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技術前沿

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LNG冷能發電方法比較

  

我國的液化天然氣(LNG)進口量逐年增大,隨之而來產生了LNG冷能的浪費問題。LNG冷能主要用于冷能發電、空氣分離、生產干冰、冷藏、海水淡化、制冰和低溫粉碎,但除了冷能發電外其他應用對于冷能利用相對較低。 國內外學者對LNG冷能發電技術進行深入的研究,用?作為評價方法,并取得了一定的應用成果。通過對國內外LNG 冷能發電技術文獻和實際應用的調研,目前主流的六種LNG冷能發電技術:直接膨脹法、朗肯循環法、聯合循環法、布雷頓循環法、卡琳娜循環法和多級復合循環法,在總結LNG冷能發電的6種循環方法基礎上,對個循環的效率進行了比較。 直接膨脹法和朗肯循環法因工藝流程簡單更適合小型氣化站進行冷能利用,而多級復合循環法和卡琳娜循環法因工藝流程復雜,在將來克服裝置設備后更適合大型的接收站來進行冷能發電,且冷能利用效率較高。 

 
為便于天然氣運輸,通常將天然氣液化,其體積是標準狀態下的1/625,在常壓下、天然氣的液化溫度為-163°C,每液化1t LNG耗電約為850kW?h。而在LNG接收站和氣化站,一般又需將LNG通過氣化器氣化后使用,氣化時放出很大的冷能,其值約為830kJ/kg。而通常這部分冷能隨天然氣氣化器中的海水和空氣流失了,造成能源的浪費。 若LNG擁有的冷量能以100% 的效率轉化為電力,每1t LNG可利用的冷能發電折合電量約為240kW?h。按照我國2015年進口LNG 4000萬t來計算,這部分冷能全部利用可發電100億 kW?h。由此可見,可供利用的LNG冷能是相當可觀的。這種冷能從能源品位來看,具有較高的利用價值,如果通過特定的工藝技術利用LNG冷能,可以達到節省能源、提高經濟效益的目的。 

日本是世界上進口LNG量最大的國家,也是世界上最早開始使用LNG冷能利用和利用率最高的國家,在冷能發電和空氣分離上一直走在世界前列,其中LNG 冷能用于發電的比例超過70%。日本有26臺獨立冷能利用設備,其中7臺空氣分離裝置(每臺處理能力為1~2 萬 Nm3/h),3臺制干冰裝置(每臺制造能力為100t/d),1臺深度冷凍倉庫(容量為 3.3 萬 t),15臺低溫朗肯循環獨立發電裝置(單臺容量達到數Mw)。另外韓國的空氣分離技術和美國 LNG冷能發電技術也走在世界前列。 

我國的LNG冷能利用研究始于上世紀九十年代。陳國邦和朱建文先后提出了液化天然氣冷能的概念,為日后我國的LNG冷能利用研究提供了詳盡的分析。雖然我國進口LNG比世界晚了30 年,LNG冷能發電技術的研究晚于日本美國等發達國家,但隨著我國集中大規模引進 LNG,我國的LNG冷能發電利用技術也在大幅發展。 
 
1   LNG 冷能發電原理 
LNG與周圍環境介質(如海水、空氣和其他相變材料)之間的溫差和壓力差趨于平衡態的過程中所獲得的能量即稱為LNG冷能。而?是用來衡量冷能大小的重要指標。LNG的冷能?ex可分為環境壓力下由溫度不平衡引起的溫度?exT和環境溫度下由壓力不平衡引起的壓力?exP。 

利用冷能?不但能反映物體間能量數量的傳遞和轉換,還能反映出能量系統內的不可逆的損失,為合理利用LNG冷能提供了重要的理論依據。 

通常在LNG氣化輸送入城市管網時,天然氣壓力升高(2-10Mpa),壓力?大,低溫?較小,這之間可利用的是壓力?。而在 LNG 接受站,汽化壓力較小(0.5 ~ 1.0Mpa),低溫?大,則利用的為溫度?。 

2   LNG 冷能發電方法 
LNG冷能發電基本方法主要包括:直接膨脹法,使用中間冷卻介質的朗肯循環、布雷頓循環法、多級復合循環法、卡琳娜循環法和聯合循環法。比如日本大阪燃氣公司在1979年至1982年,利用丙烷作為中間介質的朗肯循環和聯合循環法,輸出功率分別為1450KW和 6000KW。 

2.1  直接膨脹法 
直接膨脹法原理為:經低溫泵和蒸發器后LNG成為高壓常溫氣體,而后高壓氣化時物理?轉化為壓力?,驅動發電機發電,之后經過加熱器將天然氣輸入管網中。直接膨脹法發電的工藝流程見圖1 。

   

2.2  朗肯循環法

朗肯循環法原理為:LNG與經過透平膨脹后的低壓冷媒蒸汽在冷凝器中換熱,冷媒凝結成液體;低壓冷媒液體經泵提高壓力,加熱變成高壓蒸汽;高壓冷媒蒸汽經透平膨脹成低壓蒸汽,對外輸出動力,帶動發電機發電,工藝流程見圖2。 

   

