基于AspenHYSYS的LNG冷能利用系统设计

收稿日期：２０２０－０５－０２
作者简介：周英宝（１９９１—），山东临沂人，助理工程师，硕士，主要从事静设备设计及石油化工相关工艺研究。

基于ＡｓｐｅｎＨＹＳＹＳ的ＬＮＧ冷能利用系统设计
周英宝，赵永锋
（中海油石化工程有限公司，山东济南　２５００００）
摘要：针对现有ＬＮＧ冷能利用方式存在的投资大、需要产业聚集配套的问题，提出一种梯级利用ＬＮＧ冷能发电和生产液氮的系统。

采用Ｐｅｎｇ－Ｒｏｂｉｎｓｏｎ方程计算法，借助ＡｓｐｅｎＨＹＳＹＳ软件对设计的ＬＮＧ冷能利用系统进行模拟计算，探究了ＬＮＧ总流量和流量比对系统运行过程的影响。

研究结果表明：该ＬＮＧ冷能利用系统运行时氮气压缩机功率、膨胀机功率、发电机功率、系统净功率和液氮产量均与ＬＮＧ流量和流量比呈线性关系，并且可以采用两种调节方式应对ＬＮＧ流量的变化，通过计算得出该ＬＮＧ冷能利用系统的火用效率为
３２．５％，证明了所设计ＬＮＧ冷能利用系统的合理性。

关键词：液化天然气（ＬＮＧ）；ＡｓｐｅｎＨＹＳＹＳ；冷能利用
中图分类号：ＴＥ６４６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０２０）１４－０１５６－０４
ＤｅｓｉｇｎｏｆＬＮＧＣｏｌｄＥｎｅｒｇｙＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＡｓｐｅｎＨＹＳＹＳ
ＺｈｏｕＹｉｎｇｂａｏ，ＺｈａｏＹｏｎｇｆｅｎｇ
（ＣＮＯＯＣＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｊｉａｎ　２５００００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｌａｒｇｅｂｕｄｇｅｔａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｍａｔｃｈｉｎｇｉｎｔｈｅｕｓｉｎｇｏｆＬＮＧｃｏｌｄｅｎｅｒｇｙ，ａｎｅｗＬＮＧｃｏｌｄｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｉｓｄｏｎｅｂｙｍｅａｎｓｏｆＡｓｐｅｎＨＹＳＹＳｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｄｗｉｔｈＰｅｎｇ－Ｒｏｂｉｎｓｏｎｅｑｕａｔｉｏｎ，ＴｈｅＬＮＧｆｌｏｗｒａｔｅａｎｄｆｌｏｗｒａｔｉｏｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｏｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｙｓｔｅｍｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｏｗｅｒｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ，ｅｘｐａｎｄｅｒ，ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｓｙｓｔｅｍｎｅｔｐｏｗｅｒａｎｄｌｉｑｕｉｄｎｉｔｒｏｇｅｎｏｕｔｐｕｔａｒｅａｌｌｌｉｎｅａｒｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏＬＮＧｆｌｏｗａｎｄｆｌｏｗｒａｔｉｏ．ＴｗｏａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆＬＮＧｆｌｏｗｒａｔｅ，ｔｈｅｔｏｔａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｃｏｌｄｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｒｅａｃｈｅｓ３２．５％．ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｖｅｓｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆＬＮＧｃｏｌｄｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬＮＧ；ＡｓｐｅｎＨＹＳＹＳ；ｃｏｌｄｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ
１　概述
目前我国已投产２２座ＬＮＧ接收站，共计接卸能力９０３５万ｔ／ａ。

接收站中的ＬＮＧ与海水换热气化外输并入燃气管网输送给终端用户，气化过程中释放出的８３０ｋＪ／ｋｇ被海水带走排入海中，这部分冷能如果能得到合理应用，不仅能减少气化所需的能耗，还能创造一定的经济效益，同时降低对周围环境的污染。

目前，关于ＬＮＧ冷能的利用方式，相关学者进行了大量的研究，常用的ＬＮＧ冷能利用方式包括空调制冷、海水淡化、空气分离、冷能直接发电、提高热电效率、轻烃分离、冷藏、制冰、橡胶粉碎、冷冻食品等。

日本是ＬＮＧ冷能利用技术最发达的国家，日本对ＬＮＧ冷能利用主要在低温发电、空气分离、制造液态ＣＯ２、干冰以及低温冷库，韩国的ＬＮＧ冷能主要用于空气液化分离和食品冷冻两个方面。

部分冷能利用方式在国内建成的接收站内也有应用，广东大鹏ＬＮＧ接收站的冷能利用项目包括：空气分离、建设人造滑雪场以及海水淡化等，福建莆田ＬＮＧ接收站主要利用冷能进行空气液化分离和橡胶粉碎，其余在建或已建成的ＬＮＧ接收站大部分都有冷能利用用地预留，但是没有配套建设合适的冷能利用装置。

