基于LNG冷能利用的低温冷库与冷能发电系统的集成_熊永强

华南理工大学学报（自然科学版）第40卷第9期Journal of South China University of TechnologyVol．40No．92012年9月（Natural Science Edition ）September 2012文章编号：1000-565X （2012）09-0020-06收稿日期：2012-01-04*基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目（51106063）作者简介：熊永强（1978-），男，博士，讲师，主要从事能源高效利用研究．E-mail ：yqxiong1978@163．com 基于LNG 冷能利用的低温冷库与冷能发电系统的集成*熊永强1华贲2（1．暨南大学化学系，广东广州510632；2．华南理工大学天然气利用研究中心，广东广州510640）摘要：为提高液化天然气（LNG ）冷能的利用效率，在对低温冷库利用LNG冷能进行分析的基础上，以甲烷和乙烷混合物（两者质量比为65ʒ35）为工质，将利用冷能发电的Rankine 循环与利用LNG 冷能的冷库制冷过程进行集成，以便在供应冷库所需的冷能不变的情况下，将深冷部分的LNG冷转换为电能．文中还对影响Rankine 循环发电效率的参数进行分析．研究结果表明，集成后的系统在满足冷库所需冷能的基础上，使每吨LNG 的冷能还可发电约15．5kW ·h ，LNG冷的利用效率从38．5%提高到54．0%．关键词：液化天然气；冷能利用；冷库；冷能发电；集成；优化中图分类号：TQ026．4；TB69doi ：10．3969/j．issn．1000-565X．2012．09．004制冷行业是耗能大户，目前制冷设备所消耗的电能约占全世界生产电能的15%左右［1］．液化天然气（LNG ）携带的冷能是一种非常清洁的绿色能源，不仅可以利用LNG 冷能从LNG 中分离回收轻烃资源，为乙烯工业提供优质原料［2-3］，而且LNG 冷能可直接用于空气分离［4］、废旧橡胶低温粉碎［5］、冷能发电［6-7］、低温冷库［8］和CO 2捕集［9-10］等，从而节省大量制冷所需的电耗．LNG 接收站和大型低温冷库一般都设在港口附近，将LNG 冷能供给冷库使用，不仅可以使冷库节省制冷机的初始投资和运行费用，还可以节约1/3以上的电力［1］．日本神奈川县根岸LNG 基地的金枪鱼超低温冷库，自1976年开始营业至今效果良好．在我国，有很多低温冷库利用LNG 冷能的成果报道．曹文胜等［11］提出了一种采用环保制冷剂R410为中间冷媒回收LNG 冷能用于低温冷库的制冷装置．杜琳琳等［12］对南方地区冷库利用LNG 冷能的工艺流程进行了模拟分析．吴集迎等［13］对利用LNG 冷能的冷库系统进行工艺设计和经济性分析，项目的投资回收期小于1a ，经济效益很好．Messineo 等［14］提出了一种以CO 2为冷媒来回收LNG 冷能用于农产品冷物流的方法，并进行了技术经济分析．由于冷库的制冷温度一般在－50ħ以上，而现有工艺中大部分是直接用－160ħ的LNG 冷能作为冷库冷源，导致冷损失较大．熊永强等［15］对空气分离、废旧橡胶粉碎等工艺利用LNG冷能的过程进行分析，提出了将多种工艺集成按温度高低梯级利用LNG 冷能的思路．而在大型的低温冷库中，除了制冷需要消耗大量的能源外，冷冻食品的加工等方面也需要消耗大量的电能．文中按照能量梯级利用的原则，将低温冷库中利用LNG 冷能的制冷工艺与冷能发电工艺进行集成，提出了一种新的集成利用LNG 冷能的工艺流程，以大幅度提高冷能的利用效率．1冷库利用LNG冷能的分析1．1工艺流程在低温冷库利用LNG 冷能的工艺中，通常是由冷媒（或载冷剂）与LNG 换热获得冷能，然后再将低温冷媒输送到冷库的库房中释放冷能．在冷库运行过程中，冷媒可以保持液相不汽化，通过显热来携带和供应冷能，也可以通过汽化相变来供冷．现有工艺中使用的无相变冷媒有乙醇、乙二醇水溶液等，而相变冷媒主要包括氟利昂、氨、碳氢化合物等．冷媒无相变流程结构比较简单，按照温度高低逐级利用LNG 的冷能，但所需的冷媒循环量较大．而冷媒相变流程中，冷媒的汽化潜热较大，所需的冷媒循环量较少，通过控制冷媒的汽化压力可以精确地控制库房的温度．故文中选择冷媒相变的工艺流程进行热力学分析．以一个年加工75万t 鲜活水产品的冷库为例，其中冷冻水产品60万t /a ，鲜活水产品6万t /a ，水产干品9万t /a ，各库房的冷负荷为：冷冻库（蒸发温度－42ħ）负荷约10．