燃气蒸汽联合循环机组中LNG冷能利用方案研究

李 波，马 强

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

燃气蒸汽联合循环机组中LNG冷能利用方案研究

李 波，马 强

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

对LNG气化站气化释放冷能的利用情况进行介绍。首先对LNG气化站制冷量进行简单分析，提出此部分冷能仅供在电厂内循环利用的原则，然后结合工程实例进行了工艺方案设计，包括冷却燃机进气温度，降低循环水温、减少机力塔循环水量以及用于集中空调系统等方面，为此类项目LNG冷能利用方式提供参考依据。

LNG；气化站；冷能利用

0 引言

燃气蒸汽联合循环项目作为分布式发电和区域能源系统的主要形式，是一种高效洁净发电技术，能源利用效率可高达60%～61%，热电冷多联供系统更是可达75%以上；NOx排放质量浓度降低到10 mg／m3以下，几乎没有 SOx和粉尘排放，CO2排放也只有超临界燃煤电站的40%［1］。而要达到高效的能源利用，无论是高品位的蒸汽热能还是低品位的冷能，都应当得到充分利用。

天然气在标准大气压下冷却至-162℃后，经过脱水、脱酸处理，成为液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG），其密度约为气态天然气的620倍，故液化天然气更有利于长距离运输。LNG在气化站通过气化器气化后使用，气化时放出很大的冷量，其值大约为 830~870 kJ／kg（气化潜热和显热之和，见图 1）［2］。这部分冷量如果不加以利用，不仅会白白浪费，而且直接排放还会对自然生态环境产生影响。如何通过特定的工艺技术将LNG气化释放出的冷能充分利用已备受重视。

图1 温度与LNG冷能的关系曲线

1 项目背景

某省建设2套多轴“一拖一”60 MW级燃气蒸汽联合循环机组，采用LNG作为主燃料，气化站紧邻该厂，LNG气化后通过管道直接输送至厂区调压站使用。每台燃气轮机消耗燃气量约13 250 m3／h；同步建设1台25 t／h燃气备用辅助锅炉，耗气量约为 1 400 m3／h，总的燃气耗量约为 27 900 m3／h。 此项目中，若将液化天然气气化至5℃，估算能够产生4.8 MW的冷量。利用好这部分冷量，对提高项目的能源综合利用率具有十分重要的作用。

LNG冷能的综合利用途径如表1所示［3］。实现LNG气化冷能的综合利用，关键在于先期规划或同步建设可供接收的用户。由于本项目周边暂时没有冷量用户，LNG气化冷能仅供在电厂内循环利用。

表1 冷能利用的主要途径

2 LNG气化冷能利用方式

2.1 冷却燃机进气

燃机压气机入口环境温度对热耗、功率的影响如图2所示。燃气轮机输出功率与进气的质量流量密切相关。由于进气容积一定，进气温度升高时，空气密度下降，质量流量减小，燃机输出功率降低，相对效率也会下降［4］。从图2可以看出，进气温度每上升10℃，燃机出力约下降3%。

由于本项目主燃料为LNG，LNG的气化和燃机的运行是同时的，可以实现冷能的供需同步，不必考虑空分或冷库技术等带来的下游冷量需求波动等问题；与冷能发电相比，仅需增加换热单元，转动设备少，系统简单，投资和运行成本更低，大大改善联合循环机组的技术经济性。

图3给出了利用LNG冷能冷却燃机进口空气的工艺流程，通常LNG储存的温度是-160℃，压力为0.105 MPa［5］。在换热器中利用乙二醇溶液将气化冷能传导给燃机压缩机进口空气，降低压缩机进气温度，并不需要额外的耗能。