在ＬＮＧ冷能利用过程中，还存在很多的局限性，对于空气液化分离、轻烃分离、海水淡化、冷库等项目，作为ＬＮＧ冷能无法正常供给时的备用，其所有的电制冷装置必须全部保留，整
个装置设备投资大，冷能利用节省的电费短期无法弥补建设、运行过程中的成本，
ＬＮＧ接收站本身不愿意投资建设，只能依靠产业之间的相互配套，其冷能利用方式具有局限性。

鉴于以上技术现状，本文设计一种梯级利用ＬＮＧ冷能的发电及生产液氮系统，利用ＬＮＧ的高品质冷量冷却氮气制得液氮，升温后的ＬＮＧ继续进入朗肯循环系统发电，利用ＡｓｐｅｎＨＹＳＹＳ软件建模，对整个工艺流程进行模拟计算，分析所设计ＬＮＧ冷能利用系统的运行状况，计算整个系统的火用效率。

２　ＬＮＧ冷能利用系统工艺流程
所设计的ＬＮＧ冷能利用系统主要是利用冷能进行发电和生产液氮，系统中螺杆膨胀机、氮气压缩机、发电／电动一体机同轴相连组成三机组，将朗肯循环发电系统和氮气压缩节流制液氮系统进行耦合，朗肯循环发电系统采用单级循环两级膨胀的形式对外做功，二次螺杆膨胀机为氮气压缩机提供动力，剩余的动力分配至发电／
电动一体机发电，如果螺杆膨胀机的功率不足，发电／电动一体机作为电动机输出功率。

本设计系统可以有效实现ＬＮＧ冷能的梯级利用，利用ＬＮＧ的高品质冷量制得温度更低的液氮，升温后的ＬＮＧ继续进入朗肯循环发电系统发电。

工艺流程图如图１所示：
１．氮气预冷器；２．氮气初级冷却器；３．氮气冷却器；４．氮气混合器；５．朗肯循环系统；５．１．循环工质再热器；５．２．初次膨胀机；５．３．循环工质气化器；５．４．循环工质泵；５．５．循环工质罐；５．６．循环工质冷凝器；５．７．二次膨胀机；５．８一级发电机；６．氮气压缩机；７．电动／发电一体机；８．节流阀；９．常压液氮储罐；１０．常压液氮节流阀；１１．液氮储罐；１２．气液分离器；１３．氮气冷凝器。

图１　ＬＮＧ冷能利用系统工艺流程图
３　模拟计算
３．１　模拟计算条件
接收站中的ＬＮＧ根据成分分为贫液和富液，其摩尔分数如下表所示。

表１　接收站中ＬＮＧ组成成分
组分贫液中各组分的摩尔分数／％富液中各组分的摩尔分数／％甲烷９９．８０８６．２０
乙烷０．０７８．４７
丙烷０．００３．９４
异－丁烷０．０００．７０
正－丁烷０．０００．６５
异－戊烷０．０００．０２
氮０．１３０．０２
接收站中的ＬＮＧ主要成分如表１所示，本文只对ＬＮＧ接收站中贫液的工作情况进行模拟，富液的工作规律与贫液相同，只是在效率和发电量上有差别。

通过筛选，选用乙烷、丙烷、乙烯按照一定比例组成的混合物作为朗肯循环工质，混合工质乙烷、丙烷、乙烯比例为１∶１∶８（物质的量比）。

海水的温度取年平均温度１８℃，海水进出口温差设计要求不大于５℃，规定换热器和蒸发器的最小换热温差不低于５℃。

根据海水的温度情况，确定朗肯循环工质的蒸发温度为１３℃，循环工质进膨胀机的压力为１３℃条件下的饱和蒸气压。

整个系统的输入条件如表２所示。

表２　系统输入条件
ＬＮＧ入口温度／℃－１６０
ＬＮＧ入口压力／ＭＰａ１０
海水入口温度／℃１８
海水出口温度／℃１３
氮气入口温度／℃２５
氮气入口压力／ＭＰａ０．７
朗肯循环工质蒸发温度／℃１３
朗肯循环工质冷凝温度／℃－１００
膨胀机效率／％７５
发电机／电动机效率／％９５
工质泵效率／％７５
氮气压缩机效率／％８０
本设计系统在实际工作过程中，控制工艺流程中关键环节
的参数，关键点见图１Ｌ
ＮＧ冷能利用系统工艺流程图，各个关键点的参数条件如表３。

