LNG冷能发电技术及ORC工质优选研究

曾丽瑶

(中石化中原石油工程设计有限公司天然气技术中心，河南郑州，451000)

随着全球经济的飞速发展，世界各国对能源的需求量越来越大，并且人们环保意识逐步提高，环保清洁且储量巨大的天然气资源越来越受到欢迎。天然气的消耗量日益增长[1]，LNG已经成为实现中国能源供应优质化、多元化的重要能源。

我国进口的天然气中，LNG进口量保持高速增长。现阶段国内有多座大型LNG接收站，例如福建靑田、广东大鹏和江苏如东等[2]。LNG接收站通过气化器把液态LNG气化后外输[3]，1吨LNG冷量折合约为240kW·h。以2018年液化天然气接收能力计算，LNG冷量折合20.7亿kW·h，预计2023年将达到59.8亿kW·h，蕴含冷能资源量十分巨大。LNG冷能发电系统可有效回收大部分温度梯度的冷量，且不易受到外界因素干扰而被广泛应用[4]。

1 冷能发电的原理

=cp(T-T0)+cpT0ln(T0/T)

2 冷能发电技术对比

2.1 直接膨胀法

这种循环的优点是所需设备少，占地小；原理简单及循环过程简单，比较容易控制。但是，该方式对外做功较少，发电量也比较少。

2.2 郎肯循环法

在换热器中将低温的LNG把冷量传递到某一冷媒介质上，使冷媒介质液化，液态的介质通过泵增压后进入膨胀机，冷媒由液相变成气相对外做功发电的方法是郎肯循环法。

2.3 改进及复合的循环

在不同工作温度下提高LNG冷能的利用效率和提高余热温度是改进及复合循环方式的主要目的。这种改进及复合的循环虽然效率提高了，但是系统过于复杂，运行起来非常困难，如果运用到实际中将会存在诸多问题。

通过不同的冷能发电方式对比分析可知：郎肯循环具有经济性好、设备简单、效率较高和环境友好等特点，同时由于效率高，冷能回收率也有较高。

3 ORC工质优选

3.1 HC族与HFC族工质比选

工质的选取是低温热能与冷能联合发电系统的基础。通过对比工质的热物性、安全性、环保性和经济性，筛选出butane、propane、R227ea、R1234ze和R32共5种具有代表性的工质进行对比分析。候选工质的物性参数如表1所示。

表1中：d为干工质、iso为等熵工质、w为湿工质、A低毒性、B高毒性、1为不可燃、2为燃烧性、3为爆炸性。

建立郎肯循环的数学模型，通过模型对比蒸发温度对系统单位净输出功量的影响。图1中显示随着蒸发温度的上升，多数工质均呈现先增加后减少的趋势。这是由于随着蒸发温度的上升，系统在膨胀机中对外输出功的增量逐渐减少，而循环泵的耗功明显增加，从而导致系统的单位净输出功量呈现先增加后减少的趋势。

图1 蒸发温度对单位工质净输出功率的影响

LNG冷能发电系统，单位工质净输出功量是一个非常重要的评价指标，在给定运行工况下的单位净输出功量越高，系统的性能指标越好。对比这5种工质，饱和碳氢化合物(HC族)propane和butane，相对于不含氯的卤代经(HFC族)有更高的单位工质净输出功。

3.2 饱和碳氢化合物工质比选

选择饱和碳氢化合物工质ethane、butane和propane进行对比分析压力对工质泡点的影响，如图2所示。

图2 压力对工质泡点的影响

对比图2可看出，同一工质下泡点随着压力降低而降低，同一压力下的泡点ethane

图3 HYSYS模拟冷能发电

利用HYSYS软件建立工质为ethane、butane和propane膨胀后压力为200kPa、300kPa、400kPa和500kPa时的冷能发电模型，对比不同压力对泵功率、发电量、介质循环量、泡点温度和净发电量的影响见表2。

表2 不同工质对冷能发电系统的影响

对比表2看出LNG冷能用于发电时，工质为丁烷发电量最高；工质为丁烷时，LNG经过换热器出口温度为32℃，可直接进入外输管网；工质为乙烷和丙烷时候，LNG出口温度为-62℃和-29℃，需要经过水浴加热复温后再进入外输管网；工质为乙烷，由于泡点温度低，系统用不锈钢，投资较高；工质为丙烷和丁烷时，泡点温度较高，系统用碳钢，投资较低。LNG冷能用作发电时，通过模拟对比分析，工质最宜为丁烷。

4 结论

(1)郎肯循环具有经济性好、设备简单、效率较高和环境友好等特点，同时由于效率高，冷能回收率也有较高。

(2)饱和碳氢化合物(HC族)propane和butane，相对于不含氯的卤代经(HFC族)有更高的单位工质净输出功。

(3)LNG冷能用于发电时，工质为丁烷发电量最高且LNG出口温度为32℃，可直接进入外输管网。