利用液化天然氣冷能的朗肯循環(huán)與聯(lián)合法發(fā)電系統(tǒng)流程的工藝模擬與對比分析

陳煜，巨永林

（1上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620；2上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海200240）

引 言

LNG （liquefied natural gas，液化天然氣）是指常溫天然氣經(jīng)過脫酸、脫水處理后，再經(jīng)冷凍工藝液化而形成的一種無色、無味、無毒且透明的低溫液體，比水輕，而且不溶于水［1－2］。LNG冷能主要是指利用LNG與周圍環(huán)境 （如空氣、海水）的溫度差 （低溫 ）以及壓力差 （壓力 ），在趨于平衡的過程中能夠進(jìn)行回收的能量［3－4］。按照利用LNG冷能的過程不同，通常將冷能利用形式分為直接利用和間接利用兩類。其中直接利用包括冷能發(fā)電、空氣分離 （空分）、冷凍倉庫、制取液態(tài)CO2和干冰、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、液氬實(shí)現(xiàn)低溫破碎，冷凍干燥，低溫干燥，水和污染物處理及食品的冷凍與冷藏等［5－9］。目前，我國國內(nèi)LNG接收站配套建設(shè)的冷能利用裝置均為空分設(shè)備，對于冷能發(fā)電的實(shí)際應(yīng)用研究較少。但是空分設(shè)備要求LNG接收站附近應(yīng)有空分產(chǎn)品的市場，而冷能發(fā)電具有更廣的適用性［10－11］。從目前世界上的實(shí)際應(yīng)用情況來看，LNG冷能發(fā)電的技術(shù)較為成熟，也最有可能大規(guī)模利用。原因在于LNG冷能用于發(fā)電系統(tǒng)，其產(chǎn)業(yè)鏈很短，基本不受其他外界因素干擾；另一方面，利用LNG冷能發(fā)電可回收LNG大部分溫度段的冷能［12－13］。日本和我國臺灣都有成功運(yùn)用LNG冷能的冷能電站運(yùn)行，其中大阪瓦斯和東邦瓦斯在20世紀(jì)70年代末和80年代初就已經(jīng)在LNG接收站采用朗肯循環(huán)實(shí)現(xiàn)LNG冷能發(fā)電，大阪瓦斯、中部電力等公司在20世紀(jì)80年代初期實(shí)現(xiàn)了直接膨脹與朗肯循環(huán)相結(jié)合的聯(lián)合法系統(tǒng)在 LNG 接收站實(shí)現(xiàn)冷能發(fā)電［1，14－16］。目前，發(fā)電是日本冷能利用的主要途徑，采用的大多是低溫朗肯循環(huán)獨(dú)立發(fā)電裝置或低溫朗肯循環(huán)與直接膨脹相結(jié)合的聯(lián)合法發(fā)電，LNG復(fù)溫后的入網(wǎng)壓力通常在3MPa以下。但是，與日本的國情不同，我國燃?xì)夤芫W(wǎng)的壓力較高，這就大大限制了聯(lián)合法中LNG復(fù)溫后燃?xì)庵苯优蛎洸糠值呐蛎浌Α?/p>

針對保證天然氣管網(wǎng)外供5.7MPa的最低壓力要求以及膨脹機(jī)最大進(jìn)氣壓力不超過10MPa的設(shè)備安全運(yùn)行的壓力要求，本研究提出了一種采用丙烷的朗肯循環(huán)以及朗肯循環(huán)結(jié)合天然氣直接膨脹的聯(lián)合法發(fā)電工藝［17－21］，并用HYSYS軟件對兩種流程進(jìn)行了工藝模擬與對比分析。

1 以丙烷為工質(zhì)的低溫朗肯循環(huán)工藝流程

圖1 以丙烷為工質(zhì)的工藝流程Fig.1 Flow diagram of Rankine cycle with propane as working fluid

采用HYSYS構(gòu)建的以丙烷為循環(huán)工質(zhì)的朗肯循環(huán)發(fā)電工藝如圖1所示。圖中的低溫朗肯循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)化為膨脹機(jī)的膨脹功，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

由圖1所示，膨脹機(jī)做功后的低壓氣態(tài)丙烷在LNG－丙烷換熱器中吸收LNG的冷量實(shí)現(xiàn)冷凝。液態(tài)丙烷經(jīng)過工質(zhì)泵加壓后，利用海水汽化器使其氣化，進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹做功，并帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。壓力降低后的丙烷再次吸收LNG的冷量實(shí)現(xiàn)液化，從而完成以丙烷為工質(zhì)的低溫朗肯循環(huán)。

本模擬采用海水作為實(shí)現(xiàn)丙烷氣化的高溫?zé)嵩?。海水取自一定深度，因此其溫度不隨季節(jié)產(chǎn)生明顯的變化，冬夏均為7℃，換熱過程具有5℃的換熱溫差。天然氣進(jìn)入管網(wǎng)的壓力要求為5.7MPa，因此LNG升壓泵的出口壓力要求能夠滿足燃?xì)獾墓芫W(wǎng)壓力和換熱器的換熱阻力。模擬中泵的效率為80%，膨脹機(jī)的絕熱效率為85%。天然氣組分見表1。

