周英寶，趙永鋒

(中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

1 概述

目前我國已投產(chǎn)22座LNG接收站，共計(jì)接卸能力9035萬t/a。接收站中的LNG與海水換熱氣化外輸并入燃?xì)夤芫W(wǎng)輸送給終端用戶，氣化過程中釋放出的830kJ/kg被海水帶走排入海中，這部分冷能如果能得到合理應(yīng)用，不僅能減少氣化所需的能耗，還能創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)降低對(duì)周圍環(huán)境的污染。

目前，關(guān)于LNG冷能的利用方式，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，常用的LNG冷能利用方式包括空調(diào)制冷、海水淡化、空氣分離、冷能直接發(fā)電、提高熱電效率、輕烴分離、冷藏、制冰、橡膠粉碎、冷凍食品等。日本是LNG冷能利用技術(shù)最發(fā)達(dá)的國家，日本對(duì)LNG冷能利用主要在低溫發(fā)電、空氣分離、制造液態(tài)CO2、干冰以及低溫冷庫，韓國的LNG冷能主要用于空氣液化分離和食品冷凍兩個(gè)方面。部分冷能利用方式在國內(nèi)建成的接收站內(nèi)也有應(yīng)用，廣東大鵬LNG接收站的冷能利用項(xiàng)目包括：空氣分離、建設(shè)人造滑雪場以及海水淡化等，福建莆田L(fēng)NG接收站主要利用冷能進(jìn)行空氣液化分離和橡膠粉碎，其余在建或已建成的LNG接收站大部分都有冷能利用用地預(yù)留，但是沒有配套建設(shè)合適的冷能利用裝置。

在LNG冷能利用過程中，還存在很多的局限性，對(duì)于空氣液化分離、輕烴分離、海水淡化、冷庫等項(xiàng)目，作為LNG冷能無法正常供給時(shí)的備用，其所有的電制冷裝置必須全部保留，整個(gè)裝置設(shè)備投資大，冷能利用節(jié)省的電費(fèi)短期無法彌補(bǔ)建設(shè)、運(yùn)行過程中的成本，LNG接收站本身不愿意投資建設(shè)，只能依靠產(chǎn)業(yè)之間的相互配套，其冷能利用方式具有局限性。

鑒于以上技術(shù)現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)一種梯級(jí)利用LNG冷能的發(fā)電及生產(chǎn)液氮系統(tǒng)，利用LNG的高品質(zhì)冷量冷卻氮?dú)庵频靡旱?，升溫后的LNG繼續(xù)進(jìn)入朗肯循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電，利用Aspen HYSYS軟件建模，對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行模擬計(jì)算，分析所設(shè)計(jì)LNG冷能利用系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的效率。

2 LNG冷能利用系統(tǒng)工藝流程

所設(shè)計(jì)的LNG冷能利用系統(tǒng)主要是利用冷能進(jìn)行發(fā)電和生產(chǎn)液氮，系統(tǒng)中螺桿膨脹機(jī)、氮?dú)鈮嚎s機(jī)、發(fā)電/電動(dòng)一體機(jī)同軸相連組成三機(jī)組，將朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)和氮?dú)鈮嚎s節(jié)流制液氮系統(tǒng)進(jìn)行耦合，朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)采用單級(jí)循環(huán)兩級(jí)膨脹的形式對(duì)外做功，二次螺桿膨脹機(jī)為氮?dú)鈮嚎s機(jī)提供動(dòng)力，剩余的動(dòng)力分配至發(fā)電/電動(dòng)一體機(jī)發(fā)電，如果螺桿膨脹機(jī)的功率不足，發(fā)電/電動(dòng)一體機(jī)作為電動(dòng)機(jī)輸出功率。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)LNG冷能的梯級(jí)利用，利用LNG的高品質(zhì)冷量制得溫度更低的液氮，升溫后的LNG繼續(xù)進(jìn)入朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電。

