LNG富氧燃燒電廠火用及火用經濟分析

1 概述

天然氣被認為是一種優質、高效、清潔的化石燃料，具有很低的碳排放比系數，目前已經被認為是最具有發展潛力的一次能源之一

。但是即使大規模使用天然氣作為燃料，仍然無法滿足我國對于碳排放的預期，因此還必須尋找其他減少碳排放量的方法

。

富氧燃燒被認為是最易實現工業化和最具有潛力的電廠大規模碳捕獲技術之一

。然而在富氧燃燒過程中，大量的能量被消耗在O

產生過程和煙氣分離單元中，這導致系統產電效率大幅度降低，限制了富氧燃燒模型的推廣

。而液化天然氣(LNG)作為一種常見的天然氣存儲運輸方式，貯存著大量的冷能

。研究表明，將LNG冷能應用于富氧燃燒電廠中，不僅可以有效提高LNG冷能的利用效率，而且可以大幅度提高富氧燃燒系統的產電效率

。因此，將LNG冷能應用到富氧燃燒技術中是彌補電廠能源損失的有益嘗試。

考慮到燃燒設備能夠承受的溫度條件，通常采用CO

或H

O作為稀釋劑中和燃燒器的燃燒溫度。稀釋劑不同，對于系統的經濟性和優化潛力有著重要的影響。但是到目前為止，仍然缺少稀釋劑對富氧燃燒模型經濟性影響的研究，因此有必要分別對CO

或H

O作為稀釋劑的LNG富氧燃燒系統進行經濟和優化性能評估。

火用及火用經濟分析方法作為一種同時考慮系統能耗和經濟成本的分析手段受到廣泛關注

。該方法一直以來都被認為是對系統性能優化做出合理化建議、精確評估系統經濟可行性的有效辦法，并經常被應用到復雜的能量轉換系統中

。

本文提出分別使用CO

和H

O作為稀釋劑中和燃燒溫度的LNG富氧燃燒發電廠。為識別和量化系統火用損及經濟成本，采用火用及火用經濟分析手段對系統進行研究，對分析結果進行深入討論。由此對系統火用效率及經濟可行性進行評估，并定量掌握了系統能耗及經濟性兩方面的優化潛力。

2 模型建立

2.1 系統模型

圖1、2分別是以H

O和CO

作為稀釋劑的LNG富氧燃燒系統(簡稱為O

/H

O燃燒系統和O

/CO

燃燒系統)流程，兩者皆主要由燃燒器、燃氣輪機、余熱回收單元及煙氣分離單元組成。

在圖1中，通過空氣分離裝置制得的氧氣(物流1)經過壓縮機加壓后(物流2)，與天然氣(物流29)和稀釋劑水(物流22)混合后進入燃燒器進行燃燒，燃燒后的煙氣(物流3)進入燃氣輪機通過膨脹驅動發電機產生電能。排氣(物流4)進入余熱回收單元，為汽水循環提供熱量。之后，降溫后的煙氣(物流7)在換熱器1中與低溫天然氣(物流26)進行換熱，并進入分離裝置1中(物流8)，分離出來的水(物流20)被分為兩部分，一部分(物流21)經過泵2加壓后被送入燃燒器，另一部分(物流23)則直接排出系統。相對干燥且富含CO

的煙氣(物流9)經過壓縮機2加壓至CO

冷凝壓力，之后高壓煙氣(物流10)在換熱器2中通過換熱冷卻為低溫高壓煙氣(物流11)，最后液態CO

(物流13)在分離裝置2中被分離并捕獲，而剩余煙氣(物流12)則被排出系統。LNG(物流24)經過泵3加壓為高壓液化天然氣(物流25)，之后依次通過換熱器2和換熱器1與煙氣進行換熱，為系統提供冷能，天然氣(物流27)在分離器2中被分為兩部分，一部分(物流29)被用作燃燒器的燃料，另一部分(物流28)被存儲下來通過管道輸送至其他用戶處。

其次，我國的互聯網金融企業還面臨這來自外資的競爭。我國大部分的汽車金融公司具有外資背景，而國外的汽車金融發展時間較長，業務較為成熟，這對我國的互聯網汽車金融行業造成了巨大的威脅，但這也是一個巨大的挑戰，激勵我國互聯網汽車金融公司不斷提高自身業務水平，迎頭趕上。

