劉梅梅 趙金文 劉鑫 劉兆起
中國(guó)石化勝利油田分公司勝利采油廠
《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》報(bào)告中指出,2020年天然氣在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占有的比例可以提高到10%。由于管道氣供應(yīng)不足,我國(guó)進(jìn)口了大量的液化天然氣(LNG)[1-2]。截至2017年9月,我國(guó)在青島、大連、江蘇等地建立了14座大型LNG接收站以及規(guī)模大小不等的LNG衛(wèi)星站1 181座[3]。LNG衛(wèi)星站的增長(zhǎng)速度和發(fā)展規(guī)模遠(yuǎn)高于LNG接收站。但對(duì)LNG衛(wèi)星站冷能利用的研究較少,常采用空溫式氣化器進(jìn)行氣化[4],除了造成資源浪費(fèi),在站內(nèi)也容易形成冷霧,冷霧會(huì)腐蝕站內(nèi)設(shè)備,影響工作人員身體健康。合理有效地利用LNG衛(wèi)星站冷能是保證LNG產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提。
LNG衛(wèi)星站通常建設(shè)在邊遠(yuǎn)偏僻地區(qū),建站規(guī)模小,LNG冷能具有流量小、波動(dòng)大、下游管網(wǎng)壓力低等特點(diǎn)[5]。LNG衛(wèi)星站冷能利用項(xiàng)目應(yīng)具有投資較小、工藝流程簡(jiǎn)單、操作靈活的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于周邊有可利用工業(yè)余熱的衛(wèi)星站,可將其作為氣化熱源[6-8],反之,則可用太陽(yáng)能作為氣化熱源[9-11]?;诖?,筆者提出了LNG冷能與太陽(yáng)能聯(lián)合發(fā)電循環(huán),并對(duì)該循環(huán)的性能進(jìn)行研究。整個(gè)循環(huán)分為L(zhǎng)NG冷能發(fā)電系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng),并采用直接膨脹發(fā)電法,使用瞬時(shí)系統(tǒng)模擬軟件搭建太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)模型,采用太陽(yáng)能并輔助電能加熱的自來(lái)水作為L(zhǎng)NG氣化的熱源。
整個(gè)聯(lián)合發(fā)電循環(huán)流程如圖1所示。該流程分為兩個(gè)系統(tǒng):LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要設(shè)備包括太陽(yáng)能集熱器、儲(chǔ)熱水箱、輔助加熱器和集熱泵。集熱泵將循環(huán)水輸送至太陽(yáng)能集熱器,升溫后的水進(jìn)入儲(chǔ)熱水箱,若是儲(chǔ)熱水箱出水溫度不滿(mǎn)足生產(chǎn)要求,再經(jīng)過(guò)輔助加熱器加熱,最后輸送給LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)。LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)主要設(shè)備包括LNG泵、各級(jí)換熱器和透平膨脹機(jī)。
1.2.1LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置
直接膨脹法發(fā)電流程簡(jiǎn)單,占地面積小,特別適用于小型氣化站。缺點(diǎn)是發(fā)電效率較低,而使用多級(jí)膨脹流程可以提高發(fā)電效率[12-13]?;谶@樣的思路,對(duì)直接膨脹法進(jìn)行改進(jìn),使用模擬軟件搭建LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)模型,如圖2所示。
采用HYSYS軟件進(jìn)行模擬,狀態(tài)方程選用PR方程,泵和透平膨脹機(jī)的絕熱效率分別取80%和90%,膨脹機(jī)無(wú)發(fā)電損失。換熱器管程、殼程壓力損失取10 kPa,不計(jì)換熱損失,最小換熱溫差大于3 ℃,對(duì)數(shù)平均溫差大于10 ℃。以LNG為冷源,質(zhì)量流量為320 kg/h,LNG組成的摩爾分?jǐn)?shù)分別為CH490.38%、C2H65.37%、C3H64.04%和N20.21%。以太陽(yáng)能熱水為熱源,總質(zhì)量流量為1 500 kg/h,溫度為75 ℃。表1為L(zhǎng)NG冷能發(fā)電系統(tǒng)物流參數(shù)。
表1 LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)
1.2.2太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置
