LNG冷能發電技術分析對比

張 頡

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

LNG儲存溫度約為-162℃。LNG接收站需要通過氣化器將LNG氣化成常溫天然氣供給用戶使用。LNG在氣化過程中會釋放出大量的冷能。傳統的氣化方式是使用開架式氣化器和空溫式氣化器對其進行加熱。不管使用哪種氣化方式都會使得大部分冷能被浪費，若能將該部分冷能進行有效回收利用，能產生巨大的經濟效益［1］。LNG冷能主要分為直接利用和間接利用。直接利用包括輕烴分離、冷能發電、空氣分離、海水淡化，低溫冷庫等方面，間接利用主要是利用LNG冷能液化氮氣或氧氣再進行低溫粉碎等工藝。

目前，LNG冷能發電技術發展較為成熟。一些公司已經成功開展了LNG冷能發電項目。某些發達國家的大型LNG接收站都配套有冷能發電系統，其主要形式是利用LNG的低溫能將工質冷凝，隨后將其加壓氣化為高溫高壓氣體后在氣輪機中做功發電。發電方法主要包括：天然氣直接膨脹法、低溫朗肯循環法、低溫布雷頓循環法、多級聯合循環法等。由于LNG在氣化過程中溫度范圍跨度很大，合理構建冷能發電系統對提升冷能利用率具有重要作用。本文將使用Aspen hysys軟件對目前主流的各發電系統進行模擬，以確定最佳冷能回收利用方案。

1 目前主要的低溫發電系統

1.1 改善現有動力循環

這種方式主要是利用LNG的冷量來冷卻燃氣輪機的入口氣體溫度，并通過不同的冷卻工質來降低燃氣輪機的出口氣體溫度，以達到增加燃氣輪機工作效率的目的。有研究表明，將燃氣輪機入口溫度由30℃降到5℃時，其運行效率可以提高約5%。但是由于燃氣輪機的運行條件，當地氣象條件都會對冷能回收效率造成一定的影響，所以在很大一部分區域內無法使用冷卻燃氣輪機進出口溫度的方式來回收LNG冷能。

1.2 天然氣直接膨脹法

天然氣直接膨脹法目的是將LNG氣化為高壓常溫天然氣后，利用LNG的壓力火用在氣輪機中透平做功來產生能量。這種方法流程簡單易操作，且所需成本低廉，適合小型LNG接收站和低壓天然氣的冷能回收，但由于沒有充分利用LNG的低溫冷能，所以冷能利用率較低。

1.3 低溫朗肯循環法

低溫朗肯循環法［2］是將低溫的LNG作為冷源，通過換熱器將朗肯循環中的有機工質重新冷凝，利用LNG與熱源之間的溫度差使有機工質完成蒸汽動力循環，從而對外做功。朗肯循環中的有機工質在通過加壓和吸收海水熱量后，進入汽輪機膨脹做功，隨后又被LNG重新液化完成一個完整循環。這種方法一般與直接膨脹法相結合，能有效的回收利用LNG冷能，提升能量利用效率。而且，該方法不需要很高的熱源溫度條件，熱源可以選擇海水或者其他的工業余熱，系統流程簡單，靈活性好，故成為了大多數冷能利用裝置的使用流程。但是由于無法利用高于冷凝溫度的LNG冷能，會導致還有一部分冷量尚未得到完全回收，使得LNG冷能利用效率偏低。

1.4 布雷頓循環法

布雷頓循環法［3］在工藝流程上與低溫朗肯循環法沒有太大區別，低溫布雷頓循環法主要是將循環工質變更為N2、CO2等氣體。在循環中，使用LNG冷能冷卻壓縮機入口氣體溫度，使相同壓比下壓縮機所需能量減小，從而提升了凈發電效率。同時由于循環工質在運行過程中不存在相變過程，其放熱曲線不斷下降，使得LNG與工質在換熱器內得到了較好的溫度匹配，有效的提升了換熱效率，從而增加了冷能回收利用率。但是由于布雷頓循環法需要極高溫度的熱源以加熱循環工質，這使得熱源與冷源之間存在較大的換熱溫差，導致循環中熱損失增大，設備操作復雜，所以此方式應用較少。