0MW ，冷藏库Ⅰ（蒸发温度－28ħ）负荷约为1．3MW ，冷藏库Ⅱ（蒸发温度－15ħ）负荷约为2．6MW ，总负荷约为13．9MW．如果采用压缩制冷方式，以氨作为制冷剂，则压缩制冷的功耗约为6．9MW ，年耗电量约为6．04ˑ104MW ·h．如果该大型冷库采用周边液化天然气接收站的LNG 作为冷源，则可节省大量的制冷电耗，具体工艺流程如图1所示．根据各个库房所需的蒸发温度的高低，利用冷媒在换热器E 1、E 2、E 3中依次与LNG 逐级换热而液化，再经泵将液化的冷媒输送到各个库房，通过控制冷媒的蒸发压力来满足各个库房的蒸发温度．LNG 在换热器中与冷媒换热后完全汽化，但温度仍较低，故在换热器E 4中利用海水将其加热至0ħ以上，然后再进入天然气高压输气管网．图1冷库中LNG 冷能利用的流程Fig．1Flow of LNG cold energy utilization in the cold storage1．2流程模拟与分析采用Aspen Plus 软件对图1所示的利用LNG冷能的低温冷库进行流程模拟和分析，各物流的热力学性质选用Peng-Robinson （PR ）方程计算．具体计算模型如下．单位质量流体的物理e x 定义为e x =h －h 0－t 0（S －S 0）（1）式中，t 0为环境温度，h 、S 分别为对应状态下物流的焓和熵．热物流与LNG 换热利用冷能时，传热过程的冷损D K 为D K =E X ，in －E X ，out =∑n j =1（G j ，in e x ，j ，in ）－∑n j =1（G j ，out e x ，j ，out ）（2）式中，E X ，in 和E X ，out 分别为所有输入装置和输出装置的总，G j ，in 和G j ，out 分别为物流j 输入装置和输出装置的流量，e x ，j ，in 和e x ，j ，out 分别为物流j 输入装置和输出装置单位质量流量的冷．装置中LNG冷的利用效率ηcold 为ηcold=E X ，out E X ，in=∑i（G R ，i e x ，R ，i ）G LNG e x ，LNG（3）式中，G LNG 、e x ，LNG 分别为冷库利用的LNG 流量和单位质量LNG提供的冷，G R ，i 、e x ，R ，i 分别为冷库中第i （文中i =1，2，3）个库房的冷媒循环量和单位质量冷媒在库房中蒸发释放出来的冷．假定LNG 的组分全为甲烷，进入系统的温度为－155．0ħ，压力为10．0MPa ，LNG 冷能利用过程的压降为0．5MPa ，e x ，LNG 约为360J /g．冷库的冷媒选用环保型载冷剂R410A ，冷媒在冷冻库、冷藏库Ⅰ和Ⅱ等压蒸发释放出来的冷分别为70．9、48．3、30．1J /g．图1所示流程中各物流参数模拟结果如表1所示．表1低温冷库流程中物流参数的模拟结果Table 1Simulation results of parameters of streams in low-temperature cold storage process物流温度/ħ压力/MPa 流量/（t ·h －1）LNG （物流1）－155．010．0082．7天然气（物流2）5．09．5082．7R410A （物流3）－42．00．16133．0R410A （物流4）－28．00．2918．2R410A （物流5）－15．00．4838．1从表1可知，利用高压LNG （82．7t /h 、－155．0ħ）携带的冷能可以满足年加工75万t 鲜活水产品的冷库的冷能需求，即利用1t LNG 携带的冷能可节省制冷用电83．4kW ·h．LNG 与冷媒的换热过程的温度（t ）－热负荷（Q ）曲线如图2所示．在E 1中冷媒回收10．0MW 冷能，约占总冷负荷的71．8%，主要利用温度为－155．0 －54．2ħ的LNG 冷能，经计算得到E 1中冷热物流传热的对数平均温差（LMTD ）为12第9期熊永强等：基于LNG 冷能利用的低温冷库与冷能发电系统的集成38．8ħ．在E 2中冷媒利用温度为－54．2 －44．1ħ的LNG 冷能供应冷藏库Ⅰ，冷热物流传热的对数平均温差为15．5ħ．在整个LNG 冷能利用过程中，冷热物流的最小传热温差出现在E 3中，约为3．0ħ，E 3中冷热物流传热的对数平均温差为11.7ħ．利用式（2）计算得到LNG 与热流体在换热器E 1、E 2、E 3中传热的冷损分别为4．61、0.15和0.20MW ，其中E 1中传热的冷损占总冷损的92.9%．