圖3為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)模型,循環(huán)水進(jìn)入儲(chǔ)熱水箱底層經(jīng)管道輸送至循環(huán)水泵,增壓后的循環(huán)水進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器后溫度升高,再進(jìn)入儲(chǔ)熱水箱上層。水箱上層的高溫?zé)崴M(jìn)入混水閥,若熱水溫度在75 ℃以上,自來(lái)水會(huì)進(jìn)入混水閥與熱水混合,將熱水溫度調(diào)節(jié)至75 ℃;若熱水溫度低于75 ℃,熱水將進(jìn)入電輔助加熱器加熱至75 ℃,最后輸送給下級(jí)用戶(hù)。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要分為兩部分,一部分是實(shí)線表示的太陽(yáng)能熱水制備系統(tǒng),主要部件包括太陽(yáng)能集熱器、輔助加熱器、循環(huán)水泵、儲(chǔ)熱水箱、溫控分流器和混水閥;另一部分是虛線表示的信息傳輸系統(tǒng),主要部件包括計(jì)算器、積分器、打印器、在線輸出設(shè)備、溫差控制器和天氣文件等。
(1)太陽(yáng)能集熱器。采用太陽(yáng)能集熱器中Type 72b部件,為平板型集熱器。集熱器的瞬間效率曲線截距取0.78,一階熱損失系數(shù)和二階熱損失系數(shù)分別取13 kJ/(h·m2· ℃)和0.05 kJ/(h·m2· ℃)。太陽(yáng)能集熱器熱效率表達(dá)式如式(1)所示。根據(jù)GB 50364-2018《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》算得太陽(yáng)能集熱器面積,計(jì)算方法見(jiàn)式(2)。
(1)
式中:η為太陽(yáng)能集熱器熱效率,%;η0為集熱器瞬間效率曲線截距;a1為集熱器斜率,一階熱損失系數(shù),kJ/(h·m2· ℃);a2為集熱器斜率,二階熱損失系數(shù),kJ/(h·m2· ℃);Δt為集熱器進(jìn)出口溫差,℃;IT為太陽(yáng)輻照強(qiáng)度,W/m2。
(2)
式中:AC為集熱板總面積,m2;QW為每日平均用水量,kg;CW為水的定壓比熱容,4.19 kJ/(kg· ℃);tend為貯水箱內(nèi)設(shè)定的水的加熱最終溫度,取75 ℃;t為水的初始溫度,℃;f為太陽(yáng)能的保證率,一般取30%~80%,見(jiàn)表2;JT為當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄?yáng)輻射日照量,kJ/m3;ηcd為集熱器年平均集熱效率,一般取0.25~0.50;ηL為貯水箱和管路的換熱損失率,%。
表2 不同資源區(qū)太陽(yáng)能保證率推薦取值范圍
按年平均冷水溫度為15.1 ℃算得平均熱水負(fù)荷和太陽(yáng)能集熱器面積,見(jiàn)表3和表4。
表3 平均熱水負(fù)荷計(jì)算
表4 太陽(yáng)能集熱器面積計(jì)算
(2)集熱泵。采用動(dòng)力模型組中Type 3d部件,集熱泵的詳細(xì)設(shè)計(jì)見(jiàn)表5。
表5 集熱泵設(shè)計(jì)計(jì)算
(3)儲(chǔ)熱水箱。采用熱能儲(chǔ)存裝置模型組中Type 4c部件,根據(jù)GB 50364-2018中的規(guī)定,儲(chǔ)熱水箱有效容積按式(3)計(jì)算。以拉薩為例,其單位集熱面積日產(chǎn)熱水量為70 L,儲(chǔ)熱水箱的容積為61.62 m3。
Vrx=qrjd×Ai
(3)
式中:Vrx為儲(chǔ)熱水箱的有效容積,L;qrjg為單位面積集熱器平均日產(chǎn)溫升30 ℃熱水量的容積,L/(m2·d),可根據(jù)集熱器額定產(chǎn)品參數(shù)確定,無(wú)條件時(shí)可按照表6設(shè)計(jì);Ai為集熱器總面積,m2。
表6 單位集熱器總面積日產(chǎn)熱水推薦取值范圍 L/(m2·d)
其他部件的模型選擇見(jiàn)表7。
表7 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)中其他部件模型
2.1.1LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)火用分析
火用計(jì)算的參考狀態(tài)設(shè)定為T(mén)0=293.15 K和p0=101.325 kPa,根據(jù)文獻(xiàn)[14]的計(jì)算方法算得各設(shè)備的火用效率和火用損失占比。
對(duì)LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)中各設(shè)備的火用效率進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表8和表9所示。系統(tǒng)中各設(shè)備的火用損失占比見(jiàn)圖4。雖然換熱器HEX-1的火用效率較高,但是火用損率卻是最大的,這是因?yàn)镠EX-1內(nèi)換熱負(fù)荷最大。由于傳熱過(guò)程中的不匹配性,換熱器內(nèi)的火用損失占流程火用損失的絕大部分(約占總火用損的69.23%),如果進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化,應(yīng)重點(diǎn)考慮如何減少換熱器的火用損失。泵和膨脹機(jī)中存在的火用損失(約占總火用損的30.77%)是由于過(guò)程的不可逆性,一般都是不可避免的。
