LNG冷能發(fā)電工質(zhì)選擇與參數(shù)優(yōu)化①

張 超　金海剛　邵國芬　卜曉玲　張琪林　范海英

海工英派爾工程公司

LNG冷能發(fā)電工質(zhì)選擇與參數(shù)優(yōu)化①

張 超金海剛邵國芬卜曉玲張琪林范海英

海工英派爾工程公司

摘要以某公司LNG冷能發(fā)電項(xiàng)目為優(yōu)化對象，采用HYSYS流程模擬軟件對循環(huán)工質(zhì)及參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬結(jié)果表明，甲烷、乙烷和丙烷混合工質(zhì)的最大發(fā)電量高于各單質(zhì)工質(zhì)，混合工質(zhì)配比不同，凈發(fā)電量不同，混合工質(zhì)配比存在一個(gè)最佳值。在混合工質(zhì)中，增加丙烷含量或甲烷/乙烷比例，發(fā)電量均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。運(yùn)行參數(shù)影響發(fā)電量，膨脹機(jī)入口壓力的變化對系統(tǒng)凈發(fā)電量的影響程度小于膨脹機(jī)出口壓力，隨膨脹機(jī)出口壓力的增加，發(fā)電量呈先增加后降低的趨勢，而且同一工質(zhì)的最大凈發(fā)電量所對應(yīng)的膨脹機(jī)出口壓力相同。

關(guān)鍵詞液化天然氣冷能發(fā)電工質(zhì)選擇參數(shù)優(yōu)化

隨著能源需求的日益增大以及環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)以其高效、清潔的性能和廣泛的用途成為21世紀(jì)的主要能源之一。從能源需求及能源安全角度考慮，我國在沿海地區(qū)陸續(xù)建立了一批LNG接收站。LNG終端大多是以氣態(tài)的形式加以利用，這需要把LNG氣化，LNG蘊(yùn)含830~860 MJ/t的冷量，構(gòu)建冷能發(fā)電系統(tǒng)是利用LNG冷量的主要方式之一。日本開展LNG冷能發(fā)電研究較早，早在20世紀(jì)70年代末便出現(xiàn)了利用氟利昂作為循環(huán)工質(zhì)的LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)，臺(tái)灣永安LNG接收站也建有大型冷能電站。日本多數(shù)冷能電站和臺(tái)灣永安冷能電站都采用高純度丙烷作為循環(huán)工質(zhì)，其冷能利用率一般較低，日本東京瓦斯公司冷能利用率為42%，臺(tái)灣永安冷能電站冷能利用率僅為14%[1-2]。

低溫Rankine循環(huán)發(fā)電是一種比較高效合理的冷能發(fā)電方式，循環(huán)工質(zhì)的選擇直接影響LNG冷量回收效率的高低。因此，工質(zhì)的選擇是人們研究的重點(diǎn)[3]。循環(huán)工質(zhì)主要分為單一工質(zhì)和混合工質(zhì)，單一工質(zhì)主要包括甲烷、乙烷、丙烷或乙烯等有機(jī)物。由于單一工質(zhì)在沸騰、凝結(jié)過程中與LNG的溫位曲線不匹配，在換熱過程中火用損失較大，冷能利用率較低，一般不超過25%。混合工質(zhì)可以使得循環(huán)工質(zhì)冷凝曲線與LNG蒸發(fā)曲線相匹配，冷火用損失減少，循環(huán)效率提高，混合工質(zhì)通常為甲烷、乙烷、丙烷等按一定的比例配制的混合物[4-10]。工質(zhì)的選擇應(yīng)以完善換熱流體曲線相匹配，減少冷火用損失為目的，然而目前專門針對低溫動(dòng)力循環(huán)的工質(zhì)選擇研究比較少，工質(zhì)選擇還存在很大的優(yōu)化空間[3,11]。

除循環(huán)工質(zhì)因素外，系統(tǒng)操作參數(shù)也是影響LNG冷能發(fā)電效率的關(guān)鍵因素，但實(shí)際對這方面的文獻(xiàn)報(bào)道研究還比較少。本文以模擬設(shè)計(jì)某單位180 t/h LNG冷能發(fā)電項(xiàng)目為基礎(chǔ)，以系統(tǒng)的凈發(fā)電量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對系統(tǒng)的工質(zhì)和工藝參數(shù)進(jìn)行分析，為LNG冷能發(fā)電的優(yōu)化提供依據(jù)。

