李 波，馬 強(qiáng)

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組中LNG冷能利用方案研究

李 波，馬 強(qiáng)

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

對(duì)LNG氣化站氣化釋放冷能的利用情況進(jìn)行介紹。首先對(duì)LNG氣化站制冷量進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，提出此部分冷能僅供在電廠內(nèi)循環(huán)利用的原則，然后結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行了工藝方案設(shè)計(jì)，包括冷卻燃機(jī)進(jìn)氣溫度，降低循環(huán)水溫、減少機(jī)力塔循環(huán)水量以及用于集中空調(diào)系統(tǒng)等方面，為此類(lèi)項(xiàng)目LNG冷能利用方式提供參考依據(jù)。

LNG；氣化站；冷能利用

0 引言

燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)項(xiàng)目作為分布式發(fā)電和區(qū)域能源系統(tǒng)的主要形式，是一種高效潔凈發(fā)電技術(shù)，能源利用效率可高達(dá)60%～61%，熱電冷多聯(lián)供系統(tǒng)更是可達(dá)75%以上；NOx排放質(zhì)量濃度降低到10 mg／m3以下，幾乎沒(méi)有 SOx和粉塵排放，CO2排放也只有超臨界燃煤電站的40%［1］。而要達(dá)到高效的能源利用，無(wú)論是高品位的蒸汽熱能還是低品位的冷能，都應(yīng)當(dāng)?shù)玫匠浞掷谩?/p>

天然氣在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冷卻至-162℃后，經(jīng)過(guò)脫水、脫酸處理，成為液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG），其密度約為氣態(tài)天然氣的620倍，故液化天然氣更有利于長(zhǎng)距離運(yùn)輸。LNG在氣化站通過(guò)氣化器氣化后使用，氣化時(shí)放出很大的冷量，其值大約為 830~870 kJ／kg（氣化潛熱和顯熱之和，見(jiàn)圖 1）［2］。這部分冷量如果不加以利用，不僅會(huì)白白浪費(fèi)，而且直接排放還會(huì)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。如何通過(guò)特定的工藝技術(shù)將LNG氣化釋放出的冷能充分利用已備受重視。

圖1 溫度與LNG冷能的關(guān)系曲線

1 項(xiàng)目背景

某省建設(shè)2套多軸“一拖一”60 MW級(jí)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，采用LNG作為主燃料，氣化站緊鄰該廠，LNG氣化后通過(guò)管道直接輸送至廠區(qū)調(diào)壓站使用。每臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)消耗燃?xì)饬考s13 250 m3／h；同步建設(shè)1臺(tái)25 t／h燃?xì)鈧溆幂o助鍋爐，耗氣量約為 1 400 m3／h，總的燃?xì)夂牧考s為 27 900 m3／h。 此項(xiàng)目中，若將液化天然氣氣化至5℃，估算能夠產(chǎn)生4.8 MW的冷量。利用好這部分冷量，對(duì)提高項(xiàng)目的能源綜合利用率具有十分重要的作用。

LNG冷能的綜合利用途徑如表1所示［3］。實(shí)現(xiàn)LNG氣化冷能的綜合利用，關(guān)鍵在于先期規(guī)劃或同步建設(shè)可供接收的用戶。由于本項(xiàng)目周邊暫時(shí)沒(méi)有冷量用戶，LNG氣化冷能僅供在電廠內(nèi)循環(huán)利用。

表1 冷能利用的主要途徑

2 LNG氣化冷能利用方式

2.1 冷卻燃機(jī)進(jìn)氣

燃機(jī)壓氣機(jī)入口環(huán)境溫度對(duì)熱耗、功率的影響如圖2所示。燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率與進(jìn)氣的質(zhì)量流量密切相關(guān)。由于進(jìn)氣容積一定，進(jìn)氣溫度升高時(shí)，空氣密度下降，質(zhì)量流量減小，燃機(jī)輸出功率降低，相對(duì)效率也會(huì)下降［4］。從圖2可以看出，進(jìn)氣溫度每上升10℃，燃機(jī)出力約下降3%。

