王超

（中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海市 普陀區(qū) 200063）

0 引言

天然氣作為高效、清潔、優(yōu)質(zhì)的能源，其開(kāi)發(fā)和利用受到越來(lái)越多的重視。天然氣的輸送除了通過(guò)陸上長(zhǎng)輸管道之外，也可通過(guò)將其液化為液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)進(jìn)行海上運(yùn)輸。但 LNG在利用過(guò)程中須將其氣化，氣化過(guò)程釋放大量的冷能，經(jīng)計(jì)算–162 ℃的 LNG經(jīng)氣化后釋放的冷能為779～840 kJ/kg。大型接收站LNG氣化常采用海水開(kāi)架式氣化器或中間介質(zhì)管殼式氣化器，以周邊海水作為最終熱源，在北方地區(qū)，作為冬季備用和調(diào)峰，還需要配備浸沒(méi)燃燒式氣化器，直接燃燒天然氣作為熱源[1]。這一方面浪費(fèi)了寶貴的冷能資源，另一方面由于排放低溫海水造成冷污染，影響周?chē)Ｓ蚣暗貐^(qū)的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀[2]。

LNG冷能利用的途徑很多，其中冷能發(fā)電是一個(gè)重要方式。LNG冷能發(fā)電常以海水、低溫廢熱或太陽(yáng)能等作為高溫?zé)嵩?，?LNG冷能作為低溫?zé)嵩?，采用中間介質(zhì)構(gòu)建朗肯發(fā)電循環(huán)[3-6]。此外還有直接膨脹法和聯(lián)合法發(fā)電等技術(shù)。

LNG冷能還能結(jié)合燃?xì)猕C蒸汽聯(lián)合發(fā)電循環(huán)，用于冷卻進(jìn)口空氣溫度及降低循環(huán)冷卻水溫度，以提高機(jī)組出力和效率[7-10]。進(jìn)口空氣溫度對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響很大，進(jìn)口空氣溫度升高，空氣質(zhì)量流量下降，壓氣機(jī)耗功增大，燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電功率及發(fā)電效率下降[11]。一般進(jìn)氣溫度每下降 5.5 ℃，燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力提高2.5%[8]。凝汽器真空是影響汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要因素之一，電站凝汽器一般運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：凝汽器真空每下降 1 kPa，汽輪機(jī)汽耗會(huì)增加1.5%～2.5%。而其中冷卻水初溫直接影響真空，在冷卻水流量一定的情況下，隨著冷卻水初溫升高，凝汽器的真空相應(yīng)降低[12]。此外，燃?xì)猕C蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠的循環(huán)冷卻水會(huì)造成熱污染，而LNG海水氣化會(huì)造成冷污染，如將二者結(jié)合考慮，即將冷能用于降低電廠循環(huán)冷卻水，不僅可以提高凝汽器真空進(jìn)而提高電廠的整體效率，還可以減少冷污染和熱污染對(duì)環(huán)境造成的破壞[7]。因此，LNG接收站與燃?xì)怆姀S結(jié)合，具有天然的優(yōu)勢(shì)。在日本，約有半數(shù)的 LNG接收站與發(fā)電廠相鄰而建，部分LNG接收站還配套有LNG冷能利用工廠[13]。

1 結(jié)合燃?xì)猕C蒸汽聯(lián)合循環(huán)的 LNG 冷能發(fā)電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文利用 LNG接收站冷能的朗肯發(fā)電循環(huán)與燃?xì)猕C蒸汽聯(lián)合發(fā)電循環(huán)結(jié)合，提出的系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)共分為三大部分，第1部分為 LNG氣化部分，LNG經(jīng)泵增壓后，經(jīng)過(guò)丙烷冷凝器吸收大部分熱量，然后再對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口空氣進(jìn)行冷卻，最后經(jīng)海水加熱到最低外輸溫度要求；第 2部分為丙烷朗肯循環(huán)，循環(huán)以 LNG為冷源，以凝汽器循環(huán)水為熱源，通過(guò)膨脹機(jī)進(jìn)行發(fā)電；第3部分為燃?xì)猕C蒸汽聯(lián)合循環(huán)，凝汽器循環(huán)水全部由丙烷蒸發(fā)器冷卻。