同时，在E 4中通过水直接加热而损失的冷约为0.16MW ，冷库利用LNG冷能的总冷损为5.12MW ，根据式（3）计算得到低温冷库中LNG冷的利用效率为38．5%．图2冷库中LNG 冷能利用过程的温度－热负荷曲线Fig．2Temperature-thermal load curves of LNG cold energy utilization process in the cold storage2LNG冷的集成利用2．1流程集成由于E 1中的传热温差很大，大量深冷部分的LNG 冷能用于冷媒的液化，因而导致了大量高品位的冷被降质利用，这是导致LNG冷利用效率较低的主要原因．因此，提高低温冷库中LNG 冷能利用效率的关键就是在满足冷媒液化所需冷能的条件下，充分利用深冷部分的LNG冷，降低换热器中冷热物流的传热温差，减少LNG 冷能利用的冷损．为此，文中将一个低温Rankine 循环与利用LNG 冷能的低温冷库流程进行集成，以便在保持冷库冷媒液化所需的中浅冷温位的冷能不变的情况下，将深冷部分的LNG冷转换为电能，提高LNG 冷的利用效率，具体改进流程如图3所示，主要包括：（1）深冷的LNG 在进入换热器E 1之前，先在换热器E 0中与发电工质换热，工质吸收冷能而液化，再经高压泵增压，然后与经E 0换热后的LNG 一起进入E 1、E 2、E 3中与冷库冷媒换热，供应冷库所需的冷能，同时LNG 与发电工质吸收热量而全部汽化．（2）汽化后的天然气在E 4中经水加热至0ħ以上后进入天然气输气管网；同时，发电工质在E 5中进一步加热升温后，再进入透平膨胀机（HT ）中膨胀做功并带动发电机发电，膨胀后发电工质返回E 0中与LNG 换热，组成一个低温Rankine 循环．发电工质要求沸点温度较低，其在高压下汽化释放出来的冷能可以满足冷库所需的温位．图3冷库中LNG 冷能利用的改进流程Fig．3Improved process of LNG cold energy utilization in the cold storage2．2冷利用分析低温冷库中各库房的蒸发温度、冷负荷和冷库冷媒、LNG 物流等参数与表1相同，发电工质的HT 的等熵效率取0.80，其出口压力p HT 取0.60MPa ，高压泵的等熵效率取0.70，其出口压力p Ph 取6.00MPa．发电工质选用甲烷和乙烷的混合物，其中甲烷的质量分数为65%，发电工质的流量为36.0t /h．发电工质在E 5中用水加热至5ħ．在低温Rankine 循环中膨胀机和泵等动力设备的能量方程为W i =G i ，in h i ，out －h i ，in（4）发电工质通过Rankine 循环的净功W net 为W net =W HT －W Ph （5）改进流程中LNG冷的利用效率η'cold 为η'cold =∑i（G R ，i e x ，R ，i ）+W netG LNG e x ，LNG（6）式中，G i ，in 为进入第i 个动力设备的发电工质流量，h i ，out 、h i ，in 分别为流出和输入第i 个动力设备的发电工质的焓值，W HT 和W Ph 分别为HT 的输出功和高压泵消耗的功．利用Aspen Plus 软件模拟计算得到高压泵的能22华南理工大学学报（自然科学版）第40卷耗约为0．17MW ，HT 膨胀做功为1．38MW ，故冷库流程通过改进集成一个低温Rankine 循环产生的净功W net 达到1．21MW ，在利用等量的LNG 冷能情况下，每年可多发1．06ˑ104MW ·h 的电量，可满足冷库水产品加工的部分动力需求，电费按0．80元/（kW ·h ）计算，每年可节省电费848万元．在改进后的流程中，LNG 与热物流的传热过程的温度－热负荷曲线如图4所示．在E 0中，将温度在－155．0 －95．8ħ的LNG 冷能用于液化发电工质，在E 1、E 2、E 3中由LNG 与液化的发电工质一起与冷库冷媒R410A 换热，传热温差较改进前有大幅降低，整个低温换热过程的最小传热温差Δt P 出现在E 1中，约为3．1ħ．各换热器中冷热物流的传热负荷、传热温差和冷损的模拟结果如表2所示，4个换热器中的冷损为2．96MW ，同时在E 4、E 5中通过水直接加热而损失的冷合计约为0．31MW ，改进后的流程中传热过程导致的LNG冷损共计约为3．27MW．根据式（6）可计算出改进流程的LNG冷利用效率为53．1%，比改进前提高了14．6%．图4改进冷库流程中LNG 冷能利用过程的温度－热负荷曲线Fig．