表8 泵和膨脹機(jī)的火用效率
表9 換熱器的火用效率
表10列出了新流程和孫憲航流程的性能參數(shù)。兩個(gè)流程均以太陽(yáng)能熱水為熱源,孫憲航采用聯(lián)合發(fā)電法,新流程采用直接膨脹發(fā)電法。兩個(gè)流程的復(fù)雜性相當(dāng),新流程比功和火用效率較高。孫憲航流程中采用循環(huán)工質(zhì)(丙烯)與LNG換熱,由于兩者物性差異,丙烯的冷凝曲線和LNG的氣化曲線不匹配,導(dǎo)致?lián)Q熱過(guò)程的不可逆火用損很大[9]。而新流程中采用低溫氣態(tài)LNG與液態(tài)LNG換熱,換熱過(guò)程中的不可逆火用損較小,所以新流程的火用效率較大。新流程中LNG三級(jí)膨脹,且在各級(jí)中間進(jìn)行換熱,膨脹機(jī)出口處乏氣溫度升高,干度也增加,作功量增加,因此新流程的比功較高。
表10 現(xiàn)有技術(shù)方案的工藝及性能參數(shù)
2.1.2LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)影響因素分析
假設(shè)氣化站LNG的組成不變,則工業(yè)熱水溫度、LNG壓力、一級(jí)膨脹壓力和二級(jí)膨脹壓力是影響LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)性能的重要因素,以下考察這些因素對(duì)系統(tǒng)比功、火用效率的影響。
2.1.2.1 太陽(yáng)能熱水溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響
太陽(yáng)能熱水溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響見(jiàn)圖5和圖6。由圖5可得,系統(tǒng)比功隨太陽(yáng)能熱水溫度的升高呈直線上升趨勢(shì),系統(tǒng)火用效率也隨之增加,增加的速率逐漸變緩。由卡諾定理可知,系統(tǒng)的最大熱效率只與高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟扔嘘P(guān),兩者的溫差越大,系統(tǒng)的熱效率就越高。提高熱水的溫度可以提高系統(tǒng)的性能,但是受到工質(zhì)(水)性質(zhì)的影響,熱水的溫度不能超過(guò)100 ℃;另外熱水溫度太高也會(huì)損壞儲(chǔ)熱水箱,一般儲(chǔ)熱水箱內(nèi)熱水溫度不超過(guò)80 ℃,為了得到最佳的系統(tǒng)性能,將熱水溫度定為75 ℃。由圖6可知,隨著太陽(yáng)能熱水溫度的升高,LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)所需的循環(huán)水流量是降低的,在40~60 ℃循環(huán)水流量下降幅度較大,在60~75 ℃循環(huán)水流量下降幅度減小。
2.1.2.2 LNG壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響
LNG壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響見(jiàn)圖7和圖8。由圖7和圖8可知,系統(tǒng)比功和火用效率均隨LNG壓力P1和P7增加而增大,具有相同的變化趨勢(shì)。LNG壓力(P1)在4 500~7 500 kPa時(shí),系統(tǒng)比功和火用效率增長(zhǎng)速率較大,在7 500~9 000 kPa之間增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩。增大P1和P7,透平膨脹機(jī)進(jìn)口氣體的火用值增大,出口氣體壓力保持不變,會(huì)有更多的壓力火用轉(zhuǎn)化為膨脹功輸出,而泵增壓的消耗功增量小于膨脹功的增量,所以系統(tǒng)的凈功是增加的。通過(guò)系統(tǒng)火用效率的計(jì)算公式,總火用(LNG的冷火用和工業(yè)熱水的熱火用)不變,系統(tǒng)凈功增加,因此系統(tǒng)的火用效率增大,且和比功的增加趨勢(shì)保持一致。
2.1.2.3 一級(jí)膨脹壓力和二級(jí)膨脹壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響
一級(jí)膨脹壓力(P5)和二級(jí)膨脹壓力(P9)對(duì)系統(tǒng)性能的影響見(jiàn)圖9和圖10。由圖9可知,隨著一級(jí)膨脹壓力(P5)的增大,系統(tǒng)比功和火用效率都隨之減小。一級(jí)膨脹壓力越低(膨脹機(jī)K-1的背壓P5越小),LNG就有更多的壓力火用轉(zhuǎn)化為膨脹功。但是壓力也不能過(guò)低,因?yàn)橐患?jí)膨脹后的乏氣要進(jìn)入換熱器HEX-1與LNG換熱冷凝液化。分析LNG冷能性質(zhì)表明:LNG的壓力越高,所含有的冷能越少,也就是說(shuō)LNG壓力越低,冷凝液化過(guò)程需要的冷量也就越多。因此,一級(jí)膨脹壓力過(guò)低時(shí)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)冷凝液化。另外,經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn),當(dāng)一級(jí)膨脹壓力為2 900 kPa時(shí),換熱器HEX-1的最小傳熱溫差僅為1.8 ℃,由于換熱器最小傳熱溫差的限制,一級(jí)膨脹壓力也不能過(guò)小。