表1 天然氣的組分Table 1 Composition of natural gas

假設(shè)LNG在儲罐內(nèi)為微正壓儲存，其蒸發(fā)量取為1000kg·h－1，溫度為－162℃，壓力為0.125MPa。根據(jù)上述條件，通過HYSYS對流程進(jìn)行模擬，得到的物料平衡見表2。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)LNG的蒸發(fā)量為1000 kg·h－1時，朗肯循環(huán)膨脹機(jī)可以產(chǎn)生16.77kW的功率，LNG泵功率為4.245kW，丙烷工質(zhì)泵功率為0.3028kW，海水泵的總功率為2.7213kW，由此得到本循環(huán)的凈發(fā)電功率可以達(dá)到9.5kW。

2 以丙烷為工質(zhì)的聯(lián)合法工藝流程

采用HYSYS構(gòu)建的以丙烷為循環(huán)工質(zhì)的聯(lián)合法循環(huán)發(fā)電工藝如圖2所示。圖中LNG換熱側(cè)，LNG泵的出口壓力提高到10.16MPa，為滿足燃?xì)夤芫W(wǎng)高低壓力的兩級要求采用二級膨脹，高壓管網(wǎng)壓力為7.98MPa，低壓管網(wǎng)壓力為5.7MPa。同時保證第一級直膨的膨脹機(jī)的燃?xì)馊肟趬毫Σ桓哂?0MPa。

由圖2所示，朗肯循環(huán)側(cè)膨脹機(jī)做功后的低壓氣態(tài)丙烷在LNG－丙烷換熱器中吸收LNG的冷量實(shí)現(xiàn)冷凝。液態(tài)丙烷經(jīng)過工質(zhì)泵加壓后，利用海水汽化器使其氣化，進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹做功，并帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。壓力降低后的丙烷再次吸收LNG的冷量液化，從而完成以丙烷為工質(zhì)的低溫朗肯循環(huán)。LNG側(cè)經(jīng)與丙烷換熱后，經(jīng)海水汽化器換熱升溫至5℃后進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹做功，至天然氣管網(wǎng)的高壓壓力7.98MPa，出膨脹機(jī)的低溫天然氣再經(jīng)海水換熱器換熱后再次進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹做功，出膨脹機(jī)的低溫天然氣壓力為5.7MPa，經(jīng)與海水換熱后進(jìn)入低壓天然氣管網(wǎng)。

表2 以丙烷為循環(huán)工質(zhì)的朗肯循環(huán)的物料平衡Table 2 Material and heat balance of Rankine cycle with propane as working fluid

圖2 以丙烷為工質(zhì)的聯(lián)合法工藝流程Fig.2 Flow diagram of combined method with propane as working fluid

表3 以丙烷為循環(huán)工質(zhì)的聯(lián)合循環(huán)的物料平衡Table 3 Material and heat balance of combined cycle with propane as working fluid

本模擬同樣采用海水作為實(shí)現(xiàn)丙烷氣化的高溫?zé)嵩?，冬夏均?℃，換熱過程具有5℃的換熱溫差。天然氣能夠分別以兩種壓力級別進(jìn)入管網(wǎng)，并保證不超過膨脹機(jī)的承壓極限，因此LNG升壓泵的出口壓力設(shè)定為10.16MPa。模擬中泵的效率為80%，膨脹機(jī)的絕熱效率為85%，實(shí)現(xiàn)LNG與丙烷換熱的換熱器的最小接觸溫差為3.6℃，對數(shù)平均溫差為25.72℃。

設(shè)LNG在儲罐內(nèi)為微正壓儲存，而且其蒸發(fā)量為1000kg·h－1，溫度為－162℃。根據(jù)上述條件，通過HYSYS對流程進(jìn)行模擬，得到的物料平衡見表3。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)LNG的蒸發(fā)量為1000 kg·h－1時，朗肯循環(huán)膨脹機(jī)可以產(chǎn)生14.6kW的功率，NG側(cè)兩級膨脹功為12.032kW，LNG泵功率為7.56kW，丙烷工質(zhì)泵功率為0.2699kW，海水泵的總功率為3.3742kW，由此得到本循環(huán)的凈發(fā)電功率可以達(dá)到15.4kW。

3 結(jié) 論

探討了采用丙烷的朗肯循環(huán)與帶有天然氣兩級膨脹的聯(lián)合法發(fā)電回收LNG冷能的方法。并通過工藝模擬獲得了兩種流程的工藝參數(shù)。通過對比獲知，在聯(lián)合法中通過利用出口壓力較高的LNG升壓泵，在NG側(cè)獲得兩種管網(wǎng)壓力來滿足不同用戶用氣需求的同時，還可以利用膨脹機(jī)輸出膨脹功。當(dāng)兩種循環(huán)具有相同的LNG儲存條件和蒸發(fā)量時，聯(lián)合法工藝的凈發(fā)電功率為15.4kW，而低溫朗肯循環(huán)的凈發(fā)電工藝為9.5kW。

從流程的復(fù)雜度來看，帶有兩級膨脹的聯(lián)合法發(fā)電流程需要另外添置兩臺膨脹機(jī)，如果以年蒸發(fā)量為150萬噸、年工作小時為8000h的LNG接收站作為分析的基礎(chǔ)，能夠確定LNG的小時蒸發(fā)量為187.5t。朗肯循環(huán)的凈發(fā)電功率為1781kW，聯(lián)合法凈發(fā)電功率為2887.5kW。以工業(yè)用電價格0.55元·（kW·h）－1計(jì)算，則聯(lián)合法的年發(fā)電收益將比朗肯循環(huán)法多487萬元，以此可以作為兩種循環(huán)流程經(jīng)濟(jì)性分析的基礎(chǔ)。

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