一是，2017年4月20日—4月21日，由北京飛莫斯科，當天轉機伏爾加格勒，在伏爾加格勒尋訪阿玉奇牙帳地馬努托海遺址疑似地，以及當地的蘇聯衛國戰爭勝利紀念碑群——祖國母親紀念碑；

在圖2中，與O

/H

O燃燒系統不同的是，在換熱器1中完成降溫的煙氣(物流b8)經過分離處理后，分離出來的水(物流b20)被抽離系統，而相對干燥且富含CO

的煙氣(物流b9)在壓縮機2中加壓至CO

冷凝壓力。之后高壓且富含CO

的煙氣(物流b10)在分流器1中分為兩部分：一部分(物流b11)在換熱器2中預冷為低溫煙氣(物流b12)，然后流經換熱器3通過與液化天然氣進行換熱降溫至CO

冷凝溫度，液化后且富含CO

的煙氣(物流b13)進入分離裝置2中將液態CO

(物流b31)分離并捕獲，剩余煙氣(物流b30)被排出系統。另一部分(物流b21)進入壓縮機3中加壓至燃燒壓力，之后富含CO

的高壓煙氣(物流b22)被送入燃燒器中作為稀釋劑調節燃燒溫度。此外，O

/CO

燃燒系統中的其他過程與O

/H

O燃燒系統相同。

本文利用大型化工流程模擬軟件Aspen Plus對兩個系統進行了模擬仿真。模型建立過程中，兩個系統中的燃料進量保持一致，燃燒器進口燃料物流設置為3 600 kmol/h，氧氣富裕度(與化學計量比相比)為2%，且進料物流的性質在兩個系統中也保持相同，進料物流的組成及相關性質見表1。本文假定所有組分均在穩態條件下運行，其余一些模擬過程中組件的主要熱力學參數見表2。本文涉及的壓力均為絕對壓力。

2.2 模型驗證

O

/H

O燃燒系統和O

/CO

燃燒系統通過XIANG等人

研究的天然氣聯合循環電廠(NGCC)來進行驗證，當兩個模型的相關參數與文獻中的對應模型保持一致時，模擬結果顯示O

/H

O燃燒系統和O

/CO

燃燒系統的產電效率分別為38.6%和51.2%，與文獻中的對應效率參數38.9%和51.1%相近。因此可以表明本文提出的模型合理，可以用于后續的研究分析。

2.3 計算模型

① 火用分析

當系統相對于環境靜止時，忽略勢能和動能，系統中物流火用可以表示為物理火用和化學火用之和

。

系統內部由于發生化學反應和熱交換等不可逆過程，因此會出現火用損

：

=

-

-

(1)

O

/H

O燃燒系統和O

/CO

燃燒系統內各組件的燃料火用、產品火用及火用損的計算過程分別見表3、4。其中需要注意的是，余熱回收單元中的冷凝器屬于耗散組件，因此直接定義冷凝器的火用損為

-

或

-

，而不考慮其燃料火用和產品火用。另外由于本文設置環境狀態為系統邊界條件，因此只需要計算系統總泄漏火用而不在表3、4中考慮單獨組件的泄漏火用

L，

。

在系統運行的過程中，組件之間會相互影響。為了評估這種相互作用，將組件

的火用損分為內源和外源部分；為了揭示系統部件能耗的優化潛力，還將組件

的火用損分為可避免和不可避免部分；即將組件

的火用損進一步劃分為內源可避免、外源可避免、內源不可避免及外源不可避免部分

，具體見式(2)：

根據設備的維護記錄，設備的投用時間和設備使用年限，結合儀表廠家的備品生產信息，定期生成診斷報告，告訴用戶更換設備或定期更換備品備件。

(2)

② 火用經濟分析

火用經濟分析方法是一種評估系統內組件經濟性的有效手段。系統內組件

的經濟平衡方程通常采用式(3)表達：

(3)

組件

的單位燃料火用成本方程為：

(4)

