一种新型L-CNG加注站的能量综合回收系统

赵庆轩 谭宏博 孙楠楠 厉彦忠

(西安交通大学制冷与低温系 西安 710049)

一种新型L-CNG加注站的能量综合回收系统

赵庆轩 谭宏博 孙楠楠 厉彦忠

(西安交通大学制冷与低温系 西安 710049)

分析了传统L-CNG加注站存在的问题，提出了一种新型L-CNG加注站的综合能量回收系统，并对其进行了热力学分析。结果表明，以加气量18 000 Nm3/d的加注站为例，新系统能够节省传统系统中的泵功18.73 kW，同时其效率较传统系统提高3.61%。在乙烷为工质的新系统中，当有机朗肯循环的蒸发压力从1.3 MPa升高到2.3 MPa时，LNG膨胀机入口温度可以从331.6 K降低到298.6 K；此外当蒸发压力从1.3 MPa升高到2.1 MPa，LNG的汽化压力可从30.5 MPa降低到21.6 MPa；当有机朗肯循环的蒸发压力为1.7 MPa时，随着LNG汽化压力从22 MPa升高到28 MPa，LNG膨胀机入口温度从371.3 K先降到314.5 K，随后略有上升。研究从理论上证明新型L-CNG加注站的综合能量回收系统具有显著的节能效果，同时可在较宽工作范围内正常运行。

L-CNG站 有机朗肯循环 能量回收

1 引 言

“十三五”能源规划指出，到2020年中国天然气供应量要达到4 000亿立方，一次能源消费占比将上升到10%。为此在北京、上海、长沙、乌鲁木齐、贵阳、海口、三亚、珠海等地开展了液化天然气(LNG)公交车的推广，LNG汽车已成为清洁燃料汽车中的重要一员。当前LNG加注站的建设是制约LNG汽车发展的一个重要因素，开展建站成本低、运行费用少、能源利用效率高的具有自主知识产权的天然气加注站系统技术的研究显得尤为重要。

L-CNG加注站利用高压低温泵将LNG加压至20—25 MPa后汽化获得压缩天然气(CNG)，可为CNG和LNG汽车加注燃料，其功耗远小于压缩机直接加压流程；此外其建站用地少、初投资及运行成本低、无噪声污染，工艺简单且不受天然气管网的限制。本文将介绍一种新型的L-CNG加注站的综合能量回收系统，对其进行能量分析，并探讨多种工况变化情况下的工作范围。

2 L-CNG加注系统概述

图1所示为L-CNG加注站系统的典型流程，LNG经往复式高压低温泵(如柱塞泵)加压至20—25 MPa，在空温式汽化器中被汽化并复温到环境温度，之后进入CNG缓冲罐，最后经过计量系统和加注枪为CNG汽车加注燃料。由热力学可知，处于同一初压的液态工质和气态工质被加压到相同的终压，液体所需要的耗功要明显小于气体压缩功。郁永章等人分析了利用两级压缩、级间冷却压缩机将进气压力2 MPa的天然气压缩至20 MPa、25 ℃的耗功为314.53 kJ/kg[1]；而利用LNG高压泵(绝热效率为0.75)将一个大气压下的LNG加压至20 MPa的耗功仅需约62.61 kJ/kg。由此可见，L-CNG加气系统能耗与传统CNG加注站相比具有显著优势。尽管如此，传统的L-CNG加注站的低温高压泵消耗功仍然是整个系统最主要部分，以加气量18 000 Nm3/d[2]的加注站为例(假设天然气成分为纯甲烷，LNG泵每天工作12小时计算)，则泵功率约为18.73 kW。

图1 L-CNG加注站传统系统流程图Fig.1 L-CNG fueling station conventional system flow chart

朗肯循环中工质被泵加压后在锅炉中被加热汽化成高压蒸汽，经余热回收换热器过热后膨胀做功；在L-CNG加注站中，LNG被加压并在汽化器中被汽化，这与朗肯循环的加压、汽化过热过程相似；此外LNG作为低温工质，蕴含着宝贵的低温冷，在LNG与环境间建立有机朗肯循环(ORC)，可以回收部分LNG冷量。基于此，利用LNG增压汽化后膨胀做功并构建低温区ORC的L-CNG加注站的综合能量回收系统如图2所示。LNG经高压泵P1增压后在换热器B中被ORC工质汽化加热，之后在余热回收换热器C中被工业余热加热，最后在LNG膨胀机T1中膨胀做功；回收LNG低温冷的ORC以低沸点的有机冷媒作为循环工质，冷媒饱和液被工质循环泵P2增压后在蓄冷换热器中被环境温度下的热源汽化并过热后在工质膨胀机T2中膨胀做功，乏汽在换热器B中被LNG冷凝后成为饱和液体。该新型L-CNG加气系统无需外界输入能量，利用ORC回收LNG冷量，并回收高压LNG汽化过热后膨胀输出功，用于驱动LNG高压泵及ORC的加压泵。

