LNG冷能發(fā)電技術(shù)及ORC工質(zhì)優(yōu)選研究

曾麗瑤

(中石化中原石油工程設(shè)計有限公司天然氣技術(shù)中心，河南鄭州，451000)

隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展，世界各國對能源的需求量越來越大，并且人們環(huán)保意識逐步提高，環(huán)保清潔且儲量巨大的天然氣資源越來越受到歡迎。天然氣的消耗量日益增長[1]，LNG已經(jīng)成為實現(xiàn)中國能源供應(yīng)優(yōu)質(zhì)化、多元化的重要能源。

我國進口的天然氣中，LNG進口量保持高速增長?，F(xiàn)階段國內(nèi)有多座大型LNG接收站，例如福建靑田、廣東大鵬和江蘇如東等[2]。LNG接收站通過氣化器把液態(tài)LNG氣化后外輸[3]，1噸LNG冷量折合約為240kW·h。以2018年液化天然氣接收能力計算，LNG冷量折合20.7億kW·h，預(yù)計2023年將達到59.8億kW·h，蘊含冷能資源量十分巨大。LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)可有效回收大部分溫度梯度的冷量，且不易受到外界因素干擾而被廣泛應(yīng)用[4]。

1 冷能發(fā)電的原理

=cp(T-T0)+cpT0ln(T0/T)

2 冷能發(fā)電技術(shù)對比

2.1 直接膨脹法

這種循環(huán)的優(yōu)點是所需設(shè)備少，占地?。辉砗唵渭把h(huán)過程簡單，比較容易控制。但是，該方式對外做功較少，發(fā)電量也比較少。

2.2 郎肯循環(huán)法

在換熱器中將低溫的LNG把冷量傳遞到某一冷媒介質(zhì)上，使冷媒介質(zhì)液化，液態(tài)的介質(zhì)通過泵增壓后進入膨脹機，冷媒由液相變成氣相對外做功發(fā)電的方法是郎肯循環(huán)法。

2.3 改進及復(fù)合的循環(huán)

在不同工作溫度下提高LNG冷能的利用效率和提高余熱溫度是改進及復(fù)合循環(huán)方式的主要目的。這種改進及復(fù)合的循環(huán)雖然效率提高了，但是系統(tǒng)過于復(fù)雜，運行起來非常困難，如果運用到實際中將會存在諸多問題。

通過不同的冷能發(fā)電方式對比分析可知：郎肯循環(huán)具有經(jīng)濟性好、設(shè)備簡單、效率較高和環(huán)境友好等特點，同時由于效率高，冷能回收率也有較高。

3 ORC工質(zhì)優(yōu)選

3.1 HC族與HFC族工質(zhì)比選

工質(zhì)的選取是低溫?zé)崮芘c冷能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通過對比工質(zhì)的熱物性、安全性、環(huán)保性和經(jīng)濟性，篩選出butane、propane、R227ea、R1234ze和R32共5種具有代表性的工質(zhì)進行對比分析。候選工質(zhì)的物性參數(shù)如表1所示。

表1中：d為干工質(zhì)、iso為等熵工質(zhì)、w為濕工質(zhì)、A低毒性、B高毒性、1為不可燃、2為燃燒性、3為爆炸性。

建立郎肯循環(huán)的數(shù)學(xué)模型，通過模型對比蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)單位凈輸出功量的影響。圖1中顯示隨著蒸發(fā)溫度的上升，多數(shù)工質(zhì)均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。這是由于隨著蒸發(fā)溫度的上升，系統(tǒng)在膨脹機中對外輸出功的增量逐漸減少，而循環(huán)泵的耗功明顯增加，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的單位凈輸出功量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。

圖1 蒸發(fā)溫度對單位工質(zhì)凈輸出功率的影響

LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)，單位工質(zhì)凈輸出功量是一個非常重要的評價指標，在給定運行工況下的單位凈輸出功量越高，系統(tǒng)的性能指標越好。對比這5種工質(zhì)，飽和碳氫化合物(HC族)propane和butane，相對于不含氯的鹵代經(jīng)(HFC族)有更高的單位工質(zhì)凈輸出功。

3.2 飽和碳氫化合物工質(zhì)比選

選擇飽和碳氫化合物工質(zhì)ethane、butane和propane進行對比分析壓力對工質(zhì)泡點的影響，如圖2所示。

圖2 壓力對工質(zhì)泡點的影響

對比圖2可看出，同一工質(zhì)下泡點隨著壓力降低而降低，同一壓力下的泡點ethane

圖3 HYSYS模擬冷能發(fā)電

利用HYSYS軟件建立工質(zhì)為ethane、butane和propane膨脹后壓力為200kPa、300kPa、400kPa和500kPa時的冷能發(fā)電模型，對比不同壓力對泵功率、發(fā)電量、介質(zhì)循環(huán)量、泡點溫度和凈發(fā)電量的影響見表2。

表2 不同工質(zhì)對冷能發(fā)電系統(tǒng)的影響

對比表2看出LNG冷能用于發(fā)電時，工質(zhì)為丁烷發(fā)電量最高；工質(zhì)為丁烷時，LNG經(jīng)過換熱器出口溫度為32℃，可直接進入外輸管網(wǎng)；工質(zhì)為乙烷和丙烷時候，LNG出口溫度為-62℃和-29℃，需要經(jīng)過水浴加熱復(fù)溫后再進入外輸管網(wǎng)；工質(zhì)為乙烷，由于泡點溫度低，系統(tǒng)用不銹鋼，投資較高；工質(zhì)為丙烷和丁烷時，泡點溫度較高，系統(tǒng)用碳鋼，投資較低。LNG冷能用作發(fā)電時，通過模擬對比分析，工質(zhì)最宜為丁烷。

4 結(jié)論

(1)郎肯循環(huán)具有經(jīng)濟性好、設(shè)備簡單、效率較高和環(huán)境友好等特點，同時由于效率高，冷能回收率也有較高。

(2)飽和碳氫化合物(HC族)propane和butane，相對于不含氯的鹵代經(jīng)(HFC族)有更高的單位工質(zhì)凈輸出功。

(3)LNG冷能用于發(fā)電時，工質(zhì)為丁烷發(fā)電量最高且LNG出口溫度為32℃，可直接進入外輸管網(wǎng)。