由于本項(xiàng)目主燃料為L(zhǎng)NG，LNG的氣化和燃機(jī)的運(yùn)行是同時(shí)的，可以實(shí)現(xiàn)冷能的供需同步，不必考慮空分或冷庫(kù)技術(shù)等帶來(lái)的下游冷量需求波動(dòng)等問(wèn)題；與冷能發(fā)電相比，僅需增加換熱單元，轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備少，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資和運(yùn)行成本更低，大大改善聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

圖3給出了利用LNG冷能冷卻燃機(jī)進(jìn)口空氣的工藝流程，通常LNG儲(chǔ)存的溫度是-160℃，壓力為0.105 MPa［5］。在換熱器中利用乙二醇溶液將氣化冷能傳導(dǎo)給燃機(jī)壓縮機(jī)進(jìn)口空氣，降低壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度，并不需要額外的耗能。

圖2 壓氣機(jī)入口環(huán)境溫度對(duì)熱耗、功率的影響（60 MW級(jí)燃機(jī)，氣體燃料，100%負(fù)荷）

圖3 LNG氣化冷能供燃機(jī)進(jìn)口空氣冷卻系統(tǒng)

從圖2可以看出，若LNG冷能將燃機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)口溫度降低10℃，可使聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力將增加約2 MW。但空氣的含濕量增加使系統(tǒng)的阻力增加，系統(tǒng)熱耗約將降低0.2%。另外，燃機(jī)進(jìn)口溫度也不能太低，一般不小于15℃，所以冬季時(shí)進(jìn)氣冷卻裝置應(yīng)當(dāng)停運(yùn)，此時(shí)LNG冷能不能利用，但仍會(huì)增加燃機(jī)進(jìn)口阻力，降低冬季工況的出力。同時(shí)，增加燃機(jī)進(jìn)氣冷卻裝置，會(huì)提高初投資及日常的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)［2］。因此，考慮綜合能源利用效率以及運(yùn)行維護(hù)便宜性，此種LNG冷能利用方式不具優(yōu)勢(shì)。

2.2 冷能回收至循環(huán)水系統(tǒng)

本項(xiàng)目循環(huán)水系統(tǒng)采用母管制，2臺(tái)機(jī)配置3臺(tái)循環(huán)水泵和2座機(jī)械通風(fēng)冷卻塔。2×60 MW機(jī)組的額定純凝及額定供熱工況循環(huán)水量見(jiàn)表2。

表2 2×60 MW機(jī)組主要工況循環(huán)水量

從循環(huán)水回水管道引出1根DN350管道，進(jìn)入LNG冷能回收換熱器降溫，降溫后的循環(huán)水不再進(jìn)入機(jī)力塔噴淋，直接進(jìn)入冷卻塔水池，冷能回收至循環(huán)水系統(tǒng)見(jiàn)圖4。

圖4 冷能回收至循環(huán)水系統(tǒng)

LNG氣化能夠產(chǎn)生的冷量約為4.8 MW，以總體換熱效率以90%計(jì)算：

額定純凝工況下，回收的冷能可取代約429 m3／h循環(huán)水由32.22℃降至23.6℃；

額定供熱工況下，回收的冷能可取代約773 m3／h循環(huán)水由28.39℃降至23.6℃。

由于進(jìn)塔循環(huán)水量減少，冷卻塔風(fēng)吹和蒸發(fā)損失的水量也相應(yīng)減少：

額定純凝工況下，風(fēng)吹損失減少約0.43 m3／h，蒸發(fā)損失減少約5.25 m3／h，循環(huán)水排污量減少約1.32 m3／h，總體節(jié)水約 7.00 m3／h；

額定供熱工況下，風(fēng)吹損失減少約0.77 m3／h，蒸發(fā)損失減少約5.26 m3／h，循環(huán)水排污量減少約0.98 m3／h，總體節(jié)水約 7.01 m3／h。

