随着能源需求的日益增大以及环保意识的加强，液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)以其高效、清洁的性能和广泛的用途成为21世纪的主要能源之一。从能源需求及能源安全角度考虑，我国在沿海地区陆续建立了一批LNG接收站。LNG终端大多是以气态的形式加以利用，这需要把LNG气化，LNG蕴含830~860 MJ/t的冷量，构建冷能发电系统是利用LNG冷量的主要方式之一。日本开展LNG冷能发电研究较早，早在20世纪70年代末便出现了利用氟利昂作为循环工质的LNG冷能发电系统，台湾永安LNG接收站也建有大型冷能电站。日本多数冷能电站和台湾永安冷能电站都采用高纯度丙烷作为循环工质，其冷能利用率一般较低，日本东京瓦斯公司冷能利用率为42%，台湾永安冷能电站冷能利用率仅为14%[1-2]。
低温Rankine循环发电是一种比较高效合理的冷能发电方式，循环工质的选择直接影响LNG冷量回收效率的高低。因此，工质的选择是人们研究的重点[3]。循环工质主要分为单一工质和混合工质，单一工质主要包括甲烷、乙烷、丙烷或乙烯等有机物。由于单一工质在沸腾、凝结过程中与LNG的温位曲线不匹配，在换热过程中㶲损失较大，冷能利用率较低，一般不超过25%。混合工质可以使得循环工质冷凝曲线与LNG蒸发曲线相匹配，冷㶲损失减少，循环效率提高，混合工质通常为甲烷、乙烷、丙烷等按一定的比例配制的混合物[4-10]。工质的选择应以完善换热流体曲线相匹配，减少冷㶲损失为目的，然而目前专门针对低温动力循环的工质选择研究比较少，工质选择还存在很大的优化空间[3, 11]。
除循环工质因素外，系统操作参数也是影响LNG冷能发电效率的关键因素，但实际对这方面的文献报道研究还比较少。本文以模拟设计某单位180 t/h LNG冷能发电项目为基础，以系统的净发电量为评价指标，对系统的工质和工艺参数进行分析，为LNG冷能发电的优化提供依据。
LNG冷能发电工艺基本流程如图 1所示。海水作为热源，高压工质在蒸发器与海水换热被气化后进入膨胀机做功发电，做功后的低压工质气体在换热器与LNG换热冷却成液体，然后通过工质泵加压，进入换热器预热，完成一个Rankine循环。
本发电项目以海水作为热源，海水的温度决定了项目的设计蒸发温度为15 ℃，LNG的质量流量为180 t/h。选用甲烷、乙烷、丙烷、乙烯以及不同配比的甲烷、乙烷和丙烷的混合物作为循环工质，比较不同的工质对净发电量的影响，同时对混合工质的不同配比进行分析，并对其操作工艺参数进行优化。工质泵的绝热效率ηp和膨胀机的效率ηt都取75%。
对于冷能发电系统，采用板翘式换热器，换热器的最小传热温差一般取3~5 ℃[12]，本项目设计最小温差为3 ℃。
本项目中LNG进口温度为-150 ℃，膨胀机入口高压满足工质在15 ℃条件下完全气化，膨胀机出口低压满足工质换热冷却后完全液化。
尽管文献报道[13-14]工质的蒸发温度和发电量密切相关，当LNG参数确定后，热源海水温度是发电的主要因素，蒸发温度越高，系统发电量越大，但是本项目以海水作为蒸发器的热源，这就限制了蒸发温度，本项目的设计蒸发温度为15 ℃。以上限制要求只能从工质和工况出发，优化流程，提高发电量。
低温冷能发电系统多采用低沸点有机物作为工质，工质的选择是人们研究的重点。工质的选择一般遵循以下原则[8-10]：
① 在使用温度范围内不凝固，临界温度应高于热源温度；
② 比热容大，传热特性好；
③ 冷凝压力应高于大气压力，避免冷凝器出现真空造成泄漏，同时减小冷凝器运行成本；
④ 性质稳定，常温下不产生异常高压；
⑤ 安全性能好；
⑥ 经济性好；
⑦ 符合环保要求。
选择常用的单一工质甲烷、乙烷、丙烷和乙烯作为循环工质，通过HYSYS流程模拟计算，并对工艺参数进行优化，比较各工质的净发电量。表 1是甲烷、乙烷、丙烷和乙烯作为循环工质净发电量与工艺参数的对比。
表 1 HYSYS模拟结果表明，最优条件下，从甲烷工质到丙烷工质，膨胀前后压力参数呈现逐渐降低的趋势，介质流量增大，冷却温度升高；最大净发电量由大到小的顺序为：乙烷＞丙烷＞乙烯＞甲烷。膨胀压力、介质流量直接影响设备选型，决定实际工程的建设成本；冷却温度是一个比较重要的参数，会直接影响实际工作量，同时还会影响泵的选型；净发电量直接决定生产效益，是优化的最重要的参数之一。因此，综合考虑，乙烷和丙烷是最佳的循环单质工质。
