LNG-FSRU新型LNG冷能发电优化方案

2020-11-16徐礼康林贵华

天然气化工—C1化学与化工 2020年5期

徐礼康，林贵华

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200000）

液化天然气（LNG）使用前的气化会释放出大量可利用的冷能[1]，随着LNG生产及使用量的增加，对于LNG的冷能利用，目前已得到高度关注，并将其用于空分、发电、液化二氧化碳并生产干冰、海水淡化、冷冻冷藏、低温养殖和低温粉碎等[2]。LNG冷能发电是充分利用LNG高品位冷能的重要举措，并且逐步形成了包括直接膨胀法、二次媒体法、联合法、混合媒体法、布雷顿循环和燃气轮机利用法等多种形式的冷能发电方式[3]。这其中釆用低温有机工质构成多级朗肯循环以最大限度的利用LNG冷能成为LNG冷能发电关注的重点[4]。

不少学者对低温朗肯循环发电进行了研究。Li等[5]提出了利用太阳能和LNG进行火力发电的级联有机朗肯循环系统，实现了低温朗肯循环发电和直接膨胀法发电的结合。饶文姬等[6]在一级朗肯循环中以工业废热作为热源，得出了随着蒸发压力的提高，循环热效率和做功都增大。杨红昌等[7-9]提出LNG冷能利用分段模型，并依据模型提出了横向和纵向三级朗肯循环，并针对循环系统存在的问题提出优化方案。张超等[10]釆用甲烷、丙烷和乙烷构成的混合工质作为循环工质，结果显示混合工质配比对最大净输出功存在一个最佳值。崔国彪[11]结合LNG冷能分段模型，建立了LNG冷能利用的五级横向朗肯循环发电系统。Lee等[12]基于横向二级朗肯循环发电系统，第一级朗肯循环以海水作为热源，第二级朗肯循环以废气作为热源，研究结果显示系统很适合小型动力渔船使用，但由于废气温度较高，使得换热器火用损较大。Bao等[13]提出了一种两级冷凝朗肯循环系统（TCRC），与联合循环相比，该系统的净输出功和热效率都得到了提高。

LNG-FSRU系统通常停泊在近海，向陆地远距离输送天然气，其输送压力要达到7 MPa以上[14]，此时LNG处于超临界状态。显然以上围绕LNG气化冷能的发电利用均是以陆地或船上环境下LNG气化具备的热源条件来考虑LNG高品位冷能的发电利用，且主要是针对临界压力以下的LNG。由于LNGFSRU运行环境没有稳定的高温热源，因此LNGFSRU上处于超临界状态的LNG气化冷能的发电利用方案不可能直接来自现有的LNG气化冷能的发电利用方案。

本文以LNG-FSRU上中间介质气化器IFV再气化系统在超临界气化压力下气化，基于LNG-FSRU气化参数及海水为唯一热源的条件，以现有的级联朗肯循环发电方案为基础，从减小换热器火用损的思路出发，提出了适用于LNG-FSRU再气化系统冷能利用的一、二级新型冷能发电方案，从而为LNGFSRU冷能发电系统优化提供方案。

1 新型冷能利用方案

本文选取LNG的物质的量组成如下：95%CH4、3%C2H6、2%C3H8，气化压力取超临界压力8 MPa。本文基于LNG冷能利用级联朗肯循环发电系统，在给定假设条件与系统参数下，通过HYSYS初步模拟，发现调温器以及二级级联朗肯循环系统中LNG蒸发器2火用损较大（见表5）。因此，基于这一问题，本文提出了一、二级新型冷能发电方案，如图1所示，即在火用损较大的换热器中增加一股进口温度介于原有两股流体进口温度的系统内流体，以此来达到降低换热器火用损，提高系统净输出功的目的。

图1 原（(a)(c)）、新（(b)(d)）一、二级发电方案原理图

原、新发电方案区别在于：对于一级新型冷能发电方案，是把从工质泵中出来的发电工质引入调温器；对于二级新型冷能发电方案，一步是把工质泵1中出来的一级发电工质引入LNG蒸发器2中，另一步是把原有经透平2膨胀后分为两股流体的二级发电工质分成三股，增加的一股二级发电工质引入调温器中。

2 系统最佳工质组合与参数匹配的确定

2.1 系统参数的选择

本文以LNG流量175 t/h为例进行仿真计算分析，模拟计算时做如下设定：(1)循环工质冷凝压力取为110 kPa；(2)热源海水取20℃，环境温度取25℃；(3)所有换热器的最小端差取为5℃；(4)所有换热器中，热物流(除二级新型冷能发电方案中LNG蒸发器2中一级发电工质)出口过冷度取为2℃；(5)透平效率取为80%，泵效率取为75%；(6)忽略各换热器和管路的压力损失和热损失；(7)透平膨胀机入口工质为饱和气体状态。

