以太陽能為高溫熱源的LNG衛星站冷能發電系統

孫憲航 陳保東 王雷 宋士祥 馬躍 張國軍

遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院

以太陽能為高溫熱源的LNG衛星站冷能發電系統

孫憲航 陳保東 王雷 宋士祥 馬躍 張國軍

遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院

如何高效合理利用LNG所攜帶的冷能一直是人們關注的話題。為此，對LNG衛星站中LNG冷能利用方式及工藝流程進行了研究。以山東淄博LNG衛星站為例，建立了一種以太陽能加熱的水為高溫熱源，LNG儲罐輸出的LNG液態工質為低溫熱源的熱力循環發電系統。設計了該系統的工藝參數，計算了該系統日均凈發電量和能量利用效率，分析了該系統的經濟性和環保效益。結果表明：在日供氣量為12×104m3的山東淄博LNG衛星站中建立該熱力循環系統，能量利用效率可超過30%且符合工程實際，年可發電27×104k W·h，每年帶來約30萬元的經濟效益；同時，還可以節約氣化LNG所需的燃料費用6～8萬元／a，減少因燃燒煤炭和天然氣而帶來的400～1 000 kg／a的SO2排放量和56～146 t／a的CO2排放量，實現了節能、環保、增效三贏。

LNG衛星站 LNG冷能利用 太陽能 高溫熱源 低溫熱源 熱力循環 發電系統 山東淄博

充分高效地利用進口LNG攜帶的冷能，不僅可以節約能源、創造經濟效益，而且能夠避免LNG氣化過程對環境造成的冷污染。現有LNG冷能利用方式主要有空氣分離、冷能發電、低溫粉碎、制造液態二氧化碳、低溫冷庫和輕烴分離等。

筆者將太陽能熱水器原理應用于LNG衛星站來建立以太陽能加熱水為高溫熱源，以LNG儲罐輸出LNG為低溫熱源的朗肯循環發電系統，在免費使用太陽能的同時也回收了LNG中蘊藏的寶貴冷能。下面以山東省淄博市的LNG衛星站為例來做具體分析。

1 LNG衛星站利用太陽能熱源的潛力

LNG衛星站作為小型的LNG氣化站具有與大型LNG接收站相似的功能，對于需要清潔能源而輸氣管網又不易到達的中小城鎮或特殊廠家，LNG衛星站成功解決了這一矛盾。近年來隨著中國LNG產業的不斷發展和城市管網供氣安全的需要，LNG衛星站得到了雨后春筍般地發展。內陸的LNG衛星站與沿海大型LNG接收站相比雖然沒有取之不盡的海水作為熱源來構建發電系統，但這也為以太陽能加熱水為熱源構建LNG低溫冷能發電系統提供了可能［1］。

山東省淄博市位于北緯35°56′～37°18′、東經117°32′～118°3l′之間，屬于半溫潤，半干旱的大陸性氣候；四季分明，年平均氣溫為12.3～13.1℃，年平均無霜期為180～220 d，年平均日照時數為2 542～2 832 h，晴天平均日照時間為8.5 h，年平均太陽輻射總量為4 704～5 460 MJ／m2，具有比較豐富的太陽能資源，地下水溫度為10～15℃。這為建立以太陽能熱水系統為熱源的LNG低溫冷能發電系統提供了前提條件。

2 系統流程

山東淄博LNG衛星站設計日供氣量12×104m3，衛星站內有12臺立式儲罐，單臺容積為106 m3，站內有8臺空浴式氣化器，氣化能力為1 500 kg／h，LNG儲罐儲存壓力為0.3 MPa，儲存溫度為－146℃，外輸管網輸氣壓力為0.6 MPa，輸氣溫度為5～10℃［2］。基于太陽能加熱水為高溫熱源，輸出LNG為低溫熱源的冷能發電系統基本工藝流程如圖1所示。

以太陽能為熱源的熱水循環系統由太陽能集熱器、智能控制循環系統、備用電加熱器、管路連接系統、水箱、支架等組成。由于系統受用戶用氣量的變化和天氣變化的影響，當水溫不符合熱力循環的要求時，系統使用電加熱方式來補充熱量以保證熱水供應持續［3］。