图2 L-CNG加注站综合能量回收系统流程图B、C、F. 换热器；P1. LNG加压泵；P2-工质循环泵；T1、T2. 膨胀机Fig.2 L-CNG fueling station integrated energy recovery system flow chart

3 新型L-CNG加气系统分析

对新流程的能量分析，主要包括从能量守恒角度，对加气系统中泵的耗功和膨胀机输出功的平衡计算，确定流程的主要工作参数，进行热力学计算，研究变工况条件下综合能量回收系统的工作范围。此外，从分析的角度，分析系统各部件的损失和系统效率。

3.1 循环工质选取

ORC工质的选取对L-CNG加气站的综合能量回收性能有着重要的影响，除了要考虑系统净功量、安全性、稳定性等通用性原则外，还应考虑热源的温度与工质临界温度整体匹配性能，同时还应考虑工质在冷凝器中的饱和冷凝压力不应低于常压，以减少维持真空度而增加的额外投资和运行功耗[3]。Drescher U等[4]、Bahaa Saleh等[5]分析了工质物性参数对ORC系统性能的影响，并给出了不同温度条件下系统工质筛选的基本原则。饶文姬等在比较了R113、R123、乙烯、乙烷等工质发现，乙烷是一种可用于ORC很好的工质[6]，其基本性质如表1。

表1 乙烷基本性质Table 1 Ethane basic properties

采用乙烷作为ORC的工质，LNG(假设其成分为纯甲烷)初始状态为0.1 MPa、111.4 K的饱和液体；加气状态为20 MPa、298.15 K(环境温度)的CNG，各状态点参数均列于表2。其中余热换热器C的热源为60 ℃的热水，蓄冷换热器F的热源为环境温度下的乙二醇溶液(乙二醇与水摩尔分数比为0.45：0.55)进行计算，其储存冷量可用于加注站办公室的房间供冷。各换热器端部换热温差均取3 K[7]。考虑泵加压和膨胀过程的不可逆性，取泵和膨胀机的绝热效率分别为ηP1=ηP2=0.75、ηT1=ηT2=0.85。

表2 系统各状态点主要参数Table 2 Main parameters of each state point in system

3.2 系统的能量分析

图3所示为新方案的T-S图，LNG被低温泵P1从0.1 MPa加压至1’点，随后在高压空温式汽化器B中等压汽化并复温至2点状态，之后在余热回收换热器C中被加热至3点状态，最后在膨胀机T1中膨胀至4’点状态。其中1’至2点换热过程，LNG释放冷量与环境温度的热源构建ORC输出功量，图中阴影部分即为这部分冷量的。则：

泵P1的耗功：WP1=m(h1-h0)/ηP=m(h1’-h0)；

换热器B换热量：QB=m(h2-h1’)；

余热回收换热器C换热量：QC=m(h3-h2)；

膨胀机T1输出功：WT1=m(h3-h4)ηT=m(h3-h4’)；

在换热器B中LNG被汽化，ORC工质(膨胀后的乏汽)被冷凝成饱和液，设冷媒汽化潜热为L，则循环工质的质量：m’=QB/L；

泵P2耗功：WP2=m’(h5-h8)；

蓄冷换热器的换热量：QF=m’(h6-h5)；

膨胀机T2的输出功：WT2=m’(h7-h6)；

换热器B：m’(h7-h8)=m’L=QB=m(h2-h1)。

图3 新型L-CNG加气系统T-S图Fig.3 T-S diagram of new L-CNG fueling station system

由于L-CNG加注站输出压力为20 MPa的CNG，因此该新方案旨在利用工业余热对高压天然气进行过热，使膨胀机在高于20 MPa的压力范围内膨胀做功，此外回收部分LNG低温做功，输出功量供LNG加压泵和ORC中工质循环泵的耗功之用。

在热平衡计算的基础上，需要从热力学第二定律的角度对新流程与传统方案进行比较，并分析新流程中影响系统效率的关键因素，以便于对其进行改进和优化。

各点参数计算式为：ex=(h-h0)-T0(s-s0)；

系统的损失计算式为：I=Ex,in-Ex,out；

对于传统流程，供给Ex,in包括LNG的低温冷量Ex,LNG和低温高压泵输入系统的功Ex,P1；收益Ex,ef为系统输出的高压CNG的Ex,CNG，即：Ex,in=Ex,LNG+Ex,P1；Ex,ef=Ex,CNG；

