LNG冷能發(fā)電與供冷復(fù)合利用方案設(shè)計(jì)

【摘要】章分析LNG冷能利用原理并進(jìn)行冷能“火用”分析，對(duì)LNG冷能回收的兩種方案進(jìn)行了“火用”效率分析，得出供冷與發(fā)電復(fù)合方案不僅有效回收能LNG冷能、利用了能源，而且減少了大量電能消耗，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

【關(guān)鍵詞】液化天然氣；冷能利用；火用分析；經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

LNG即液化天然氣（liquefied natural gas），它是將天然氣經(jīng)過(guò)低溫冷卻到-162℃而得到的液體，由于在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下液態(tài)天然的體積只有氣態(tài)時(shí)候的600分之一，體積能量為汽油的72%，很有利于運(yùn)輸和存儲(chǔ)，而且熱值高，污染少，因而成為世界上用量增長(zhǎng)最快的一種燃料。單位質(zhì)量天然氣液化的動(dòng)力及公用設(shè)施耗電約為850kW·h，而在LNG接收站一般又需將LNG通過(guò)氣化器氣化后使之滿足用戶要求（一般為5℃），氣化時(shí)放出很大的冷量，當(dāng)在一個(gè)大氣壓力下氣化其值為約830kJ/kg。通常在天然氣氣化器中該冷能隨海水和空氣被舍棄了，不僅造成了能源的浪費(fèi)，而且會(huì)造成周圍環(huán)境的冷污染。若能LNG擁有的冷量能以100%的效率轉(zhuǎn)化為電力，每噸LNG可利用的冷能折合電量約為240kW·h，可以達(dá)到節(jié)省能源、提高經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益的目的。

冷能利用主要是依靠LNG與周圍環(huán)境（如空氣、海水）之間存在的溫度和壓力差，將高壓低溫的LNG變?yōu)槌撼氐奶烊粴鈺r(shí)，回收儲(chǔ)存在LNG中的能量，LNG從初態(tài)（T，p） 經(jīng)一系列的可逆過(guò)程，最終

達(dá)到與環(huán)境的平衡態(tài)（） 時(shí)，由系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程可得LNG完成的最大有用功，即系統(tǒng)工質(zhì)的“火用”（ex） 為：

其中分別問(wèn)環(huán)境狀態(tài)對(duì)應(yīng)的溫度、熵和焓。

LNG雖然因不同產(chǎn)地成分有所不同，但是主要成分都是是甲烷，并且甲烷的含量基本都在92%以上，所以考慮LNG的熱力性質(zhì)時(shí)候，各產(chǎn)地LNG的熱力性質(zhì)差異是不大的，基本可以忽略，取環(huán)境溫度20℃為參考點(diǎn)，不同壓力下的LNG冷能隨溫度的釋放規(guī)律如圖一，隨著LNG壓力的升高，LNG釋放的冷能越小，當(dāng)LNG在0.1MPa時(shí)，釋放的冷能最多為864.85kJ/kg，8MPa時(shí)LNG釋放的冷能為0.1MPa時(shí)的86.4%，壓力對(duì) LNG冷能的釋放影響并不大。當(dāng)壓力大于某一壓力時(shí)，氣化基本為一條斜線，不存在明顯的氣化潛熱，此壓力為臨界壓力，對(duì)應(yīng)的溫度為臨界溫度，典型的臨界壓力為6.602MPa，臨界溫度為-57.54℃。

LNG冷能利用方式

按利用LNG冷能的過(guò)程可分為直接利用和間接利用兩類。直接利用包括：發(fā)電、低溫空分、冷凍倉(cāng)庫(kù)、制造液化CO2、海水淡化、空調(diào)和低溫養(yǎng)殖、栽培等；間接利用包括：用空分后的液氮、液氧、液氬來(lái)低溫破碎，冷凍干燥、低溫干燥、水和污染物處理及冷凍食品等。由于冷能品質(zhì)的不同，低溫冷品質(zhì)高，高溫冷能品質(zhì)低，在LNG冷能利用過(guò)程中，盡量要做到“溫度對(duì)口，梯級(jí)利用”的原則。所以一般LNG冷能利用一般在低溫階段為空氣分離、深冷破碎、干冰制造、低溫發(fā)電；在溫度較高的階段一把為液化二氧化碳、制冰、低溫冷庫(kù)；

但是由于受到市場(chǎng)、地理環(huán)境、產(chǎn)業(yè)鏈的限制，冷能利用很難真正做到“溫度對(duì)口，梯級(jí)利用”的集成化應(yīng)用，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)的冷能利用多比較單一，多為冷庫(kù)和空氣分離，LNG冷能綜合利用的項(xiàng)目比較少，LNG冷能的單一利用導(dǎo)致溫度很難匹配，冷能“火用”損失比較大；在LNG冷能利用中，冷能發(fā)電因?yàn)楫a(chǎn)業(yè)鏈短，電能容易輸送而成為L(zhǎng)NG冷能利用的主流，在日本LNG冷能利用百分之五十以上為L(zhǎng)NG發(fā)電，而在我國(guó)的臺(tái)灣省，僅有的一座LNG接受站對(duì)LNG冷能的利用就是發(fā)電，若能將LNG冷能發(fā)電與冷庫(kù)想結(jié)合，不僅能使冷能“火用”利用效率高，而且還能提高LNG冷能的供應(yīng)量。