圖1 以太陽能為熱源的LNG衛星站冷能發電系統流程圖

循環中液態工質經工質泵加壓后送入蒸發器，吸收循環熱水提供的熱量并蒸發，氣態工質進入汽輪機1，在汽輪機1內膨脹到冷凝壓力后進入冷凝器，在冷凝器內被逆向流動的LNG冷凝為液態，最后進入工質泵，完成一個熱力循環，通過汽輪機對外做功進行發電［4］。

被LNG泵加壓到3.0 MPa后的LNG為熱力循環的工質提供冷量后被氣化為氣態天然氣，但此時的氣態天然氣溫度仍然低于－40℃，仍具有相當可觀的冷量，再使氣態天然氣進入水浴氣化器為氣化站內的中央空調提供冷凍水。當下游用戶用氣量處于高峰且LNG的流量已經超過了熱力循環系統所需要的冷能時，可以通過旁通流量閥來調節LNG進入冷凝器的流量。經過水浴氣化器加熱后的天然氣冷能已消耗殆盡，但經LNG泵加壓到3.0 MPa的天然氣仍然具有相當的壓力能，再使天然氣經過汽輪機對外做功，完成LNG冷能的多級利用。膨脹到0.6 MPa后的天然氣再經過空溫式氣化器加熱到5～10℃后輸送至外輸管網［5－6］。

3 系統參數設計與發電量計算

3.1 系統參數設計

3.1.1 LNG在冷凝器中進出口溫度的設計

上述熱力循環系統的建立是以LNG進出冷凝器溫度為確定值的前提下確定的，因此當LNG進出冷凝器溫度確定后，工質的冷凝溫度便已經確定。由于LNG在不同的壓力下具有不同數量的冷火用，且冷火用在各個溫度區間的分布也不同，所以LNG在冷凝器進出口的溫度對于LNG冷火用的利用率有直接的影響。上海交通大學楊紅昌在他的碩士論文中對LNG在不同壓力下LNG冷火用隨溫度的分布進行了總結，如表1所示。

在忽略LNG成分影響的情況下，由表1可知在3.0 MPa下，LNG的冷火用主要集中在－162～－43℃，占總冷火用的95.98%，因此為了充分降低LNG的冷火用損失，在上述發電系統流程中3.0 MPa下的LNG在冷凝器的進出口溫度應選擇－146℃／－43℃［7］。

3.1.2 工質冷凝溫度的設計

表1 不同壓力下LNG氣化過程中冷火用隨溫度的分布表

當LNG在冷凝器進出口溫度確定的情況下，由卡諾定理可知工質的冷凝溫度越低，則循環效率越高，因此冷凝器中最小傳熱溫差越小越好，但是減小傳熱溫差會導致冷凝器換熱面積增加，低溫工程中相關的大量文獻推薦最小傳熱溫差采用3～5℃。本設計中選取最小傳熱溫差σt為5℃，則工質的冷凝溫度便確定為－38℃。本設計選取R1270（丙烯）為循環工質（丙烯的沸點為－47.72℃，臨界溫度為91.6℃，臨界壓力為4.55 MPa）。此時R1270的冷凝壓力為152.5 k Pa。

3.1.3 太陽能集熱器進出口水溫的設計

設計太陽能集熱器出口點3的溫度為t3＝45℃，蒸發器出口點1的溫度取當地全年平均水溫為t1＝17.5℃。

3.1.4 工質蒸發溫度的設計

由于受太陽能熱水源的限制，如最小溫差仍取5℃，則蒸發溫度可取為楊紅昌在碩士論文中提出的最佳蒸發溫度23.6℃，此時工質R1270的蒸發壓力為780.6 kPa。

3.1.5 LNG與工質流量的設計

設計衛星站內LNG氣化量為1 500 kg／h，按每天平均工作8.5 h計算，則供氣量約1.77×104m3／d，可滿足0.5萬～1.0萬戶的用氣需求量。

冷凝器內的熱平衡方程為：

式中γ1表示工質丙烯在－38℃時的冷凝潛熱，419.96 kJ／kg；qR表示工質的質量流量，kg／h；qLNG表示LNG的質量流量，kg／h；QLNG1表示1 kg LNG提供給工質的冷量，650 kJ／kg。