图2 压气机入口环境温度对热耗、功率的影响（60 MW级燃机，气体燃料，100%负荷）

图3 LNG气化冷能供燃机进口空气冷却系统

从图2可以看出，若LNG冷能将燃机压气机进口温度降低10℃，可使联合循环机组出力将增加约2 MW。但空气的含湿量增加使系统的阻力增加，系统热耗约将降低0.2%。另外，燃机进口温度也不能太低，一般不小于15℃，所以冬季时进气冷却装置应当停运，此时LNG冷能不能利用，但仍会增加燃机进口阻力，降低冬季工况的出力。同时，增加燃机进气冷却装置，会提高初投资及日常的运行维护费［2］。因此，考虑综合能源利用效率以及运行维护便宜性，此种LNG冷能利用方式不具优势。

2.2 冷能回收至循环水系统

本项目循环水系统采用母管制，2台机配置3台循环水泵和2座机械通风冷却塔。2×60 MW机组的额定纯凝及额定供热工况循环水量见表2。

表2 2×60 MW机组主要工况循环水量

从循环水回水管道引出1根DN350管道，进入LNG冷能回收换热器降温，降温后的循环水不再进入机力塔喷淋，直接进入冷却塔水池，冷能回收至循环水系统见图4。

图4 冷能回收至循环水系统

LNG气化能够产生的冷量约为4.8 MW，以总体换热效率以90%计算：

额定纯凝工况下，回收的冷能可取代约429 m3／h循环水由32.22℃降至23.6℃；

额定供热工况下，回收的冷能可取代约773 m3／h循环水由28.39℃降至23.6℃。

由于进塔循环水量减少，冷却塔风吹和蒸发损失的水量也相应减少：

额定纯凝工况下，风吹损失减少约0.43 m3／h，蒸发损失减少约5.25 m3／h，循环水排污量减少约1.32 m3／h，总体节水约 7.00 m3／h；

额定供热工况下，风吹损失减少约0.77 m3／h，蒸发损失减少约5.26 m3／h，循环水排污量减少约0.98 m3／h，总体节水约 7.01 m3／h。

此外，由于进入机力塔的循环水量减少，机力塔风机风量可相应减小，进而可以减少风机电耗，节省厂用电。

2.3 LNG冷能用于集中空调系统

如图5所示，LNG用于集中空调供冷系统中具体工艺流程为：LNG进入换热器A与一级冷媒 （例如：乙二醇溶液）换热升温形成天然气进入天然气管网，供后续用户燃烧使用。一级冷媒在换热器B中与空调系统循环水进行热交换，制取集中空调制冷所需5℃冷水，供空调用户用冷。

图5 LNG用于集中空调供冷系统工艺流程

60 MW分布式燃气蒸汽联合循环项目一般采用余热锅炉尾部烟气制取的热水驱动溴化锂制冷机获取空调制冷用水，并设置水冷螺杆式电制冷机组作为备用，设计制冷量为1.6 MW。LNG气化站所释放的冷能可以完全满足能源站内自身空调制冷负荷，这样余热锅炉尾部热水换热器的热水可用于其他用途，比如对外提供生活热水。因此，从长远来说，LNG冷能适用于空调制冷。同时，考虑到LNG气化站检修期间无法释放冷能的情况，LNG冷能利用方式可划分为3种模式：LNG承担全部制冷负荷、LNG承担部分制冷负荷、LNG不承担制冷负荷。

模式一：LNG承担全部制冷负荷。在LNG回收冷量完全满足建筑物空调系统使用工况下，管壳式与空温式气化器共同承担冷负荷，现有制冷站内的热水型溴化锂或水冷螺杆机组停止运行。通过控制冷冻水泵循环水流量来确保进入空调系统的冷冻水温度维持在5℃。通过控制管网前的气态LNG压力来调节气化量，以确保达到预定的气化效果。图6和表3为冷能利用系统的运行模式及阀门开关状态。