O

/H

O燃燒系統和O

/CO

燃燒系統內各個組件的經濟平衡方程和輔助方程

見表5、6。

類似于火用損分析方法，火用損成本和投資成本同樣可以分為可避免、不可避免、內源和外源部分

：

(5)

(6)

(7)

(8)

為了深入進行火用經濟分析，將組件

的火用損成本細分為內源可避免部分、外源可避免部分、內源不可避免部分及外源不可避免部分

：

(9)

③ 系統評價指標

組件

的火用效率

作為評估并比較不同組件能效的重要參數，被定義為該組件

的產品火用與燃料火用的比值：

(10)

O

/H

O燃燒系統和O

/CO

燃燒系統整體的火用效率分別定義為

和

：

然后教師再總結：壓力是一種效果力，而重力是一種性質力，他們之間并沒有本質的聯系，所以壓力可以由重力產生，也可以由其他力產生。這樣學生就不會將它們混在一起了。

(11)

(12)

為比較系統內不同組件可避免火用損，定義可避免火用損率為：

(13)

定義組件

的內源可避免、內源不可避免、外源可避免、外源不可避免火用損率如下：

(14)

(15)

(16)

(17)

3 結果與分析

3.1 火用分析結果

表10、11詳細反映了O

/H

O燃燒系統和O

/CO

燃燒系統內重要組件的火用損成本。燃燒器在兩個系統中的火用損成本都達到最大，分別為49 288 美元/h和517 094 美元/h。在O

/H

O燃燒系統中，燃燒器火用損成本過高是因為該組件本身火用損過高；而在O

/CO

燃燒系統中則是因為燃燒器相對較高的單位火用成本。

基于火用分析結果可知，O

/CO

燃燒系統的可避免火用損率高達19.97%，遠高于O

/H

O燃燒系統的11.99%。另外，在O

/H

O燃燒系統中只有53.65%的火用損屬于內源部分，而O

/CO

燃燒系統中內源火用損占比高達88.54%。因此，以CO

作為稀釋劑的LNG富氧燃燒系統具有相對較高的能耗優化潛力，且該系統中的火用損主要是由組件內部自身的不可逆性造成的。

兩個系統內重要組件的可避免/不可避免、內源/外源火用損見表9。系統性能的可優化程度主要取決于其可避免火用損率。由表9可知，O

/CO

燃燒系統中各個組件的可避免火用損率除燃燒器外都要高于O

/H

O燃燒系統中的對應組件。另外，在O

/CO

燃燒系統中，組件的火用損主要集中在內源部分，由此可知各個組件自身的不可逆性是造成組件火用損的重要原因。因此，以CO

作為稀釋劑可以提高富氧燃燒系統內各個組件的優化潛力。

3.2 火用經濟分析結果

O

/H

O燃燒系統和O

/CO

燃燒系統內重要組件的火用效率見圖3，兩個系統的火用分析結果分別見表7、8。從系統整體看，在O

/ CO

燃燒系統中表現出更高的火用效率，即以更低的燃燒火用得到更高價值的產品火用。由表7及表8可知，從系統整體而言，在保持系統進料及燃燒條件相同的條件下，O

/CO

燃燒系統的總火用損為509.77 MW，明顯低于O

/H

O燃燒系統；另外，O

/CO

燃燒系統在運行過程中的總火用效率高達51.12%，遠大于O

/H

O燃燒系統。因此，從能耗角度來講，CO

更適合作為LNG富氧燃燒系統的稀釋劑。

兩個系統中各重要組件的4種火用損率分別見表12、13，表中，因為部分組件的外源火用損為負值，因此，該組件的火用損率為負值，在比 較的過程中，負值無意義，用“—”表示。為了更加詳細地研究兩種不同稀釋劑對燃燒系統的影響，需要進一步對比分析。

