基于LNG 冷能發電的朗肯循環關鍵參數分析優化★

豆少剛，李金波，文曉龍，吳國其，謝騰騰，孫冬來，王鵬博，許鑫森

（1.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518；3.江蘇洋口港能源科技有限公司，江蘇 南通 226400）

0 引言

LNG 的儲存溫度約為-162 ℃，在氣化過程中，釋放出的能量約為850 kJ/kg，如果對該部分能量加以利用，不但能避免能量的損失，而且能產生較好的經濟效益[1]。LNG 冷能利用的技術和應用研究早在20世紀后半葉就已經開始，日本和韓國都是世界上LNG的進口大國，同時也是LNG 冷能利用技術最發達的國家[2]。近年來，我國已經研發并將LNG 冷能回收技術應用于很多領域[3]。

利用LNG 冷能發電方案具有結構簡單，不易受環境、市場和運輸等條件制約等優勢。王弢[4]建立了低溫朗肯循環，以R290、R1270、R134a 和R717 作為循環工質，比較了它們在此循環中的熱力學性能。部分學者[5-7]針對三級朗肯循環進行了相關研究。本文結合藍科高新《液化天然氣冷能利用系統中熱交換器研發》項目對低溫朗肯循環發電系統回收利用LNG冷能進行了研究，為實際工程項目提供了有益的參考方案。

1 模型建立與初始參數確定

1.1 兩級模型的建立與假設

圖1 為傳統兩級低溫朗肯循環系統流程圖，其采用串聯方式將一、二兩級朗肯循環連接，以海水為熱源，利用兩個溫度區間來回收LNG 冷能并將其用于發電。系統內主要有：冷源LNG 流股、低溫循環工質流股、高溫循環工質流股和熱源海水流股共四種流股。

圖1 傳統橫向兩級低溫朗肯循環系統流程圖

在傳統的兩級低溫朗肯循環系統中，LNG 原料由泵P-01 加壓后進入后續換熱設備被升溫氣化，而泵P-01 輸出的這部分壓力最終被消耗掉沒有得到回收利用，為了使該部分能量被合理有效地利用，在0-LNG 流股中增加了膨脹機K-01，并增加了相應的海水加熱器E-31，最終形成的系統工藝流程如圖2所示。

圖2 改進的橫向兩級低溫朗肯循環系統流程圖

為方便計算分析，節省人力物力，對模型做出如下假設[8]：

1）循環工質冷凝壓力取0.1 MPa；

2）系統中所有換熱器無壓降且不計熱損失；

3）膨脹機和增壓泵的效率分別取80%和75%；

4）熱源海水以純水代替，且冷卻前后溫差取5 ℃。

1.2 循環工質的確定

工質的篩選均須遵從以下幾個一般性原則[12-14]：

1）良好的熱力學性能；

2）適當的臨界溫度和標準沸點；

3）穩定的化學性能，不易分解，不易腐蝕；

4）穩定的安全性能，不易與設備材料發生反應；

5）較低的OPD（臭氧層破化潛力）值和GWP（全球氣候變暖潛力）值；

6）易獲取、易儲存、方便運輸。

表1 給出了常見工質在0.11 MPa 下的物性參數。

表1 常見工質在0.11 MPa 下的物性參數

研究表明[11]：當氣化壓力為0.1 MPa 時，LNG 在低溫區（-162～-100 ℃）所釋放的冷量占總釋放量的85%以上，因此系統中低溫循環應選擇飽和溫度接近100 ℃的工質，這有利于低溫區冷能量的充分利用。根據表1 可知，符合這一條件的只有飽和溫度為-102.36 ℃的R1150。考慮到冷凝器E-22 出口處的低溫天然氣還可用于其他冷能利用方案，因此將冷凝器E-22 的出口溫度設定為-45 ℃，根據表1，可供選擇的工質有R290、R143a 和R1270 三種工質，但是R143a 的GWP 值較高。再考慮到熱源海水的溫度為20 ℃，為了避免工質冷凝器E-22 的換熱溫差過大引起損失嚴重，綜上第二級循環工質選擇飽和溫度為-40.23 ℃的R290。

