基于Aspen Plus的LNG冷能利用及壓縮空氣儲能耦合系統研究

郝　磊，李海寧

(西安鐵路職業技術學院，陜西 西安 710014)

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基于Aspen Plus的LNG冷能利用及壓縮空氣儲能耦合系統研究

郝磊，李海寧

(西安鐵路職業技術學院，陜西 西安 710014)

將LNG利用工業余熱的發電系統與超臨界壓縮空氣儲能系統有機結合，從工程實際出發，根據熱力學原理，構建了基于Aspen Plus的LNG冷能發電及壓縮空氣儲能耦合系統模型，探討了系統壓力、溫度和渦輪壓比等關鍵參數對系統功率的影響，并從熱力學角度對數值結果進行了機理闡釋。結果表明，LNG低溫火用得到了充分回收利用，實現了LNG冷能“溫度對口、梯級利用”；隨著系統運行壓力增大、膨脹級數增加及回熱溫度提高，凈功率呈現了拐點現象。

LNG冷能利用；壓縮空氣儲能；耦合系統模型

在全球變暖及能源緊張的今天，液化天然氣由于具有便于距離運輸、儲運成本低、熱值高和清潔無污染等特點，越來越受到全球各國能源部門的重視。國家發改委在“十二五”規劃中強調，我國應大力開發天然氣產業，完善LNG能源產業鏈的規劃布局，并對天然氣的管理利用做出重要導向[1-2]。

LNG為-162 ℃低溫液體混合物，本身蘊含巨大LNG冷能。LNG在接收站需汽化后才能使用，汽化時LNG冷量得到釋放(約為830 kJ/kg[3-5])，如若不加以利用，將造成LNG冷能的極大浪費。為此，國內外專家學者對LNG冷能利用提出了多種研究方案，如冷量發電、低溫空分、食品冷凍及低溫粉碎[6-8]，LNG冷能利用的再熱Rankine及Brayton循環系統優化經濟分析[9-11]，利用CO2Rankine的LNG冷能研究[12]；但是，上述幾種方案都不能充分利用LNG冷能，LNG直接膨脹發電存在效率低下問題，利用率只有24%；而利用中低溫余熱的郎肯循環系統又依賴于其他發電項目，不能做到獨立運行[13]。

基于大規模工程應用背景，本文建立的LNG冷能發電與壓縮空氣儲能耦合系統，能在儲能過程中實現LNG冷能的有效轉移，與預冷空氣液化溫區相匹配，省去傳統空分流程的冷卻塔；同時，能利用發電機組燃氣余熱回熱高壓天然氣，實現高壓天然氣膨脹發電，從而有效提高系統熱效率。鑒于集成LNG冷能利用超臨界壓縮空氣儲能系統的本身及超臨界、低溫區流體流動的復雜性，開展相關領域的研究探索具有重要的意義。

1　LNG冷能利用與儲能系統耦合模型

為了充分利用LNG低溫火用及提高系統循環熱效率，應用Aspen Plus建立耦合系統模型。該系統不依賴于其他工程項目建設，具有相對的獨立性。系統流程如圖1所示。

在儲能過程中，整個系統分2路。其中一路，高壓空氣經多級壓縮機壓縮后進入空氣換熱器被冷卻，壓縮熱被冷卻水吸收儲存在儲熱罐中，空氣冷卻后通過LNG冷能換熱器吸收LNG冷量再次冷卻后進入蓄冷器，最后經節流閥的節流效應及液化空氣儲罐的進一步預冷獲得液態空氣，儲存在液化空氣儲罐中；在釋能時，液態空氣經低溫泵加壓進入各級蓄冷器儲存冷量后，再通過空氣余熱回熱器加熱，然后依次經各級空氣換熱器加熱到一定溫度，在此過程中經過多級膨脹機回收能量，最后排放到大氣中。另外一路，儲罐中的LNG經低溫泵加壓后送入LNG冷能換熱器釋放冷量，復熱到常溫后首先被發電機組煙氣余熱加熱，然后依次進入各級LNG換熱器及透平膨脹機實現膨脹做功，最后進入發電機組燃氣發電；在釋能過程中，LNG冷能發電的T-S圖如圖2所示。

圖1　LNG冷能發電與壓縮空氣儲能系統流程圖

圖2　LNG冷能發電T-S圖

2　狀態參數設定

假定發電機組的功率為50 kW，根據煙氣余熱汽化的LNG經多級吸收做功后所得到的LNG質量流量，確定系統空氣質量流量，從而獲得整個循環系統參數。為了便于分析，系統在管道及各級換熱器中的壓力損失忽略不計，取低溫泵效率為0.7，壓縮機效率為0.75，渦輪效率為0.8。應保證各級換熱器的換熱溫差>20 ℃，煙氣換熱器煙氣側出口溫度>125 ℃，以防止煙氣凝結。在Aspen plus中選取PSRK方程，模擬關鍵參數(運行壓力、運行溫度及膨脹級數)對系統功率的影響。系統關鍵狀態參數見表1。