工藝流程圖如圖1所示：

1.氮?dú)忸A(yù)冷器;2.氮?dú)獬跫?jí)冷卻器;3.氮?dú)饫鋮s器;4.氮?dú)饣旌掀?5.朗肯循環(huán)系統(tǒng);5.1.循環(huán)工質(zhì)再熱器;5.2.初次膨脹機(jī);5.3.循環(huán)工質(zhì)氣化器;5.4.循環(huán)工質(zhì)泵;5.5.循環(huán)工質(zhì)罐;5.6.循環(huán)工質(zhì)冷凝器;5.7.二次膨脹機(jī);5.8一級(jí)發(fā)電機(jī);6.氮?dú)鈮嚎s機(jī);7.電動(dòng)/發(fā)電一體機(jī);8.節(jié)流閥;9.常壓液氮儲(chǔ)罐;10.常壓液氮節(jié)流閥;11.液氮儲(chǔ)罐;12.氣液分離器;13.氮?dú)饫淠鳌?/p>

3 模擬計(jì)算

3.1 模擬計(jì)算條件

接收站中的LNG根據(jù)成分分為貧液和富液，其摩爾分?jǐn)?shù)如下表所示。

表1 接收站中LNG組成成分

接收站中的LNG主要成分如表1所示，本文只對(duì)LNG接收站中貧液的工作情況進(jìn)行模擬，富液的工作規(guī)律與貧液相同，只是在效率和發(fā)電量上有差別。

通過篩選，選用乙烷、丙烷、乙烯按照一定比例組成的混合物作為朗肯循環(huán)工質(zhì)，混合工質(zhì)乙烷、丙烷、乙烯比例為1∶1∶8(物質(zhì)的量比)。海水的溫度取年平均溫度18℃，海水進(jìn)出口溫差設(shè)計(jì)要求不大于5℃，規(guī)定換熱器和蒸發(fā)器的最小換熱溫差不低于5℃。根據(jù)海水的溫度情況，確定朗肯循環(huán)工質(zhì)的蒸發(fā)溫度為13℃，循環(huán)工質(zhì)進(jìn)膨脹機(jī)的壓力為13℃條件下的飽和蒸氣壓。整個(gè)系統(tǒng)的輸入條件如表2所示。

表2 系統(tǒng)輸入條件

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)際工作過程中，控制工藝流程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的參數(shù)，關(guān)鍵點(diǎn)見圖1 LNG冷能利用系統(tǒng)工藝流程圖，各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的參數(shù)條件如表3。

表3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工藝參數(shù)

利用上述條件數(shù)據(jù)，建立Aspen HYSYS計(jì)算模型，對(duì)整個(gè)冷能回收過程進(jìn)行計(jì)算，分析比較三種的工質(zhì)的特點(diǎn)。

3.2 模擬計(jì)算結(jié)果

3.2.1 恒定流量比條件下系統(tǒng)運(yùn)行情況

所設(shè)計(jì)的LNG冷能利用系統(tǒng)中LNG分別從氮?dú)饫鋮s器和氮?dú)饫淠鬟M(jìn)入系統(tǒng)，當(dāng)進(jìn)入氮?dú)饫鋮s器和氮?dú)饫淠鞯腖NG的物質(zhì)的量比例為1∶5.017時(shí)，出氮?dú)饫鋮s器和氮?dú)饫淠鞯腖NG溫度相同升高至-130℃。固定氮?dú)饫鋮s器和氮?dú)饫淠鞯腖NG的物質(zhì)的量比例為1∶5.017，研究LNG流量對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

圖2 LNG流量與功率關(guān)系

圖3 LNG流量與液氮產(chǎn)量關(guān)系

從圖2中可以看出，進(jìn)入系統(tǒng)的LNG流量與氮?dú)鈮嚎s機(jī)功率、膨脹機(jī)總功率、系統(tǒng)凈功率均呈線性關(guān)系，氮?dú)鈮嚎s機(jī)功率、膨脹機(jī)總功率、系統(tǒng)凈功率隨著進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)的LNG流量增加而增加，從圖3中可以看出，液氮產(chǎn)量和進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)的LNG流量也呈線性關(guān)系，并且隨著LNG流量增大，液氮的產(chǎn)量也不斷增大。由于進(jìn)入氮?dú)饫鋮s器和氮?dú)饫淠鞯腖NG的物質(zhì)的量比例恒定，因此氮?dú)鈮嚎s機(jī)的功率和液氮產(chǎn)量只與進(jìn)入氮?dú)饫鋮s器的LNG流量或進(jìn)入氮?dú)饫淠鞯腖NG流量其中之一有關(guān)系。