4Temperature-thermal load curves of LNG cold energy utilization process in the optimized cold storage表2LNG 冷能利用过程中换热器参数的模拟结果Table 2Simulation results of parameters of heat exchangers in LNG cold energy utilization换热器Q /MW LMTD /ħD K /MW E 05．107．50．67E 110．2915．81．99E 21．3513．00．10E 32．6913．80．202．3改进流程的参数分析改进后的流程是在传统的利用LNG 冷能的低温冷库系统上再集成一个低温Rankine 循环，由于冷库工艺基本保持不变，因此Rankine 循环的参数变化对整个流程的影响最大．从图3所示的流程可知，当发电工质组成一定时，其循环量G M 、HT 出口压力p HT 、高压泵出口压力p Ph 及工质经E 5加热的出口温度t 5均对低温Rankine 循环的净功W net 和LNG冷利用效率η'cold 有影响．由于温度t 5主要由热源的温度控制，且温度越高净功W net 越大，因此，文中主要探讨在热源温度一定的情况下，参数G M 、p HT 、p Ph 对低温Rankine 循环的影响．假定图2所示的流程中各参数与表1相同，发电工质为甲烷和乙烷（质量比为65ʒ35）组成的混合物，HT 的等熵效率为0.80，高压泵的效率为0.70，低温换热过程的最小传热温差Δt P 不小于3ħ．p HT 及p Ph 的变化对整个低温Rankine 循环的影响如图5所示．从图5（a ）可见，由于受发电工质液化和汽化过图5p HT 和p Ph 对Rankine 循环的影响Fig．5Influences of p HT and p Ph on Rankine cycle32第9期熊永强等：基于LNG 冷能利用的低温冷库与冷能发电系统的集成程最小传热温差的限制，发电工质的循环量G M 受泵的出口压力p Ph 及HT 出口压力p HT 的影响较大．当HT 出口压力p HT 保持为0．6MPa ，p Ph 从4．0MPa 增加到5．5MPa 时G M 基本不变，当p Ph 继续升高至6．5MPa 时，G M 降低；通过计算可知，当p Ph 小于5．5MPa 时，低温换热过程的最小传热温差在E 0中，G M 受发电工质液化所需冷的限制；随着p Ph 的增大，发电工质在E 0中获得的冷转化为压力的量越来越大，使发电工质在E 1中汽化释放出来的冷能温度随之升高，导致E 1中的传热温差逐渐降低，当p Ph 增大至6.0MPa 时，低温换热过程的最小传热温差转移至E 1中，为了保证E 1中冷热物流有足够的传热温差，需要降低G M ，增加冷物流与冷库冷媒的传热温差．当p HT 升高时，发电工质液化所需的冷能温度也随之升高，等量的LNG 为发电工质液化提供的冷量也增多，因此G M 随之增加．由于在E 0中大量的冷被发电介质吸收并转化为压力，导致进入E 1中的冷物流温度逐渐升高，当继续提高p Ph 时，冷热物流的传热温差会迅速降低，由于受到换热过程最小传热温差的限制，因而需要降低G M ．低温Rankine 循环的净功W net 与G M 、p Ph 和p HT 相关．从图5（b ）可见，当p HT 不变时，p Ph 从4．0MPa 增加至6．5MPa ，净功W net 先增加再降低，这主要是由于在p Ph 增加的过程中，G M 在前期保持不变，此时W net 随着膨胀机的膨胀比（p Ph /p HT ）的增大而增加，G M 在后期因受最小传热温差的限制而降低，从而导致W net 减小；当p Ph 保持不变，p HT 从0．6MPa 增加至1．0MPa 时，净功W net 同样也是先增加再降低，其主要原因是随着p HT 的增加，一方面会使G M 增加，从而提高净发电量，另一方面膨胀比的减小会导致净发电量的降低，因此在p Ph 和p HT 的变化过程中，W net 存在最大值．从图5（a ）可知，当p HT 一定时，最小传热温差在E 0中可以取得的最大p Ph 值与图5（b ）中该p HT 值下W net 取最大值时对应的p Ph 值一致．从热力学的角度来分析，冷媒在E 0中吸收LNG的冷而液化，通过高压泵增压将冷转化为压力，再经加热汽化后膨胀，将压力转化为电能．因此，在一定的最小传热温差和热源温度下，通过调节参数G M 、p Ph 和p HT 可使冷媒从LNG中获得冷并使其转化的压力达到最大值，使系统产生的净功W net 最大．从图5（b ）可知，当p HT =0．7MPa 、p Ph =5．