1.3 初始參數的確定

本文選取的LNG成分由體積分數分別為95%的甲烷、3%的乙烷和2%的丙烷組成，流量為175 000 kg/h[6]。同時，根據氣化壓力對LNG 冷量及冷釋放的影響規律，LNG 的初始氣化壓力為0.2 MPa。熱源采用海水，其初始溫度設定為20 ℃，工質冷凝壓力為0.1 MPa，模擬計算中的氣體狀態方程為Peng-Robinson 方程[9-11]。

2 優化前系統的模擬結果及關鍵參數分析

2.1 優化前系統的模擬結果

利用HYSYS 過程模擬軟件對改進后的系統進行了模擬分析，得到優化前系統內膨脹機的總輸出功、泵的總耗功及系統的凈輸出功如圖3 所示。

圖3 改進兩級循環的膨脹機的總輸出功、泵的總耗功及系統的凈輸出功

2.2 系統關鍵參數分析

研究表明[15]，圖4 和圖5 中狀態點C 和D 靠近飽和蒸汽線有助于循環系統實現最大凈輸出功，考慮到壓焓圖曲線的形狀與實際工況，最佳壓力條件如下：

圖4 低溫級工質R1150 壓焓圖

圖5 高溫級工質R290 壓焓圖

1）膨脹機入口壓力等于蒸發器壓力，應為最大飽和蒸汽焓壓（MSVEP，maximum saturated vapor enthalpy pressure）與熱源海水加熱循環工質可達到的最大飽和蒸氣壓中的較大者；

2）膨脹機出口壓力等于冷凝器入口壓力，應為大氣壓和冷卻介質LNG 冷卻工質可達到的最小飽和液壓中的較小者。

3 系統優化結果討論

3.1 低溫循環關鍵參數計算分析

由圖6 可知，工質泵的耗功（WPump_WF）與熱源泵的耗功（WPump_SW）均隨著工質氣化壓力的增大而增大，在此過程中工質泵的耗功（WPump_WF）占主導地位。由于膨脹機輸出功率（WTurbine）遠大于上述兩種泵的耗功量。在過程中系統的凈輸出功（WNet）在P=4.2 MPa 時達到最大值8 116.5 kW，且此時氣化器中工質與海水的溫差能夠滿足最小端差溫度為5 ℃的要求。

圖6 輸出功與耗功隨工質氣化壓力變化圖

3.2 高溫循環關鍵參數計算分析

在低溫級循環工質氣化壓力為4.2 MPa 時，對高溫級循環進行模擬分析。

由圖7 可知，高溫級循環的凈輸出功（WNet）在P=3.8 MPa 時達到最大值2 171.5 kW。應當注意：當工質的氣化壓力大于0.64 MPa 時，系統凈輸出功（WNet）的增加是無效的。因此高溫級循環的最大凈輸出功（WNet）應為工質氣化壓力P=0.64 MPa 時的1 246.5 kW。

圖7 輸出功與耗功隨工質氣化壓力變化圖

3.3 LNG 氣化壓力模擬分析

經過前述的模擬計算與分析得到低溫級工質的最大氣化壓力為4.2 MPa，高溫級為0.64 MPa，在此工況下模擬計算LNG 氣化壓力對循環系統中各設備做功與耗功的變化情況，得到系統凈輸出功最大時的LNG 氣化壓力。

如圖8 所示為循環系統所有膨脹機輸出功之和（WTurbine_total）與所有泵耗功之和（WPump_total）及系統凈輸出功（WNet）隨LNG 氣化壓力的變化趨勢。圖8 中，當LNG 的氣化壓力為1.2 MPa 時，凈輸出功（WNet）達到最大值17 831 kW，此值為優化前系統凈輸出功5 250.11 kW 的3 倍之多，達到了本文預期使系統凈輸出功盡可能大的目的。

圖8 系統凈輸出功和耗功隨LNG 氣化壓力變化曲線圖

4 結論

經過分析對比對LNG 冷能發電的兩級低溫朗肯循環系統做了改進。利用HYSYS 過程模擬軟件建立模型，以系統的凈輸出功為目標函數，根據蒸發器出口的壓力盡可能地接近膨脹機入口壓力；膨脹機出口壓力盡可能接近冷凝器的壓力；換熱器最小端差為5 ℃的要求三個原則對系統進行了逐級優化分析。

最終得到系統的關鍵參數為：低溫級循環工質的氣化壓力為4.2 MPa；高溫級循環工質氣化壓力為0.64 MPa；LNG 的氣化壓力為1.2 MPa。此時系統的凈輸出功最大。