圖1 結(jié)合燃?xì)猕C蒸汽聯(lián)合循環(huán)的LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Diagram of power generating utilization of LNG cold energy integrated with gas turbine combined cycle

在以往燃?xì)猕C蒸汽聯(lián)合循環(huán)利用LNG接收站冷能的研究中，LNG冷能用于通過(guò)換熱器降低電站循環(huán)水溫度，高能低用，高品質(zhì)冷能并不能得到有效利用。本系統(tǒng)引入低溫朗肯循環(huán)，以燃?xì)猕C蒸汽聯(lián)合循環(huán)凝汽器循環(huán)水作為熱源，以 LNG低溫段冷能作為冷源，充分利用高品質(zhì)冷能；LNG高溫段冷能則通過(guò)以乙二醇水溶液為中間介質(zhì)的換熱器對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)入口空氣進(jìn)行冷卻，實(shí)現(xiàn)“溫度對(duì)口、高能高用、低能低用”的梯級(jí)利用。

此外，在以往研究中，LNG冷能主要用于改善大型燃?xì)猕C蒸汽聯(lián)合循環(huán)(1 000 MW級(jí))，由于電站循環(huán)冷卻水量很大，LNG接收站冷能往往并不能全部替換電站的循環(huán)水[3]，汽輪機(jī)排汽仍受環(huán)境溫度影響。本系統(tǒng)根據(jù) LNG氣化規(guī)模選定聯(lián)合循環(huán)容量，使得朗肯循環(huán)蒸發(fā)器和聯(lián)合循環(huán)凝汽器二者循環(huán)水換熱量匹配一致，循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉式循環(huán)且不受環(huán)境溫度影響。

在選擇冷能發(fā)電方式時(shí)，由于國(guó)內(nèi)大型LNG接收站氣化后大多進(jìn)入高壓外輸管網(wǎng)，管網(wǎng)壓力較高，如采用直接膨脹法或聯(lián)合法，則膨脹后的天然氣壓力無(wú)法滿足外輸管網(wǎng)的壓力要求[14]。因此，對(duì)于國(guó)內(nèi)大型 LNG接收站，采用中間介質(zhì)的朗肯發(fā)電循環(huán)是一個(gè)合理的選擇。

1.2 朗肯循環(huán)工質(zhì)的選取

朗肯循環(huán)中間介質(zhì)的選擇較為重要，一般遵循以下原則[15]：1）在使用溫度范圍內(nèi)不凝固，臨界溫度應(yīng)要高于環(huán)境溫度；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，常溫下不造成異常高壓；5）安全性能好；6）經(jīng)濟(jì)型好；7）符合環(huán)保要求。文獻(xiàn)[16-18]對(duì)多種工質(zhì)構(gòu)建低溫朗肯循環(huán)進(jìn)行研究，認(rèn)為丙烷在各方面表現(xiàn)較為良好，是理想的循環(huán)工質(zhì)。目前日本及臺(tái)灣多數(shù)已投運(yùn)的 LNG冷能電站也大多采用高純度丙烷作為循環(huán)工質(zhì)。因此本文采用丙烷作為循環(huán)工質(zhì)。

