耦合天然氣壓力能的新型三聯供系統構建及分析

王登亮，舒 雯，張書凱，汪澤奇，馮明杰

（1.東北大學 冶金學院，沈陽 110819；2.撫順市國際工程咨詢集團有限公司，遼寧 撫順 113001）

能源和環境問題是21世紀全球的兩大難題.隨著世界人口的不斷增長，人類對能源的需求量越來越大，這導致化石燃料逐漸枯竭，同時化石燃料的大量使用也會增加CO2的排放量.其中，傳統火力發電廠CO2排放量的占比超過了40%，而發電效率卻只有30%左右[1].與此相比，冷熱電聯供（combined cooling heating and power，CCHp）系統可實現能量的多級利用，一次能源利用率達到80%以上.這不僅提高了系統的經濟性和環保性，而且能夠同時滿足用戶的冷、熱、電需求.因此，冷熱電聯供系統具有很好的發展前景[2-4].

目前，已有很多學者對傳統的天然氣冷熱電聯供系統進行了研究.蔣潤花等[5]分析了天然氣冷熱電聯供系統在“以電定冷”和“以冷定電”的兩種運行方式下的性能.楊承等[6]提出了天然氣冷熱電聯供系統的熱經濟分析模型，討論了壓氣機壓比、透平進氣溫度等參數對系統性能的影響.張世翔等[7]通過比較分析天然氣冷熱電聯供系統和冷熱電分供系統的節煤量、大氣污染物排放性能和噪聲污染3個指標，驗證了天然氣冷熱電聯供系統的優勢.此外，還有學者提出了新型的耦合其他可再生能源的CCHp系統.Huang等[8]提出了將生物質作為燃料的冷熱電聯供系統，并分析了不同的生物質原料對系統性能的影響.任福康等[9]提出了耦合太陽能和地熱能的冷熱電聯供系統，采用遺傳算法對系統運行進行多目標優化求解.嚴毅等[10]提出了一種耦合壓縮空氣儲能的冷熱電聯供系統，使用不同運行策略對系統進行優化，得出系統的最佳運行方式.但到目前為止，關于耦合天然氣壓力能的冷熱電聯供系統的研究并不多.有學者發現，高壓天然氣蘊藏著巨大的壓力能和冷能.在常規的冷熱電三聯供系統中，高壓天然氣經高壓管道輸送到調壓站降壓后進入城市燃氣管網，在降壓過程中不僅會損失大量的壓力能，同時還需要使用外部熱源去加熱天然氣，導致大量冷能被白白浪費[11-13].為了充分利用高壓天然氣的壓力能和冷能，本文中提出了一種新型的冷熱電三聯供系統，利用透平膨脹機將天然氣的壓力能轉化為機械能，帶動發電機做功發電，利用供冷換熱器提取天然氣降壓后的冷能制取冷水，為用戶提供冷能，以期提高整個系統的能源利用率.

1 系統設計

1.1 物理模型

本文提出的新型CCHp系統如圖1所示（為了便于比較，圖1也示出了常規聯供系統）.新型聯供系統主要由天然氣壓力能利用設備、燃氣輪機、雙效LiBr吸收式制冷機組和煙氣熱水換熱器等熱工設備組成.與常規的CCHp系統相比，增加了天然氣壓力能利用設備（透平膨脹機和天然氣供冷換熱器）.在新型CCHp系統中，天然氣從狀態點NG輸入后，依次進入透平膨脹機和天然氣供冷換熱器，然后與空氣一起進入燃燒室燃燒.而在常規冷熱電聯供系統中，經等熵膨脹的天然氣從狀態點2輸入，直接與空氣一起進入燃燒室燃燒.透平膨脹機和燃氣輪機為用戶提供電負荷，天然氣供冷換熱器和雙效LiBr吸收式制冷機組為用戶提供冷負荷，煙氣熱水換熱器為用戶提供熱負荷.雙效LiBr吸收式制冷機組在文獻[14]的基礎上進行了改進.

圖1 新型和常規CCHp系統流程對比圖Fig.1 Comparison of novel and conventional CCHp system processes

在新型CCHp系統中，從天然氣管網輸入的高壓天然氣先進入透平膨脹機（TE），經膨脹做功發電后，降壓的天然氣進入供冷換熱器（HEATX）制取冷水，再與經空氣壓縮機（AC）壓縮的空氣一起送入燃燒室（CC），在燃燒室內燃燒生成高溫高壓煙氣后，送入燃氣輪機（GT）膨脹做功發電.做功后的乏氣經分流器（SpLIT）分為兩部分：一部分進入供暖換熱器（HEATX5），為用戶生產熱水，提供熱負荷；另一部分進入雙效LiBr吸收式制冷機組，加熱LiBr稀溶液.稀溶液中的部分溶劑在高壓發生器（HpG）中汽化產生高溫冷劑蒸汽，從而導致溶液濃縮.濃縮后的高溫LiBr溶液經高溫換熱器（HEATX2）降溫后，進入低壓發生器（LpG），并在低壓發生器中被來自高壓發生器中的高溫冷劑蒸汽加熱.此時，溶液中的部分溶劑繼續汽化產生低溫冷劑蒸汽，溶液也因此繼續被濃縮，而后經過低溫熱交換器（HEATX3）降溫，再進入吸收器（ABSORBER）.另外，高壓發生器產生的冷劑蒸汽經低壓發生器降溫后進入冷凝器（CONDEN），而低壓發生器產生的冷劑蒸汽直接進入冷凝器，兩股冷劑蒸汽在冷凝器中冷凝成低溫制冷劑.低溫制冷劑經節流閥（VALVE）降壓后，進入蒸發器（EVApOR）中低壓蒸發.由于吸收器中的LiBr濃溶液吸收了蒸發器中產生的蒸汽被稀釋為低溫稀溶液，經溶液泵（pUMp）加壓后，繼續進入發生器完成循環.