3.2.2 不同流量比條件下系統(tǒng)運(yùn)行情況

LNG接收站運(yùn)行過程中，不同時(shí)段的外輸量有一定變化，為增加所設(shè)計(jì)冷能系統(tǒng)對(duì)變工況的調(diào)節(jié)能力，定義流量比為進(jìn)入氮?dú)饫淠鞯腖NG流量與進(jìn)入氮?dú)饫鋮s器的LNG流量之比，研究進(jìn)入氮?dú)饫鋮s器和氮?dú)饫淠鞯腖NG流量在不同流量比條件下運(yùn)行對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工況的影響。

從圖4中可以看出，進(jìn)入朗肯系統(tǒng)的LNG流量隨著流量比的增大(進(jìn)入氮?dú)饫淠鞯腖NG流量)而降低，同時(shí)其關(guān)系為非線性，主要是因?yàn)槌龅獨(dú)饫鋮s器和氮?dú)饫淠鞯腖NG流量和溫度變化不成比例，導(dǎo)致混合后溫度呈現(xiàn)非線性關(guān)系。

圖4 流量比與進(jìn)入朗肯系統(tǒng)LNG的溫度

在模擬計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)流量比降低至小于4.2時(shí)，氮?dú)饫淠鞯膿Q熱溫差不滿足設(shè)計(jì)要求，當(dāng)流量比為10時(shí)，進(jìn)入系統(tǒng)最大LNG流量是最小LNG流量的2倍，已經(jīng)能夠滿足調(diào)節(jié)的需要，因此流量比的調(diào)節(jié)范圍為4.2～10，當(dāng)進(jìn)入氮?dú)饫鋮s器和氮?dú)饫淠鞯腖NG的物質(zhì)的量比例為1∶5.017時(shí)，出氮?dú)饫鋮s器和氮?dú)饫淠鞯腖NG溫度相同，LNG混合后不會(huì)出現(xiàn)損失，即最佳流量比為5.017，通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在最佳流量比基礎(chǔ)上向流量增大的方向調(diào)節(jié)時(shí)可調(diào)節(jié)范圍更大。

假設(shè)進(jìn)入氮?dú)饫鋮s器的LNG流量為10kmole/h，研究不同流量比條件下LNG冷能利用系統(tǒng)的工作特性。

圖5 流量比與膨脹機(jī)總功率和凈功率關(guān)系

圖6 流量比與發(fā)電機(jī)功率之間的關(guān)系

從圖5和圖6中可以看出，在流量比發(fā)生變化時(shí)，膨脹機(jī)的總功率、系統(tǒng)輸出凈功率和發(fā)電機(jī)的功率均成線性關(guān)系，都是隨著流量比的增大而增大，從圖6中還可以看出，所設(shè)計(jì)的LNG冷能利用系統(tǒng)其發(fā)電量主要來自在于一級(jí)發(fā)電機(jī)即初次膨脹機(jī)做功，二次膨脹機(jī)做功主要用來帶動(dòng)氮?dú)鈮嚎s機(jī)，剩余功率傳遞至二級(jí)發(fā)電機(jī)。設(shè)置氮?dú)鈮嚎s機(jī)、二次膨脹機(jī)、二次發(fā)電機(jī)三機(jī)組可加強(qiáng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，在啟動(dòng)和運(yùn)行過程中，穩(wěn)定氮?dú)鈮嚎s機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

所設(shè)計(jì)的LNG冷能利用系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可以采用兩種調(diào)節(jié)方式應(yīng)對(duì)LNG流量的變化：第一，如果要求液氮的產(chǎn)量為恒定量，則進(jìn)入氮?dú)饫鋮s器的LNG流量必須要求恒定，當(dāng)LNG總外輸流量出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，可以調(diào)節(jié)進(jìn)入氮?dú)饫淠鞯腖NG流量，即調(diào)節(jié)流量比來保持整個(gè)冷能系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，流量比的調(diào)節(jié)見圖5、圖6；第二，如果冷能利用以發(fā)電為主，生產(chǎn)液氮作為輔助產(chǎn)物，則要求發(fā)電機(jī)的功率恒定，則需要同時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)入氮?dú)饫鋮s器的LNG流量和流量比，其調(diào)節(jié)過程如圖7所示，n為進(jìn)入氮?dú)饫鋮s器的LNG流量。

