LNG冷能发电方法比较
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LNG冷能发电方法比较

  

我国的液化天然气(LNG)进口量逐年增大,随之而来产生了LNG冷能的浪费问题。LNG冷能主要用于冷能发电、空气分离、生产干冰、冷藏、海水淡化、制冰和低温粉碎,但除了冷能发电外其他应用对于冷能利用相对较低。 国内外学者对LNG冷能发电技术进行深入的研究,用㶲作为评价方法,并取得了一定的应用成果。通过对国内外LNG 冷能发电技术文献和实际应用的调研,目前主流的六种LNG冷能发电技术:直接膨胀法、朗肯循环法、联合循环法、布雷顿循环法、卡琳娜循环法和多级复合循环法,在总结LNG冷能发电的6种循环方法基础上,对个循环的效率进行了比较。 直接膨胀法和朗肯循环法因工艺流程简单更适合小型气化站进行冷能利用,而多级复合循环法和卡琳娜循环法因工艺流程复杂,在将来克服装置设备后更适合大型的接收站来进行冷能发电,且冷能利用效率较高。 

 
为便于天然气运输,通常将天然气液化,其体积是标准状态下的1/625,在常压下、天然气的液化温度为-163°C,每液化1t LNG耗电约为850kW•h。而在LNG接收站和气化站,一般又需将LNG通过气化器气化后使用,气化时放出很大的冷能,其值约为830kJ/kg。而通常这部分冷能随天然气气化器中的海水和空气流失了,造成能源的浪费。 若LNG拥有的冷量能以100% 的效率转化为电力,每1t LNG可利用的冷能发电折合电量约为240kW•h。按照我国2015年进口LNG 4000万t来计算,这部分冷能全部利用可发电100亿 kW•h。由此可见,可供利用的LNG冷能是相当可观的。这种冷能从能源品位来看,具有较高的利用价值,如果通过特定的工艺技术利用LNG冷能,可以达到节省能源、提高经济效益的目的。 

日本是世界上进口LNG量最大的国家,也是世界上最早开始使用LNG冷能利用和利用率最高的国家,在冷能发电和空气分离上一直走在世界前列,其中LNG 冷能用于发电的比例超过70%。日本有26台独立冷能利用设备,其中7台空气分离装置(每台处理能力为1~2 万 Nm3/h),3台制干冰装置(每台制造能力为100t/d),1台深度冷冻仓库(容量为 3.3 万 t),15台低温朗肯循环独立发电装置(单台容量达到数Mw)。另外韩国的空气分离技术和美国 LNG冷能发电技术也走在世界前列。 

我国的LNG冷能利用研究始于上世纪九十年代。陈国邦和朱建文先后提出了液化天然气冷能的概念,为日后我国的LNG冷能利用研究提供了详尽的分析。虽然我国进口LNG比世界晚了30 年,LNG冷能发电技术的研究晚于日本美国等发达国家,但随着我国集中大规模引进 LNG,我国的LNG冷能发电利用技术也在大幅发展。 
 
1   LNG 冷能发电原理 
LNG与周围环境介质(如海水、空气和其他相变材料)之间的温差和压力差趋于平衡态的过程中所获得的能量即称为LNG冷能。而㶲是用来衡量冷能大小的重要指标。LNG的冷能㶲ex可分为环境压力下由温度不平衡引起的温度㶲exT和环境温度下由压力不平衡引起的压力㶲exP。 

利用冷能㶲不但能反映物体间能量数量的传递和转换,还能反映出能量系统内的不可逆的损失,为合理利用LNG冷能提供了重要的理论依据。 

通常在LNG气化输送入城市管网时,天然气压力升高(2-10Mpa),压力㶲大,低温㶲较小,这之间可利用的是压力㶲。而在 LNG 接受站,汽化压力较小(0.5 ~ 1.0Mpa),低温㶲大,则利用的为温度㶲。 

2   LNG 冷能发电方法 
LNG冷能发电基本方法主要包括:直接膨胀法,使用中间冷却介质的朗肯循环、布雷顿循环法、多级复合循环法、卡琳娜循环法和联合循环法。比如日本大阪燃气公司在1979年至1982年,利用丙烷作为中间介质的朗肯循环和联合循环法,输出功率分别为1450KW和 6000KW。 

2.1  直接膨胀法 
直接膨胀法原理为:经低温泵和蒸发器后LNG成为高压常温气体,而后高压气化时物理㶲转化为压力㶲,驱动发电机发电,之后经过加热器将天然气输入管网中。直接膨胀法发电的工艺流程见图1 。

   

2.2  朗肯循环法

朗肯循环法原理为:LNG与经过透平膨胀后的低压冷媒蒸汽在冷凝器中换热,冷媒凝结成液体;低压冷媒液体经泵提高压力,加热变成高压蒸汽;高压冷媒蒸汽经透平膨胀成低压蒸汽,对外输出动力,带动发电机发电,工艺流程见图2。 

   

