LNG接收站冷能發(fā)電工藝參數(shù)優(yōu)化設計

黃 峰，周亞洲，李雅嫻

（浙江浙能溫州液化天然氣有限公司，浙江 溫州 325000）

LNG是在低溫常壓（-162.3 ℃、101.3 kPa）狀態(tài)下儲存的液化天然氣，接收站的主要功能是接收存儲液化天然氣， 并將其氣化后輸送至下游用戶。LNG的氣化過程會釋放大量冷能， 主要包括兩部分：一部分是LNG在等溫等壓情況下發(fā)生相態(tài)變化所釋放的冷能，即汽化潛熱；另一部分是LNG由于溫度升高釋放的冷能，即LNG顯熱。單位質量LNG包含830～860 kJ/kg的冷能，這些寶貴的冷能通常損失在海水或空氣中，造成能源浪費，如果能充分利用這部分冷能，則能達到節(jié)能和環(huán)保的目的。

LNG冷能利用方式可分為直接利用和間接利用。 直接利用方式主要有冷能發(fā)電、空氣液化分離、液態(tài)乙烯儲存、冷庫、制造干冰等；間接利用方式有低溫破碎、冷凍食品、水和污染物處理等。 上述各種冷能利用方式，除用于發(fā)電，其他利用方式都因其產(chǎn)業(yè)鏈較長，受到市場、資源、環(huán)境、運輸?shù)戎T多因素的影響。 如冷庫模式，從冷能梯級利用的角度上考慮，可能是比較匹配的項目，但在其他因素上卻存在諸多困難， 難以直接和LNG接收站配套實施。常用的LNG冷能發(fā)電技術有直接膨脹法、低溫朗肯循環(huán)法、聯(lián)合法等[1]。 接收站天然氣輸送至管網(wǎng)，需要穩(wěn)定的壓力和流量，若采用直接膨脹法，經(jīng)過冷能利用裝置，天然氣壓力及流量波動較大，不適合實際的生產(chǎn)情況；而采用低溫朗肯循環(huán)法，天然氣本身只是被氣化，不牽涉進入發(fā)電部分，能保證穩(wěn)定的壓力和流量，適合實際的生產(chǎn)情況。 低溫朗肯循環(huán)法作為國內具有先進水平的發(fā)電技術[2,3]，是一種比較合理的冷能發(fā)電方式，但其發(fā)電的效率相對偏低，且受中間工質和相關工藝參數(shù)的影響較大。

本文基于低溫朗肯循環(huán)法，以選擇合理的中間工質及操作參數(shù)為研究重點，為LNG接收站冷能發(fā)電的設計提供參考。

1 冷能發(fā)電工藝模擬

低溫朗肯循環(huán)冷能發(fā)電過程主要包括三部分：（1）高壓LNG作為冷源將氣態(tài)的中間工質冷凝為液態(tài)；（2） 海水作為熱源將LNG以及液態(tài)中間工質氣化；（3）中間工質不斷循環(huán)膨脹發(fā)電。

本文采用流程模擬軟件HYSYS對該冷能發(fā)電工藝進行模擬，根據(jù)冷能發(fā)電原理，得到LNG冷能發(fā)電工藝流程圖如圖1所示。其中海水溫度取30 ℃，LNG流量為195 t/h， 膨脹機和工質循環(huán)泵的工作效率取75%。 為確保模擬結果的合理性，設定3個約束條件：（1）采用管殼式換熱器，根據(jù)規(guī)范，為避免換熱器內冷熱流體的溫度交叉以及實現(xiàn)充分換熱，換熱器的最小溫差一般取3～5 ℃， 本次模擬最小溫差取3 ℃[4]；（2） 膨脹機入口工質在對應壓力下均為氣體；（3） 膨脹機出口工質在換熱器中經(jīng)LNG冷凝后完全液化，確保循環(huán)泵入口為液體。

圖1 冷能發(fā)電工藝流程模擬圖

上述模型中，冷能發(fā)電系統(tǒng)涉及的主要設備有換熱器LNG-100/101/102、循環(huán)泵和膨脹機。其中，通過平衡模塊BAL-1和SET-1/2模塊，確保了膨脹機出口物流104和換熱器入口物流105的組分、狀態(tài)參數(shù)的一致，實現(xiàn)中間工質不斷循環(huán)發(fā)電。 根據(jù)中間工質的泡點-露點關系特性， 通過BAL平衡模塊和SET模塊， 使得膨脹機入口介質狀態(tài)在露點線右邊區(qū)域，循環(huán)泵入口介質狀態(tài)在泡點線左邊區(qū)域，保證了膨脹機、循環(huán)泵的正常工作。

2 冷能發(fā)電工藝參數(shù)優(yōu)化設計

2.1 工質選擇與組分配比

對于LNG冷能發(fā)電工藝，不同的中間工質組分和各組分的配比對冷能發(fā)電效率有較大影響，在進行冷能發(fā)電工藝參數(shù)設計時，最重要的就是合理確定中間工質的組分及比例。 首先，冷能發(fā)電工藝一般選取低沸點的中間工質， 因為中間工質沸點越高，要求的操作溫度也越高，易導致?lián)Q熱器產(chǎn)生溫度交叉；其次，換熱器內冷熱流體換熱越均勻，LNG冷能利用效率越高，但是相應的中間工質組分也越復雜，流程也不易收斂，增加了組分配比的難度，

2.1.1 工質選擇

通過查閱文獻和咨詢相關設計單位， 采用乙烷、丙烷、異戊烷[5，6]作為備選中間工質。 通過HYSYS模擬計算，分析不同工質對LNG冷能發(fā)電效率的影響。 各種工況下，使用乙烷、丙烷、異戊烷的凈發(fā)電量如表1所示。

