS对该系统的模拟结果是比较准确和可靠的。
参考文献（略）