現(xiàn)以廣東某大型LNG冷能利用大型項(xiàng)目為例，在供冷量和“火用”利用效率上討論原設(shè)計(jì)方案與新復(fù)合發(fā)電方案的優(yōu)劣性，該項(xiàng)目擬向冷能需求用戶供給溫度為-35℃的冷媒60MW左右，LNG氣化冷源與用戶的距離大約為四公里，由于當(dāng)?shù)貙?duì)安全的需求，冷媒采用了30%的氯化鈣溶液，輸送氯化鈣溶液消耗的功率大約1200kw，換熱器采用中間介質(zhì)氣化器（IFV），中間介質(zhì)為L(zhǎng)PG，冷能換熱流程如圖1：

從LNG接收站出來(lái)的-155℃、10MPa的液化天然氣進(jìn)入IFV氣化器直接與30%的氯化鈣溶液換熱，最終天然氣達(dá)到5℃供給用戶，而氯化鈣溶液則達(dá)到-35攝氏度，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行“火用”和供冷量分析

供冷量根據(jù)能量守恒定律得如下方程

其中h1，h2分別是LNG在換熱器進(jìn)口、出口的的焓值

分別是氯化鈣溶液的質(zhì)量比熱容和質(zhì)量流量

t1，t2為氯化鈣溶液在花熱氣進(jìn)口和出口的溫度，單位為攝氏度

則（1）

對(duì)IFV換熱流程進(jìn)行“火用”分析

LNG的“火用”為：

其中為環(huán)境狀態(tài)下的焓和熵，這里為方便計(jì)，將環(huán)境溫度設(shè)為5℃

則

代入數(shù)據(jù)得：

氯化鈣溶液“火用”為

“火用”利用效率為

雖然從量的角度，能源守恒，冷量利用了百分之百（忽略散熱的情況）但從上面的數(shù)據(jù)可以看到“火用”效率是還是相當(dāng)?shù)牡偷模挥?2.5%，有用能沒(méi)有能得到充分的利用，這是可以預(yù)料的，優(yōu)化換熱端差大造成的不可逆損失大。

現(xiàn)改為復(fù)合發(fā)電供冷利用方案，系統(tǒng)圖如下：

系統(tǒng)描述如下流程描述如下（圖三），經(jīng)過(guò)透平膨脹做功的工質(zhì)（R170）經(jīng)過(guò)與LNG低溫?fù)Q熱后，從氣態(tài)B點(diǎn)變成液體C，再進(jìn)過(guò)循環(huán)泵加壓成液體D，液體D與從供冷站來(lái)的升溫的氯化鈣溶液換熱吸收氯化鈣溶液熱量而蒸發(fā)，形成微過(guò)熱氣體C，氯化鈣溶液得到初步的降溫從液體1變?yōu)橐后w2，微過(guò)熱氣體在透平膨脹輸出機(jī)械功，完成一個(gè)循環(huán)，輸出的機(jī)械功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電供冷媒介質(zhì)輸送用。經(jīng)過(guò)冷凝器后LNG溫度升高，從狀態(tài)L1變?yōu)長(zhǎng)2，依然還有很多冷能，而經(jīng)過(guò)換熱后的氯化鈣溶液溫度依然不夠滿足供冷功能需要，所以在將LNG與氯化鈣溶液繼續(xù)換熱，最終氯化鈣溶液達(dá)到-35攝氏度，而LNG達(dá)到用戶用氣要求。

換熱流程如上圖。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行“火用”分析

中間低溫郎肯循環(huán)采用工質(zhì)為R170（乙烷），蒸發(fā)溫度為-10℃，蒸發(fā)壓力為1.859MPa，蒸發(fā)過(guò)熱度為5℃，冷凝壓力為0.12253MPa。

1、2、3、4、5點(diǎn)R170的熱力參數(shù)如下

忽略泵功即

循環(huán)吸熱量

循環(huán)做功量

假定透平效率為0.85，則輸出功率為

循環(huán)放熱量為

定義放熱系數(shù)

以單位LNG氣化為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算氯化鈣溶液流量

為低溫郎肯循環(huán)使氯化鈣溶產(chǎn)生的溫降

代入數(shù)據(jù)的 （2）

則對(duì)于單位質(zhì)量LNG，透平機(jī)做功量

各段換熱器溫升量如下；

可見(jiàn)各段換熱端差滿足要求

對(duì)比LNG的質(zhì)量流量，發(fā)現(xiàn)帶郎肯循環(huán)的質(zhì)量流量明顯增加，在氯化鈣溶液條件不變的情況下，說(shuō)明攜帶的冷量增加了增量為