表1　系統初始參數

3　計算結果分析

3.1運行壓力對系統功率的影響

工質循環壓力是熱發電系統的重要參數，系統運行壓力對系統功率的影響如圖3所示。需要指出的是，此時系統功率是從系統渦輪膨脹做功的總和中扣除壓縮機功耗、低溫泵功耗而得。計算過程中不考慮軸承、齒輪箱及沿程阻力等引起的附加功耗。由圖3a可以看出，隨著工作壓力增大，系統功率先增加后趨于平緩，當壓力為9 MPa時，出現拐點隨之減小，曲線變化原因是隨系統壓力升高，單位工質焓降增大，壓力能轉化為動能，增加了渦輪膨脹功；當壓力>9 MPa時，系統功耗損失大于因壓力增加而獲得的膨脹功，因此呈下降趨勢。圖3b出現了類似規律。

圖3　壓力對系統功率的影響

3.2進口溫度對系統功率的影響

在不同運行壓力下，當膨脹級數分別為3和5時，系統功率隨系統溫度的變化規律如圖4所示。由圖4可以看出，隨著進口溫度增加，系統功率先增加后減少，在溫度為600 K時，功率最大。這是由于隨著溫度增加，單位工質焓降快速增加，工質熱能轉化為動能增加，其他設備功耗減少，凈功率增加；隨著溫度增加，系統設備功耗引起的功率損失大于因溫度增加產生的渦輪功，因此開始緩慢減少。

圖4　溫度對系統功率的影響

3.3膨脹級數對系統功率的影響

系統功率在不同膨脹級數下的變化規律如圖5和圖6所示。由圖5可知，隨著壓力增加，級數越多，系統功率先增加后減小。圖6更直觀表明，同等條件下，當級數為4時，凈功率最小。

圖5　　　　膨脹級數對系統功率　圖6　　　　膨脹級數對系統功率的　　　的影響(溫度為600 K)　　　影響(壓力為5 MPa)

4　結語

綜上所述，可以得出如下結論。

1)將LNG冷能引入壓縮空氣儲能系統，能夠實現LNG冷能的“溫度對口，梯級利用”，有利于空氣液化率提高，提高系統啟動時間。

2)系統工作壓力、溫度及膨脹級數對系統膨脹功具有重要影響。系統功率隨著壓力、進口溫度的升高呈現先增大而后減小的趨勢，當溫度為600 K時，系統功率達到最大值；系統功率隨著膨脹級數增加先增大后減小，當膨脹級數為4時凈功率達到最小值。從微觀上看，這是由于壓力能、熱能等在不同效率下功能轉換的疊加后綜合作用的結果；從宏觀上看，這是由于系統膨脹功及設備功耗綜合作用的結果。

[1] 中華人民共和國國家發展和改革委員會. 國家發展改革委關于印發天然氣發展“十二五”規劃的通知[EB/OL]. [2012-10-22]http://bgt.ndrc.gov.cn/zcfb/201211/t20121115_515431.html.

[2] 中華人民共和國國家發展和改革委員會. 中華人民共和國國家發展和改革委員會令(第15號)[EB/OL]. [2012-10-14]http://www.sdpc.gov.cn/zcfb/zcfbl/201210/t20121031_511891.html.

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責任編輯鄭練

The Coupling System Research on LNG Cold Energy Utilization and Compressed Air Energy Storage based on Aspen Plus

HAO Lei， LI Haining

(Xi’an Railway Vocation and Technical Institute, Xi’an 710014, China)

The LNG makes use of the system which combine industrial waste heat power generation system and the supercritical compressed air energy storage systems. From the practice, construct LNG cold energy generation and compressed air energy storage coupled model based on aspen plus, discusse the key parameters of the system like pressure, temperature, turbine pressure ratio and etc. Which affect the power system, and explain the mechanism of the numerical results from the point of view of thermodynamics. The results show that the LNG cryogenic exergy can be fully recycled, LNG cold energy achieve "temperature counterparts, cascade utilization". With the improvement of system operating pressure, swelling stages and regenerator temperature, the cold power presents the inflection phenomenon.

LNG cold energy, compressed air energy storage, coupled model

TK 123

A

郝磊(1986-)，女，助教，碩士，主要從事鐵道車輛等方面的研究。

2015-12-11