龔夢雅， 蔡 磊， 徐菱虹， 管延文， 劉文斌， 劉青國

(1.華中科技大學環(huán)境科學與工程學院，湖北武漢430074;2.佛燃能源集團股份有限公司，廣東佛山528100)

1 概述

LNG冷能利用有直接利用、間接利用兩種方式[1-3]，直接利用方式主要為冷能發(fā)電、空氣分離、制冰、液化二氧化碳，間接利用方式主要為用空氣分離得到的液氮、液氧進行低溫破碎、污水處理等[3]。對LNG冷能發(fā)電和制冰系統(tǒng)的研究主要分為兩類：一類是系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化分析，多采用遺傳算法、粒子群算法等多目標優(yōu)化算法，得到特定情況下的最佳運行參數(shù)[4-7]。另一類是改進、創(chuàng)新系統(tǒng)，多從系統(tǒng)集成的角度提高LNG冷能的利用效率[8-11]。但目前的LNG冷能發(fā)電和制冰系統(tǒng)多為先發(fā)電后制冰的利用方式，氣化后得到的天然氣溫度仍然很低，常需要用海水、工業(yè)余熱等額外熱源再熱后才能輸入燃氣管網(wǎng)[12-14]。

本文建立包括低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)、工質(zhì)相變制冰循環(huán)、蒸氣壓縮式制冰循環(huán)的LNG冷能發(fā)電和制冰的聯(lián)合系統(tǒng)(稱為聯(lián)合系統(tǒng))。對3個循環(huán)的工質(zhì)進行選取。在設定條件下，采用Aspen Plus軟件對聯(lián)合系統(tǒng)進行流程模擬與分析。將文獻提出的LNG冷能利用系統(tǒng)作為比較對象，比較單位質(zhì)量LNG發(fā)電量、制冰量。本文中的壓力均為絕對壓力。

2 聯(lián)合系統(tǒng)工藝流程

聯(lián)合系統(tǒng)工藝流程見圖1。圖1中1～15為物料編號。

低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)是由等壓過程6-7、8-5和等熵過程7-8、5-6組成。低溫低壓的工質(zhì)1(物料8)進入換熱器H1與LNG換熱，換熱冷凝后的液態(tài)工質(zhì)1(物料5)經(jīng)泵P1增壓，壓力升高到蒸發(fā)壓力，進入制冰模塊M1等壓吸熱氣化為高壓蒸氣，高壓蒸氣進入透平T1做功帶動發(fā)電機發(fā)電，做功后的工質(zhì)1變?yōu)榈蜏氐蛪籂顟B(tài)(物料8)，由此完成1次循環(huán)。

工質(zhì)相變制冰循環(huán)：工質(zhì)2(物料11)進入換熱器H2與低溫天然氣換熱后冷凝，經(jīng)泵P2加壓，進入制冰模塊M2氣化釋放出冷能，隨后進入換熱器H2開始新的循環(huán)。

蒸氣壓縮式制冰循環(huán)：工質(zhì)3(物料14)經(jīng)壓縮機壓縮后溫度升高到環(huán)境溫度以上，進入換熱器H3加熱低溫天然氣，使天然氣出口溫度達到設定溫度。冷卻液化后的工質(zhì)3(物料12)，經(jīng)過節(jié)流閥降壓，然后進入制冰模塊M3釋放冷能制冰，由此完成1次循環(huán)。

LNG依次經(jīng)過換熱器H1、H2、H3加熱后溫度升至設定溫度后，進入燃氣管網(wǎng)。

圖1 聯(lián)合系統(tǒng)工藝流程

3 工質(zhì)的選擇

工質(zhì)應具備的特性有[15]：標準沸點(101.325 kPa下的飽和溫度)要合適，使得蒸發(fā)溫度(或冷凝溫度)對應的飽和壓力不應過低，以稍高于大氣壓力為宜，可以防止空氣進入系統(tǒng)。冷凝溫度對應的飽和壓力不宜過高，以降低對設備耐壓和嚴密性的要求。氣化潛熱大，凝固點低。具有良好的傳熱和流動性能。具有良好的物理化學性質(zhì)。環(huán)保和安全性好。價格低，易獲得。

3.1 低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)

LNG的溫度設定為-162 ℃，冰的溫度為-8 ℃[16]，因此工質(zhì)蒸發(fā)溫度應低于-8 ℃，冷凝溫度應高于-162 ℃，并保證冷凝壓力高于101.325 kPa。