圖7 流量比與一級(jí)發(fā)電機(jī)之間的關(guān)系圖

假設(shè)目前的運(yùn)行工況處于在圖中A點(diǎn)，當(dāng)LNG總外輸量增加時(shí)，如果保持流量比不變，則進(jìn)入氮?dú)饫鋮s器的LNG流量升高，升高至B點(diǎn)或C點(diǎn)，為了保持發(fā)電機(jī)的功率恒定，必須要降低流量比即從B點(diǎn)到E點(diǎn)或從C點(diǎn)到D點(diǎn)，流量比是進(jìn)入氮?dú)饫淠鞯腖NG流量與進(jìn)入氮?dú)饫鋮s器的LNG流量之比，因此流量比雖然降低，但是氮?dú)饫淠鱈NG流量是升高的，即進(jìn)入LNG的總流量增加時(shí)，同時(shí)調(diào)節(jié)氮?dú)饫鋮s器的LNG流量和流量比可保持發(fā)電機(jī)的功率不變，但是液氮的產(chǎn)量會(huì)增加，所以通過分析可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的LNG冷能回收系統(tǒng)也可以在恒定發(fā)電功率條件下實(shí)現(xiàn)適應(yīng)LNG流量的變化。

根據(jù)熱力學(xué)第一、第二定律，能量在轉(zhuǎn)變過程中既不會(huì)增加也不會(huì)減少，但是品質(zhì)不同，能量品質(zhì)的高低可以用來衡量，是物質(zhì)從一定狀態(tài)經(jīng)過可逆過程與環(huán)境達(dá)到熱力學(xué)平衡過程時(shí)所做的最大有用功。

Ex=(H1-T0S1)-(H2-T0S2)

此處，下標(biāo)1和2分別表示天然氣(LNG)或氮?dú)?液氮)的初始和最終狀態(tài)，T0為環(huán)境溫度(25℃)，公式參數(shù)見表4。

表4 公式參數(shù)

膨脹機(jī)做功的總功率為31.14kW，工質(zhì)泵的消耗功率為1.946kW，氮?dú)鈮嚎s機(jī)的消耗功率為6.337kW，則系統(tǒng)剩余對(duì)外的做功功率為22.857kW。通過計(jì)算可得所設(shè)計(jì)LNG冷能利用系統(tǒng)的?效率為32.5%。

5 結(jié)果與討論

(1)鑒于目前LNG冷能利用方式存在投資大、工藝流程復(fù)雜、需產(chǎn)業(yè)相互配套以及接收站自身無法單獨(dú)運(yùn)行等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種LNG冷能利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過氮?dú)鈮嚎s機(jī)、膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)三機(jī)組的形式將制液氮系統(tǒng)和朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)耦合，有效降低了接收站自身運(yùn)行期間對(duì)外界的依賴。

(2)采用Aspen HYSYS軟件對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行過程進(jìn)行模擬，通過計(jì)算可得，氮?dú)鈮嚎s機(jī)的功率、膨脹機(jī)的總功率、凈功率和液氮產(chǎn)量均與進(jìn)入冷能利用系統(tǒng)的LNG流量成線性關(guān)系，并且隨著LNG流量的增大而增大。

(3)研究了流量比的變化對(duì)所設(shè)計(jì)LNG冷能利用系統(tǒng)的影響，通過研究隨著發(fā)現(xiàn)流量比與進(jìn)入朗肯系統(tǒng)的LNG溫度為非線性關(guān)系，流量比的調(diào)節(jié)范圍為4.2-10；所設(shè)計(jì)的LNG冷能利用系統(tǒng)可以有效適應(yīng)LNG外輸量的變化，其調(diào)節(jié)方式可分為兩種，第一，當(dāng)LNG總外輸量發(fā)生變化時(shí)，固定進(jìn)入氮?dú)饫鋮s器的LNG流量，調(diào)節(jié)流量比，使液氮的產(chǎn)量保持不變，則膨脹機(jī)功率、發(fā)電機(jī)功率以及凈功率均成線性變化；第二，當(dāng)LNG總外輸量發(fā)生變化時(shí)，可以同時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)入氮?dú)饫鋮s器的LNG流量和流量比，使發(fā)電機(jī)的功率保持不變，則液氮的產(chǎn)量發(fā)生線性變化。