燃氣蒸汽聯合循環機組中LNG冷能利用方案研究

李 波，馬 強

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

燃氣蒸汽聯合循環機組中LNG冷能利用方案研究

李 波，馬 強

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

對LNG氣化站氣化釋放冷能的利用情況進行介紹。首先對LNG氣化站制冷量進行簡單分析，提出此部分冷能僅供在電廠內循環利用的原則，然后結合工程實例進行了工藝方案設計，包括冷卻燃機進氣溫度，降低循環水溫、減少機力塔循環水量以及用于集中空調系統等方面，為此類項目LNG冷能利用方式提供參考依據。

LNG；氣化站；冷能利用

0 引言

燃氣蒸汽聯合循環項目作為分布式發電和區域能源系統的主要形式，是一種高效潔凈發電技術，能源利用效率可高達60%～61%，熱電冷多聯供系統更是可達75%以上；NOx排放質量濃度降低到10 mg／m3以下，幾乎沒有 SOx和粉塵排放，CO2排放也只有超臨界燃煤電站的40%［1］。而要達到高效的能源利用，無論是高品位的蒸汽熱能還是低品位的冷能，都應當得到充分利用。

天然氣在標準大氣壓下冷卻至-162℃后，經過脫水、脫酸處理，成為液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG），其密度約為氣態天然氣的620倍，故液化天然氣更有利于長距離運輸。LNG在氣化站通過氣化器氣化后使用，氣化時放出很大的冷量，其值大約為 830~870 kJ／kg（氣化潛熱和顯熱之和，見圖 1）［2］。這部分冷量如果不加以利用，不僅會白白浪費，而且直接排放還會對自然生態環境產生影響。如何通過特定的工藝技術將LNG氣化釋放出的冷能充分利用已備受重視。

圖1 溫度與LNG冷能的關系曲線

1 項目背景

某省建設2套多軸“一拖一”60 MW級燃氣蒸汽聯合循環機組，采用LNG作為主燃料，氣化站緊鄰該廠，LNG氣化后通過管道直接輸送至廠區調壓站使用。每臺燃氣輪機消耗燃氣量約13 250 m3／h；同步建設1臺25 t／h燃氣備用輔助鍋爐，耗氣量約為 1 400 m3／h，總的燃氣耗量約為 27 900 m3／h。 此項目中，若將液化天然氣氣化至5℃，估算能夠產生4.8 MW的冷量。利用好這部分冷量，對提高項目的能源綜合利用率具有十分重要的作用。

LNG冷能的綜合利用途徑如表1所示［3］。實現LNG氣化冷能的綜合利用，關鍵在于先期規劃或同步建設可供接收的用戶。由于本項目周邊暫時沒有冷量用戶，LNG氣化冷能僅供在電廠內循環利用。

表1 冷能利用的主要途徑

2 LNG氣化冷能利用方式

2.1 冷卻燃機進氣

燃機壓氣機入口環境溫度對熱耗、功率的影響如圖2所示。燃氣輪機輸出功率與進氣的質量流量密切相關。由于進氣容積一定，進氣溫度升高時，空氣密度下降，質量流量減小，燃機輸出功率降低，相對效率也會下降［4］。從圖2可以看出，進氣溫度每上升10℃，燃機出力約下降3%。

由于本項目主燃料為LNG，LNG的氣化和燃機的運行是同時的，可以實現冷能的供需同步，不必考慮空分或冷庫技術等帶來的下游冷量需求波動等問題；與冷能發電相比，僅需增加換熱單元，轉動設備少，系統簡單，投資和運行成本更低，大大改善聯合循環機組的技術經濟性。

圖3給出了利用LNG冷能冷卻燃機進口空氣的工藝流程，通常LNG儲存的溫度是-160℃，壓力為0.105 MPa［5］。在換熱器中利用乙二醇溶液將氣化冷能傳導給燃機壓縮機進口空氣，降低壓縮機進氣溫度，并不需要額外的耗能。

