LNG冷能發電模式分析

任 錦 惠生工程（中國）有限公司北京分公司 北京 100020

天然氣作為一種新型、清潔、高效的優質能源，受到各個能源消費大國的重視，其用途主要體現在發電、用作生活燃料及工業燃料、化工行業原料、生產化肥、合成纖維等方面。目前世界天然氣探明儲量已經接近石油儲量，隨著世界石油、煤炭等資源逐漸減少，生態環境的惡化加劇，天然氣將逐步成為可利用的主要能源之一。

1 LNG冷能特性分析

隨著我國對環境保護的重視，LNG作為一種清潔、高效的新能源，越來越受到青睞。天然氣在進行遠距離運輸時，往往以常壓、-162 ℃的液態形式儲存。在LNG接收站，又需要將其氣化為常溫下的高壓氣體送至天然氣管網，在氣化過程中，LNG將釋放大量冷能。冷能是指在常溫環境中利用一定的溫差所得到的低溫能量，即LNG所具備的溫差勢能。傳統氣化方式直接將冷能釋放到環境中，造成了極大的能量浪費，回收冷能并將其再利用已成為新焦點。

1.1 LNG的冷?及其影響因素

?是當熱力學系統的狀態與給定的環境狀態不平衡時，系統所具有的在理論上能夠轉換為可用功的那部分能量。?是以環境作為基準所取的相對量，在可逆過程中，?和能量一樣是守恒的。但任何實際過程都是不可逆的，必然有部分?損失，不能轉化為可用能，由此可見，?分析是系統能量分析的一個重要方法，應用?分析揭示LNG冷量回收系統內不可逆損失的分布及大小，可為合理利用冷量提供重要的理論指導。

LNG是以含甲烷為主，并含少量氮氣、乙烷、丙烷等組分的低溫液態混合物，與外界環境存在著溫度差和壓力差，其冷量等于LNG變化到與外界平衡狀態所能獲得的能量。LNG的冷?Ex包括一定壓力下由熱不平衡引起的低溫?Ex,th和環境溫度下由壓力不平衡引起的壓力?Ex,p，即：

其中： Ex,th = Ex（T,p） － Ex（T0,p）

Ex,p = Ex（T0,p） － Ex（T0,p0）

影響LNG冷?大小的主要因素取決于環境溫度、壓力以及LNG的組成。

LNG低溫?、壓力?和總冷?均隨環境溫度的升高而增大。其冷?利用效率與環境溫度有較大關系，環境溫度升高，LNG冷?值也隨之增大。

LNG低溫?隨系統壓力的增大而減小，而壓力?隨系統壓力的增大而增大。這主要有以下兩點原因：①由于系統壓力增大，液體混合物的泡點溫度升高，使之達到環境熱平衡的溫差減??；②隨著壓力的增大，液體混合物接近臨界區，致使氣化潛熱減小。LNG總冷?是壓力?和低溫?的總和，其值也隨著系統壓力的增大而減小。

當系統壓力和環境溫度不變時，LNG低溫?和壓力?均隨甲烷含量的增加而增大。這是因為系統壓力一定時，混合物的泡點溫度隨甲烷含量的增加而降低，增大了達到環境溫度熱平衡的溫差，使低溫?增大，且隨著甲烷含量的增加，氣體混合物分子量降低，使得單位質量混合物的壓力?增大。因此，隨著甲烷含量的增加，LNG總冷?也隨之增大。

由此可知，應根據LNG的用途去選擇合適的冷量回收途徑。當LNG氣化后用作管道氣時，提升壓力較高（2～10 MPa），可充分利用其壓力?；當LNG氣化后供電廠發電用時，氣化壓力較低（0.5～1.0 MPa），壓力?較小，低溫?較大，此時可充分利用其低溫?。本文討論LNG冷能發電模式，因此，應選擇低溫?較大的冷量回收途徑。