① 燃燒器

如表10、11所示，O

/CO

燃燒系統中燃燒器的火用損成本遠高于O

/H

O燃燒系統；且由表12、13可知，在O

/CO

燃燒系統與O

/H

O燃燒系統中，燃燒器中可避免火用損率分別11.36%與11.55%，該組件在兩個系統中火用損成本的優化潛力相近。因此，以H

O作為稀釋劑中和燃燒溫度時，燃燒器具有更高的經濟可行性。

、

、

、

、

——O

/H

O燃燒系統中壓縮機1、泵1、壓縮機2、泵3、泵2所需電能成本，美元/h

② 燃氣輪機

由表10、11可知，O

/H

O燃燒系統和O

/CO

燃燒系統中燃氣輪機的火用損成本分別為4 741 美元/h和11 801 美元/h。由表12、13可知，燃氣輪機在O

/CO

燃燒系統中的可避免火用損率為35.18%，高于O

/H

O燃燒系統。

③ 余熱回收單元

從表10、11可見，余熱回收單元在O

/CO

燃燒系統中的火用損成本遠高于O

/H

O燃燒系統。另外該組件在O

/CO

燃燒系統中可避免火用損率26.25%，略高于O

/H

O燃燒系統的22.32%。因此，在優化潛力相差不明顯的情況下，O

/CO

燃燒系統中余熱回收單元將消耗更多的經濟成本。

、

——O

/CO

燃燒系統中燃氣輪機、汽輪機發電功率，MW

從表10、11可見，O

/CO

燃燒系統中換熱器1的火用損成本為85 678 美元/h，是O

/H

O燃燒系統中該組件火用損成本的5.7倍。如表12、13所示，在O

/CO

燃燒系統和O

/H

O燃燒系統中換熱器1的可避免火用損率分別僅為4.88%和0.02%。該分析結果說明在O

/CO

燃燒系統中換熱器1消耗成本更多，且在兩個系統內換熱器1的升級空間受到限制。

⑤ 煙氣分離單元

“基礎會計”是面向經管類專業開設的一門專業基礎課。主要教學目標為，在了解會計基礎理論的同時，具備根據企業基本經濟業務進行賬務處理的能力。主要教學內容包括：復式記賬原理、借貸記賬法、會計憑證填制、賬簿登記、會計報表編制等。

如表10、11所示，煙氣分離單元在O

/H

O燃燒系統中的火用損成本為9 851 美元/h，明顯低于O

/CO

燃燒系統。由表12、13可知，該組件在O

/H

O系統及O

/CO

燃燒系統中的可避免火用損率分別為33.54%和42.14%。因此可知,當以CO

為系統的稀釋劑時，煙氣分離單元將會消耗更多的成本，但由于較高的優化潛力，該組件仍然具有很高的研究優化價值。

4 結論

① O

/CO

燃燒系統的總火用效率為51.12%，高于O

/H

O燃燒系統的36.35%；O

/CO

燃燒系統可避免火用損率為19.97%，遠高于O

/H

O燃燒系統的11.99%。

故事敘述中，同一主題卻采用正反兩個故事或一個故事卻有對比的不同結局、不同做法即為對比法。如在教授《集體力量大》一課中，教師播放兩名小學生做值日的錄像，一個認真細致，一個敷衍了事，對比鮮明，反差巨大，能夠引導學生迅速找到討論的切入點。

② 從系統整體而言，在保持系統進料及燃燒條件相同的條件下，O

/CO

燃燒系統火用效率更高，從能耗角度來講，CO

更適合作為LNG富氧燃燒系統的稀釋劑，以CO

作為稀釋劑可以提高富氧燃燒系統各個組件的優化潛力。

(1) 主體符號

——火用損率(定義式見式(13))

——火用損，MW

——火用成本，美元/h

——O

/CO

燃燒系統中汽輪機電量成本，美元/h

、

、

、

、

——O

/CO

燃燒系統中壓縮機1、泵1、壓縮機2、壓縮機3、泵2所需電能成本，美元/h

——O

/CO

燃燒系統中燃氣輪機剩余電量成本，美元/h

迷走神經刺激可能有遠期效果而被批準用于難治性的抑郁癥患者。沒有資料證實它有快速的效果，因此不能用于抑郁癥的急性期治療。迷走神經刺激可作為其他抗抑郁治療的輔助措施。

——火用損成本，美元/h

——O

/H

O燃燒系統中汽輪機電量成本，美元/h

1.4 統計學處理 采用SPSS20.00軟件分析數據，計數資料以例數或百分比表示，比較采用χ2檢驗；正態分布的計量資料以表示，比較采用t檢驗，用Pearson相關分析法進行相關性分析，以P<0.05為差異有統計學意義。