由圖10可以得到,系統(tǒng)比功和火用效率隨著二級(jí)膨脹壓力(P9)的增加先增大后減小,呈拋物線趨勢(shì),比功和火用效率均存在一個(gè)最大值。當(dāng)二級(jí)膨脹壓力為3 000 kPa時(shí),比功為362 kJ/kg LNG,火用效率為45.77%;當(dāng)二級(jí)膨脹壓力為1 500 kPa時(shí),膨脹機(jī)K-2出口氣體的干度為0.99,若利用膨脹機(jī)K-2直接將LNG降低至外輸壓力,氣體的干度會(huì)特別低,有凝液析出,將會(huì)對(duì)膨脹機(jī)葉片產(chǎn)生腐蝕,不利于設(shè)備維護(hù)。因此,現(xiàn)將高壓LNG降至某一中間壓力,膨脹機(jī)K-2出口乏氣與工業(yè)熱水換熱后再進(jìn)入三級(jí)膨脹機(jī)(K-3)膨脹至外輸壓力。
由GB 50364-2018可知,拉薩年平均太陽(yáng)輻照量為7 771.85 MJ/(m2·a),為 Ⅰ 資源極富區(qū)。拉薩室外逐時(shí)干球溫度如圖11所示。已知某小型氣化站每日氣化量為10 000 m3(質(zhì)量流量約為320 kg/h),若配置冷能發(fā)電技術(shù),需要太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)每小時(shí)提供1 500 kg 75 ℃的工業(yè)熱水,并使用上述模型進(jìn)行模擬。
拉薩地區(qū)的太陽(yáng)能保證率(Fsol)和集熱器集熱效率(Etacoll)計(jì)算方法如式(4)和式(5)所示,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖12。
(4)
式中:Qaux為輔助加熱系統(tǒng)能源,kW·h;Qdhw為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)總能源,kW·h。
(5)
式中:Qu集熱器獲取的有用能,kW·h;A為集熱器有效集熱面積,m2;Icoll為集熱器截取的太陽(yáng)能輻射,kW·h。
拉薩屬于高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū),冬春干旱,降水集中于6~9月,年日照時(shí)長(zhǎng)可達(dá)3 000 h以上。由圖13可知,在2~8月集熱器總輻照量是遞增的趨勢(shì)。由圖11可以看出,在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)環(huán)境溫度是逐漸升高的。9月氣溫在20 ℃以上,但當(dāng)月太陽(yáng)能集熱器總輻照很低,原因可能是9月降水較多。在9月至次年2月,集熱器總輻射呈遞增的趨勢(shì),且大于2-8月,集熱器總輻照量的增速。圖12中太陽(yáng)能保證率與圖13集熱器總輻照量呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)。在2-9月內(nèi)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)效率是逐漸降低的,9月至次年1月是遞增的趨勢(shì),這說(shuō)明降水對(duì)集熱效率影響很大。另外,從圖12中還看出,全年太陽(yáng)能保證率均在50%以上,在10月至次年1月,太陽(yáng)能保證率都在90%以上。
由圖14可知,全年的總供熱量幾乎維持穩(wěn)定,太陽(yáng)能集熱量占總供熱量的絕大部分。在2.1節(jié)中對(duì)LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)做了研究,比功為362 kJ/kg LNG,發(fā)電功率為32.18 kW,一個(gè)月按30個(gè)工作日來(lái)算,每月的發(fā)電量為2.32×104kW·h。在5月至次年1月,太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)輔助加熱量均低于LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量,而且還富余1.13×105kW·h的電量,可以輸送至當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)。