此外，由于進(jìn)入機(jī)力塔的循環(huán)水量減少，機(jī)力塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量可相應(yīng)減小，進(jìn)而可以減少風(fēng)機(jī)電耗，節(jié)省廠用電。

2.3 LNG冷能用于集中空調(diào)系統(tǒng)

如圖5所示，LNG用于集中空調(diào)供冷系統(tǒng)中具體工藝流程為：LNG進(jìn)入換熱器A與一級(jí)冷媒 （例如：乙二醇溶液）換熱升溫形成天然氣進(jìn)入天然氣管網(wǎng)，供后續(xù)用戶燃燒使用。一級(jí)冷媒在換熱器B中與空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)水進(jìn)行熱交換，制取集中空調(diào)制冷所需5℃冷水，供空調(diào)用戶用冷。

圖5 LNG用于集中空調(diào)供冷系統(tǒng)工藝流程

60 MW分布式燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)項(xiàng)目一般采用余熱鍋爐尾部煙氣制取的熱水驅(qū)動(dòng)溴化鋰制冷機(jī)獲取空調(diào)制冷用水，并設(shè)置水冷螺桿式電制冷機(jī)組作為備用，設(shè)計(jì)制冷量為1.6 MW。LNG氣化站所釋放的冷能可以完全滿足能源站內(nèi)自身空調(diào)制冷負(fù)荷，這樣余熱鍋爐尾部熱水換熱器的熱水可用于其他用途，比如對(duì)外提供生活熱水。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，LNG冷能適用于空調(diào)制冷。同時(shí)，考慮到LNG氣化站檢修期間無(wú)法釋放冷能的情況，LNG冷能利用方式可劃分為3種模式：LNG承擔(dān)全部制冷負(fù)荷、LNG承擔(dān)部分制冷負(fù)荷、LNG不承擔(dān)制冷負(fù)荷。

模式一：LNG承擔(dān)全部制冷負(fù)荷。在LNG回收冷量完全滿足建筑物空調(diào)系統(tǒng)使用工況下，管殼式與空溫式氣化器共同承擔(dān)冷負(fù)荷，現(xiàn)有制冷站內(nèi)的熱水型溴化鋰或水冷螺桿機(jī)組停止運(yùn)行。通過(guò)控制冷凍水泵循環(huán)水流量來(lái)確保進(jìn)入空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水溫度維持在5℃。通過(guò)控制管網(wǎng)前的氣態(tài)LNG壓力來(lái)調(diào)節(jié)氣化量，以確保達(dá)到預(yù)定的氣化效果。圖6和表3為冷能利用系統(tǒng)的運(yùn)行模式及閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

圖6 LNG承擔(dān)全部制冷負(fù)荷時(shí)運(yùn)行模式

表3 LNG承擔(dān)全部制冷負(fù)荷時(shí)閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)

模式二：制冷主機(jī)與LNG氣化冷量供應(yīng)聯(lián)合。在液化天然氣氣化回收冷量無(wú)法完全滿足集中空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷需求時(shí)，液化天然氣冷能利用系統(tǒng)與廠內(nèi)制冷站中的熱水型溴化鋰機(jī)組或水冷螺桿機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行，空溫式氣化器、空調(diào)系統(tǒng)制冷主機(jī)以及新增的管殼式氣化器聯(lián)合實(shí)現(xiàn)LNG的氣化過(guò)程。通過(guò)控制管網(wǎng)前的氣態(tài)LNG壓力來(lái)調(diào)節(jié)管殼式氣化器的氣化量，以確保預(yù)定的氣化效果；通過(guò)調(diào)整冷凍水泵循環(huán)水流量來(lái)確保進(jìn)入空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水溫度在 5℃；通過(guò)調(diào)整管殼式氣化器的冷凍水出水流量，確保進(jìn)入空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水溫度在5℃；圖7和表4為冷能利用系統(tǒng)的運(yùn)行模式及閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

圖7 LNG承擔(dān)部分制冷負(fù)荷時(shí)運(yùn)行模式

表4 LNG承擔(dān)部分制冷負(fù)荷時(shí)閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)

