基于Aspen Plus的LNG冷能利用及壓縮空氣儲(chǔ)能耦合系統(tǒng)研究

郝　磊，李海寧

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710014)

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基于Aspen Plus的LNG冷能利用及壓縮空氣儲(chǔ)能耦合系統(tǒng)研究

郝磊，李海寧

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710014)

將LNG利用工業(yè)余熱的發(fā)電系統(tǒng)與超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，從工程實(shí)際出發(fā)，根據(jù)熱力學(xué)原理，構(gòu)建了基于Aspen Plus的LNG冷能發(fā)電及壓縮空氣儲(chǔ)能耦合系統(tǒng)模型，探討了系統(tǒng)壓力、溫度和渦輪壓比等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)功率的影響，并從熱力學(xué)角度對(duì)數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了機(jī)理闡釋。結(jié)果表明，LNG低溫火用得到了充分回收利用，實(shí)現(xiàn)了LNG冷能“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”；隨著系統(tǒng)運(yùn)行壓力增大、膨脹級(jí)數(shù)增加及回?zé)釡囟忍岣?，凈功率呈現(xiàn)了拐點(diǎn)現(xiàn)象。

LNG冷能利用；壓縮空氣儲(chǔ)能；耦合系統(tǒng)模型

在全球變暖及能源緊張的今天，液化天然氣由于具有便于距離運(yùn)輸、儲(chǔ)運(yùn)成本低、熱值高和清潔無(wú)污染等特點(diǎn)，越來(lái)越受到全球各國(guó)能源部門(mén)的重視。國(guó)家發(fā)改委在“十二五”規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)，我國(guó)應(yīng)大力開(kāi)發(fā)天然氣產(chǎn)業(yè)，完善LNG能源產(chǎn)業(yè)鏈的規(guī)劃布局，并對(duì)天然氣的管理利用做出重要導(dǎo)向[1-2]。

LNG為-162 ℃低溫液體混合物，本身蘊(yùn)含巨大LNG冷能。LNG在接收站需汽化后才能使用，汽化時(shí)LNG冷量得到釋放(約為830 kJ/kg[3-5])，如若不加以利用，將造成LNG冷能的極大浪費(fèi)。為此，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)LNG冷能利用提出了多種研究方案，如冷量發(fā)電、低溫空分、食品冷凍及低溫粉碎[6-8]，LNG冷能利用的再熱Rankine及Brayton循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)分析[9-11]，利用CO2Rankine的LNG冷能研究[12]；但是，上述幾種方案都不能充分利用LNG冷能，LNG直接膨脹發(fā)電存在效率低下問(wèn)題，利用率只有24%；而利用中低溫余熱的郎肯循環(huán)系統(tǒng)又依賴于其他發(fā)電項(xiàng)目，不能做到獨(dú)立運(yùn)行[13]。

基于大規(guī)模工程應(yīng)用背景，本文建立的LNG冷能發(fā)電與壓縮空氣儲(chǔ)能耦合系統(tǒng)，能在儲(chǔ)能過(guò)程中實(shí)現(xiàn)LNG冷能的有效轉(zhuǎn)移，與預(yù)冷空氣液化溫區(qū)相匹配，省去傳統(tǒng)空分流程的冷卻塔；同時(shí)，能利用發(fā)電機(jī)組燃?xì)庥酂峄責(zé)岣邏禾烊粴?，?shí)現(xiàn)高壓天然氣膨脹發(fā)電，從而有效提高系統(tǒng)熱效率。鑒于集成LNG冷能利用超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的本身及超臨界、低溫區(qū)流體流動(dòng)的復(fù)雜性，開(kāi)展相關(guān)領(lǐng)域的研究探索具有重要的意義。

1　LNG冷能利用與儲(chǔ)能系統(tǒng)耦合模型

為了充分利用LNG低溫火用及提高系統(tǒng)循環(huán)熱效率，應(yīng)用Aspen Plus建立耦合系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)不依賴于其他工程項(xiàng)目建設(shè)，具有相對(duì)的獨(dú)立性。系統(tǒng)流程如圖1所示。