1.5 多級聯合循環法

由于LNG氣化過程中溫度范圍跨度較大，很難找到合適的工質來充分利用LNG冷能。為提高能量利用效率，有學者提出建立多級循環來梯級利用LNG冷能。多級聯合循環法主要是將各低溫循環法進行串聯或并聯，以達到充分回收LNG冷能的目的。主要原理為：LNG與一級朗肯循環完成換熱后，二級朗肯循環將再次利用LNG剩下冷量與二級工質換熱以完成低溫循環，這種方法能有效利用LNG各個層級的低溫冷能，以達到能量利用效率最大化，但由于系統復雜，在實際應用中存在很多問題。

2 基于Aspen hysys軟件的系統模擬

2.1 各發電系統的計算模型

為分析發電系統的冷能利用效率，本文采用Aspen hysys軟件構建發電系統流程，并對各發電系統進行流程模擬和對比。

本文將對模擬過程進行簡化，對系統做出以下假設：

1）系統處于穩定的流動狀態；2）忽略所有換熱器和管道中的壓降和熱損失；3）液化天然氣組分為純甲烷；4）LNG入口溫度為-162℃，壓力為0.1MPa；5）經低溫泵加壓后的LNG壓力為3MPa；6）LNG出口供應壓力為0.6MPa；7）海水換熱前后溫度分別為25℃和20℃；8）環境溫度為25℃，環境壓力為0.1MPa。

定義發電系統中LNG冷能回收效率［4］如下：

其中：

式中：η表示LNG冷能回收效率；W為系統所做功，kJ／s；Wnet表示系統產生凈功；E為物質在某一狀態值，kJ／s，Elng表示 LNG損失；h為工質在某一狀態的焓值，kJ／kg；hout和hin分別表示LNG在系統入口和出口的焓值，T為溫度，℃；T0表示環境溫度；s為工質在某一狀態的熵值，kJ／kg·℃；sout和sin分別表示LNG在系統入口和出口的熵值。

2.2 發電系統的流程構建

天然氣直接膨脹法流程構建簡單，將系統入口LNG經低溫泵加壓后進入氣化器內與海水換熱氣化，高壓常溫天然氣在汽輪機內做功，隨后與再此與海水換熱后直接輸出。

低溫朗肯循環法和布雷頓循環法的流程，LNG在氣化器中將與循環工質進行換熱，循壞工質在吸收LNG冷量后冷凝，隨后通過泵加壓和被熱源重新氣化后，在氣輪機中透平膨脹對外做功。氣化后的LNG將再次進行直接膨脹過程以充分回收冷能。低溫朗肯循環法主要以丙烷為循環工質，布雷頓循環法以氮氣為循環工質。

Aspen hysys內構建的多級聯合循環流程在低溫朗肯循環法的基礎上多增加了一級以丙烷為工質的低溫朗肯循環，從而對LNG冷能進行梯級利用。

2.3 模擬結果對比

以質量流量為1kg／s的LNG為研究對象，模擬LNG在各冷能發電系統中的凈發電功率和冷能回收效率，模擬結果如表1所示。

結果表明：天然氣直接膨脹法冷能回收效率較低，只有17.2%，而使用低溫朗肯循環法和多級聯合循環法其發電功率分別提升了141.1kW和153.2kW，冷能回收利用率則分別提升了17.4%和18.9%。這說明在天然氣直接膨脹法的基礎上結合蒸汽動力循環［5］可以大大提升冷能回收利用率。同時，使用多級聯合循環，可以對LNG冷能進行梯級利用，以達到能量利用效率最大化。

3 結論

LNG在氣化過程中將會釋放出大量的冷能，使用傳統的氣化方法將會使這部分冷能散失在海水或空氣中，造成極大的能量損失。本文介紹了一些利用LNG冷能發電以回收利用能量的系統，并對各系統進行了建模與計算，以探究如何更好的回收LNG冷能，結果得到：

1）與傳統的LNG氣化過程相比，運用LNG冷能發電系統能有效回收利用大量冷能，以達到節能減排的目的。

2）使用天然氣直接膨脹法結合蒸汽動力循環可以大大提升冷能回收利用率。同時，使用多級聯合循環，可以對LNG冷能進行梯級利用，達到能量利用效率最大化。

3）LNG冷能發電技術會朝著冷能梯級利用、復合循環發電等高效冷能回收方向發展。