LNG冷能發(fā)電技術(shù)分析對(duì)比

張 頡

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

LNG儲(chǔ)存溫度約為-162℃。LNG接收站需要通過氣化器將LNG氣化成常溫天然氣供給用戶使用。LNG在氣化過程中會(huì)釋放出大量的冷能。傳統(tǒng)的氣化方式是使用開架式氣化器和空溫式氣化器對(duì)其進(jìn)行加熱。不管使用哪種氣化方式都會(huì)使得大部分冷能被浪費(fèi)，若能將該部分冷能進(jìn)行有效回收利用，能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益［1］。LNG冷能主要分為直接利用和間接利用。直接利用包括輕烴分離、冷能發(fā)電、空氣分離、海水淡化，低溫冷庫(kù)等方面，間接利用主要是利用LNG冷能液化氮?dú)饣蜓鯕庠龠M(jìn)行低溫粉碎等工藝。

目前，LNG冷能發(fā)電技術(shù)發(fā)展較為成熟。一些公司已經(jīng)成功開展了LNG冷能發(fā)電項(xiàng)目。某些發(fā)達(dá)國(guó)家的大型LNG接收站都配套有冷能發(fā)電系統(tǒng)，其主要形式是利用LNG的低溫能將工質(zhì)冷凝，隨后將其加壓氣化為高溫高壓氣體后在氣輪機(jī)中做功發(fā)電。發(fā)電方法主要包括：天然氣直接膨脹法、低溫朗肯循環(huán)法、低溫布雷頓循環(huán)法、多級(jí)聯(lián)合循環(huán)法等。由于LNG在氣化過程中溫度范圍跨度很大，合理構(gòu)建冷能發(fā)電系統(tǒng)對(duì)提升冷能利用率具有重要作用。本文將使用Aspen hysys軟件對(duì)目前主流的各發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行模擬，以確定最佳冷能回收利用方案。

1 目前主要的低溫發(fā)電系統(tǒng)

1.1 改善現(xiàn)有動(dòng)力循環(huán)

這種方式主要是利用LNG的冷量來(lái)冷卻燃?xì)廨啓C(jī)的入口氣體溫度，并通過不同的冷卻工質(zhì)來(lái)降低燃?xì)廨啓C(jī)的出口氣體溫度，以達(dá)到增加燃?xì)廨啓C(jī)工作效率的目的。有研究表明，將燃?xì)廨啓C(jī)入口溫度由30℃降到5℃時(shí)，其運(yùn)行效率可以提高約5%。但是由于燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行條件，當(dāng)?shù)貧庀髼l件都會(huì)對(duì)冷能回收效率造成一定的影響，所以在很大一部分區(qū)域內(nèi)無(wú)法使用冷卻燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)出口溫度的方式來(lái)回收LNG冷能。

1.2 天然氣直接膨脹法

天然氣直接膨脹法目的是將LNG氣化為高壓常溫天然氣后，利用LNG的壓力火用在氣輪機(jī)中透平做功來(lái)產(chǎn)生能量。這種方法流程簡(jiǎn)單易操作，且所需成本低廉，適合小型LNG接收站和低壓天然氣的冷能回收，但由于沒有充分利用LNG的低溫冷能，所以冷能利用率較低。

1.3 低溫朗肯循環(huán)法

低溫朗肯循環(huán)法［2］是將低溫的LNG作為冷源，通過換熱器將朗肯循環(huán)中的有機(jī)工質(zhì)重新冷凝，利用LNG與熱源之間的溫度差使有機(jī)工質(zhì)完成蒸汽動(dòng)力循環(huán)，從而對(duì)外做功。朗肯循環(huán)中的有機(jī)工質(zhì)在通過加壓和吸收海水熱量后，進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，隨后又被LNG重新液化完成一個(gè)完整循環(huán)。這種方法一般與直接膨脹法相結(jié)合，能有效的回收利用LNG冷能，提升能量利用效率。而且，該方法不需要很高的熱源溫度條件，熱源可以選擇海水或者其他的工業(yè)余熱，系統(tǒng)流程簡(jiǎn)單，靈活性好，故成為了大多數(shù)冷能利用裝置的使用流程。但是由于無(wú)法利用高于冷凝溫度的LNG冷能，會(huì)導(dǎo)致還有一部分冷量尚未得到完全回收，使得LNG冷能利用效率偏低。

1.4 布雷頓循環(huán)法

布雷頓循環(huán)法［3］在工藝流程上與低溫朗肯循環(huán)法沒有太大區(qū)別，低溫布雷頓循環(huán)法主要是將循環(huán)工質(zhì)變更為N2、CO2等氣體。在循環(huán)中，使用LNG冷能冷卻壓縮機(jī)入口氣體溫度，使相同壓比下壓縮機(jī)所需能量減小，從而提升了凈發(fā)電效率。同時(shí)由于循環(huán)工質(zhì)在運(yùn)行過程中不存在相變過程，其放熱曲線不斷下降，使得LNG與工質(zhì)在換熱器內(nèi)得到了較好的溫度匹配，有效的提升了換熱效率，從而增加了冷能回收利用率。但是由于布雷頓循環(huán)法需要極高溫度的熱源以加熱循環(huán)工質(zhì)，這使得熱源與冷源之間存在較大的換熱溫差，導(dǎo)致循環(huán)中熱損失增大，設(shè)備操作復(fù)雜，所以此方式應(yīng)用較少。