1.3 系統(tǒng)模擬和參數(shù)選定

本文采用HYSYS軟件對(duì)系統(tǒng)LNG氣化部分和丙烷朗肯循環(huán)部分進(jìn)行模擬，燃?xì)猕C蒸汽聯(lián)合循環(huán)部分則采用 GT-PRO軟件進(jìn)行模擬。不同的LNG接收站，其LNG來(lái)源組分和外輸壓力不同，本系統(tǒng)根據(jù)文獻(xiàn)[19]，選定上海 LNG接收站的LNG組分和外輸壓力建立系統(tǒng)模型。系統(tǒng)根據(jù)該接收站規(guī)模(一期 300萬(wàn) t/a)，選用 LM2500+G4型燃?xì)廨啓C(jī)，配套選用雙壓、無(wú)再熱自然循環(huán)余熱鍋爐以及抽汽/補(bǔ)汽、冷凝式蒸汽輪機(jī)[20]。凝汽器循環(huán)水溫差設(shè)定為8 ℃，凝汽器端差為6 ℃，丙烷蒸發(fā)器和冷凝器傳熱端差均為5 ℃，以循環(huán)水冷水溫度20 ℃為例，通過(guò)GT-PRO軟件計(jì)算循環(huán)水流量為3 117 t/h。為確保丙烷冷凝壓力高于大氣壓力，丙烷的冷凝溫度須高于其沸點(diǎn)(–42.09 ℃)，以冷凝溫度–40 ℃為例，其冷凝壓力為111.4 kPa。由上述條件，通過(guò) HYSYS軟件計(jì)算朗肯循環(huán)所需LNG氣化流量為194 t/h，接近上海LNG接收站冷能發(fā)電裝置LNG氣化速率205 t/h的規(guī)模[19]。整個(gè)系統(tǒng)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 朗肯循環(huán)冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)的影響

在循環(huán)水流量(3117 t/h)及冷熱水溫度(冷水溫度20 ℃，熱水溫度28 ℃)一定的情況下，朗肯循環(huán)冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)的影響局限于朗肯循環(huán)本身。

冷凝溫度對(duì) LNG氣化流量和丙烷工質(zhì)流量的影響見(jiàn)圖2，由圖2可見(jiàn)，隨著冷凝溫度的降低，LNG流量有所升高，而丙烷流量反而減小。

冷凝溫度對(duì)朗肯循環(huán)凈輸出功率和凈效率的影響如圖3所示?？梢?jiàn)，隨著冷凝溫度的降低，循環(huán)凈輸出功率和凈效率均有所提升。這是因?yàn)椋跓嵩礂l件不變的情況下，冷凝溫度的降低可以減小膨脹機(jī)背壓，從而提高輸出功率和效率。最佳冷凝溫度可選擇實(shí)際操作過(guò)程中丙烷冷凝壓力始終高于大氣壓力的最低要求，避免冷凝器出現(xiàn)泄漏進(jìn)入空氣。

表1 系統(tǒng)參數(shù)配置Tab. 1 Configuration of system parameters

圖2 朗肯循環(huán)冷凝溫度對(duì)LNG流量和丙烷流量的影響Fig. 2 Effect of condensation temperature in Rankine’s cycle on the flowrate of LNG and propane

2.2 循環(huán)水溫度對(duì)系統(tǒng)的影響

在丙烷冷凝溫度(–40 ℃)一定的情況下，循環(huán)水溫度對(duì)系統(tǒng)的影響比較復(fù)雜。一方面，循環(huán)水溫度升高意味著朗肯循環(huán)熱源溫度升高，進(jìn)而增加朗肯循環(huán)輸出功率及效率；另一方面，循環(huán)水溫度升高會(huì)降低蒸汽輪機(jī)凝汽器排汽真空，進(jìn)而降低蒸汽輪機(jī)輸出功率和效率。

圖3 朗肯循環(huán)冷凝溫度對(duì)凈輸出功率和凈效率的影響Fig. 3 Effect of condensation temperature in Rankine’s cycle on the net power output and net efficiency

凝汽器循環(huán)水溫差設(shè)定為8 ℃，凝汽器端差為6 ℃，丙烷蒸發(fā)器端差為5 ℃，循環(huán)水冷水溫度對(duì) LNG氣化流量和丙烷工質(zhì)流量的影響見(jiàn)圖4，由圖4可知，隨著循環(huán)水冷水溫度的升高，LNG流量和丙烷流量都將減小，但二者幅度都不大。