1.2 LNG的氣化特性

在不同壓力下，LNG的氣化T（溫）－S（熵）曲線見圖1。

圖1 LNG氣化特性曲線

由圖1可知，LNG的氣化經過液相段、兩相潛熱段和氣相段三部分。不同的區段呈現出不同的氣化特性，因此，在對其冷能進行回收時，應按區段進行考慮，增大低溫?的回收率。

以4 MPa（G）的氣化過程為例，環境溫度t0=20℃。LNG初始溫度tin進入循環系統，此時LNG具有的低溫?為ex（in）；溫度tout離開循環系統時，LNG具有的低溫?為ex（out），該過程中單位質量LNG釋放的低溫?ex（c）可表示為：ex（c）=ex（out）－ex（in）=（hout－hin）－t0（Sout－Sin）。LNG氣化過程各區段低溫?值見表1。

表1 LNG氣化過程各區段低溫?值

從表1可以看出，單位質量的LNG在液相段和兩相潛熱段釋放的低溫?占氣化過程低溫?總量的89.3%，因此，最大程度地利用液相段和兩相潛熱段的低溫?，即可有效增大冷量回收率，提高冷能發電的利用率。

2 LNG冷能發電的原理

LNG冷能發電屬于對LNG冷能的直接利用，以電能的形式回收LNG的冷能。如前所述，冷能發電主要是利用其液相段和兩相潛熱段的低溫?，回收冷量的方法主要有：直接膨脹法、二次冷媒法（即中間載熱體的朗肯循環）和聯合法。

2.1 直接膨脹法

如圖2所示，利用低溫泵對LNG加壓，再在蒸發器內與海水換熱轉化為高壓氣體，然后通過膨脹透平機把壓力能轉化為機械能，再由發電機將機械能轉化為電能。該法循環過程簡單，所需設備少，可回收的動力大小取決于膨脹前后氣體的壓力比；但由于LNG的低溫冷量沒有充分被利用，故其對外做功較少，效率不高，冷能回收率僅24%，每噸LNG冷能僅能產生20 kWh左右的電能，發電功率小。

圖2 直接膨脹法發電工藝

2.2 二次冷媒法

二次冷媒法是利用中間載熱體（即冷媒）的朗肯循環冷能發電。朗肯循環即是以蒸汽為工質的一種理想動力循環過程，該過程可簡化為可逆定壓冷卻過程，見圖3。

圖3 二次冷媒法發電工藝

將朗肯循環運用到LNG冷能發電流程中，經透平膨脹后的低壓氣相冷媒在冷凝器中被LNG凝結成液體，再經冷媒泵升壓后加熱氣化變成高壓氣相冷媒，高壓蒸汽經透平膨脹成低壓氣體，同時對外輸出功，帶動發動機發電。在此循環過程中，利用LNG的冷量將低壓氣相冷媒冷凝成液相。

該法的冷能回收率在34%左右，高于直接膨脹法。但由于冷媒的冷凝曲線不可能與LNG的氣化曲線完全重合，高于冷凝溫度的這部分LNG冷量沒有得到利用，致使其回收效率受到了限制。

2.3 聯合法

聯合法綜合了直接膨脹法和二次冷媒法兩種方式，相當于兩個不同的發電系統同時發電，可以使高于冷媒冷凝溫度的那部分LNG冷量得到充分利用。聯合法發電工藝見圖4。

圖4 聯合法發電工藝

LNG經低溫泵加壓后通過冷媒換熱器，溫度有所升高的LNG再利用海水或空氣換熱完全氣化后送至膨脹透平機做功發電；冷媒經換熱后經過增壓泵加壓，再送至氣化器使冷媒完全氣化，氣化后的冷媒送至膨脹透平機做功發電。該法發電效率高，冷能回收率保持在50%左右，綜合造價低，是目前使用最廣泛的的一種冷能發電方式。

3 工程實例

鑒于聯合發電法冷能回收率較高，本文以某LNG冷能發電項目為例，用聯合發電工藝流程進行模擬。以系統的凈輸出功為評價指標，對系統的工質及工藝參數進行對比分析，為LNG冷能發電流程的優化提供依據。LNG氣化輸出終端為2.0 MPa（G）天然氣管網。

經接收站LNG低壓泵輸出的的原料參數見表2：

表2 LNG低壓泵輸出原料參數

3.1 循環工質的選擇

將朗肯循環應用于LNG冷能回收循環流程，循環工質的選擇對冷能的利用率至關重要。工質可以是單組份甲烷、乙烷或者丙烷，也可以是它們的混合物，其物性要達到一定的要求，即在LNG的溫度范圍內不凝固，具有良好的流動性和傳熱性能，比熱容大，臨界溫度高于環境溫度。