表３　关键节点工艺参数
节点位置
１
２
３
４
５
６
７
８
９
１０温度／℃－１５５－１３０－１０－１５５－１７３１３／－１００／
１３压力／ＭＰａ／
／
／２．２０．７０．０７９０．０１／３．６
／
利用上述条件数据，建立ＡｓｐｅｎＨＹＳＹＳ计算模型，对整个
冷能回收过程进行计算，分析比较三种的工质的特点。

３．２　模拟计算结果
３．２．１　恒定流量比条件下系统运行情况
所设计的ＬＮＧ冷能利用系统中ＬＮＧ分别从氮气冷却器和氮气冷凝器进入系统，当进入氮气冷却器和氮气冷凝器的ＬＮＧ的物质的量比例为１∶５．０１７时，出氮气冷却器和氮气冷凝器的ＬＮＧ温度相同升高至－１３０℃。

固定氮气冷却器和氮气冷凝器
的Ｌ
ＮＧ的物质的量比例为１∶５．０１７，研究ＬＮＧ流量对整个系统
运行的影响。

图２　ＬＮＧ
流量与功率关系
图３　ＬＮＧ流量与液氮产量关系
从图２中可以看出，进入系统的ＬＮＧ流量与氮气压缩机功率、膨胀机总功率、系统净功率均呈线性关系，氮气压缩机功率、膨胀机总功率、系统净功率随着进入系统内的ＬＮＧ流量增加而增加，从图３中可以看出，液氮产量和进入系统内的ＬＮＧ流量也呈线性关系，并且随着ＬＮＧ流量增大，液氮的产量也不
断增大。

由于进入氮气冷却器和氮气冷凝器的Ｌ
ＮＧ的物质的量比例恒定，因此氮气压缩机的功率和液氮产量只与进入氮气冷却器的ＬＮＧ流量或进入氮气冷凝器的ＬＮＧ流量其中之一有关系。

３．２．２　不同流量比条件下系统运行情况ＬＮＧ接收站运行过程中，不同时段的外输量有一定变化，为增加所设计冷能系统对变工况的调节能力，定义流量比为进
入氮气冷凝器的Ｌ
ＮＧ流量与进入氮气冷却器的ＬＮＧ流量之比，研究进入氮气冷却器和氮气冷凝器的ＬＮＧ流量在不同流量比条件下运行对整个系统工况的影响。

从图４中可以看出，进入朗肯系统的ＬＮＧ流量随着流量比
的增大（进入氮气冷凝器的Ｌ
ＮＧ流量）而降低，同时其关系为非线性，主要是因为出氮气冷却器和氮气冷凝器的ＬＮＧ流量和温度变化不成比例，
导致混合后温度呈现非线性关系。

图４　流量比与进入朗肯系统ＬＮＧ的温度在模拟计算时发现当流量比降低至小于４．２时，氮气冷凝
器的换热温差不满足设计要求，当流量比为１
０时，进入系统最大ＬＮＧ流量是最小ＬＮＧ流量的２倍，已经能够满足调节的需要，因此流量比的调节范围为４．２～１０，当进入氮气冷却器和氮气冷凝器的ＬＮＧ的物质的量比例为１∶５．０１７时，出氮气冷却器和氮气冷凝器的ＬＮＧ温度相同，ＬＮＧ混合后不会出现火用损失，
即最佳流量比为５
．０１７，通过分析可以发现，在最佳流量比基础上向流量增大的方向调节时可调节范围更大。

假设进入氮气冷却器的ＬＮＧ流量为１０ｋｍｏｌｅ／ｈ，研究不同流量比条件下ＬＮＧ
冷能利用系统的工作特性。

图５　
流量比与膨胀机总功率和净功率关系
图６　流量比与发电机功率之间的关系
从图５和图６中可以看出，在流量比发生变化时，膨胀机的总功率、系统输出净功率和发电机的功率均成线性关系，都是
随着流量比的增大而增大，从图６中还可以看出，
所设计的ＬＮＧ冷能利用系统其发电量主要来自在于一级发电机即初次膨胀机做功，二次膨胀机做功主要用来带动氮气压缩机，剩余功率传递至二级发电机。

设置氮气压缩机、二次膨胀机、二次发电机三机组可加强系统的调节能力，在启动和运行过程中，稳定氮气压缩机的运行状态。

所设计的ＬＮＧ冷能利用系统运行过程中，可以采用两种调
节方式应对Ｌ
ＮＧ流量的变化：第一，如果要求液氮的产量为恒定量，则进入氮气冷却器的ＬＮＧ流量必须要求恒定，当ＬＮＧ总
外输流量出现波动时，可以调节进入氮气冷凝器的Ｌ
ＮＧ流量，即调节流量比来保持整个冷能系统运行的稳定性，流量比的调节见图５、图６；第二，如果冷能利用以发电为主，生产液氮作为辅助产物，则要求发电机的功率恒定，则需要同时调节进入氮
气冷却器的Ｌ
ＮＧ流量和流量比，其调节过程如图７所示，ｎ为进入氮气冷却器的ＬＮＧ
流量。