在低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)中，工質(zhì)經(jīng)過透平做功，透平進口壓力越高做功越多，因此適合選取蒸發(fā)壓力高的工質(zhì)。比較適合的純工質(zhì)：丙烷(R290)、丙烯(R1270)、乙烷(R170)、乙烯(R1150)。

低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)的壓力-比體積圖見圖2。圖2中藍色曲線為工質(zhì)溫度為-15 ℃的等溫線，紅色曲線為有機朗肯循環(huán)。筆者采用多項式[17]擬合低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)壓力-比體積圖的工況點，計算理想狀況下不同冷凝溫度對應的低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)輸出功率。參與計算的工質(zhì)有R290(丙烷)、R1270(丙烯)、R170(乙烷)、R1150(乙烯)。

圖2 低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)的壓力-比體積圖

擬合時，對低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)進行以下設定：LNG質(zhì)量流量為1 000 kg/h。工質(zhì)蒸發(fā)溫度為-15 ℃。管道和設備均無壓力降，且與外界環(huán)境無傳熱。泵、壓縮機、透平的等熵效率、機械效率均為1。LNG設定為純甲烷，進口壓力為0.6 MPa，溫度為-162 ℃。透平出口工質(zhì)無液相。換熱器H1冷流出口與熱流進口的溫差為5 ℃。以REFPROP 9.0版本的物性數(shù)據(jù)為標準，以乙烷為例，采用最小二乘法多項式對低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)工質(zhì)壓力-比體積圖上的工況點進行擬合。

點5飽和乙烷液體比焓h5的擬合式為：

(1)

式中h5——點5飽和乙烷液體比焓，kJ/kg

tc——低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)的冷凝溫度，℃

點8飽和乙烷蒸氣比焓h8、比熵s8的擬合式分別為：

(2)

(3)

式中h8——點8飽和乙烷蒸氣比焓，kJ/kg

s8——點8飽和乙烷蒸氣比熵，J/(kg·K)

點7過熱乙烷蒸氣(溫度為-15 ℃)壓力p7、比焓h7的擬合式分別為：

19 077.234

(4)

601.558 47

(5)

式中p7——點7過熱乙烷蒸氣壓力，kPa

s7——點7過熱乙烷蒸氣比熵，J/(kg·K)

h7——點7過熱乙烷蒸氣比焓，kJ/kg

氣液兩相區(qū)壓力p5-8的擬合式為：

(6)

式中p5-8——氣液兩相區(qū)壓力，kPa

對于等熵過程5-6有：

h6=h5+v5(p7-p5)

(7)

式中h6——點6未飽和乙烷液體比焓，kJ/kg

v5——點5飽和乙烷液體比體積，m3/kg，為0.001 8 m3/kg

p5——點5飽和乙烷液體壓力，kPa

單位質(zhì)量工質(zhì)凈輸出功W的計算式為：

W=h7-h8-h6+h5

(8)

式中W——單位質(zhì)量工質(zhì)凈輸出功，kJ/kg

工質(zhì)質(zhì)量流量qm的計算式為：

(9)

Φ=0.610 22(tc-5)+235.453 98

(10)

式中qm——工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s

Φ——質(zhì)量流量為1 000 kg/h的LNG從-162 ℃升高到tc-5 ℃吸收的熱流量，kW

低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)輸出功率P的計算式為：

P=qmW

(11)

式中P——低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)輸出功率，kW

采用式(1)～(11)，可計算得到不同冷凝溫度下，將乙烷作為工質(zhì)時，低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)輸出功率。采用同樣方法可計算得到不同冷凝溫度下，工質(zhì)分別為R290(丙烷)、R1270(丙烯)、R1150(乙烯)的低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)輸出功率。由計算結果可知，在合理的冷凝溫度范圍內(nèi)(-88～-98 ℃)，工質(zhì)為乙烯時低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)輸出功率最大。因此，低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)的工質(zhì)選取乙烯。為獲得較高的輸出功率，低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)冷凝溫度選取-98 ℃。

3.2 另外2種循環(huán)

工質(zhì)相變制冰循環(huán)、蒸氣壓縮式制冰循環(huán)應選擇蒸發(fā)溫度低于-15 ℃，氣化潛熱比較大的工質(zhì)。R152a的氣化潛熱比較大，全球變暖潛能值(GWP)最小，是比較理想的工質(zhì)。因此，選取R152a作為工質(zhì)相變制冰循環(huán)、蒸氣壓縮式制冰循環(huán)的工質(zhì)。