圖2 壓氣機入口環境溫度對熱耗、功率的影響（60 MW級燃機，氣體燃料，100%負荷）

圖3 LNG氣化冷能供燃機進口空氣冷卻系統

從圖2可以看出，若LNG冷能將燃機壓氣機進口溫度降低10℃，可使聯合循環機組出力將增加約2 MW。但空氣的含濕量增加使系統的阻力增加，系統熱耗約將降低0.2%。另外，燃機進口溫度也不能太低，一般不小于15℃，所以冬季時進氣冷卻裝置應當停運，此時LNG冷能不能利用，但仍會增加燃機進口阻力，降低冬季工況的出力。同時，增加燃機進氣冷卻裝置，會提高初投資及日常的運行維護費［2］。因此，考慮綜合能源利用效率以及運行維護便宜性，此種LNG冷能利用方式不具優勢。

2.2 冷能回收至循環水系統

本項目循環水系統采用母管制，2臺機配置3臺循環水泵和2座機械通風冷卻塔。2×60 MW機組的額定純凝及額定供熱工況循環水量見表2。

表2 2×60 MW機組主要工況循環水量

從循環水回水管道引出1根DN350管道，進入LNG冷能回收換熱器降溫，降溫后的循環水不再進入機力塔噴淋，直接進入冷卻塔水池，冷能回收至循環水系統見圖4。

圖4 冷能回收至循環水系統

LNG氣化能夠產生的冷量約為4.8 MW，以總體換熱效率以90%計算：

額定純凝工況下，回收的冷能可取代約429 m3／h循環水由32.22℃降至23.6℃；

額定供熱工況下，回收的冷能可取代約773 m3／h循環水由28.39℃降至23.6℃。

由于進塔循環水量減少，冷卻塔風吹和蒸發損失的水量也相應減少：

額定純凝工況下，風吹損失減少約0.43 m3／h，蒸發損失減少約5.25 m3／h，循環水排污量減少約1.32 m3／h，總體節水約 7.00 m3／h；

額定供熱工況下，風吹損失減少約0.77 m3／h，蒸發損失減少約5.26 m3／h，循環水排污量減少約0.98 m3／h，總體節水約 7.01 m3／h。

此外，由于進入機力塔的循環水量減少，機力塔風機風量可相應減小，進而可以減少風機電耗，節省廠用電。

2.3 LNG冷能用于集中空調系統

如圖5所示，LNG用于集中空調供冷系統中具體工藝流程為：LNG進入換熱器A與一級冷媒 （例如：乙二醇溶液）換熱升溫形成天然氣進入天然氣管網，供后續用戶燃燒使用。一級冷媒在換熱器B中與空調系統循環水進行熱交換，制取集中空調制冷所需5℃冷水，供空調用戶用冷。

圖5 LNG用于集中空調供冷系統工藝流程

60 MW分布式燃氣蒸汽聯合循環項目一般采用余熱鍋爐尾部煙氣制取的熱水驅動溴化鋰制冷機獲取空調制冷用水，并設置水冷螺桿式電制冷機組作為備用，設計制冷量為1.6 MW。LNG氣化站所釋放的冷能可以完全滿足能源站內自身空調制冷負荷，這樣余熱鍋爐尾部熱水換熱器的熱水可用于其他用途，比如對外提供生活熱水。因此，從長遠來說，LNG冷能適用于空調制冷。同時，考慮到LNG氣化站檢修期間無法釋放冷能的情況，LNG冷能利用方式可劃分為3種模式：LNG承擔全部制冷負荷、LNG承擔部分制冷負荷、LNG不承擔制冷負荷。

模式一：LNG承擔全部制冷負荷。在LNG回收冷量完全滿足建筑物空調系統使用工況下，管殼式與空溫式氣化器共同承擔冷負荷，現有制冷站內的熱水型溴化鋰或水冷螺桿機組停止運行。通過控制冷凍水泵循環水流量來確保進入空調系統的冷凍水溫度維持在5℃。通過控制管網前的氣態LNG壓力來調節氣化量，以確保達到預定的氣化效果。圖6和表3為冷能利用系統的運行模式及閥門開關狀態。