1.2 運行參數

系統使用的天然氣成分（摩爾分數）為CH4（87.08%），C2H6（7.83%），C3H8（2.94%），N2（1.47%），CO2（0.68%），低位熱值為48.686 MJ／kg.設計工況下系統的主要運行參數如表1所列.

表1 系統主要運行參數Table 1 Main operating parameters of the system

采用Aspen plus11.0平臺進行模擬，并提出以下假設：系統運行處于穩定狀態；燃料完全燃燒；發生器和冷凝器的工作壓力相同；不考慮LiBr吸收式制冷機各部件的壓降和熱量損失；將吸收器內的LiBr稀溶液和發生器內的LiBr濃溶液都視為飽和溶液；將吸收器內溶液的吸收和冷卻分開模擬[14].

為了應對復雜的模擬環境，Aspen plus11.0提供了多種物性計算方法以供選擇.對于發電子系統中的天然氣和燃燒產物，物性計算方法一般使用pENG-ROB和pR-BM.pENG-ROB使用標準的peng-Robinson立方型狀態方程計算液體摩爾體積之外的所有熱力學性質，適用于高溫、高壓非極性或弱極性混合物的計算；pR-BM使用Boston-Mathias溫度函數，可應用于所有溫度、壓力范圍內的非極性或弱極性混合物計算.在本文的計算中，采用pR-BM的物性計算方法[11].對于LiBr吸收式制冷子系統，由于LiBr溶液中含有帶電粒子，因此采用通用的電解質溶液物性方法ELECNRTL進行計算.系統中使用的單元模塊如表2所列.

表2 系統中使用的單元模塊Table 2 Unit modules used in the system

2 系統性能評價指標

2.1 基于天然氣發熱量的系統能源利用效率

系統能源利用效率用式（1）來計算：

式中：ηf為系統一次能源利用效率，%；WE為系統發電量，kW；QC為系統制冷量，kW；QH為系統制熱量，kW；Mf為系統一次能源（天然氣）輸入量，kg；LHV為燃料（天然氣）的低位發熱量，MJ／kg.

雙效LiBr吸收式制冷系數為

式中：COp為雙效LiBr吸收式機組的制冷系數；QC，LiBr為雙效 LiBr吸收式機組的制冷量，kW；Qfg為進入機組煙氣所攜帶的熱量，kW.

2.2 系統效率

式中：Trw，out為冷媒水出口溫度，K；Th，out為熱水出口溫度，K；Eng為輸入天然氣的值，kW；T0為環境溫度，取293K.

式中：Exch為輸入燃料的化學，kW；Exph是輸入燃料的物理，kW；a，b分別為輸入燃料 CaHb的下標；hin，hout分別為物流進出口比焓，kJ／kg；sin，sout分別為物流進出口的比熵，kJ／（kg·K）.

式中：cp為天然氣的比定壓熱容，取值為2.223 kJ／（kg·K）.

式中：R為 CH4的摩爾氣體常數，取0.518 kJ／（kg·K），p1為天然氣輸入壓力，Mpa；p2為天然氣降壓后的壓力，Mpa.

表3 系統主要部件的損和效率計算數學模型Table 3 Mathematical model of exergy loss and exergy efficiency

表3 系統主要部件的損和效率計算數學模型Table 3 Mathematical model of exergy loss and exergy efficiency

設備名稱images/BZ_79_991_2046_1025_2080.png損images/BZ_79_1768_2046_1802_2080.png效 率空氣壓縮機 ExD，AC＝ExAIR-Ex3+WAC λAC＝ExAIR-Ex3 WAC透平膨脹機 ExD，TE ＝Exp，NG-Ex1-WTE λTE＝ WTE ExNG-Ex1供冷換熱器 ExD，HEATX ＝ ∑Exout HEATX Exin-∑HEATX λHEATX＝Ex31-Ex30 Ex1-Ex2燃燒室 ExD，CC ＝Ex2+Ex3-Ex5+Exch，NG λCC＝ Ex5 Ex2+Ex3+Exch，NG燃氣輪機 ExD，GT＝Ex5-Ex6-WGT λGT＝ WGT Ex5-Ex6供暖換熱器 ExD，HEATX5＝ ∑HEATX5 Exin-∑HEATX5 Exout λHEATX5＝Ex33-Ex32 Ex7-Ex8吸收式制冷機組 ExD，LiBr＝ ∑LiBrExin-∑LiBrExout λLiBr＝Ex38-Ex37 Ex9-Ex10