图6 LNG承担全部制冷负荷时运行模式

表3 LNG承担全部制冷负荷时阀门开关状态

模式二：制冷主机与LNG气化冷量供应联合。在液化天然气气化回收冷量无法完全满足集中空调系统冷负荷需求时，液化天然气冷能利用系统与厂内制冷站中的热水型溴化锂机组或水冷螺杆机组联合运行，空温式气化器、空调系统制冷主机以及新增的管壳式气化器联合实现LNG的气化过程。通过控制管网前的气态LNG压力来调节管壳式气化器的气化量，以确保预定的气化效果；通过调整冷冻水泵循环水流量来确保进入空调系统的冷冻水温度在 5℃；通过调整管壳式气化器的冷冻水出水流量，确保进入空调系统的冷冻水温度在5℃；图7和表4为冷能利用系统的运行模式及阀门开关状态。

图7 LNG承担部分制冷负荷时运行模式

表4 LNG承担部分制冷负荷时阀门开关状态

模式三：制冷主机独立供冷。在LNG回收冷量无法使用工况下，能源站厂内制冷站中的热水型溴化锂机组或水冷螺杆机组独立运行。此模式下，管壳式气化器停止运行。集中空调制冷侧采用调整冷冻水泵循环流量的方式来确保进入空调系统的冷冻水温度在5℃。此模式下，冷能利用系统的运行原理及阀门切换如图8和表5所示。

图8 LNG不承担制冷负荷时运行模式

表5 LNG不承担部分制冷负荷时阀门开关状态

通过以上比较，可以看出：

1）LNG冷量回收系统在采用两级能量传递时，能够根据负荷大小选取合适的冷量回收，具有可调节性强、匹配性好的特点，可用于建筑空调系统；

2）在存在冷用户需求时，可采用二次冷媒与集中空调循环水直接换热的方式来实现能量的直接传递；

3）模拟分析LNG冷量回收系统的3种运行工况，确定阀门切换及匹配负荷的调节方式，使系统设计具有更好的工程实用性。

总之，将LNG冷能用于集中空调系统一方面有利于节约电能消耗；另一方面又解决了LNG气化需吸收外部热量的问题，可以实现能量的多次利用。

3 结语

结合具体工程实例对冷能在冷却燃机进气温度、降低循环水温与减少进入机力塔循环水量，以及用于集中空调系统等方面的利用方案进行了技术比较分析。经过比较，冷能利用于降低循环水温、减少进入机力塔循环水量的方案系统更为简单，能量也可以得到充分利用，效果最好，具有更强的实用性。在具体的利用过程中，还是应当根据项目的特点采取最适宜的方式，达到提高经济效益、循环利用能量的目的。

［1］蒋洪德，任静，李雪英，等.重型燃气轮机现状与发展趋势［J］.中国电机工程学报，2014，34（29）：5 096-5 102.

［2］王欣，阮刚，周琼.LNG冷能在燃气蒸汽联合循环机组中的利用［J］.能源与环境，2013（1）：30-31.

［3］陈赓良.小型LNG气化站的冷能利用［J］.石油与天然气化工，2013，42（6）：588-593.

［4］姜周曙，胡亚才，缪盛华.燃气—蒸汽联合循环进气冷却系统技术经济分析［J］.热力发电，2007，36（2）：5-8.

［5］暨穗磷，彭艳.液化天然气（LNG）冷能用于冷却发电燃气轮机进气的分析［J］.能源技术，2005，26（4）：182-184.

Study on Utilization Schemes of Cold Energy in Gas and Steam Combined Cycle Project

LI Bo，MA Qiang
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corp.，Ltd.，Jinan 250013，China）

This paper introduces cold energy utilization schemes in LNG gasification station.First，analysis is carried out to estimate how much cold energy can be obtained from LNG gasification process.The cold energy should be recycled and used only in the plant area.Then，three technical schemes for different application areas：cooling inlet air of gas turbine，cooling and reducing circulating water，and driving centralized air conditioning system combined with actual engineering examples are discussed.This paper summaries the experience obtained from the project illustrated above，providing reference and guidance for the future LNG cold energy utilization of this kind of project.

LNG；gasification station；cold energy utilization

TM611.31

B

1007－9904（2017）11－0047－05

2017-06-01

李 波（1985），男，工程师，从事发电工程热机系统设计工作。