代入數據得工質的質量流量qR＝2 321.6 kg／h。

3.1.6 太陽能集熱器面積的確定

蒸發器內的熱平衡方程為：

式中cp表示液態丙烯比定壓熱容，5.524 kJ／（kg· K）；ΔtR表示工質從工質泵出口到飽和溫度的溫度差，℃；γ2表示工質丙烯在23.6℃時的氣化潛熱，364.62 kJ／kg；q熱水表示循環熱水的質量流量，kg／h；c熱水表示循環熱水的比熱容，kJ／（kg·K）；Δt熱水表示循環熱水的溫降，℃。

ΔtR一般為20℃，代入數據得循環熱水的質量流量q熱水＝9 549.7 kg／h。

循環熱水需要提供的熱量為9 549.7×4.2×（45－17.5）＝1 102.9 MJ／h，設太陽能集熱面積為A，太陽能集熱效率為90%［4］，循環熱水吸收90%的熱量，當地年平均太陽輻射總量為4 704～5 460 MJ／m2，取5 000 MJ／m2，晴天平均日照時間為8.5 h，則每小時每平方米地面接收的太陽輻射量為5 000／（365×8.5）＝1 611 603.5 J／（h·m2），由1 611 603.5×A×90% ×90%＝1 102.9×106得A＝845 m2。當遇到惡劣天氣而靠太陽能集熱器不能為循環熱水提供足夠熱量時，需要開啟備用電加熱器來補充熱量。

3.1.7 冷凍水質量流量的確定

冷凍水制備系統中，考慮5℃的管路損失，設計冷凍水進口和出口溫度分別為17.5℃和5℃。水浴汽化器中的熱平衡方程為：

式中c水表示冷凍水的比定壓熱容，kJ／（kg·K）；q水表示冷凍水的質量流量，kg／h；Δt水表示冷凍水進出水浴氣化器的溫差，℃；QLNG2表示1 kg LNG提供給冷凍水的冷量，230 kJ／kg。

代入數據計算得q水＝4 693.9 kg／h。

3.2 系統發電量計算

假設汽輪機內部相對效率為90%，發電機機械效率為80%，忽略換熱器的壓損及管道損失。以下計算功量均以1 h為標準。

3.2.1 汽輪機1對外理論做功的計算

汽輪機1對外理論做功為：

式中Wt1表示汽輪機1對外做功，k W·h；h3、h4分別表示汽輪機1進﹑出口處工質的焓值，kJ／kg。

代入數據計算得Wt1＝95.6 k W·h。

3.2.2 汽輪機2對外理論做功的計算

汽輪機2對外理論做功為：

式中Wt2表示汽輪機2對外做功，k W·h；hL4、hL5分別表示汽輪機2進﹑出口處氣態天然氣的焓值，kJ／kg。

代入數據計算得Wt2＝47.2 k W·h。

3.2.3 系統循環凈發電量的計算

系統理論循環凈功為：

式中Wnet表示系統理論循環凈功，k W·h；Wp水、WpR、WpLNG分別表示水泵﹑工質泵﹑LNG泵的功耗，k W ·h。

根據使用經驗，對于10 m3／h流量的水泵功率約為3 k W，則Wp水＝3 k W·h，根據流量比例對應的WpR＝1 k W·h，LNG出液泵功率根據LNG衛星站使用經驗可取為5 k W，即WpLNG＝5 k W·h。

代入數據計算得Wnet＝133.8 k W·h。

因此系統循環凈發電量為W凈＝133.8×90%× 80%＝96.3（k W·h）。

當遇到惡劣天氣而不得已開啟備用電加熱器時，備用電加熱器每小時的功耗不得高于96.3 k W·h，否則該系統就得不償失，無經濟性可言。

3.3 能量回收效率分析

3.3.1 以每小時循環熱水提供的熱量為計算標準

每小時循環熱水提供的熱量為1 102.9 MJ，即306.36 k W·h，則單純的熱力循環的熱效率為：

系統的總效率為：

這樣的能量利用效率在實際工程應用中還是相當可觀的。

4 系統經濟環保性分析

該系統需要面積龐大的太陽能集熱器﹑水箱﹑備用電加熱器﹑蒸發器﹑冷凝器﹑汽輪機以及各種類型的泵和配套的管路系統，一次投入成本較高，需要120萬元左右。這在LNG市場初步發展階段建立LNG衛星站時是需要謹慎考慮的。然而它帶來的經濟效益和節能環保效果是相當可觀的。

