LNG冷能发电技术及ORC工质优选研究
2021-05-12曾丽瑶
曾丽瑶
(中石化中原石油工程设计有限公司天然气技术中心,河南郑州,451000)
随着全球经济的飞速发展,世界各国对能源的需求量越来越大,并且人们环保意识逐步提高,环保清洁且储量巨大的天然气资源越来越受到欢迎。天然气的消耗量日益增长[1],LNG已经成为实现中国能源供应优质化、多元化的重要能源。
我国进口的天然气中,LNG进口量保持高速增长。现阶段国内有多座大型LNG接收站,例如福建靑田、广东大鹏和江苏如东等[2]。LNG接收站通过气化器把液态LNG气化后外输[3],1吨LNG冷量折合约为240kW·h。以2018年液化天然气接收能力计算,LNG冷量折合20.7亿kW·h,预计2023年将达到59.8亿kW·h,蕴含冷能资源量十分巨大。LNG冷能发电系统可有效回收大部分温度梯度的冷量,且不易受到外界因素干扰而被广泛应用[4]。
1 冷能发电的原理
=cp(T-T0)+cpT0ln(T0/T)
2 冷能发电技术对比
2.1 直接膨胀法
这种循环的优点是所需设备少,占地小;原理简单及循环过程简单,比较容易控制。但是,该方式对外做功较少,发电量也比较少。
2.2 郎肯循环法
在换热器中将低温的LNG把冷量传递到某一冷媒介质上,使冷媒介质液化,液态的介质通过泵增压后进入膨胀机,冷媒由液相变成气相对外做功发电的方法是郎肯循环法。
2.3 改进及复合的循环
在不同工作温度下提高LNG冷能的利用效率和提高余热温度是改进及复合循环方式的主要目的。这种改进及复合的循环虽然效率提高了,但是系统过于复杂,运行起来非常困难,如果运用到实际中将会存在诸多问题。
通过不同的冷能发电方式对比分析可知:郎肯循环具有经济性好、设备简单、效率较高和环境友好等特点,同时由于效率高,冷能回收率也有较高。
3 ORC工质优选
3.1 HC族与HFC族工质比选
工质的选取是低温热能与冷能联合发电系统的基础。通过对比工质的热物性、安全性、环保性和经济性,筛选出butane、propane、R227ea、R1234ze和R32共5种具有代表性的工质进行对比分析。候选工质的物性参数如表1所示。
表1中:d为干工质、iso为等熵工质、w为湿工质、A低毒性、B高毒性、1为不可燃、2为燃烧性、3为爆炸性。
建立郎肯循环的数学模型,通过模型对比蒸发温度对系统单位净输出功量的影响。图1中显示随着蒸发温度的上升,多数工质均呈现先增加后减少的趋势。这是由于随着蒸发温度的上升,系统在膨胀机中对外输出功的增量逐渐减少,而循环泵的耗功明显增加,从而导致系统的单位净输出功量呈现先增加后减少的趋势。
图1 蒸发温度对单位工质净输出功率的影响
LNG冷能发电系统,单位工质净输出功量是一个非常重要的评价指标,在给定运行工况下的单位净输出功量越高,系统的性能指标越好。对比这5种工质,饱和碳氢化合物(HC族)propane和butane,相对于不含氯的卤代经(HFC族)有更高的单位工质净输出功。
3.2 饱和碳氢化合物工质比选
选择饱和碳氢化合物工质ethane、butane和propane进行对比分析压力对工质泡点的影响,如图2所示。
图2 压力对工质泡点的影响
对比图2可看出,同一工质下泡点随着压力降低而降低,同一压力下的泡点ethane 图3 HYSYS模拟冷能发电 利用HYSYS软件建立工质为ethane、butane和propane膨胀后压力为200kPa、300kPa、400kPa和500kPa时的冷能发电模型,对比不同压力对泵功率、发电量、介质循环量、泡点温度和净发电量的影响见表2。 表2 不同工质对冷能发电系统的影响 对比表2看出LNG冷能用于发电时,工质为丁烷发电量最高;工质为丁烷时,LNG经过换热器出口温度为32℃,可直接进入外输管网;工质为乙烷和丙烷时候,LNG出口温度为-62℃和-29℃,需要经过水浴加热复温后再进入外输管网;工质为乙烷,由于泡点温度低,系统用不锈钢,投资较高;工质为丙烷和丁烷时,泡点温度较高,系统用碳钢,投资较低。LNG冷能用作发电时,通过模拟对比分析,工质最宜为丁烷。 (1)郎肯循环具有经济性好、设备简单、效率较高和环境友好等特点,同时由于效率高,冷能回收率也有较高。 (2)饱和碳氢化合物(HC族)propane和butane,相对于不含氯的卤代经(HFC族)有更高的单位工质净输出功。 (3)LNG冷能用于发电时,工质为丁烷发电量最高且LNG出口温度为32℃,可直接进入外输管网。4 结论