表1 各工況不同工質下冷能發(fā)電結果

表1的模擬結果表明， 不同工質的最大凈發(fā)電量關系為：丙烷>乙烷>異戊烷；影響凈發(fā)電量的主要工藝參數(shù)是膨脹機入口壓力和工質流量，并且存在一個最佳取值，使得凈發(fā)電量最大。 由于純異戊烷的凈發(fā)電量遠小于乙烷和丙烷，故選取乙烷和丙烷作為冷能發(fā)電的混合工質組分。

2.1.2 工質組分配比

換熱器內冷熱物流溫差的大小，反映了換熱器的換熱效率，即冷熱物流溫差越小，換熱效率越高[7-9]?；旌瞎べ|的不同配比會改變換熱器的溫度-熱流量曲線，影響系統(tǒng)的冷能發(fā)電量。 通過分析乙烷、丙烷不同配比對冷能發(fā)電量和換熱器最小溫差的影響，確定最佳的混合工質配比，從而提高整個系統(tǒng)的冷能利用率。

設定膨脹機入口壓力初始值為3500 kPa、 工質循環(huán)量初始值為230 t/h，當混合工質中丙烷的質量分數(shù)在0～100%變化時， 得到不同乙烷/丙烷配比對系統(tǒng)凈發(fā)電量的影響，如圖2所示。

圖2 丙烷含量變化對凈發(fā)電量的影響

圖2中，隨著丙烷含量增加，凈發(fā)電量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，且當乙烷/丙烷質量比為2:3時，系統(tǒng)凈發(fā)電量最大。 這是因為當丙烷含量在一定范圍內變化時，隨著含量的增加，為保證膨脹機入口工質為氣態(tài)，要求入口工作壓力越低，但中間工質循環(huán)量越高，這時，工質循環(huán)量增多對凈發(fā)電量的影響大于壓力降低的影響，使得凈發(fā)電量增多；但當丙烷含量超過一定范圍時， 隨著含量的進一步增加，壓力降低導致凈發(fā)電量減小的影響大于工質循環(huán)量增多的影響，使得凈發(fā)電量降低。

對比純工質（丙烷）與混合工質（乙烷/丙烷質量比2:3）在優(yōu)化工作狀況下的溫度-熱流量曲線（見圖3），發(fā)現(xiàn)混合工質的曲線走向匹配度更好，進一步說明了該混合工質的冷能利用率更高。

圖3 換熱器的溫度-熱流量曲線

2.2 膨脹機入口壓力及工質循環(huán)量

中間工質確定后，工藝參數(shù)的選擇是影響LNG冷能利用率的主要因素； 在進行HYSYS流程模擬時，相關工藝參數(shù)的變化可能會導致?lián)Q熱器溫度交叉，使得流程不收斂。 綜合上述考慮，以膨脹機入口壓力、工質循環(huán)量為自變量，研究參數(shù)變化對冷能發(fā)電量及換熱器最小溫差的影響。

選取混合工質（乙烷/丙烷質量比為2:3）為研究對象,膨脹機出口壓力設定為20 kPa。 當分析循環(huán)量影響時，膨脹機入口壓力設定為1000 kPa；當分析膨脹機入口壓力影響時， 工質循環(huán)量設定為175 t/h。由圖4可以看出， 膨脹機入口壓力變化主要影響換熱器LNG-102的最小溫差， 工質循環(huán)量變化則主要影響換熱器LNG-100的最小溫差。 膨脹機入口壓力越高，為保證膨脹機入口為氣態(tài)，相應的入口溫度也越高，而海水溫度基本不變，則換熱器LNG-102更易發(fā)生溫度交叉， 流程不收斂； 工質循環(huán)量增多，LNG所蘊含的冷能將不足以提供中間工質完全液化所需的冷能， 從而導致?lián)Q熱器LNG-100發(fā)生溫度交叉。

根據(jù)模擬結果可知， 當乙烷/丙烷質量比為2:3時，工質最優(yōu)壓力為1600 kPa，最優(yōu)循環(huán)量為195 t/h，此時換熱器最小溫差接近3 ℃， 冷能發(fā)電效率最高（換熱器效率最高），冷能發(fā)電量約為4942 kW。

圖4 膨脹機入口壓力(a)和循環(huán)量(b)對冷能發(fā)電量和換熱器最小溫差的影響

3 結論

LNG接收站冷能發(fā)電工藝參數(shù)的合理設計對提高LNG冷能利用效率， 節(jié)約能源具有重大意義。本文基于HYSYS軟件研究了冷能發(fā)電工藝參數(shù)對系統(tǒng)凈發(fā)電量的影響，得到如下結論：

（1） 乙烷、丙烷組成混合工質時，系統(tǒng)的凈發(fā)電量優(yōu)于單組分工質，且隨著丙烷含量的增加，凈發(fā)電量呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢。

（2） 當乙烷/丙烷的質量比為2:3時，工況最優(yōu)壓力為1600 kPa，最優(yōu)循環(huán)量為195 t/h，此時LNG冷能利用率最高，凈發(fā)電量達到4942 kW。

（3） 膨脹機入口壓力升高、工質循環(huán)量增多，系統(tǒng)凈發(fā)電量增大；但膨脹機入口壓力增大，膨脹機入口溫度要求也越高， 易導致?lián)Q熱器產(chǎn)生溫度交叉，流程不收斂；同時，工質循環(huán)量增多也易導致?lián)Q熱器產(chǎn)生溫度交叉，影響換熱器工作性能。