混合工质可以实现循环工质冷凝曲线与LNG气化曲线更好的匹配。文献调研发现[8-10]，混合工质的不同配比会影响混合工质的冷凝曲线，从而影响冷凝曲线与LNG蒸发曲线的匹配，进而影响冷能发电系统的发电量。通过图 2中乙烷工质与甲烷、乙烷和丙烷按物质的量比5: 3: 2比例混合而成的混合工质在优化工作状况下(膨胀后压力分别为500 kPa和800 kPa)的T-Q(温度-热负荷)曲线对比发现，混合工质匹配更优。因此，优化混合工质的配比是提高发电量的有效手段之一。
本项目通过考察不同甲烷、乙烷和丙烷配比对净发电量的影响来优化混合工质配比，使净发电量达到最大值。考察在不同的甲烷/乙烷比例条件下，丙烷含量的变化对发电量的影响；考察一定丙烷含量条件下，甲烷/乙烷比例变化对发电量的影响，进而得出最优配比。
不同甲烷/乙烷配比条件下，丙烷含量变化对LNG冷能发电系统最大净发电量的影响如图 3所示。
由图 3可以看出，在不同甲烷/乙烷配比条件下，随着丙烷含量的增加，净发电量均呈现先增加后降低的趋势。这主要是由于丙烷介质的汽化潜热低，传热效果较好，适当增加丙烷含量有助于净发电量的提高；当丙烷含量高于最大净发电量所对应的丙烷含量时，随着丙烷含量的增加，净发电量呈现逐渐下降的趋势，这是由于丙烷介质含量增加，介质流量增大，泵能耗增加，同时丙烷介质含量增加，混合介质沸点升高，相同蒸发器出口温度(15 ℃)条件下为保证膨胀机入口为气态，最大入口压力降低，从而制约了净发电量的增加。因此，在最优混合介质配比中，丙烷的含量应在适当的范围内选取，既不能太高也不能太低。另外，在不同的甲烷/乙烷比例下，最大净发电量所对应的丙烷含量不同，甲烷/乙烷越大，最大净发电量所对应的丙烷含量越低。
在一定丙烷含量条件下(为避免丙烷含量过高影响发电量，此处取20%(y)，甲烷/乙烷比例变化对最大净发电量的影响如图 4所示。
由图 4可以看出，随着甲烷/乙烷比例的增加，净发电量呈先增加后降低的趋势，甲烷/乙烷比例在1.5左右取得最大净发电量7 468 kW。当甲烷/乙烷比例低于1.5时，随着甲烷/乙烷比例的增加，净发电量呈现逐渐增大的趋势，这主要是由于甲烷的沸点小于乙烷，在高丙烷含量混合介质中，膨胀机进口压力制约最大净发电量的提高，较高的甲烷含量有助于膨胀机进口最大压力的提高，从而提高净发电量。同时，甲烷/乙烷比例越大，介质流量越小，泵功率越小，有助于净发电量的提高；甲烷/乙烷比例过大时，甲烷的冷凝曲线与LNG的蒸发曲线匹配最差，甲烷含量过高不利于净发电量的增加。因此，随甲烷/乙烷比例增加，最大发电量呈先增加后降低的趋势。
循环工质确定后，运行参数的选择对LNG冷能发电量产生直接影响[15]，但实际文献对这方面的研究报道还比较少。本文对冷能发电系统基本运行参数展开分析，为LNG冷能发电系统的进一步优化提供参考依据。
利用HYSYS流程模拟软件进行计算分析，膨胀前后压力为自变量，其他参数确定后，考察膨胀前后压力变化对冷能发电量的影响规律。
研究过程中，选取了两种不同配比的混合工质考察膨胀前后压力变化对冷能发电量的影响规律，模拟结果如图 5和图 6所示。图 5是摩尔分数分别为甲烷48%、乙烷42%、丙烷10%配比下，膨胀前后压力变化对冷能发电量的影响；图 6是摩尔分数分别为甲烷50%、乙烷30%、丙烷20%配比下，膨胀前后压力变化对冷能发电量的影响。
由图 5、图 6可以看出，膨胀前后压力变化对冷能发电量都会产生一定的影响，膨胀前压力的影响程度小于膨胀后压力的影响。结果还发现，对于膨胀前压力，并不是压力越高，做功越大，这不同于预期的结果; 对于膨胀后压力，随着压力的增加，发电量呈先增加后降低的趋势，同时，最大净发电量所对应的膨胀后压力相同。因此，膨胀机发电后循环介质压力的选择对于发电量的优化尤其重要。
通过模拟还发现，最优膨胀机发电后循环介质压力和混合介质配比有很大关系，混合介质中重组分越多，最优膨胀机发电后循环介质压力越高。
LNG冷能发电系统的研究对于节约能源，提高能效有重要的现实意义。研究发现，系统净发电量受循环工质和运行参数的影响，针对混合工质配比、膨胀前后压力等参数对净发电量的影响进行分析，确定了工质配比和参数优化原则，得到以下结论：
(1) 混合工质系统净发电量高于单质工质，且混合工质配比不同系统净发电量不同，混合工质配比存在最佳值。在研究甲烷、乙烷和丙烷混合工质配比中发现，增加丙烷含量，系统净发电量呈现先增加后降低的趋势；保持丙烷含量一定，增大甲烷/乙烷比例，发电量呈现先增加后降低的趋势。
(2) 膨胀前压力参数变化对系统净发电量的影响程度小于膨胀后压力对净发电量的影响程度；膨胀后压力从低压到高压，系统净发电量呈现先增加后降低的趋势，而且同一工质最大净发电量所对应的膨胀后压力参数相同。
2015, Vol. 44 Issue (4): 54-58
2015, Vol. 44 Issue (4): 54-58