2.3  聯合循環法

聯合循環法綜合了直接膨脹法與朗肯循環法。其原理為:LNG經壓縮后,通過換熱器將冷能轉移給冷媒,LNG經過換熱器成為高壓常溫氣體,再通過透平機膨脹,帶動電機發電,最后經過換熱器變成一定壓力的常溫氣體之后外輸。而冷媒被液化經過泵壓縮和回熱器變成高壓氣體,再經泵壓縮和換熱器成為高壓常溫氣體,最后通過透平機帶動電機發電,出來的冷媒再次循環利用,工藝流程見圖3。 
 
   

2.4  布雷頓循環法 

布雷頓循環法是利用LNG冷能來降低壓縮機入口的氣體溫度,能顯著的降低壓縮機到達相同增壓比時的耗功,高壓氮氣經加熱器加熱進入氣體透平膨脹做功,對外輸出電能,能使裝置熱效率顯著提高。工藝流程見圖4 。
 
  

2.5  卡琳娜循環法

卡琳娜循環法是基于郎肯循環的一種改進循環法,利用冷卻介質的不同沸點(大部分使用氨水),使得其可以覆蓋LNG更大范圍溫度的冷能,因此其熱能循環效率優于朗肯循環,最終使LNG的冷能更好的得到階梯利用。 

2.6  冷卻燃氣輪機進氣法 

根據環境溫度、空氣密度的變化,采用不同的冷卻介質(水,氟利昂,二氧化碳,甲醇,乙二醇等) 通過直接或間接的方法將 LNG氣化時釋放的冷能用來降低燃氣輪機入口空氣溫度或用來冷卻蒸氣輪機的排氣,能夠顯著提高燃氣輪機的熱效率。 

2.7  各類 LNG 冷能發電方法比較 

利用LNG冷能發電的方法不同可以有上文所述的六種不同循環系統,用LNG冷能來改善現有各種發電動力循環系統, 提高效率以增加發電量,如冷卻燃氣輪機進氣法;另一類為采用獨立的低溫循環來發電,如直接膨脹法、聯合循環法、朗肯循環法、卡琳娜循環法和布雷頓循環法。這六種方法的優缺點比較見表 2。
   
2.8  目前 LNG 冷能發電的研究及應用 

對于上述六種利用LNG冷能發電的方法,研究重點在于裝置的結構、工作介質和熱源的不同,從而提高冷能利用效率。 劉燕妮和郭開華的研究提出了通過使用一種二元混合物作為卡琳娜循環裝置的工作流體(乙烯:丙烷 =2:3),海水作為熱源循環,模擬了單位LNG產電量和冷能的可利用效率,能量利用效率能達到 25.3%。Huan Wang 利用氨水(在工作介質中 的比例為0.48 ~ 0.52)作為卡琳娜循環和直接膨脹法聯合裝置的工作介質,工作余熱作為循環熱源,進行仿真模擬后得到能量利用效率最大值為39.33%。夏侯國偉提出了一個新流程。該流程是布雷頓循環、直接膨脹法法和朗肯循環的聯合。工業余熱作為循環熱源,氮氣作為布雷頓循環的工作介質,氨水作為朗肯循環的工作介質,實現了LNG冷能的階梯利用。仿真模擬后得出,在工業余熱溫度為 350°C時,能量利用效率到達了58.24%。Zhang 和 Lior 的裝置為超臨界朗肯循環和布雷頓循環聯合,兩者的工作介質均為二氧化碳,在高濃度氧氣和二氧化碳廢氣中燃燒天然氣作為熱源,仿真模擬后得出能量利用效率為 50%。Shi et al. 提出了一種組合循環裝置,由朗肯循環、 直接膨脹法和燃氣輪機法聯合,廢氣和水蒸氣作為工作介質, 燃燒熱作為熱源,能量利用效率可以達到59.24%。 
 
  

目前世界上真正投產利用LNG冷能發電站如表3 所示。 可見受制于裝置的可靠性和復雜性,朗肯循環法和直接膨脹與朗肯循環的聯合循環法是目前運用最多的方式,裝置可靠性也比較高,但是對于冷能的利用效率較低。
 
綜合比較以上6種利用LNG冷能的發電方法,其中直接膨脹法和朗肯循環法工藝流程簡單,且投資較低,均已在實際工程應用中實現,但效率較低。而效率較高的多級復合循環法和卡琳娜循環法因工藝流程復雜,裝置設備較多,還未有實際的工程應用。 

3   結論

目前國內對LNG冷能的利用率較低,且基本為空氣分離, 還沒有利用LNG冷能發電的實例。而空氣分離裝置對于LNG冷能的利用率較低,且受到當地市場的影響較大,導致大部分冷能均被浪費。而采用冷發電,將有兩個較大的優勢:

(1) 產業鏈較短,不受外界市場供需影響;

(2)冷能發電技術較成熟,且相對其他利用項目對于冷能的利用效率較高。

而本文總結了對于LNG冷能發電的6種循環方法,并對其循環的效率進行了比較。直接膨脹法和朗肯循環法因工藝流程簡單更適合小型氣化站進行冷能利用,而多級復合循環法和卡琳娜循環法因工藝流程復雜,在將來克服裝置設備后更適合大型的接收站來進行冷能發電,且冷能利用效率較高。 

來源:分布式能源


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