圖4 循環(huán)水冷水溫度對(duì)LNG流量和丙烷流量的影響Fig. 4 Effect of cold circulating water temperature on the flowrate of LNG and propane

循環(huán)水冷水溫度對(duì)朗肯循環(huán)的凈輸出功率和凈效率影響如圖5所示。循環(huán)水冷水溫度的升高，將大幅提高朗肯循環(huán)的輸出功率和凈效率，如圖5可知，當(dāng)冷水溫度從12 ℃升高到28 ℃，凈輸出功率從3 193 kW提高到4 138 kW。

圖5 循環(huán)水冷水溫度對(duì)朗肯循環(huán)凈輸出功率和凈效率的影響Fig. 5 Effect of cold circulating water temperature on the net power output and net efficiency of Rankine’s cycle

循環(huán)水冷水溫度對(duì)蒸汽輪機(jī)發(fā)電功率和朗肯循環(huán)+蒸汽輪機(jī)總發(fā)電功率的影響見(jiàn)圖6，隨著循環(huán)水冷水溫度的升高，凝汽器真空降低，汽輪機(jī)排汽背壓升高，相應(yīng)蒸汽輪機(jī)輸出功率減少。而對(duì)朗肯循環(huán)+蒸汽輪機(jī)二者總的發(fā)電功率進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，由于綜合了冷水溫度對(duì)朗肯循環(huán)的影響，當(dāng)循環(huán)水冷水溫度從12 ℃升高到28 ℃，總功率從16 900 kW降低到16 740 kW，降低幅度并不大。為達(dá)到最大發(fā)電功率，循環(huán)水最佳溫度可以根據(jù)凝汽器最佳真空度來(lái)確定。

圖6 循環(huán)水冷水溫度對(duì)蒸汽輪機(jī)輸出功率和朗肯循環(huán)+蒸汽輪機(jī)輸出功率的影響Fig. 6 Effect of cold circulating water temperature on the power output of steam turbine and Rankine’s cycle + steam turbine

由于循環(huán)水溫度可控且不受環(huán)境溫度影響，系統(tǒng)避免了循環(huán)水溫度波動(dòng)對(duì)汽輪機(jī)輸出功率和效率的影響，可以維持凝汽器始終在最佳真空度下運(yùn)行，簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)控制的同時(shí)還可以保證最大發(fā)電效率。此外，由于循環(huán)水采用閉式循環(huán)系統(tǒng)，有效降低了海水雜質(zhì)對(duì)換熱器潔凈度的影響，保證了換熱效率，延長(zhǎng)了換熱器壽命。

3 結(jié)論

1）本文將利用LNG接收站冷能的朗肯發(fā)電循環(huán)和燃?xì)猕C蒸汽聯(lián)合發(fā)電循環(huán)結(jié)合，實(shí)現(xiàn) LNG冷能梯級(jí)利用；系統(tǒng)根據(jù) LNG氣化規(guī)模確定燃?xì)猕C蒸汽聯(lián)合循環(huán)容量，使得朗肯循環(huán)蒸發(fā)器和燃?xì)猕C蒸汽聯(lián)合循環(huán)凝汽器二者循環(huán)水換熱量匹配一致，循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉式循環(huán)，避免了循環(huán)水溫度波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。

2）對(duì)影響系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示：在循環(huán)水流量及溫度一定的情況下，隨著朗肯循環(huán)冷凝溫度的降低，朗肯循環(huán)凈輸出功率和凈效率均有提升，最佳冷凝溫度可選擇實(shí)際操作過(guò)程中丙烷冷凝壓力始終高于大氣壓力的最低要求；在朗肯循環(huán)冷凝溫度一定的情況下，隨著循環(huán)水溫度的提高，朗肯循環(huán)的輸出功率和凈效率都將提高，而蒸汽輪機(jī)輸出功率減少，但朗肯循環(huán)和蒸汽輪機(jī)二者總的輸出功率卻變化不大，循環(huán)水最佳溫度可以根據(jù)凝汽器最佳真空度來(lái)確定。

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