工質的選擇要以“優化冷熱流體的換熱曲線匹配、減少?損失”為目的。工質的冷凝特性曲線直接關系到冷熱流體換熱過程中的?損失。LNG是多組分混合物，當工質的凝結曲線與LNG的氣化曲線一致時，才能使LNG氣化釋放出的冷量盡可能多的被工質吸收。單一組分工質的氣化、冷凝過程與LNG的氣化曲線不匹配，在換熱過程中?損失較大；但通過調整混合工質的組分，可以使工質的冷凝曲線盡可能的與LNG的氣化曲線相匹配，因此，采用混合工質更有利于冷量的回收。

為了得到較高的冷能利用率，經過模擬計算和分析，本實例采用甲烷、乙烷、丙烷按一定比例的混合物作為循環工質，其溫度-熱負荷曲線與原料LNG更匹配。

3.2 構建低溫朗肯循環發電模型

基于朗肯循環的LNG冷能發電模型見圖5。

圖5 聯合法LNG冷能發電模型

系統包括一級相對獨立的循環，將LNG攜帶的低溫位的冷量轉移給氣化膨脹后的工質，冷凝后的工質經泵加壓，再經海水完全氣化，進入膨脹機做功，帶動發動機發電。經工質氣化后的LNG具有較大的壓力?，這部分壓力?通過直接膨脹來回收其中的能量。

3.2.1 工質蒸發器出口溫度對系統性能的影響

維持LNG氣化后的溫度不變，通過改變工質蒸發溫度，對比工質蒸發器出口溫度對系統凈輸出功的影響，模擬結果見表3。

表3 不同工質蒸發器出口溫度對應的系統凈輸出功

根據模擬數值繪制不同工質蒸發器出口溫度對系統凈輸出功的影響變化曲線，見圖6。

圖6 蒸發器出口溫度對系統凈輸出功的影響

由圖6可知，系統的凈輸出功隨著工質蒸發器出口溫度的增大而增大，近似成線性關系，但這一溫度受到熱源的影響。當裝置僅有海水做熱源時，取蒸發器海水入口溫度為20 ℃，冷熱流股最小換熱溫差取5 ℃，則工質最大蒸發溫度僅為10 ℃，此時系統凈輸出功為14887 kW；當裝置有高溫凝液作為熱源時時，假定蒸發器凝液入口溫度為50 ℃，工質最大蒸發溫度可達到35 ℃，此時系統凈輸出功為19824 kW，比用海水做熱源時提高了33.2%。因此，應充分利用就近裝置的熱源，提高系統的凈輸出功。值得注意的是，工質均為有機物，蒸發器出口溫度不能過高，否則，可能造成工質性質的改變。

3.2.2 工質冷凝溫度對系統凈輸出功的影響

改變工質冷凝溫度，維持LNG膨脹機和泵的操作參數不變，得到循環工質膨脹功率見表4。

表4 不同工質冷凝溫度對應的系統凈輸出功

根據模擬數值繪制工質冷凝溫度對系統凈輸出功的影響變化曲線，見圖7。

圖7 工質冷凝溫度對系統凈輸出功的影響

由圖7可知，在LNG與工質流量一定的情況下，系統的凈輸出功隨著工質冷凝溫度的降低而增大，即LNG傳遞給工質的冷量隨著工質冷凝溫度的降低而增加，回收的冷量變多。（注：此處的冷凝溫度指混合工質全凝時的溫度）。

4 結語

（1）冷能發電裝置的操作相對靈活，產品僅為電能，不存在運輸、儲存和銷售的問題，可以使裝置盡可能的滿負荷運行，全廠的操作穩定性較好；且裝置全過程啟動、停車較快，負荷調節靈活，受LNG冷源供應影響較小。

（2） 冷能發電是無污染排放的產生電能的裝置，能夠減少城市污染、保護環境，其與LNG接收站聯合能夠起到節能降耗的作用，特別符合國家產業發展的政策導向。

（3）LNG冷能用于發電是高效利用LNG冷能的一種形式。不同發電工藝的冷能利用率不同，對低溫朗肯循環法進行優化改進，選擇合適的工質和循環系統，針對不同的熱源溫度和冷凝溫度區間優選方案，可最大限度地回收冷量。