LNG冷能发电模式分析

2023-09-04惠生工程中国有限公司北京分公司北京100020

化工设计 2023年4期

任锦惠生工程（中国）有限公司北京分公司北京 100020

天然气作为一种新型、清洁、高效的优质能源，受到各个能源消费大国的重视，其用途主要体现在发电、用作生活燃料及工业燃料、化工行业原料、生产化肥、合成纤维等方面。目前世界天然气探明储量已经接近石油储量，随着世界石油、煤炭等资源逐渐减少，生态环境的恶化加剧，天然气将逐步成为可利用的主要能源之一。

1 LNG冷能特性分析

随着我国对环境保护的重视，LNG作为一种清洁、高效的新能源，越来越受到青睐。天然气在进行远距离运输时，往往以常压、-162 ℃的液态形式储存。在LNG接收站，又需要将其气化为常温下的高压气体送至天然气管网，在气化过程中，LNG将释放大量冷能。冷能是指在常温环境中利用一定的温差所得到的低温能量，即LNG所具备的温差势能。传统气化方式直接将冷能释放到环境中，造成了极大的能量浪费，回收冷能并将其再利用已成为新焦点。

1.1 LNG的冷㶲及其影响因素

㶲是当热力学系统的状态与给定的环境状态不平衡时，系统所具有的在理论上能够转换为可用功的那部分能量。㶲是以环境作为基准所取的相对量，在可逆过程中，㶲和能量一样是守恒的。但任何实际过程都是不可逆的，必然有部分㶲损失，不能转化为可用能，由此可见，㶲分析是系统能量分析的一个重要方法，应用㶲分析揭示LNG冷量回收系统内不可逆损失的分布及大小，可为合理利用冷量提供重要的理论指导。

LNG是以含甲烷为主，并含少量氮气、乙烷、丙烷等组分的低温液态混合物，与外界环境存在着温度差和压力差，其冷量等于LNG变化到与外界平衡状态所能获得的能量。LNG的冷㶲Ex包括一定压力下由热不平衡引起的低温㶲Ex,th和环境温度下由压力不平衡引起的压力㶲Ex,p，即：

其中： Ex,th = Ex（T,p）－ Ex（T0,p）

Ex,p = Ex（T0,p）－ Ex（T0,p0）

影响LNG冷㶲大小的主要因素取决于环境温度、压力以及LNG的组成。

LNG低温㶲、压力㶲和总冷㶲均随环境温度的升高而增大。其冷㶲利用效率与环境温度有较大关系，环境温度升高，LNG冷㶲值也随之增大。

LNG低温㶲随系统压力的增大而减小，而压力㶲随系统压力的增大而增大。这主要有以下两点原因：①由于系统压力增大，液体混合物的泡点温度升高，使之达到环境热平衡的温差减小；②随着压力的增大，液体混合物接近临界区，致使气化潜热减小。LNG总冷㶲是压力㶲和低温㶲的总和，其值也随着系统压力的增大而减小。

当系统压力和环境温度不变时，LNG低温㶲和压力㶲均随甲烷含量的增加而增大。这是因为系统压力一定时，混合物的泡点温度随甲烷含量的增加而降低，增大了达到环境温度热平衡的温差，使低温㶲增大，且随着甲烷含量的增加，气体混合物分子量降低，使得单位质量混合物的压力㶲增大。因此，随着甲烷含量的增加，LNG总冷㶲也随之增大。

由此可知，应根据LNG的用途去选择合适的冷量回收途径。当LNG气化后用作管道气时，提升压力较高（2～10 MPa），可充分利用其压力㶲；当LNG气化后供电厂发电用时，气化压力较低（0.5～1.0 MPa），压力㶲较小，低温㶲较大，此时可充分利用其低温㶲。本文讨论LNG冷能发电模式，因此，应选择低温㶲较大的冷量回收途径。

1.2 LNG的气化特性

在不同压力下，LNG的气化T（温）－S（熵）曲线见图1。

图1 LNG气化特性曲线

由图1可知，LNG的气化经过液相段、两相潜热段和气相段三部分。不同的区段呈现出不同的气化特性，因此，在对其冷能进行回收时，应按区段进行考虑，增大低温㶲的回收率。

以4 MPa（G）的气化过程为例，环境温度t0=20℃。LNG初始温度tin进入循环系统，此时LNG具有的低温㶲为ex（in）；温度tout离开循环系统时，LNG具有的低温㶲为ex（out），该过程中单位质量LNG释放的低温㶲ex（c）可表示为：ex（c）=ex（out）－ex（in）=（hout－hin）－t0（Sout－Sin）。LNG气化过程各区段低温㶲值见表1。

表1 LNG气化过程各区段低温㶲值

从表1可以看出，单位质量的LNG在液相段和两相潜热段释放的低温㶲占气化过程低温㶲总量的89.3%，因此，最大程度地利用液相段和两相潜热段的低温㶲，即可有效增大冷量回收率，提高冷能发电的利用率。

2 LNG冷能发电的原理

LNG冷能发电属于对LNG冷能的直接利用，以电能的形式回收LNG的冷能。如前所述，冷能发电主要是利用其液相段和两相潜热段的低温㶲，回收冷量的方法主要有：直接膨胀法、二次冷媒法（即中间载热体的朗肯循环）和联合法。

