LNG冷能发电技术分析对比

2021-01-11张颉

云南化工 2020年12期

张颉

（西安石油大学，陕西西安 710065）

LNG储存温度约为-162℃。LNG接收站需要通过气化器将LNG气化成常温天然气供给用户使用。LNG在气化过程中会释放出大量的冷能。传统的气化方式是使用开架式气化器和空温式气化器对其进行加热。不管使用哪种气化方式都会使得大部分冷能被浪费，若能将该部分冷能进行有效回收利用，能产生巨大的经济效益［1］。LNG冷能主要分为直接利用和间接利用。直接利用包括轻烃分离、冷能发电、空气分离、海水淡化，低温冷库等方面，间接利用主要是利用LNG冷能液化氮气或氧气再进行低温粉碎等工艺。

目前，LNG冷能发电技术发展较为成熟。一些公司已经成功开展了LNG冷能发电项目。某些发达国家的大型LNG接收站都配套有冷能发电系统，其主要形式是利用LNG的低温能将工质冷凝，随后将其加压气化为高温高压气体后在气轮机中做功发电。发电方法主要包括：天然气直接膨胀法、低温朗肯循环法、低温布雷顿循环法、多级联合循环法等。由于LNG在气化过程中温度范围跨度很大，合理构建冷能发电系统对提升冷能利用率具有重要作用。本文将使用Aspen hysys软件对目前主流的各发电系统进行模拟，以确定最佳冷能回收利用方案。

1 目前主要的低温发电系统

1.1 改善现有动力循环

这种方式主要是利用LNG的冷量来冷却燃气轮机的入口气体温度，并通过不同的冷却工质来降低燃气轮机的出口气体温度，以达到增加燃气轮机工作效率的目的。有研究表明，将燃气轮机入口温度由30℃降到5℃时，其运行效率可以提高约5%。但是由于燃气轮机的运行条件，当地气象条件都会对冷能回收效率造成一定的影响，所以在很大一部分区域内无法使用冷却燃气轮机进出口温度的方式来回收LNG冷能。

1.2 天然气直接膨胀法

天然气直接膨胀法目的是将LNG气化为高压常温天然气后，利用LNG的压力火用在气轮机中透平做功来产生能量。这种方法流程简单易操作，且所需成本低廉，适合小型LNG接收站和低压天然气的冷能回收，但由于没有充分利用LNG的低温冷能，所以冷能利用率较低。

1.3 低温朗肯循环法

低温朗肯循环法［2］是将低温的LNG作为冷源，通过换热器将朗肯循环中的有机工质重新冷凝，利用LNG与热源之间的温度差使有机工质完成蒸汽动力循环，从而对外做功。朗肯循环中的有机工质在通过加压和吸收海水热量后，进入汽轮机膨胀做功，随后又被LNG重新液化完成一个完整循环。这种方法一般与直接膨胀法相结合，能有效的回收利用LNG冷能，提升能量利用效率。而且，该方法不需要很高的热源温度条件，热源可以选择海水或者其他的工业余热，系统流程简单，灵活性好，故成为了大多数冷能利用装置的使用流程。但是由于无法利用高于冷凝温度的LNG冷能，会导致还有一部分冷量尚未得到完全回收，使得LNG冷能利用效率偏低。

1.4 布雷顿循环法

布雷顿循环法［3］在工艺流程上与低温朗肯循环法没有太大区别，低温布雷顿循环法主要是将循环工质变更为N2、CO2等气体。在循环中，使用LNG冷能冷却压缩机入口气体温度，使相同压比下压缩机所需能量减小，从而提升了净发电效率。同时由于循环工质在运行过程中不存在相变过程，其放热曲线不断下降，使得LNG与工质在换热器内得到了较好的温度匹配，有效的提升了换热效率，从而增加了冷能回收利用率。但是由于布雷顿循环法需要极高温度的热源以加热循环工质，这使得热源与冷源之间存在较大的换热温差，导致循环中热损失增大，设备操作复杂，所以此方式应用较少。

1.5 多级联合循环法

由于LNG气化过程中温度范围跨度较大，很难找到合适的工质来充分利用LNG冷能。为提高能量利用效率，有学者提出建立多级循环来梯级利用LNG冷能。多级联合循环法主要是将各低温循环法进行串联或并联，以达到充分回收LNG冷能的目的。主要原理为：LNG与一级朗肯循环完成换热后，二级朗肯循环将再次利用LNG剩下冷量与二级工质换热以完成低温循环，这种方法能有效利用LNG各个层级的低温冷能，以达到能量利用效率最大化，但由于系统复杂，在实际应用中存在很多问题。

2 基于Aspen hysys软件的系统模拟

2.1 各发电系统的计算模型

为分析发电系统的冷能利用效率，本文采用Aspen hysys软件构建发电系统流程，并对各发电系统进行流程模拟和对比。

本文将对模拟过程进行简化，对系统做出以下假设：

1）系统处于稳定的流动状态；2）忽略所有换热器和管道中的压降和热损失；3）液化天然气组分为纯甲烷；4）LNG入口温度为-162℃，压力为0.1MPa；5）经低温泵加压后的LNG压力为3MPa；6）LNG出口供应压力为0.6MPa；7）海水换热前后温度分别为25℃和20℃；8）环境温度为25℃，环境压力为0.1MPa。

定义发电系统中LNG冷能回收效率［4］如下：

其中：

式中：η表示LNG冷能回收效率；W为系统所做功，kJ／s；Wnet表示系统产生净功；E为物质在某一状态值，kJ／s，Elng表示 LNG损失；h为工质在某一状态的焓值，kJ／kg；hout和hin分别表示LNG在系统入口和出口的焓值，T为温度，℃；T0表示环境温度；s为工质在某一状态的熵值，kJ／kg·℃；sout和sin分别表示LNG在系统入口和出口的熵值。

2.2 发电系统的流程构建

天然气直接膨胀法流程构建简单，将系统入口LNG经低温泵加压后进入气化器内与海水换热气化，高压常温天然气在汽轮机内做功，随后与再此与海水换热后直接输出。

低温朗肯循环法和布雷顿循环法的流程，LNG在气化器中将与循环工质进行换热，循坏工质在吸收LNG冷量后冷凝，随后通过泵加压和被热源重新气化后，在气轮机中透平膨胀对外做功。气化后的LNG将再次进行直接膨胀过程以充分回收冷能。低温朗肯循环法主要以丙烷为循环工质，布雷顿循环法以氮气为循环工质。

Aspen hysys内构建的多级联合循环流程在低温朗肯循环法的基础上多增加了一级以丙烷为工质的低温朗肯循环，从而对LNG冷能进行梯级利用。

2.3 模拟结果对比

以质量流量为1kg／s的LNG为研究对象，模拟LNG在各冷能发电系统中的净发电功率和冷能回收效率，模拟结果如表1所示。

结果表明：天然气直接膨胀法冷能回收效率较低，只有17.2%，而使用低温朗肯循环法和多级联合循环法其发电功率分别提升了141.1kW和153.2kW，冷能回收利用率则分别提升了17.4%和18.9%。这说明在天然气直接膨胀法的基础上结合蒸汽动力循环［5］可以大大提升冷能回收利用率。同时，使用多级联合循环，可以对LNG冷能进行梯级利用，以达到能量利用效率最大化。