对于新流程，Ex,in和Ex,ef分别为：Ex,in=Ex,LNG+Ex,9；Ex,ef=Ex,CNG+Ex,12。其中Ex,9为换热器C中热水所提供的热量，Ex,12为换热器F中乙二醇溶液所获得的冷量。

系统效率：ηex=Ex,ef/Ex,in。

4 系统的计算结果与分析

4.1 系统的功量计算结果

各系统的主要设备功量列于表3。从表3可看出，对于直接加压并加热汽化至加气状态的传统加气站系统，需额外输入LNG加压泵P1所消耗功率为18.73 kW。而新流程在上述工况下计算发现，LNG膨胀机T1和乙烷膨胀机T2的功率恰好等于LNG加压泵P1和乙烷循环泵P2的功率，即系统达到内部能量平衡。新型L-CNG加注站的综合能量回收系统无需系统外部能量供应，系统内部可实现能量平衡，回收了LNG汽化并复温过程中的冷能和工业余热，节省了传统流程中的LNG加压泵的功耗，从而达到了节能效果。

表3 各系统的功量计算结果Table 3 Calculated results of power in various systems

4.2 系统的分析结果

通过表2各状态点参数和上述公式计算各系统主要设备的损失如表4。从表4可以看出新型流程较传统流程的损失减小15.17 kW，回收了LNG的部分冷量，实现了系统内部的能量平衡，同时新型流程的效率较传统流程提高3.61%。在新型L-CNG加注站的综合能量回收系统中，余热回收换热器C的损失最大，为39.14 kW，其次是LNG加压泵P1损失为23.90 kW。LNG的冷能并未全部回收利用，一部分冷能在换热器C中损失，同时为了回收LNG汽化过程的压力而提高了LNG的汽化压力，导致LNG加压泵P1的损失增大。

表4 各系统的计算结果Table 4 Calculated results of exergy in various systems

4.2.1 ORC的蒸发压力与LNG膨胀机入口温度的变化关系

保持系统的热源温度和LNG汽化压力不变，提高有机朗肯循环的蒸发压力，在T-S图中系统工作过程如图4所示。随着蒸发压力的升高，乙烷膨胀机T2的比功增大，但是随着蒸发压力继续升高，膨胀机入口的过热度无法保证，膨胀过程进入两相区，膨胀机出口的带液量较大，不利于膨胀机的安全运行，所以在调节蒸发压力的过程中应尽量保证膨胀机出口干度在0.88以上[8]。

图4 蒸发压力升高示意图Fig.4 Increase diagram of evaporation pressure

随着ORC的蒸发压力的提高，乙烷冷凝侧的焓差减小，同时换热器B的总换热量不变，导致乙烷质量流量近似呈线性增加。在蒸发压力从1.3 MPa升高到2.3 MPa的过程中，乙烷质量流量从388.5 kg/h增加到420.9 kg/h，如图5。乙烷膨胀机T2的输出功率增加，因此可降低LNG膨胀机入口温度T3，以减小LNG膨胀机的功率使系统达到新的能量平衡，如图6。根据上述调整过程得出LNG膨胀机入口温度T3与蒸发压力的变化关系，如图7。从图中可以看出随着蒸发压力从1.3 MPa升高到2.3 MPa时，LNG膨胀机入口温度T3从331.6 K降低到298.6 K，系统对可利用余热热源的温度要求将大幅度降低。

图5 乙烷质量流量随蒸发压力的变化Fig.5 Ethane mass flow varies with change of evaporation pressure

图6 设备功率随蒸发压力的变化Fig.6 Equipment power varies with change of evaporation pressure

图7 LNG膨胀机入口温度随蒸发压力的变化Fig.7 LNG expander inlet temperature varies with change of evaporation pressure

4.2.2 LNG汽化压力与ORC蒸发压力的变化关系

同样，保持L-CNG加气站系统的热源温度和LNG膨胀机入口温度不变，提高乙烷有机朗肯循环的蒸发压力，增大乙烷膨胀机T2的功率，从而降低LNG的汽化压力得出LNG汽化压力与蒸发压力的变化关系如图8。随着ORC蒸发压力从1.3 MPa升高到2.1 MPa，LNG的汽化压力从30.5 MPa降低到21.6 MPa。ORC乙烷循环质量随蒸发压力的升高而升高，如图9。此调节过程中，系统达到能量平衡时各设备的功率变化如图10所示。

图8 LNG汽化压力随蒸发压力的变化Fig.8 LNG vaporization pressure varies with change of evaporation pressure