3 結果討論

3.1 高壓天然氣熱力分析

當環境溫度為25℃、環境壓力為0.1 Mpa時，單位質量的天然氣在不同壓力下所具有的壓力如圖2所示.當天然氣的輸氣壓力為10 Mpa時，不同出口壓力下單位質量的天然氣通過透平膨脹機所產生的機械功和冷如圖3所示.從圖3中可以看出，透平膨脹機出口壓力越小，獲得的機械功和冷越多，且相同條件下獲得的機械功大于冷.在本系統內，天然氣輸氣壓力為5 Mpa，單位質量天然氣所具有的壓力為 185.85 kJ／kg，經透平膨脹機等熵膨脹至1.5 Mpa后，獲得的機械功和冷分別為 94.61，30.85 kJ／kg.

圖2 單位質量天然氣在不同壓力下的壓力Fig.2 pressure exergy of 1 kg natural gas under different pressures

圖3 單位質量天然氣可產生的機械功和冷Fig.3 Mechanical work and cold exergy generated by 1 kg of natural gas

當單位質量的管道天然氣經過透平膨脹機時，發電量與進、出口壓力的關系如圖4所示.從圖中可以看出，當出口壓力一定時，透平膨脹機的發電量隨著進出口壓差的增大而增大，尤其是在高入口壓力下，這種變化更加明顯.

圖4 透平膨脹機發電量與進、出口壓力之間的關系Fig.4 Relationship between power output of turbo expander and inlet and outlet pressure

當單位質量的管道天然氣經過透平膨脹機時，發電量與進口壓力、進氣溫度的關系如圖5所示.從圖中可以看出，在其余參數一致時，進口溫度越高，單位質量的天然氣通過透平膨脹機時可產生的電就越多.主要原因是進口溫度的升高使得天然氣的溫度也增大，天然氣的做功能力也隨之增大.

圖5 透平膨脹機進口壓力和進口溫度與發電量之間的關系Fig.5 Relationship between intlet pressure of turbo expander and inlet temperature and power generation

3.2 系統模擬結果及分析

表4 系統各主要部件的值Table 4 Exergy values of major components of the system

表4 系統各主要部件的值Table 4 Exergy values of major components of the system

部件 輸入images/BZ_81_655_1160_689_1194.png輸出images/BZ_81_814_1160_849_1194.pngimages/BZ_81_918_1160_952_1194.png損images/BZ_81_1059_1160_1093_1194.png效率kW %空氣壓縮機 14 745.9 13 803 942.9 93.6透平膨脹機 425.651 411.5 14.15 85.6供冷換熱器 336.7 302.7 34 24燃燒室 55 755.11 42 227.3 13 527.81 75.7燃氣輪機 42 227.3 40 359.7 1 867.6 93.7煙氣熱水換熱器 6 313.47 1 711.98 4 601.49 20.4吸收式制冷機 6 513.16 1 464.4 5 048.75 24.64

圖6 系統中主要設備的損占系統總損的比例Fig.6 Ratio of exergy loss of main equipment to the total exergy loss of the system

圖7 系統中主要設備的效率Fig.7 Exergy efficiency of main equipment in the system

圖8 兩種系統的性能對比Fig.8 performance comparison of two systems

表5列出了設計工況下的系統輸入量、輸出量和性能指標.從表中可以看出，在設計工況下，系統的總發電量為13 271.8 kW，總制熱量為10 884.4 kW，總制冷量為13 940.58 kW.由于采用了雙效LiBr吸收式制冷機組，制冷系數可以達到1.27；天然氣發熱量的系統一次能源利用效率可以達到93%，系統的效率可以達到36.1%.而常規CCHp系統的一次能源利用效率為88.3%，效率為33.5%.由此可見，新型系統的性能明顯優于常規系統.

表5 設計工況下系統的輸入量、輸出量和性能指標Table 5 Input，output and performance index of the system under design condition

4 結 論

（1）本研究提出了一種耦合天然氣壓力能的新型CCHp系統模型，不僅能利用天然氣的壓力能發電，而且能利用天然氣膨脹后的冷能制取冷水.與常規CCHp系統相比，可進一步實現能量的梯級利用，提高了系統的整體能源利用率.

（2）管道輸送的高壓天然氣蘊藏著巨大的壓力能.當單位質量天然氣為5 Mpa時，所具有的壓力為185.85 kJ／kg；經透平膨脹機等熵膨脹至1.5 Mpa時，可獲得機械功和冷分別為94.61，30.85 kJ／kg.

（4）與常規CCHp系統相比，新型CCHp系統僅增加了透平膨脹機和供冷換熱器，但天然氣熱值的一次能源利用效率可提高4.7%，效率可提高2.6%.