占單位質(zhì)量的LNG氣化釋放的冷量的

由以上分析計(jì)算可以知道，由于郎肯循環(huán)的存在，供冷冷媒（氯化鈣溶液）的熱量不全部轉(zhuǎn)移到供冷冷源中，而是充分利用傳熱溫差將供冷冷媒作為低溫?zé)釞C(jī)熱源，不僅增加了供冷量，還能對(duì)外輸出有功。以1噸LNG氣化為例說(shuō)明，當(dāng)沒(méi)有低溫郎肯循環(huán)時(shí)，氯化鈣溶液的放熱量即LNG的氣化吸熱量781MJ，有郎肯循環(huán)時(shí)，氯化鈣溶液放熱量為839.8 MJ的熱量，其中58.8 MJ做工輸出，其余781MJ熱量轉(zhuǎn)移到LNG中作為氣化熱源，這相當(dāng)于有原來(lái)的781MJ的LNG吸熱量變?yōu)?29MJ的吸熱量，即LNG的汽化釋放冷量變829MJ/噸，增加供冷約為0.075。

改進(jìn)后氯化鈣溶液的“火用”變?yōu)?/p>

這個(gè)系統(tǒng)的“火用”效率為

改進(jìn)后火用效率明顯提高，但是效率仍然比較低，這是因?yàn)閾Q熱端差依然比較大，從表一可以看到，端差可以到40℃。要減少不可逆損失，可以增加郎肯循環(huán)級(jí)數(shù)。換熱流程示意圖如下

火用效率為

火用效率明顯提高，但是由于有兩級(jí)低溫有機(jī)工質(zhì)郎肯循環(huán)，系統(tǒng)復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)成本上升，運(yùn)行可靠性降低，因此要綜合考慮才能決定是否采用兩級(jí)。

經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算，設(shè)氣化站氣化量為每小時(shí)，按第一方案計(jì)算，則每小時(shí)透平熱機(jī)輸出功率率為

按深圳電價(jià)0.68元每度計(jì)算，每年運(yùn)行6000小時(shí)，則年增加收益2400萬(wàn)元，而從設(shè)計(jì)方案我們可以知道，該系統(tǒng)運(yùn)行所需的輸送電功率為1200KW左右，因此不僅能滿足系統(tǒng)運(yùn)行所需電功率，而且剩余4680KW可供外送，這樣更能體現(xiàn)出整個(gè)項(xiàng)目的環(huán)保性，由于LNG氣化負(fù)荷波動(dòng)比較大，在氣化低負(fù)荷期間，供冷不能用戶用冷要求，供冷安全性能降低，如果將剩余的電功率用于制冷，按cop為2計(jì)算，可以增加供冷量為9360KW，

此方案與原方案相比有如下特點(diǎn)：第一考慮了冷能等級(jí)的不同，按不同等級(jí)利用冷能，第二將冷能發(fā)電與低溫供冷兩個(gè)分離的過(guò)程有機(jī)結(jié)合，將供冷的回?zé)嶙鳛槔淠馨l(fā)電的熱源，實(shí)現(xiàn)了利用較冷的低溫發(fā)電卻沒(méi)有減少對(duì)供冷功率的減少，反而實(shí)現(xiàn)供冷功率的增加，實(shí)現(xiàn)能量的高效利用。第三低溫冷能發(fā)電應(yīng)該是來(lái)說(shuō)是成熟的技術(shù)，技術(shù)上可行，在日本和臺(tái)灣都已經(jīng)運(yùn)行很多年，臺(tái)灣在運(yùn)行的LNG冷能發(fā)電效率為12%，日本對(duì)冷能的利用比較充分，冷能發(fā)電利用率為20%以上，本方案由于供冷熱源的限制，只有6%的利用率；第四在正常運(yùn)行中，本方案基本不需要外面提供電能，完全可以靠自身維持，因此更體現(xiàn)出節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，第五，不再將供冷（高溫供冷）與發(fā)電分開(kāi)看著獨(dú)立的用冷項(xiàng)目，冷能發(fā)電并不減少對(duì)供冷的需求，為L(zhǎng)NG冷能對(duì)常溫供冷提供一種供冷方案，發(fā)電供冷媒介質(zhì)輸送用，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離輸送而不向外界（電網(wǎng)）饋電，如廣東某冷能項(xiàng)目介質(zhì)的輸送功率為2000kw，輸送距離4公里，但是本方案產(chǎn)生的電能達(dá)到6000kw，基本能達(dá)到10公里，冷能的覆蓋面積更廣泛。因此可以看出LNG冷能發(fā)電與供冷復(fù)合利用無(wú)論在經(jīng)濟(jì)上和環(huán)保效效益上優(yōu)越直接換熱方案。

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深能資源LNG冷能利用項(xiàng)目