在儲(chǔ)能過(guò)程中，整個(gè)系統(tǒng)分2路。其中一路，高壓空氣經(jīng)多級(jí)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入空氣換熱器被冷卻，壓縮熱被冷卻水吸收儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱罐中，空氣冷卻后通過(guò)LNG冷能換熱器吸收LNG冷量再次冷卻后進(jìn)入蓄冷器，最后經(jīng)節(jié)流閥的節(jié)流效應(yīng)及液化空氣儲(chǔ)罐的進(jìn)一步預(yù)冷獲得液態(tài)空氣，儲(chǔ)存在液化空氣儲(chǔ)罐中；在釋能時(shí)，液態(tài)空氣經(jīng)低溫泵加壓進(jìn)入各級(jí)蓄冷器儲(chǔ)存冷量后，再通過(guò)空氣余熱回?zé)崞骷訜?，然后依次?jīng)各級(jí)空氣換熱器加熱到一定溫度，在此過(guò)程中經(jīng)過(guò)多級(jí)膨脹機(jī)回收能量，最后排放到大氣中。另外一路，儲(chǔ)罐中的LNG經(jīng)低溫泵加壓后送入LNG冷能換熱器釋放冷量，復(fù)熱到常溫后首先被發(fā)電機(jī)組煙氣余熱加熱，然后依次進(jìn)入各級(jí)LNG換熱器及透平膨脹機(jī)實(shí)現(xiàn)膨脹做功，最后進(jìn)入發(fā)電機(jī)組燃?xì)獍l(fā)電；在釋能過(guò)程中，LNG冷能發(fā)電的T-S圖如圖2所示。

圖1　LNG冷能發(fā)電與壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)流程圖

圖2　LNG冷能發(fā)電T-S圖

2　狀態(tài)參數(shù)設(shè)定

假定發(fā)電機(jī)組的功率為50 kW，根據(jù)煙氣余熱汽化的LNG經(jīng)多級(jí)吸收做功后所得到的LNG質(zhì)量流量，確定系統(tǒng)空氣質(zhì)量流量，從而獲得整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)。為了便于分析，系統(tǒng)在管道及各級(jí)換熱器中的壓力損失忽略不計(jì)，取低溫泵效率為0.7，壓縮機(jī)效率為0.75，渦輪效率為0.8。應(yīng)保證各級(jí)換熱器的換熱溫差>20 ℃，煙氣換熱器煙氣側(cè)出口溫度>125 ℃，以防止煙氣凝結(jié)。在Aspen plus中選取PSRK方程，模擬關(guān)鍵參數(shù)(運(yùn)行壓力、運(yùn)行溫度及膨脹級(jí)數(shù))對(duì)系統(tǒng)功率的影響。系統(tǒng)關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　系統(tǒng)初始參數(shù)

3　計(jì)算結(jié)果分析

3.1運(yùn)行壓力對(duì)系統(tǒng)功率的影響

工質(zhì)循環(huán)壓力是熱發(fā)電系統(tǒng)的重要參數(shù)，系統(tǒng)運(yùn)行壓力對(duì)系統(tǒng)功率的影響如圖3所示。需要指出的是，此時(shí)系統(tǒng)功率是從系統(tǒng)渦輪膨脹做功的總和中扣除壓縮機(jī)功耗、低溫泵功耗而得。計(jì)算過(guò)程中不考慮軸承、齒輪箱及沿程阻力等引起的附加功耗。由圖3a可以看出，隨著工作壓力增大，系統(tǒng)功率先增加后趨于平緩，當(dāng)壓力為9 MPa時(shí)，出現(xiàn)拐點(diǎn)隨之減小，曲線變化原因是隨系統(tǒng)壓力升高，單位工質(zhì)焓降增大，壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，增加了渦輪膨脹功；當(dāng)壓力>9 MPa時(shí)，系統(tǒng)功耗損失大于因壓力增加而獲得的膨脹功，因此呈下降趨勢(shì)。圖3b出現(xiàn)了類(lèi)似規(guī)律。

圖3　壓力對(duì)系統(tǒng)功率的影響

3.2進(jìn)口溫度對(duì)系統(tǒng)功率的影響

在不同運(yùn)行壓力下，當(dāng)膨脹級(jí)數(shù)分別為3和5時(shí)，系統(tǒng)功率隨系統(tǒng)溫度的變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可以看出，隨著進(jìn)口溫度增加，系統(tǒng)功率先增加后減少，在溫度為600 K時(shí)，功率最大。這是由于隨著溫度增加，單位工質(zhì)焓降快速增加，工質(zhì)熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能增加，其他設(shè)備功耗減少，凈功率增加；隨著溫度增加，系統(tǒng)設(shè)備功耗引起的功率損失大于因溫度增加產(chǎn)生的渦輪功，因此開(kāi)始緩慢減少。

圖4　溫度對(duì)系統(tǒng)功率的影響

3.3膨脹級(jí)數(shù)對(duì)系統(tǒng)功率的影響

系統(tǒng)功率在不同膨脹級(jí)數(shù)下的變化規(guī)律如圖5和圖6所示。由圖5可知，隨著壓力增加，級(jí)數(shù)越多，系統(tǒng)功率先增加后減小。圖6更直觀表明，同等條件下，當(dāng)級(jí)數(shù)為4時(shí)，凈功率最小。