模式三：制冷主機(jī)獨(dú)立供冷。在LNG回收冷量無(wú)法使用工況下，能源站廠內(nèi)制冷站中的熱水型溴化鋰機(jī)組或水冷螺桿機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行。此模式下，管殼式氣化器停止運(yùn)行。集中空調(diào)制冷側(cè)采用調(diào)整冷凍水泵循環(huán)流量的方式來(lái)確保進(jìn)入空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水溫度在5℃。此模式下，冷能利用系統(tǒng)的運(yùn)行原理及閥門(mén)切換如圖8和表5所示。

圖8 LNG不承擔(dān)制冷負(fù)荷時(shí)運(yùn)行模式

表5 LNG不承擔(dān)部分制冷負(fù)荷時(shí)閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)

通過(guò)以上比較，可以看出：

1）LNG冷量回收系統(tǒng)在采用兩級(jí)能量傳遞時(shí)，能夠根據(jù)負(fù)荷大小選取合適的冷量回收，具有可調(diào)節(jié)性強(qiáng)、匹配性好的特點(diǎn)，可用于建筑空調(diào)系統(tǒng)；

2）在存在冷用戶需求時(shí)，可采用二次冷媒與集中空調(diào)循環(huán)水直接換熱的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的直接傳遞；

3）模擬分析LNG冷量回收系統(tǒng)的3種運(yùn)行工況，確定閥門(mén)切換及匹配負(fù)荷的調(diào)節(jié)方式，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有更好的工程實(shí)用性。

總之，將LNG冷能用于集中空調(diào)系統(tǒng)一方面有利于節(jié)約電能消耗；另一方面又解決了LNG氣化需吸收外部熱量的問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)能量的多次利用。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合具體工程實(shí)例對(duì)冷能在冷卻燃機(jī)進(jìn)氣溫度、降低循環(huán)水溫與減少進(jìn)入機(jī)力塔循環(huán)水量，以及用于集中空調(diào)系統(tǒng)等方面的利用方案進(jìn)行了技術(shù)比較分析。經(jīng)過(guò)比較，冷能利用于降低循環(huán)水溫、減少進(jìn)入機(jī)力塔循環(huán)水量的方案系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單，能量也可以得到充分利用，效果最好，具有更強(qiáng)的實(shí)用性。在具體的利用過(guò)程中，還是應(yīng)當(dāng)根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)采取最適宜的方式，達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益、循環(huán)利用能量的目的。

［1］蔣洪德，任靜，李雪英，等.重型燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（29）：5 096-5 102.

［2］王欣，阮剛，周瓊.LNG冷能在燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組中的利用［J］.能源與環(huán)境，2013（1）：30-31.

［3］陳賡良.小型LNG氣化站的冷能利用［J］.石油與天然氣化工，2013，42（6）：588-593.

［4］姜周曙，胡亞才，繆盛華.燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析［J］.熱力發(fā)電，2007，36（2）：5-8.

［5］暨穗磷，彭艷.液化天然氣（LNG）冷能用于冷卻發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣的分析［J］.能源技術(shù)，2005，26（4）：182-184.

Study on Utilization Schemes of Cold Energy in Gas and Steam Combined Cycle Project

LI Bo，MA Qiang
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corp.，Ltd.，Jinan 250013，China）

This paper introduces cold energy utilization schemes in LNG gasification station.First，analysis is carried out to estimate how much cold energy can be obtained from LNG gasification process.The cold energy should be recycled and used only in the plant area.Then，three technical schemes for different application areas：cooling inlet air of gas turbine，cooling and reducing circulating water，and driving centralized air conditioning system combined with actual engineering examples are discussed.This paper summaries the experience obtained from the project illustrated above，providing reference and guidance for the future LNG cold energy utilization of this kind of project.

LNG；gasification station；cold energy utilization

TM611.31

B

1007－9904（2017）11－0047－05

2017-06-01

李 波（1985），男，工程師，從事發(fā)電工程熱機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。