1LNG冷能發(fā)電工藝流程

LNG冷能發(fā)電工藝基本流程如圖1所示。海水作為熱源，高壓工質(zhì)在蒸發(fā)器與海水換熱被氣化后進(jìn)入膨脹機(jī)做功發(fā)電，做功后的低壓工質(zhì)氣體在換熱器與LNG換熱冷卻成液體，然后通過工質(zhì)泵加壓，進(jìn)入換熱器預(yù)熱，完成一個(gè)Rankine循環(huán)。

本發(fā)電項(xiàng)目以海水作為熱源，海水的溫度決定了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度為15 ℃，LNG的質(zhì)量流量為180 t/h。選用甲烷、乙烷、丙烷、乙烯以及不同配比的甲烷、乙烷和丙烷的混合物作為循環(huán)工質(zhì)，比較不同的工質(zhì)對凈發(fā)電量的影響，同時(shí)對混合工質(zhì)的不同配比進(jìn)行分析，并對其操作工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。工質(zhì)泵的絕熱效率ηp和膨脹機(jī)的效率ηt都取75%。

2工藝參數(shù)確定

2.1循環(huán)工質(zhì)參數(shù)設(shè)定

對于冷能發(fā)電系統(tǒng)，采用板翹式換熱器，換熱器的最小傳熱溫差一般取3~5 ℃[12]，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)最小溫差為3 ℃。

本項(xiàng)目中LNG進(jìn)口溫度為-150 ℃，膨脹機(jī)入口高壓滿足工質(zhì)在15 ℃條件下完全氣化，膨脹機(jī)出口低壓滿足工質(zhì)換熱冷卻后完全液化。

2.2工質(zhì)的蒸發(fā)溫度

盡管文獻(xiàn)報(bào)道[13-14]工質(zhì)的蒸發(fā)溫度和發(fā)電量密切相關(guān)，當(dāng)LNG參數(shù)確定后，熱源海水溫度是發(fā)電的主要因素，蒸發(fā)溫度越高，系統(tǒng)發(fā)電量越大，但是本項(xiàng)目以海水作為蒸發(fā)器的熱源，這就限制了蒸發(fā)溫度，本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度為15 ℃。以上限制要求只能從工質(zhì)和工況出發(fā)，優(yōu)化流程，提高發(fā)電量。

3工質(zhì)選擇與參數(shù)優(yōu)化

低溫冷能發(fā)電系統(tǒng)多采用低沸點(diǎn)有機(jī)物作為工質(zhì)，工質(zhì)的選擇是人們研究的重點(diǎn)。工質(zhì)的選擇一般遵循以下原則[8-10]：

①在使用溫度范圍內(nèi)不凝固，臨界溫度應(yīng)高于熱源溫度；

②比熱容大， 傳熱特性好；

③冷凝壓力應(yīng)高于大氣壓力，避免冷凝器出現(xiàn)真空造成泄漏，同時(shí)減小冷凝器運(yùn)行成本；

④性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下不產(chǎn)生異常高壓；

⑤安全性能好；

⑥經(jīng)濟(jì)性好；

⑦符合環(huán)保要求。

3.1單一工質(zhì)工藝

選擇常用的單一工質(zhì)甲烷、乙烷、丙烷和乙烯作為循環(huán)工質(zhì)，通過HYSYS流程模擬計(jì)算，并對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，比較各工質(zhì)的凈發(fā)電量。表1是甲烷、乙烷、丙烷和乙烯作為循環(huán)工質(zhì)凈發(fā)電量與工藝參數(shù)的對比。

表1 不同單質(zhì)工質(zhì)主要參數(shù)Table1 Mainparametersofcryogenicpowergenerationwithdifferentworkingfluids工質(zhì)膨脹前壓力/kPa膨脹后壓力/kPa介質(zhì)流量/(kg·h-1)冷卻溫度/℃凈發(fā)電量/kW甲烷4000140050200-122.51250乙烯3700800182000-65.22928乙烷3400500207000-55.73558丙烷750150243000-38.13415

表1 HYSYS模擬結(jié)果表明，最優(yōu)條件下，從甲烷工質(zhì)到丙烷工質(zhì)，膨脹前后壓力參數(shù)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，介質(zhì)流量增大，冷卻溫度升高；最大凈發(fā)電量由大到小的順序?yàn)椋阂彝?丙烷>乙烯>甲烷。膨脹壓力、介質(zhì)流量直接影響設(shè)備選型，決定實(shí)際工程的建設(shè)成本；冷卻溫度是一個(gè)比較重要的參數(shù)，會(huì)直接影響實(shí)際工作量，同時(shí)還會(huì)影響泵的選型；凈發(fā)電量直接決定生產(chǎn)效益，是優(yōu)化的最重要的參數(shù)之一。因此，綜合考慮，乙烷和丙烷是最佳的循環(huán)單質(zhì)工質(zhì)。