2.1 直接膨胀法

如图2所示，利用低温泵对LNG加压，再在蒸发器内与海水换热转化为高压气体，然后通过膨胀透平机把压力能转化为机械能，再由发电机将机械能转化为电能。该法循环过程简单，所需设备少，可回收的动力大小取决于膨胀前后气体的压力比；但由于LNG的低温冷量没有充分被利用，故其对外做功较少，效率不高，冷能回收率仅24%，每吨LNG冷能仅能产生20 kWh左右的电能，发电功率小。

图2 直接膨胀法发电工艺

2.2 二次冷媒法

二次冷媒法是利用中间载热体（即冷媒）的朗肯循环冷能发电。朗肯循环即是以蒸汽为工质的一种理想动力循环过程，该过程可简化为可逆定压冷却过程，见图3。

图3 二次冷媒法发电工艺

将朗肯循环运用到LNG冷能发电流程中，经透平膨胀后的低压气相冷媒在冷凝器中被LNG凝结成液体，再经冷媒泵升压后加热气化变成高压气相冷媒，高压蒸汽经透平膨胀成低压气体，同时对外输出功，带动发动机发电。在此循环过程中，利用LNG的冷量将低压气相冷媒冷凝成液相。

该法的冷能回收率在34%左右，高于直接膨胀法。但由于冷媒的冷凝曲线不可能与LNG的气化曲线完全重合，高于冷凝温度的这部分LNG冷量没有得到利用，致使其回收效率受到了限制。

2.3 联合法

联合法综合了直接膨胀法和二次冷媒法两种方式，相当于两个不同的发电系统同时发电，可以使高于冷媒冷凝温度的那部分LNG冷量得到充分利用。联合法发电工艺见图4。

图4 联合法发电工艺

LNG经低温泵加压后通过冷媒换热器，温度有所升高的LNG再利用海水或空气换热完全气化后送至膨胀透平机做功发电；冷媒经换热后经过增压泵加压，再送至气化器使冷媒完全气化，气化后的冷媒送至膨胀透平机做功发电。该法发电效率高，冷能回收率保持在50%左右，综合造价低，是目前使用最广泛的的一种冷能发电方式。

3 工程实例

鉴于联合发电法冷能回收率较高，本文以某LNG冷能发电项目为例，用联合发电工艺流程进行模拟。以系统的净输出功为评价指标，对系统的工质及工艺参数进行对比分析，为LNG冷能发电流程的优化提供依据。LNG气化输出终端为2.0 MPa（G）天然气管网。

经接收站LNG低压泵输出的的原料参数见表2：

表2 LNG低压泵输出原料参数

3.1 循环工质的选择

将朗肯循环应用于LNG冷能回收循环流程，循环工质的选择对冷能的利用率至关重要。工质可以是单组份甲烷、乙烷或者丙烷，也可以是它们的混合物，其物性要达到一定的要求，即在LNG的温度范围内不凝固，具有良好的流动性和传热性能，比热容大，临界温度高于环境温度。

工质的选择要以“优化冷热流体的换热曲线匹配、减少㶲损失”为目的。工质的冷凝特性曲线直接关系到冷热流体换热过程中的㶲损失。LNG是多组分混合物，当工质的凝结曲线与LNG的气化曲线一致时，才能使LNG气化释放出的冷量尽可能多的被工质吸收。单一组分工质的气化、冷凝过程与LNG的气化曲线不匹配，在换热过程中㶲损失较大；但通过调整混合工质的组分，可以使工质的冷凝曲线尽可能的与LNG的气化曲线相匹配，因此，采用混合工质更有利于冷量的回收。

为了得到较高的冷能利用率，经过模拟计算和分析，本实例采用甲烷、乙烷、丙烷按一定比例的混合物作为循环工质，其温度-热负荷曲线与原料LNG更匹配。

3.2 构建低温朗肯循环发电模型

基于朗肯循环的LNG冷能发电模型见图5。

图5 联合法LNG冷能发电模型

系统包括一级相对独立的循环，将LNG携带的低温位的冷量转移给气化膨胀后的工质，冷凝后的工质经泵加压，再经海水完全气化，进入膨胀机做功，带动发动机发电。经工质气化后的LNG具有较大的压力㶲，这部分压力㶲通过直接膨胀来回收其中的能量。

3.2.1 工质蒸发器出口温度对系统性能的影响

维持LNG气化后的温度不变，通过改变工质蒸发温度，对比工质蒸发器出口温度对系统净输出功的影响，模拟结果见表3。

表3 不同工质蒸发器出口温度对应的系统净输出功

根据模拟数值绘制不同工质蒸发器出口温度对系统净输出功的影响变化曲线，见图6。

图6 蒸发器出口温度对系统净输出功的影响

由图6可知，系统的净输出功随着工质蒸发器出口温度的增大而增大，近似成线性关系，但这一温度受到热源的影响。当装置仅有海水做热源时，取蒸发器海水入口温度为20 ℃，冷热流股最小换热温差取5 ℃，则工质最大蒸发温度仅为10 ℃，此时系统净输出功为14887 kW；当装置有高温凝液作为热源时时，假定蒸发器凝液入口温度为50 ℃，工质最大蒸发温度可达到35 ℃，此时系统净输出功为19824 kW，比用海水做热源时提高了33.2%。因此，应充分利用就近装置的热源，提高系统的净输出功。值得注意的是，工质均为有机物，蒸发器出口温度不能过高，否则，可能造成工质性质的改变。

3.2.2 工质冷凝温度对系统净输出功的影响

改变工质冷凝温度，维持LNG膨胀机和泵的操作参数不变，得到循环工质膨胀功率见表4。