根據(jù)圖11可知,在10月至次年1月內(nèi),拉薩室外最高溫度在8 ℃左右,若在拉薩建設(shè)LNG氣化站,這段時(shí)間站內(nèi)必然會(huì)出現(xiàn)冷霧現(xiàn)象,若采用太陽(yáng)能聯(lián)合LNG冷能發(fā)電方式,將會(huì)妥善解決站內(nèi)冷霧,保障氣化站內(nèi)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行,為工作人員創(chuàng)造健康安全的工作環(huán)境。此外,還可以向當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)輸出電能,增加氣化站收益。在拉薩7-9月夏季時(shí)間,白天溫度較高,LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)中冷卻后的循環(huán)水可以用于冷水空調(diào),在站內(nèi)工作間制冷后再進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器。
根據(jù)上述研究可以得到,由于降水和氣溫的影響導(dǎo)致集熱器所接收到的輻照量減小,輔助加熱電能消耗變大,拉薩2-4月太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)輔助加熱量高于LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量,若按照原工況運(yùn)行將會(huì)出現(xiàn)入不敷出的現(xiàn)象。針對(duì)此現(xiàn)象,將此時(shí)間段內(nèi)的熱水溫度調(diào)至50 ℃,以降低輔助加熱電能的消耗。模擬得到太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)所需輔助加熱量、太陽(yáng)能保證率和集熱器集熱效率,模擬結(jié)果如表11和表12所列。
表11 拉薩地區(qū)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)耗電量
表12 拉薩地區(qū)太陽(yáng)能保證率和集熱器集熱效率
在2-4月內(nèi)將太陽(yáng)能熱水溫度調(diào)至50 ℃,所需的輔助加熱電能大幅降低,均低于LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量,而且還富余2.14×104kW·h的電量,可以輸送至當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)。在拉薩7-9月夏季時(shí)間,白天溫度較高,LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)中冷卻后的循環(huán)水可以用于冷水空調(diào),為站內(nèi)工作間制冷后再進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器。冷水空調(diào)進(jìn)水溫度為15.35 ℃,出水溫度為25 ℃,空調(diào)每小時(shí)的制冷量為6.25×104kJ(17.36 kW)。以電壓縮空調(diào)制冷系數(shù)COP 3.55為例,制冷成本為0.14元/kW,每小時(shí)節(jié)電效益為2.43元。按冷水空調(diào)每年運(yùn)行100天(2 400 h)計(jì)算,可得到冷水空調(diào)每年節(jié)電效益為5 808元。
(1)LNG冷能發(fā)電采用流程簡(jiǎn)單的直接膨脹法,對(duì)工藝流程中的設(shè)備進(jìn)行了火用分析,換熱器內(nèi)的火用損失占流程總火用損的69.23%,泵和膨脹機(jī)中存在的火用損失約占總火用損的30.77%。
(2)對(duì)冷能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了敏感性分析。系統(tǒng)比功和火用效率都隨太陽(yáng)能熱水溫度的升高而增大;系統(tǒng)比功和火用效率隨LNG壓力P1和P7增加而增大;系統(tǒng)比功和火用效率都隨一級(jí)膨脹壓力(P5)的增加而減小,隨著二級(jí)膨脹壓力(P9)的增加先增大后減小。
(3)對(duì)比輔助加熱量和LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量,確定拉薩各月是否適合采用聯(lián)合發(fā)電工藝。每年5月至次年1月,太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)輔助加熱量均低于LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量,而且還富余1.13×105kW·h的電量。
(4)在拉薩2-4月內(nèi)將太陽(yáng)能熱水溫度調(diào)至50 ℃,所需的輔助加熱電能均低于LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量,而且還富余2.14×104kW·h的電量。綜上,拉薩每年可以獲得1.344×105kW·h的電量。夏季LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)中冷卻后的循環(huán)水可以用于冷水空調(diào),冷水空調(diào)每年的節(jié)電效益為5 808元。