1.5 多級(jí)聯(lián)合循環(huán)法

由于LNG氣化過程中溫度范圍跨度較大，很難找到合適的工質(zhì)來(lái)充分利用LNG冷能。為提高能量利用效率，有學(xué)者提出建立多級(jí)循環(huán)來(lái)梯級(jí)利用LNG冷能。多級(jí)聯(lián)合循環(huán)法主要是將各低溫循環(huán)法進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)，以達(dá)到充分回收LNG冷能的目的。主要原理為：LNG與一級(jí)朗肯循環(huán)完成換熱后，二級(jí)朗肯循環(huán)將再次利用LNG剩下冷量與二級(jí)工質(zhì)換熱以完成低溫循環(huán)，這種方法能有效利用LNG各個(gè)層級(jí)的低溫冷能，以達(dá)到能量利用效率最大化，但由于系統(tǒng)復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中存在很多問題。

2 基于Aspen hysys軟件的系統(tǒng)模擬

2.1 各發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)算模型

為分析發(fā)電系統(tǒng)的冷能利用效率，本文采用Aspen hysys軟件構(gòu)建發(fā)電系統(tǒng)流程，并對(duì)各發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行流程模擬和對(duì)比。

本文將對(duì)模擬過程進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)系統(tǒng)做出以下假設(shè)：

1）系統(tǒng)處于穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)；2）忽略所有換熱器和管道中的壓降和熱損失；3）液化天然氣組分為純甲烷；4）LNG入口溫度為-162℃，壓力為0.1MPa；5）經(jīng)低溫泵加壓后的LNG壓力為3MPa；6）LNG出口供應(yīng)壓力為0.6MPa；7）海水換熱前后溫度分別為25℃和20℃；8）環(huán)境溫度為25℃，環(huán)境壓力為0.1MPa。

定義發(fā)電系統(tǒng)中LNG冷能回收效率［4］如下：

其中：

式中：η表示LNG冷能回收效率；W為系統(tǒng)所做功，kJ／s；Wnet表示系統(tǒng)產(chǎn)生凈功；E為物質(zhì)在某一狀態(tài)值，kJ／s，Elng表示 LNG損失；h為工質(zhì)在某一狀態(tài)的焓值，kJ／kg；hout和hin分別表示LNG在系統(tǒng)入口和出口的焓值，T為溫度，℃；T0表示環(huán)境溫度；s為工質(zhì)在某一狀態(tài)的熵值，kJ／kg·℃；sout和sin分別表示LNG在系統(tǒng)入口和出口的熵值。

2.2 發(fā)電系統(tǒng)的流程構(gòu)建

天然氣直接膨脹法流程構(gòu)建簡(jiǎn)單，將系統(tǒng)入口LNG經(jīng)低溫泵加壓后進(jìn)入氣化器內(nèi)與海水換熱氣化，高壓常溫天然氣在汽輪機(jī)內(nèi)做功，隨后與再此與海水換熱后直接輸出。

低溫朗肯循環(huán)法和布雷頓循環(huán)法的流程，LNG在氣化器中將與循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行換熱，循壞工質(zhì)在吸收LNG冷量后冷凝，隨后通過泵加壓和被熱源重新氣化后，在氣輪機(jī)中透平膨脹對(duì)外做功。氣化后的LNG將再次進(jìn)行直接膨脹過程以充分回收冷能。低溫朗肯循環(huán)法主要以丙烷為循環(huán)工質(zhì)，布雷頓循環(huán)法以氮?dú)鉃檠h(huán)工質(zhì)。

Aspen hysys內(nèi)構(gòu)建的多級(jí)聯(lián)合循環(huán)流程在低溫朗肯循環(huán)法的基礎(chǔ)上多增加了一級(jí)以丙烷為工質(zhì)的低溫朗肯循環(huán)，從而對(duì)LNG冷能進(jìn)行梯級(jí)利用。

2.3 模擬結(jié)果對(duì)比

以質(zhì)量流量為1kg／s的LNG為研究對(duì)象，模擬LNG在各冷能發(fā)電系統(tǒng)中的凈發(fā)電功率和冷能回收效率，模擬結(jié)果如表1所示。

結(jié)果表明：天然氣直接膨脹法冷能回收效率較低，只有17.2%，而使用低溫朗肯循環(huán)法和多級(jí)聯(lián)合循環(huán)法其發(fā)電功率分別提升了141.1kW和153.2kW，冷能回收利用率則分別提升了17.4%和18.9%。這說(shuō)明在天然氣直接膨脹法的基礎(chǔ)上結(jié)合蒸汽動(dòng)力循環(huán)［5］可以大大提升冷能回收利用率。同時(shí)，使用多級(jí)聯(lián)合循環(huán)，可以對(duì)LNG冷能進(jìn)行梯級(jí)利用，以達(dá)到能量利用效率最大化。

3 結(jié)論

LNG在氣化過程中將會(huì)釋放出大量的冷能，使用傳統(tǒng)的氣化方法將會(huì)使這部分冷能散失在海水或空氣中，造成極大的能量損失。本文介紹了一些利用LNG冷能發(fā)電以回收利用能量的系統(tǒng)，并對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行了建模與計(jì)算，以探究如何更好的回收LNG冷能，結(jié)果得到：

1）與傳統(tǒng)的LNG氣化過程相比，運(yùn)用LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)能有效回收利用大量冷能，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2）使用天然氣直接膨脹法結(jié)合蒸汽動(dòng)力循環(huán)可以大大提升冷能回收利用率。同時(shí)，使用多級(jí)聯(lián)合循環(huán)，可以對(duì)LNG冷能進(jìn)行梯級(jí)利用，達(dá)到能量利用效率最大化。

3）LNG冷能發(fā)電技術(shù)會(huì)朝著冷能梯級(jí)利用、復(fù)合循環(huán)發(fā)電等高效冷能回收方向發(fā)展。