3.2混合工質(zhì)工藝

3.2.1混合工質(zhì)配比對發(fā)電量的影響

混合工質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)工質(zhì)冷凝曲線與LNG氣化曲線更好的匹配。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)[8-10]，混合工質(zhì)的不同配比會(huì)影響混合工質(zhì)的冷凝曲線，從而影響冷凝曲線與LNG蒸發(fā)曲線的匹配，進(jìn)而影響冷能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。通過圖2中乙烷工質(zhì)與甲烷、乙烷和丙烷按物質(zhì)的量比5∶3∶2比例混合而成的混合工質(zhì)在優(yōu)化工作狀況下(膨脹后壓力分別為500 kPa和800 kPa)的T-Q(溫度-熱負(fù)荷)曲線對比發(fā)現(xiàn)，混合工質(zhì)匹配更優(yōu)。因此，優(yōu)化混合工質(zhì)的配比是提高發(fā)電量的有效手段之一。

本項(xiàng)目通過考察不同甲烷、乙烷和丙烷配比對凈發(fā)電量的影響來優(yōu)化混合工質(zhì)配比，使凈發(fā)電量達(dá)到最大值?？疾煸诓煌募淄?乙烷比例條件下，丙烷含量的變化對發(fā)電量的影響；考察一定丙烷含量條件下，甲烷/乙烷比例變化對發(fā)電量的影響，進(jìn)而得出最優(yōu)配比。

不同甲烷/乙烷配比條件下，丙烷含量變化對LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)最大凈發(fā)電量的影響如圖3所示。

由圖3可以看出，在不同甲烷/乙烷配比條件下，隨著丙烷含量的增加，凈發(fā)電量均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。這主要是由于丙烷介質(zhì)的汽化潛熱低，傳熱效果較好，適當(dāng)增加丙烷含量有助于凈發(fā)電量的提高；當(dāng)丙烷含量高于最大凈發(fā)電量所對應(yīng)的丙烷含量時(shí)，隨著丙烷含量的增加，凈發(fā)電量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，這是由于丙烷介質(zhì)含量增加，介質(zhì)流量增大，泵能耗增加，同時(shí)丙烷介質(zhì)含量增加，混合介質(zhì)沸點(diǎn)升高，相同蒸發(fā)器出口溫度(15 ℃)條件下為保證膨脹機(jī)入口為氣態(tài)，最大入口壓力降低，從而制約了凈發(fā)電量的增加。因此，在最優(yōu)混合介質(zhì)配比中，丙烷的含量應(yīng)在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)選取，既不能太高也不能太低。另外，在不同的甲烷/乙烷比例下，最大凈發(fā)電量所對應(yīng)的丙烷含量不同，甲烷/乙烷越大，最大凈發(fā)電量所對應(yīng)的丙烷含量越低。

在一定丙烷含量條件下(為避免丙烷含量過高影響發(fā)電量，此處取20%(y)，甲烷/乙烷比例變化對最大凈發(fā)電量的影響如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著甲烷/乙烷比例的增加，凈發(fā)電量呈先增加后降低的趨勢，甲烷/乙烷比例在1.5左右取得最大凈發(fā)電量7 468 kW。當(dāng)甲烷/乙烷比例低于1.5時(shí)，隨著甲烷/乙烷比例的增加，凈發(fā)電量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，這主要是由于甲烷的沸點(diǎn)小于乙烷，在高丙烷含量混合介質(zhì)中，膨脹機(jī)進(jìn)口壓力制約最大凈發(fā)電量的提高，較高的甲烷含量有助于膨脹機(jī)進(jìn)口最大壓力的提高，從而提高凈發(fā)電量。同時(shí)，甲烷/乙烷比例越大，介質(zhì)流量越小，泵功率越小，有助于凈發(fā)電量的提高；甲烷/乙烷比例過大時(shí)，甲烷的冷凝曲線與LNG的蒸發(fā)曲線匹配最差，甲烷含量過高不利于凈發(fā)電量的增加。因此，隨甲烷/乙烷比例增加，最大發(fā)電量呈先增加后降低的趨勢。

3.2.2工藝操作參數(shù)對發(fā)電量的影響

循環(huán)工質(zhì)確定后，運(yùn)行參數(shù)的選擇對LNG冷能發(fā)電量產(chǎn)生直接影響[15]，但實(shí)際文獻(xiàn)對這方面的研究報(bào)道還比較少。本文對冷能發(fā)電系統(tǒng)基本運(yùn)行參數(shù)展開分析，為LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考依據(jù)。