2.2 工质匹配组合

工质的选择对系统净输出功的影响很大，直接影响系统对LNG冷量的回收率。常见工质在110 kPa下的冷凝温度如表1所示。

表1 常见工质在110 kPa下的冷凝温度

对于一级新型冷能发电方案，一共有8种工质。对于二级新型冷能发电方案，一共有28种组合工质。

在一级新型冷能发电方案中，需要给定发电工质经调温器换热后的出口温度（以下简称操作温度1），本文根据进入调温器的天然气和一级发电工质的进口温度确定操作温度1的范围，如表2。在HYSYS模拟中，因假设所有换热器的最小端差为5℃，所以进入透平的发电工质温度为15.05℃，当工质为R1150时，在110 kPa下不存在这样的状态。当工质为R600a时，发电工质在经透平膨胀后温度较高，因假设所有换热器的最小端差为5℃，这样使得LNG蒸发器中LNG出口温度（调温器中天然气的进口温度）高于调温器中发电工质的的进口温度，导致不存在操作温度1，使得流程不成立。

表2 不同工质的操作温度1范围

在二级新型冷能发电方案中，同样需要给定一级发电工质经LNG蒸发器2换热后的出口温度（以下简称操作温度2），操作温度2温度范围包含所有的操作温度1温度范围，除此之外，还有R1150的温度范围，即-104.6～-107.6℃。在HYSYS模拟中，以1℃对操作温度进行划分。

另外，对于二级新型冷能发电方案，还需要给定二级发电工质经分离器进入工质蒸发器1的流量比例（以下简称比例），比例以0.01进行划分。不同工质组合情况下，流程成立的比例见表3。

在HYSYS模拟中，一种工质组合下，不论比例如何变化，被规定比例的这股流体与进入LNG蒸发器2的工质流体流量都保持不变，如果不存在第三股分支，比例已经确定，所以比例不能超过不含第三股分支时的比例，否则第三股分支的流量为负值。以第一、二级工质分别为R1150、R1270，操作温度2为-107.6℃为例，比例不能小于0.38的原因是：进入调温器的二级发电工质温度是-46.16℃，而调温器中NG的温度变化为-51.16℃到5℃，所以这股二级发电工质最多只能把NG加热到-46.16℃，即使再降低比例，使二级发电工质流量提高，这部分提高的流量也不能将NG的温度提高到-46.16℃以上，同时随着比例的降低，调温器中另一股相对有着高品位热能的热物流（海水）流量也会减少，此时在调温器中是不能将NG从-51.16℃升温到5℃的，所以比例低于0.38时流程不成立。对于不存在温度区间的工质组合和操作温度2，是因为不论怎么降低比例都不能使调温器中NG的温度加热到5℃。对于其他操作温度2以及不同的一、二级工质组合，比例只有在一定区间时流程才成立的原因同上，这里不再赘述。

表3 不同工质组合情况下流程成立的比例

2.3 工质筛选

图2一级新型冷能发电方案系统净输出功

在HYSYS中进行，不同工质组合下，不同操作温度1以及不同操作温度2所对应的比例下，一、二级新型冷能发电方案系统净输出功的计算。流体物性包选用Peng-Robinson。一级新型冷能发电方案系统净输出功如下图2所示。二级新型冷能发电方案系统净输出功如图3（以一级发电工质分成6张图）所示。

由图2可知，对于一级新型冷能发电方案系统，当发电工质为R1270，操作温度1为-51.16℃时，系统净输出功最大，为1524.66 kW。

结合表3，从图3中可以看出，对于二级新型冷能发电方案系统，当采用R1150，R1270的工质组合，操作温度2为-107.6℃，且比例为0.38时产生的系统净输出功最大，为3647.09 kW。

图3 二级新型冷能发电方案系统净输出功

表4 火用损和火用效率定义

3 一、二次新型冷能发电方案热力学比较

3.1 不同方案的热力学分析

鉴于不同设备火用效率形式的多样性，必须依照研究对象及功用的不同而具体确定。本文分析定义的火用损和火用效率见表4。系统的总火用效率等于系统净输出功除以总消费火用（包含LNG和海水的消费火用），计算结果见表5。

从表5中可以看出，一级新型冷能发电方案方案与原一级发电方案方案相比，其调温器火用损降低，净输出功提高了540 W。二级新型冷能发电方案方案与原一级发电方案方案相比，LNG蒸发器2、调温器和透平1的火用损都有所降低，特别是调温器，其火用损降低了20.82%。对于整个系统的性能而言，二级新型冷能发电方案方案较原一级发电方案方案循环净输出功提高了12.45%，火用效率提高了12.33%。