由以上計算可知，以平均日照時間8.5 h計算，該系統在正常情況下日平均可以得到超過800 k W·h的電能，一年之中考慮1個月的惡劣天氣所帶來的影響，則年均可以生產超過27×104k W·h的電能，折算成當前的電價年均可帶來超過30萬元的經濟效益。該系統還節約了氣化LNG所需的燃料。若以原煤﹑焦炭或者天然氣為燃料，經計算該系統年均可以節約6～8萬元的燃料費。因此，約3年即可回收投資，經濟效益顯著。

另外，該系統年均還可以減少因燃燒煤炭而帶來的400～1 000 kg的SO2排放量，可以減少因燃燒煤炭或天然氣而帶來的56～146 t的CO2排放量。無論從節能還是環保角度來說都是難能可貴的［8］。

5 結論

LNG蘊藏大量可用冷能。本設計以太陽能為高溫熱源，LNG為低溫熱源構建了熱力循環，回收LNG冷能的同時也充分利用了人類取之不盡用之不竭的太陽能，可謂實現了節能、環保、增效的“三贏”。

1）利用LNG衛星站現有客觀條件具備建立上述熱力循環的可行性。

2）系統日均發電量超過800 k W·h，能量利用效率可觀，超過了30%，符合工程實際。

3）系統回收投資時間短，經濟效益顯著。

4）利用可能被浪費掉的LNG冷能和免費使用的太陽能，不僅省去了運行費用，還對節能環保做出了貢獻，倡導了節能環保型社會的發展。

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［5］程文龍，陳則韶，胡芃.電站中液化天然氣可用冷能的回收利用［J］.工程熱物理學報，2001，22（2）：148－150.

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Cold energy power generation system at LNG satellite stations with solar energy as a high temperature heat source

Sun Xianhang，Chen Baodong，Wang Lei，Song Shixiang，Ma Yue，Zhang Guojun
（School of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun，Liaoning 113001，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 10，pp.103－106，10／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

It is a hot topic at present about how to take good advantage of the LNG cold energy.In view of this，a study was carried out of the method for exploring the use of LNG cold energy at LNG satellite stations as well as the involved technical process.Therefore，in the case study of the Zibo LNG satellite station in Shandong province，where the daily gas supply volume reaches 12×104m3，a power generation system with a thermodynamic cycle，in which the solar energy hot water is taken as a high－temperature heat source while the liquid medium from the LNG storage tank as a low－temperature source.Then，the technical parameters of this system are designed and its daily net generation and energy efficiency are also calculated.On this basis，the economy and environmental benefit of this system are analyzed.The following results are achieved in this case study.The energy utilization rate is over 30%，which agrees well with the actual engineering practices；the annual power generation reaches 27×104k W·h，which brings about economic benefit of about RMB 300 thousand Yuan each year.Besides，about RMB 60－80 thousand Yuan each year can be saved from the fuel consumption for LNG gasification；about 400－1000 kg of SO2and 60－80 tons of CO2emission from coal and natural gas combustion can be reduced each year.In this way，three goals of energy saving，environmental protection and profit enhancement can be achieved.

LNG satellite station，LNG cold energy utilization，solar energy，high－temperature heat source，low－temperature heat source，power generation system，Shandong，Zibo

孫憲航等.以太陽能為高溫熱源的LNG衛星站冷能發電系統.天然氣工業，2012，32（10）：103－106.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.025

孫憲航，1987年生，碩士研究生；主要研究方向為LNG衛星站優化設計。地址：（113001）遼寧省撫順市望花區遼寧石油化工大學。電話：15141311696。E－mail：sxh19871124＠163.com

（修改回稿日期 2012－08－14 編輯 居維清）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.025

Sun Xianhang，born in 1987，is studying for an M.Sc.Degree，with his research interest in optimal design of LNG satellite stations.

Add：Wanghua District，Fushun，Liaoning 113001，P.R.China

E－mail：sxh19871124＠163.com