利用HYSYS流程模擬軟件進(jìn)行計(jì)算分析，膨脹前后壓力為自變量，其他參數(shù)確定后，考察膨脹前后壓力變化對冷能發(fā)電量的影響規(guī)律。

研究過程中，選取了兩種不同配比的混合工質(zhì)考察膨脹前后壓力變化對冷能發(fā)電量的影響規(guī)律，模擬結(jié)果如圖5和圖6所示。圖5是摩爾分?jǐn)?shù)分別為甲烷48%、乙烷42%、丙烷10%配比下，膨脹前后壓力變化對冷能發(fā)電量的影響；圖6是摩爾分?jǐn)?shù)分別為甲烷50%、乙烷30%、丙烷20%配比下，膨脹前后壓力變化對冷能發(fā)電量的影響。

由圖5、圖6可以看出，膨脹前后壓力變化對冷能發(fā)電量都會(huì)產(chǎn)生一定的影響，膨脹前壓力的影響程度小于膨脹后壓力的影響。結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，對于膨脹前壓力，并不是壓力越高，做功越大，這不同于預(yù)期的結(jié)果;對于膨脹后壓力，隨著壓力的增加，發(fā)電量呈先增加后降低的趨勢，同時(shí)，最大凈發(fā)電量所對應(yīng)的膨脹后壓力相同。因此，膨脹機(jī)發(fā)電后循環(huán)介質(zhì)壓力的選擇對于發(fā)電量的優(yōu)化尤其重要。

通過模擬還發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)膨脹機(jī)發(fā)電后循環(huán)介質(zhì)壓力和混合介質(zhì)配比有很大關(guān)系，混合介質(zhì)中重組分越多，最優(yōu)膨脹機(jī)發(fā)電后循環(huán)介質(zhì)壓力越高。

4結(jié) 論

LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)的研究對于節(jié)約能源，提高能效有重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)凈發(fā)電量受循環(huán)工質(zhì)和運(yùn)行參數(shù)的影響，針對混合工質(zhì)配比、膨脹前后壓力等參數(shù)對凈發(fā)電量的影響進(jìn)行分析，確定了工質(zhì)配比和參數(shù)優(yōu)化原則，得到以下結(jié)論：

(1) 混合工質(zhì)系統(tǒng)凈發(fā)電量高于單質(zhì)工質(zhì)，且混合工質(zhì)配比不同系統(tǒng)凈發(fā)電量不同，混合工質(zhì)配比存在最佳值。在研究甲烷、乙烷和丙烷混合工質(zhì)配比中發(fā)現(xiàn)，增加丙烷含量，系統(tǒng)凈發(fā)電量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；保持丙烷含量一定，增大甲烷/乙烷比例，發(fā)電量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。

(2) 膨脹前壓力參數(shù)變化對系統(tǒng)凈發(fā)電量的影響程度小于膨脹后壓力對凈發(fā)電量的影響程度；膨脹后壓力從低壓到高壓，系統(tǒng)凈發(fā)電量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，而且同一工質(zhì)最大凈發(fā)電量所對應(yīng)的膨脹后壓力參數(shù)相同。

參 考 文 獻(xiàn)

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Selection of working fluid and parameters optimization for cryogenic power generation of LNG

Zhang Chao, Jin Haigang, Shao Guofen, Bu Xiaoling, Zhang Qilin, Fan Haiying

(Cooec-EnpalEngineeringCo.,Ltd,Qingdao266101,China)

Abstract:Taken a company’s LNG (liquefied natural gas) cryogenic power generation project as an optimized object, the selection of working fluid and optimization of parameters were simulated by Aspen HYSYS. The simulation results demonstrated that the mixture of methane, ethane and propane as working fluid has more power generation than single substance, different proportions of the mixture generate different net power, and there is an optimal proportion. In the mixed substance, increasing the proportions of the propane or methane/ethane, electricity production presents a tendency of lower after the first increase. Furthermore, operation parameters have a great influence on the power generation. In comparison with inlet pressure of expander, the outlet pressure has more influence on power generation. While the outlet pressure of expander increases, the power generation first increases and then decreases. Meanwhile, the maximum net power generation for the same working fluid appears under the same outlet pressure condition with the different inlet pressures.

Key words:liquefied natural gas (LNG), cryogenic power generation, selection of working fluid, parameter optimization

收稿日期：2014-12-03；修回日期：2015-03-16；編輯：康莉

中圖分類號(hào)：TK123

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2015.04.012

作者簡介：①張超(1987-)，男，山東濱州人，碩士，主要從事化工模擬設(shè)計(jì)與加氫工藝方面的研究工作。E-mail:zhangchao50@cnooc.com.cn