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  1 研究背景

  液化天然气(liquefied natural gas，LNG)是一种低碳较清洁的化石能源，它的沸点低于-160℃，在气化过程中会释放830kJ/kg的冷能，通常依托于传统供应链进行生产端到用户端的输送。然而在天然气运输过程中，通常伴随着大量能耗和冷能流失的现象，故而凸显出能源效率低，运输周期长等问题。对于位于海洋深水区的海上天然气气田，由于与陆地基础设施或其他海上管道隔离，开采与运输的难度更大，因而一种新型海上装置FLNG被提出用以开采深海气田。FLNG又名浮式LNG生产储卸装置特种液货船舶，是一种用来开发海上天然气田的新式装置，集开采，处理，液化等多种功能于一体，并且可以通过与LNG运输船配合，有效构建LNG的海上生产供应链。FLNG与传统的海上天然气田开发模式相比，具有巨大的优势，当被探测气田距离陆地位置较远或者规模过小时，若采用传统的模式进行开采，所获取的经济效益将会降低且难以回收成本，而FLNG简化了海上LNG生产设施，有效的减少了开发气田所需占地，极大的方便了对处于深海的气田的开发利用。目前基于FLNG平台对天然气液化和LNG再气化阶段能源利用与整合的研究较少，天然气从海上气田被开采出来后经过液化处理，利用液体储罐将LNG运送到岸边，而LNG进入使用网络之前需要进行再气化过程并最终进入输送管道，向发电厂和工业用户提供天然气。由于天然气液化过程和LNG再气化过程通常分别发生在天然气海上运输的开始和结束阶段，需要一种大规模冷能存储技术建立两个过程之间的时间与空间联系。

  2 论文解决问题及意义

  考虑到液态空气储能的优越性及天然气海上运输阶段需要一种大规模冷能储存技术以建立天然气液化过程和LNG再气化过程的联系，提出一种新型的特种液货船低温能量管理系统，该系统基于液态低温空气储存冷能，集成LNG生产，CO2液化以及电力输出，实现了LNG低温冷能的多级利用。该系统可以对LNG冷能进行管理、回收与利用，以实现LNG供应链优化，推动能源产业结构发展，助力航运业“双碳”目标达成。

  3 论文重点内容  

  1）低温能量管理系统流程建立。

  所设计的特种液货船低温能量管理系统工艺流程如图1所示，主要包括一条液态空气流，一条天然气液化流，一条二氧化碳液化流，和一个混合制冷剂制冷循环。通过混合制冷循环及液态空气提供的冷负荷，在冷却天然气的同时将其转化为LNG；利用液态空气提供冷能，可以有效的减少混合制冷循环中压缩机消耗的能量，并减少冷却器承担的热负荷；剩余的部分冷能用于膨胀做功发电，可对外产生一定的电力输出；最后利用低温空气中的冷能生产液态二氧化碳。

  2）系统㶲分析与经济性分析。

  通过㶲分析的方式对拟建的特种液货船低温能量管理系统进行能量损失评价与可行性评估，系统整体㶲流桑基图如图2所示。对于本文拟建的特种液货船低温能量管理系统来说，其㶲效率可以达到较高水平，系统最终产物呈现出多种的生产布局形式，主要包括LNG，液态二氧化碳以及电力的输出。

  3）参数分析与性能多目标优化。

  选取系统中的不同决策变量，包括冷却器出口温度，压缩机压缩比，低温空气质量流量，混合制冷剂和天然气换热和出口温度等，探讨其对整个系统㶲效率以及资本成本的影响。在分别研究了各决策变量对系统性能的影响后，为了获得最优的系统参数，采用多目标优化方法进行优化工作，以系统的㶲效率和年度资本成本作为多目标优化的目标函数求得优化后的帕累托最优前沿。

图1 低温能量管理系统工艺流程图

图2 系统整体㶲流桑基图

  4 结论  

  为促进航运业“双碳”目标的实现，以“Prelude”号FLNG为母船，提出了一种新型的FLNG船舶能量管理系统，拥有低温空气冷能集成，综合产出LNG，液态二氧化碳与电力的能力，提出的系统具有低能耗，高能效的特点，且系统具有良好的经济效益与较短的回收成本周期。

  基于本文已开展工作，后续可开展系统非设计工况下的动态特性研究，分析设备与循环的实际变功率性能，从机理层面揭示设备与循环的协同/矛盾机制，评估系统动态调控的灵活性潜力。