图７　流量比与一级发电机之间的关系图
假设目前的运行工况处于在图中Ａ点，当ＬＮＧ总外输量
增加时，如果保持流量比不变，则进入氮气冷却器的Ｌ
ＮＧ流量升高，升高至Ｂ点或Ｃ点，为了保持发电机的功率恒定，必须要降低流量比即从Ｂ点到Ｅ点或从Ｃ点到Ｄ点，流量比是进入氮气冷凝器的ＬＮＧ流量与进入氮气冷却器的ＬＮＧ流量之比，因此流量比虽然降低，但是氮气冷凝器ＬＮＧ流量是升高的，即进入ＬＮＧ的总流量增加时，同时调节氮气冷却器的ＬＮＧ流量和流量比可保持发电机的功率不变，但是液氮的产量会增加，所以通过分析可以发现设计的ＬＮＧ冷能回收系统也可以在恒定
发电功率条件下实现适应Ｌ
ＮＧ流量的变化。

４　简单火用分析
根据热力学第一、第二定律，能量在转变过程中既不会增
加也不会减少，但是品质不同，能量品质的高低可以用火用来衡
量，
火用是物质从一定状态经过可逆过程与环境达到热力学平衡过程时所做的最大有用功。

不考虑动能位能时，单位稳定物流火用损简化为：Ｅｘ＝（Ｈ１－Ｔ０Ｓ１）－（Ｈ２－Ｔ０Ｓ２）此处，下标１和２分别表示天然气（ＬＮＧ）或氮气（液氮）的初始和最终状态，Ｔ０为环境温度（
２５℃），公式参数见表４。

表４　公式参数
物料质量／ｋｍｏｌｅ初始状态
最终状态
〗焓（Ｈ１）／（ｋＪ／ｋｍｏｌｅ）熵（Ｓ１）／（ｋＪ／（ｋｍｏｌｅ℃））焓（Ｈ２）／（ｋＪ／ｋｍｏｌｅ）熵（Ｓ２
）／（ｋＪ／（ｋｍｏｌｅ℃））〗ＬＮＧ／ＮＧ６０．１７－８９１２６．３７６．１－７８２１８．８１３５．３氮气／液氮
１１．９１
－６０．７
１３０．７
－１０５６４．５
５２．５
效率是一个评价系统火用利用程度的重要指标，它是系统在
能量传递过程中收益火用与消耗火用的比值，即：
η＝
Ｅｘ，ｇａｉｎＥｘ，ｐａｙＥｘ，ｐａｙ表示动力循环的火用消耗，Ｅｘ，ｇａｉｎ表示动力循环的火用收益，扣除压缩机、泵等动力设备的消耗功。

膨胀机做功的总功率为３
１．１４ｋＷ，工质泵的消耗功率为１．９４６ｋＷ，氮气压缩机的消耗功率为６．３３７ｋＷ，则系统剩余对外的做功功率为２２．８５７ｋＷ。

通过计算可得所设计ＬＮＧ冷能利用系统的？效率为３２．５％。

５　结果与讨论
（１）鉴于目前ＬＮＧ冷能利用方式存在投资大、工艺流程复
杂、需产业相互配套以及接收站自身无法单独运行等缺点，设
计了一种Ｌ
ＮＧ冷能利用系统，该系统通过氮气压缩机、膨胀机、发电机三机组的形式将制液氮系统和朗肯循环发电系统耦合，有效降低了接收站自身运行期间对外界的依赖。

（２）采用ＡｓｐｅｎＨＹＳＹＳ软件对系统的运行过程进行模拟，通过计算可得，氮气压缩机的功率、膨胀机的总功率、净功率和
液氮产量均与进入冷能利用系统的Ｌ
ＮＧ流量成线性关系，并且随着ＬＮＧ流量的增大而增大。

（３）研究了流量比的变化对所设计ＬＮＧ冷能利用系统的影响，通过研究随着发现流量比与进入朗肯系统的ＬＮＧ温度为
非线性关系，流量比的调节范围为４
．２－１０；所设计的ＬＮＧ冷能利用系统可以有效适应ＬＮＧ外输量的变化，其调节方式可分
为两种，第一，当Ｌ
ＮＧ总外输量发生变化时，固定进入氮气冷却器的ＬＮＧ流量，调节流量比，使液氮的产量保持不变，则膨胀机功率、发电机功率以及净功率均成线性变化；第二，当ＬＮＧ总外输量发生变化时，可以同时调节进入氮气冷却器的ＬＮＧ流量和流量比，使发电机的功率保持不变，则液氮的产量发生线性变
化。

（
４）通过计算得出，所设计的ＬＮＧ冷能利用系统的火用效率为３２．５％。

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