圖5　　　　膨脹級(jí)數(shù)對(duì)系統(tǒng)功率　圖6　　　　膨脹級(jí)數(shù)對(duì)系統(tǒng)功率的　　　的影響(溫度為600 K)　　　影響(壓力為5 MPa)

4　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可以得出如下結(jié)論。

1)將LNG冷能引入壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)LNG冷能的“溫度對(duì)口，梯級(jí)利用”，有利于空氣液化率提高，提高系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間。

2)系統(tǒng)工作壓力、溫度及膨脹級(jí)數(shù)對(duì)系統(tǒng)膨脹功具有重要影響。系統(tǒng)功率隨著壓力、進(jìn)口溫度的升高呈現(xiàn)先增大而后減小的趨勢(shì)，當(dāng)溫度為600 K時(shí)，系統(tǒng)功率達(dá)到最大值；系統(tǒng)功率隨著膨脹級(jí)數(shù)增加先增大后減小，當(dāng)膨脹級(jí)數(shù)為4時(shí)凈功率達(dá)到最小值。從微觀上看，這是由于壓力能、熱能等在不同效率下功能轉(zhuǎn)換的疊加后綜合作用的結(jié)果；從宏觀上看，這是由于系統(tǒng)膨脹功及設(shè)備功耗綜合作用的結(jié)果。

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì). 國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于印發(fā)天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃的通知[EB/OL]. [2012-10-22]http://bgt.ndrc.gov.cn/zcfb/201211/t20121115_515431.html.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì). 中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)令(第15號(hào))[EB/OL]. [2012-10-14]http://www.sdpc.gov.cn/zcfb/zcfbl/201210/t20121031_511891.html.

[3] 燕娜，厲彥忠.采用液化天然氣冷量的空分系統(tǒng)新流程[J].化學(xué)工程，2007,35(9):58-61.

[4] 劉隆，孟波，王啟. 圍堰對(duì)LNG儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散規(guī)律影響研究[J]. 新技術(shù)新工藝，2014(12):115-118.

[5] 龐博學(xué). 氮膨脹制冷天然氣液化工藝流程計(jì)算[J]. 新技術(shù)新工藝，2015(7):13-15.

[6] 朱剛，顧安忠.液化天然氣冷能的利用[J].能源工程，1999(3):1-2.

[7] 華賁，熊永強(qiáng).中國(guó)LNG冷能利用的進(jìn)展和展望[J].天然氣工業(yè)，2009,29(5)：107-111.

[8] 李靜，李志紅，華賁，等. 冷能利用的現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].天然氣工業(yè)，2005,25(5)：103-105.

[9] 曹文勝， 林文勝， 吳集迎. 液化天然氣(LNG)的冷量利用[J]. 制冷,2005,24(4):16-19.

[10] 林文勝，賀紅明，顧安忠. LNG冷能利用的再熱式低溫郎肯循環(huán)分析[C]//第八屆全國(guó)低溫工程大會(huì)暨中國(guó)航天低溫專(zhuān)業(yè)信息網(wǎng)2007年度學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集. 北京：中國(guó)制冷學(xué)會(huì)低溫第一專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，中國(guó)航天低溫專(zhuān)業(yè)信息網(wǎng)，2007.

[11] 夏侯國(guó)偉，白菲菲，張?jiān)缧?以中低溫余熱為熱源的LNG冷能利用流程改進(jìn)[J]. 天然氣工業(yè)，2008(5)：112-114.

[12] 王威，蔡睿賢，張娜.利用LNG冷火用的CO2Rankine循環(huán)方案探析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2003(8):191-195..

[13] 賀紅明，林文勝. 基于LNG冷能的發(fā)電技術(shù)[J]. 低溫與超導(dǎo)，2006,34(6)：432-437.

責(zé)任編輯鄭練

The Coupling System Research on LNG Cold Energy Utilization and Compressed Air Energy Storage based on Aspen Plus

HAO Lei， LI Haining

(Xi’an Railway Vocation and Technical Institute, Xi’an 710014, China)

The LNG makes use of the system which combine industrial waste heat power generation system and the supercritical compressed air energy storage systems. From the practice, construct LNG cold energy generation and compressed air energy storage coupled model based on aspen plus, discusse the key parameters of the system like pressure, temperature, turbine pressure ratio and etc. Which affect the power system, and explain the mechanism of the numerical results from the point of view of thermodynamics. The results show that the LNG cryogenic exergy can be fully recycled, LNG cold energy achieve "temperature counterparts, cascade utilization". With the improvement of system operating pressure, swelling stages and regenerator temperature, the cold power presents the inflection phenomenon.

LNG cold energy, compressed air energy storage, coupled model

TK 123

A

郝磊(1986-)，女，助教，碩士，主要從事鐵道車(chē)輛等方面的研究。

2015-12-11