图9 乙烷质量流量随蒸发压力的变化Fig.9 Ethane mass flow varies with change of evaporation pressure

图10 设备功率随蒸发压力的变化Fig.10 Equipment power varies with change of evaporation pressure

4.2.3 LNG膨胀机入口温度与LNG汽化压力的变化关系

当ORC的蒸发压力为1.7 MPa时，调整系统内部能量的平衡状态，分析LNG膨胀机入口温度与LNG汽化压力的变化关系，如图11。从图中可以看出，随着LNG汽化压力的升高，LNG膨胀机的入口温度要求可大幅度降低。当LNG汽化压力从22 MPa升高到28 MPa时，LNG膨胀机入口温度T3先从371.3 K降低到314.5 K，后略有上升。在此新的系统能量平衡条件下，系统各设备的功率变化如图12所示。

图11 LNG膨胀机入口温度随LNG汽化压力的变化Fig.11 LNG expander inlet temperature varies with change of LNG vaporization pressure

图12 设备功率随LNG汽化压力的变化Fig.12 Equipment power varies with change of LNG vaporization pressure

5 结 论

提出了一种能量综合回收的新型L-CNG加注站系统，并对其进行了热力学分析，结果表明新系统能有效地回收LNG汽化复温过程中的冷能和工业余热，实现系统内部的能量平衡，节省了传统系统中的泵功(18.73 kW)，新流程的效率较传统流程提高了3.61%。还分析了在系统能量平衡的条件下主要参数之间的匹配关系。当ORC的蒸发压力从1.3 MPa升高到2.3 MPa时，LNG膨胀机入口温度可从331.6 K降低到298.6 K，大幅降低了对热源温度的要求。另外当ORC蒸发压力从1.3 MPa升高到2.1 MPa时，也可将LNG的汽化压力降低到21.6 MPa，大大降低了系统的运行压力。当ORC的蒸发压力为1.7 MPa，LNG汽化压力从22 MPa升高到28 MPa时，LNG膨胀机入口温度可先从371.3 K降低到314.5 K，随后略有上升。新型L-CNG加注站综合地回收了LNG冷能和工业余热，达到了节能的目的，可有效降低L-CNG加注站的运行成本，具有广阔的应用前景。

1 郁永章，陈二锋，高秀峰. CNG加气子站由压缩机驱动与液压驱动的能耗理论分析[J]. 压缩机技术，2005(4)：1-3.

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Zhang Lei，Gao Wei，Yu Liming，et al. LNG cold energy generation Rankine cycle working fluid research[J]. Cryogenics&Superconductivity，2015(2)：51-54.

4 Drescher U，Brüggemann D. Fluid selection for the Organic Rankine Cycle (ORC)in biomass power and heat plants[J]. Applied Thermal Engineering，2007，27(1)：223-228.

5 Bahaa Saleh，GeraldKoglbauer，Wendland M，et al. Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles[J]. Energy，2007，32(7)：1210-1221.

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A novel integrated energy recovery system based on a L-CNG fueling station

Zhao Qingxuan Tan Hongbo Sun Nannan Li Yanzhong

(Department of Refrigeration and Cryogenic Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China)

A novel integrated energy recovery system used in a L-CNG fueling station was put forward based on analysis of the existing problems of the conventional L-CNG fueling station. The thermodynamic analysis was conducted and the results show that the novel system can save 18.73 kW of the pump power in comparison with a conventional system with a capacity of 18 000 Nm3per day，and its exergy efficiency is 3.61% higher than that of the conventional system. In the new system using ethane as the working fluid of the Organic Rankine Cycle (ORC)，the inlet temperature of the LNG expander can be reduced from 331.6 K to 298.6 K when the evaporation pressure of the ORC increases from 1.3MPa to 2.3 MPa. Furthermore，the LNG vaporization pressure can also be reduced from 30.5 MPa to 21.6 MPa with the increasing of the evaporation pressure from 1.3 MPa to 2.1 MPa. Keeping the evaporation pressure of the ORC constant at 1.7 MPa and increasing the LNG vaporization pressure from 22 MPa to 28 MPa，the inlet temperature of the LNG expander drops from 371.3 K to 314.5 K at first，then rises slightly. It is proved theoretically that the novel integrated energy recovery system can save energy evidently and can be run in a wide range of operating conditions.

L-CNG fueling station；Organic Rankine Cycle;energy recovery

2016-06-04；

2016-07-26

国家自然科学基金项目(51306137)。

赵庆轩，男，24岁，硕士研究生。

谭宏博，男，34岁，博士、讲师。

TB611

A

1000-6516(2016)04-0021-06