圖6 LNG承擔全部制冷負荷時運行模式

表3 LNG承擔全部制冷負荷時閥門開關狀態

模式二：制冷主機與LNG氣化冷量供應聯合。在液化天然氣氣化回收冷量無法完全滿足集中空調系統冷負荷需求時，液化天然氣冷能利用系統與廠內制冷站中的熱水型溴化鋰機組或水冷螺桿機組聯合運行，空溫式氣化器、空調系統制冷主機以及新增的管殼式氣化器聯合實現LNG的氣化過程。通過控制管網前的氣態LNG壓力來調節管殼式氣化器的氣化量，以確保預定的氣化效果；通過調整冷凍水泵循環水流量來確保進入空調系統的冷凍水溫度在 5℃；通過調整管殼式氣化器的冷凍水出水流量，確保進入空調系統的冷凍水溫度在5℃；圖7和表4為冷能利用系統的運行模式及閥門開關狀態。

圖7 LNG承擔部分制冷負荷時運行模式

表4 LNG承擔部分制冷負荷時閥門開關狀態

模式三：制冷主機獨立供冷。在LNG回收冷量無法使用工況下，能源站廠內制冷站中的熱水型溴化鋰機組或水冷螺桿機組獨立運行。此模式下，管殼式氣化器停止運行。集中空調制冷側采用調整冷凍水泵循環流量的方式來確保進入空調系統的冷凍水溫度在5℃。此模式下，冷能利用系統的運行原理及閥門切換如圖8和表5所示。

圖8 LNG不承擔制冷負荷時運行模式

表5 LNG不承擔部分制冷負荷時閥門開關狀態

通過以上比較，可以看出：

1）LNG冷量回收系統在采用兩級能量傳遞時，能夠根據負荷大小選取合適的冷量回收，具有可調節性強、匹配性好的特點，可用于建筑空調系統；

2）在存在冷用戶需求時，可采用二次冷媒與集中空調循環水直接換熱的方式來實現能量的直接傳遞；

3）模擬分析LNG冷量回收系統的3種運行工況，確定閥門切換及匹配負荷的調節方式，使系統設計具有更好的工程實用性。

總之，將LNG冷能用于集中空調系統一方面有利于節約電能消耗；另一方面又解決了LNG氣化需吸收外部熱量的問題，可以實現能量的多次利用。

3 結語

結合具體工程實例對冷能在冷卻燃機進氣溫度、降低循環水溫與減少進入機力塔循環水量，以及用于集中空調系統等方面的利用方案進行了技術比較分析。經過比較，冷能利用于降低循環水溫、減少進入機力塔循環水量的方案系統更為簡單，能量也可以得到充分利用，效果最好，具有更強的實用性。在具體的利用過程中，還是應當根據項目的特點采取最適宜的方式，達到提高經濟效益、循環利用能量的目的。

［1］蔣洪德，任靜，李雪英，等.重型燃氣輪機現狀與發展趨勢［J］.中國電機工程學報，2014，34（29）：5 096-5 102.

［2］王欣，阮剛，周瓊.LNG冷能在燃氣蒸汽聯合循環機組中的利用［J］.能源與環境，2013（1）：30-31.

［3］陳賡良.小型LNG氣化站的冷能利用［J］.石油與天然氣化工，2013，42（6）：588-593.

［4］姜周曙，胡亞才，繆盛華.燃氣—蒸汽聯合循環進氣冷卻系統技術經濟分析［J］.熱力發電，2007，36（2）：5-8.

［5］暨穗磷，彭艷.液化天然氣（LNG）冷能用于冷卻發電燃氣輪機進氣的分析［J］.能源技術，2005，26（4）：182-184.

Study on Utilization Schemes of Cold Energy in Gas and Steam Combined Cycle Project

LI Bo，MA Qiang
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corp.，Ltd.，Jinan 250013，China）

This paper introduces cold energy utilization schemes in LNG gasification station.First，analysis is carried out to estimate how much cold energy can be obtained from LNG gasification process.The cold energy should be recycled and used only in the plant area.Then，three technical schemes for different application areas：cooling inlet air of gas turbine，cooling and reducing circulating water，and driving centralized air conditioning system combined with actual engineering examples are discussed.This paper summaries the experience obtained from the project illustrated above，providing reference and guidance for the future LNG cold energy utilization of this kind of project.

LNG；gasification station；cold energy utilization

TM611.31

B

1007－9904（2017）11－0047－05

2017-06-01

李 波（1985），男，工程師，從事發電工程熱機系統設計工作。