0MPa 时，W net 可达到1284kW ，平均每吨LNG 携带的冷能可发电约15．5kW ·h ，LNG冷利用效率η'cold 可达54.0%．3结论文中将利用LNG 冷能的冷库制冷工艺与低温Rankine 循环发电工艺进行集成，并进行分析和参数优化，研究结果表明：（1）单一的冷库装置利用LNG 冷能的效率较低，每利用1t LNG 携带的冷能可节省制冷用电83.4kW ·h ，冷利用效率约为38.5%；（2）将利用LNG 冷能的冷库制冷工艺与低温Rankine 循环进行集成，以甲烷和乙烷混合物为发电工质回收LNG冷能中深冷部分的冷，并通过Rankien 循环发电，在不增加LNG 供应的情况下，不仅可满足冷库所需冷能，而且通过Rankine 循环每吨LNG 携带的冷能还可发电约15．5kW ·h ，LNG冷利用效率达54．0%．参考文献：［1］顾安忠，鲁雪生．液化天然气技术手册［M ］．北京：机械工业出版社，2010：409-415．［2］熊永强，李亚军，华贲．液化天然气中轻烃分离工艺的优化设计［J ］．华南理工大学学报：自然科学版，2007，35（7）：62-66．Xiong Yong-qiang ，Li Ya-jun ，Hua Ben．Optimized design of recovery process of light hydrocarbons from LNG ［J ］．Journal of South China University of Technology ：Natural Science Edition ，2007，35（7）：62-66．［3］Yang C C ，Kaplan Al ，Huang Zupeng．Cost-effective de-sign reduces C 2and C 3at LNG receiving terminal ［J ］．Oil ＆Gas Journal ，2003，101（21）：50-53．［4］陈则韶，程文龙，胡芃．一种利用LNG 冷量的空分装置新流程［J ］．工程热物理学报，2004，25（6）：913-916．Chen Ze-shao ，Cheng Wen-long ，Hu Peng．A new air sepa-ration system by using cold energy of LNG ［J ］．Journal of Engineering Thermophysics ，2004，25（6）：913-916．［5］熊永强，华贲，李亚军，等．废旧橡胶低温粉碎中LNG冷能利用的集成分析［J ］．华南理工大学学报：自然科学版，2009，37（12）：58-63．Xiong Yong-qiang ，Hua Ben ，Li Ya-jun ，et al．Integration analysis of LNG cold energy utilization in 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deep cryogenic exergy of LNG in the cold storage to power by the Rankine cycle．Meanwhile ，the influences of some parameters of the Ran-kine cycle on the power generation efficiency are also analyzed．The results show that the proposed integration sys-tem not only meets the cold energy requirements of the cold storage but also generates a power of approximately 15.5kW ·h per ton of LNG ，and the exergy efficiency of the LNG cold utilization in the system increases from 38.5%to 54.0%．Key words ：liquefied natural gas ；cold energy utilization ；cold storage ；cryogenic power generation ；integration ；optimization52第9期熊永强等：基于LNG 冷能利用的低温冷库与冷能发电系统的集成。