4 參數(shù)設置與模擬結果

采用Aspen Plus軟件對聯(lián)合系統(tǒng)進行流程模擬和分析，對Aspen Plus模型進行以下設定：各物料的物性方法采用PR方程[18]。LNG視為純甲烷，質(zhì)量流量為1 000 kg/h，進口溫度為-162 ℃，壓力為0.6 MPa，進入燃氣管網(wǎng)的溫度為10 ℃。換熱設備、制冰模塊壓力降均為30 kPa。透平的等熵效率取0.85，機械效率取0.78。泵的等熵效率取0.9，機械效率取0.75[5]。壓縮機的等熵效率取0.85，機械效率取0.75。換熱器冷流出口與熱流進口的溫差為5 ℃。低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)、工質(zhì)相變制冰循環(huán)、蒸氣壓縮式制冰循環(huán)的工質(zhì)質(zhì)量流量分別為1 350、400、180 kg/h。

聯(lián)合系統(tǒng)物料參數(shù)模擬結果見表1。表1中L表示液態(tài)，V表示氣態(tài)，M表示氣液混合態(tài)。由于泵P1的功率比較高，發(fā)熱量比較大，因此物料6的溫度與物料5相比有小幅上升。主要設備換熱量、功耗、輸出功率見表2。由表2可知，對于聯(lián)合系統(tǒng)，總制冰能力為282.30 kW，常規(guī)制冰系統(tǒng)性能系數(shù)以2.0計算，可節(jié)省制冰電功率141.15 kW。聯(lián)合系統(tǒng)凈輸出功率為29.82 kW。

表1 聯(lián)合系統(tǒng)物料參數(shù)模擬結果

表2 主要設備換熱量、功耗、輸出功率

5 系統(tǒng)評價

將文獻[5]、[13]的LNG冷能利用系統(tǒng)作為比較對象，比較單位質(zhì)量LNG發(fā)電量、制冰量。在計算制冰量時，進水溫度取25 ℃，冰的溫度取-8 ℃，水的比定壓熱容為4.18 kJ/(kg·K)，冰的比定壓熱容為2.1 kJ/(kg·K)，0 ℃時水的凝固熱為335 kJ/kg，并設定制冰模塊的熱量損失率為5%。

3種LNG冷能利用系統(tǒng)的單位質(zhì)量LNG發(fā)電量、制冰量見表3。文獻[5]LNG冷能利用系統(tǒng)的發(fā)電循環(huán)采用低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)聯(lián)合工業(yè)余熱加熱工質(zhì)進行發(fā)電，因此單位質(zhì)量LNG的發(fā)電功率高于聯(lián)合系統(tǒng)。文獻[5]制冰循環(huán)采用工質(zhì)無相變循環(huán)制冰，且未利用溫度范圍為-11～5 ℃的天然氣冷能，因此單位質(zhì)量LNG制冰量低于聯(lián)合系統(tǒng)。文獻[13]沒有配置發(fā)電系統(tǒng)，僅采用工質(zhì)相變制冰循環(huán)制冰，未利用-18 ℃以上的天然氣冷能，因此單位質(zhì)量LNG制冰量、發(fā)電量均低于聯(lián)合系統(tǒng)。

表3 3種LNG冷能利用系統(tǒng)的單位質(zhì)量LNG制冰量、發(fā)電量

由表3可知，聯(lián)合系統(tǒng)單位質(zhì)量LNG制冰量比文獻[5]、[13]LNG冷能利用系統(tǒng)平均水平提高31.3%。在低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)未采用工業(yè)余熱加熱工質(zhì)的前提下，聯(lián)合系統(tǒng)單位質(zhì)量LNG發(fā)電量與文獻[5]LNG冷能利用系統(tǒng)持平。

6 結論

① 低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)的工質(zhì)選取乙烯。工質(zhì)相變制冰循環(huán)、蒸氣壓縮式制冰循環(huán)的工質(zhì)選取R152a。

② 聯(lián)合系統(tǒng)單位質(zhì)量LNG制冰量比文獻LNG冷能利用系統(tǒng)平均水平提高31.3%。在低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)未采用工業(yè)余熱加熱工質(zhì)的前提下，聯(lián)合系統(tǒng)單位質(zhì)量LNG發(fā)電量與文獻LNG冷能利用系統(tǒng)持平。