2008年北京奧運會之后，建設體育強國開始成為我國體育發展新的認知[1]。2017年，習近平在十九大報告中提出：“加快推進體育強國建設”，體育強國由此上升為國家戰略[2]。體育強國其內涵主要包括競技體育、群眾體育、體育產業、體育文化、體育科教5個層面[3]。群眾體育是體育強國建設的重要組成部分，近年來我國學者在這一領域的研究取得了豐碩成果，這些研究涉及我國群眾體育發展的方方面面。

——O

/H

O燃燒系統中燃氣輪機剩余電量成本，美元/h

——物流火用，MW

2013年汛期，嫩江、松花江發生了1998年以來最大的流域性洪水，黑龍江發生了1984年以來最大的流域性洪水。在黨中央、國務院的堅強領導下，在國家防總、松花江防總的組織指揮和有關部門、地區全力支持下，黑龍江、吉林、內蒙古三省（自治區）各級黨委政府和廣大軍民共同努力，奪取了嫩江、松花江、黑龍江流域防汛抗洪斗爭全面勝利，有力保障了人民群眾生命安全，最大程度減輕了洪澇災害損失。

O

——系統內O

的火用，MW

天界，1969年出生，浙江黃巖人，中國作協會員，寫作以詩和評論為主。2008年參加詩刊社第二十四屆青春詩會。浙江省文聯《品位·浙江詩人》雜志執行主編。

——燃料火用，MW

——泄漏火用，MW

反應堆壓力容器是核電站重要的不可更換設備，在反應堆開關蓋期間要盡量避免螺栓咬死的情況，應對螺栓及螺孔螺紋的檢查、潤滑、擰入擰出的速度及力矩進行有效控制，在出現咬死后處理措施要保守，盡量避免對螺孔螺紋的損壞。螺栓咬死后的取出以及螺孔螺紋缺陷的處理的研究，為工程及運營期間出現該類問題提供了解決方案，提高了設備的可靠性。

——系統內LNG的火用，MW

CO，OUT

——系統捕獲CO

的火用，MW

——產品火用，MW

、

——系統進口、出口物流的數量

——系統中組件消耗的功率，MW

1.2.1 成立腦卒中社區延續性康復護理服務小組 腦卒中社區延續性康復護理服務小組成員工作人員共15人，包括臨床醫師2人、護理人員8人、康復治療師5名。本小組成員均接受延續性康復護理服務培訓。

④ 換熱器1

、

——O

/H

O燃燒系統中燃氣輪機、汽輪機發電功率，MW

——O

/CO

燃燒系統凈發電功率，MW

——O

/H

O燃燒系統凈發電功率，MW

——火用損率(定義式見式(14)～(17))

——投資成本(投資與運維成本之和)，美元/h

——火用效率

——O

/CO

燃燒系統火用效率

——O

/H

O燃燒系統火用效率

(2) 上標

AV——可避免

EN——內源

EX——外源

UN——不可避免

(3) 下標

b1,b2,…，b31——O

/CO

燃燒系統中物流編號

bC1、bC2、bC3——O

/CO

燃燒系統中的壓縮機1、壓縮機2、壓縮機3

bP1、bP2——O

/CO

燃燒系統中的泵1、泵2

bGT、bT——O

/CO

燃燒系統中燃氣輪機、汽輪機

bCOM、bHRSG、bHEX1、bFGU——O

/CO

燃燒系統中的燃燒器、余熱回收單元、換熱器1和煙氣處理單元

COM、HRSG、HEX1、FGU——O

/H

O燃燒系統中的燃燒器、余熱回收單元、換熱器1和煙氣處理單元

C1、C2——O

/H

O燃燒系統中壓縮機1、壓縮機2

F——燃料

f——單位燃料

GT、T——O

/H

O燃燒系統中的燃氣輪機、汽輪機

in——進口

——組件

Loss——泄漏

out——出口

P——產品

P1、P2、P3——O

/H

O燃燒系統中的泵1、泵2、泵3

tot——系統整體

1,2，…，29——O

/H

O燃燒系統中物流編號

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