2.3  联合循环法

联合循环法综合了直接膨胀法与朗肯循环法。其原理为:LNG经压缩后,通过换热器将冷能转移给冷媒,LNG经过换热器成为高压常温气体,再通过透平机膨胀,带动电机发电,最后经过换热器变成一定压力的常温气体之后外输。而冷媒被液化经过泵压缩和回热器变成高压气体,再经泵压缩和换热器成为高压常温气体,最后通过透平机带动电机发电,出来的冷媒再次循环利用,工艺流程见图3。 
 
   

2.4  布雷顿循环法 

布雷顿循环法是利用LNG冷能来降低压缩机入口的气体温度,能显著的降低压缩机到达相同增压比时的耗功,高压氮气经加热器加热进入气体透平膨胀做功,对外输出电能,能使装置热效率显著提高。工艺流程见图4 。
 
  

2.5  卡琳娜循环法

卡琳娜循环法是基于郎肯循环的一种改进循环法,利用冷却介质的不同沸点(大部分使用氨水),使得其可以覆盖LNG更大范围温度的冷能,因此其热能循环效率优于朗肯循环,最终使LNG的冷能更好的得到阶梯利用。 

2.6  冷却燃气轮机进气法 

根据环境温度、空气密度的变化,采用不同的冷却介质(水,氟利昂,二氧化碳,甲醇,乙二醇等) 通过直接或间接的方法将 LNG气化时释放的冷能用来降低燃气轮机入口空气温度或用来冷却蒸气轮机的排气,能够显著提高燃气轮机的热效率。 

2.7  各类 LNG 冷能发电方法比较 

利用LNG冷能发电的方法不同可以有上文所述的六种不同循环系统,用LNG冷能来改善现有各种发电动力循环系统, 提高效率以增加发电量,如冷却燃气轮机进气法;另一类为采用独立的低温循环来发电,如直接膨胀法、联合循环法、朗肯循环法、卡琳娜循环法和布雷顿循环法。这六种方法的优缺点比较见表 2。
   
2.8  目前 LNG 冷能发电的研究及应用 

对于上述六种利用LNG冷能发电的方法,研究重点在于装置的结构、工作介质和热源的不同,从而提高冷能利用效率。 刘燕妮和郭开华的研究提出了通过使用一种二元混合物作为卡琳娜循环装置的工作流体(乙烯:丙烷 =2:3),海水作为热源循环,模拟了单位LNG产电量和冷能的可利用效率,能量利用效率能达到 25.3%。Huan Wang 利用氨水(在工作介质中 的比例为0.48 ~ 0.52)作为卡琳娜循环和直接膨胀法联合装置的工作介质,工作余热作为循环热源,进行仿真模拟后得到能量利用效率最大值为39.33%。夏侯国伟提出了一个新流程。该流程是布雷顿循环、直接膨胀法法和朗肯循环的联合。工业余热作为循环热源,氮气作为布雷顿循环的工作介质,氨水作为朗肯循环的工作介质,实现了LNG冷能的阶梯利用。仿真模拟后得出,在工业余热温度为 350°C时,能量利用效率到达了58.24%。Zhang 和 Lior 的装置为超临界朗肯循环和布雷顿循环联合,两者的工作介质均为二氧化碳,在高浓度氧气和二氧化碳废气中燃烧天然气作为热源,仿真模拟后得出能量利用效率为 50%。Shi et al. 提出了一种组合循环装置,由朗肯循环、 直接膨胀法和燃气轮机法联合,废气和水蒸气作为工作介质, 燃烧热作为热源,能量利用效率可以达到59.24%。 
 
  

目前世界上真正投产利用LNG冷能发电站如表3 所示。 可见受制于装置的可靠性和复杂性,朗肯循环法和直接膨胀与朗肯循环的联合循环法是目前运用最多的方式,装置可靠性也比较高,但是对于冷能的利用效率较低。
 
综合比较以上6种利用LNG冷能的发电方法,其中直接膨胀法和朗肯循环法工艺流程简单,且投资较低,均已在实际工程应用中实现,但效率较低。而效率较高的多级复合循环法和卡琳娜循环法因工艺流程复杂,装置设备较多,还未有实际的工程应用。 

3   结论

目前国内对LNG冷能的利用率较低,且基本为空气分离, 还没有利用LNG冷能发电的实例。而空气分离装置对于LNG冷能的利用率较低,且受到当地市场的影响较大,导致大部分冷能均被浪费。而采用冷发电,将有两个较大的优势:

(1) 产业链较短,不受外界市场供需影响;

(2)冷能发电技术较成熟,且相对其他利用项目对于冷能的利用效率较高。

而本文总结了对于LNG冷能发电的6种循环方法,并对其循环的效率进行了比较。直接膨胀法和朗肯循环法因工艺流程简单更适合小型气化站进行冷能利用,而多级复合循环法和卡琳娜循环法因工艺流程复杂,在将来克服装置设备后更适合大型的接收站来进行冷能发电,且冷能利用效率较高。 

来源:分布式能源