研究LNG冷能利用对联合循环机组性能的影响

当代化工研究
Modern Chemical Research
68技术应用与研究2020•18研究LNG冷身E利用对联合循环机组性^邑的影响
*杜建喜
(广汇能源综合物流发展有限责任公司江苏226200)
摘耍：液化天然气(LNG)冷能是一种清洁能源，LNG冷能的回收利用对能源节约应用有着举足轻重餉作用.在传统方式中，发电是一种常见的有效利用LNG冷能一种餉方式，在传统工艺中，一般用单机冷凝餉方式来应对发电过程中的热力循环，这种方式中介质比较纯正并且有等温相变过程，而在这过程的等温相变过程与LNG汽化过程温度匹配不佳，导致LNG冷能发电效率低，高效餉燃气轮机及联合循环设备对LNG冷能的利用能力带来的经济效益和社会效益是巨大的.本文为了研究LNG冷能利用对联合循环机组性能的影响，首先从LNG冷能利用方式及特点进行分析，随后介绍了燃气-蒸汽联合循环，并且重点介绍了此循环中涉及到的LNG冷能.
关键词：LNG;冷能利用；联合循环机组
中BS分类号：TM611文献标识码：A
Research on the Influence of LNG Cold Energy Utilization on the Performance of
Combined Cycle Units
Du Jianxi
(Guanghui Energy Integrated Logistics Development Co.,Ltd.,Jiangsu,226200) Abstracts Liquefied natural gas(LNG)cold energy is a kind of c lean energy,and the recycling ofLNG cold energy p lays an important role in energy saving application.In the traditional way,power generation is a common way to effectively utilize LNG cold energy.In the traditional p rocess, single-machine condensation is generally used to deal with the thermodynamic cycle in the poy^er generation process.In this way,the medium is pure and has isothermal phase change process,but the temperature matching between isothermal p hase change process and LNG vaporization process is not good,which leads to low efficiency of L NG cold energy po^er generation.The economic and social benefits brought by efficient gas turbine and combined cycle equipment are huge.In order to study the influence of L NG cold energy utilization on the performance of c ombined cycle units,this paper f irst analyzes the utilization mode and characteristics of L NG cold energy,then introduces the gas-steam combined cycle,and f ocuses on the LNG cold energy involved in this cycle.
Key wordsz LNG；cold energy utilization^combined cycle unit
LNG(Liquefiled Natural Gas)是一种温度约T62°C、以液态形式存在的天然气。

通常LNG的利用都是要经过气化，变成气态的天然气才能够重新被使用的，经过实验论证，在这个气化过程中，每千克LNG会产生840KJ的冷能。

LNG由于使用方式的差异其冷能利用的形式也存在差别，通常可借助LNG冷能冷却燃气轮中的发电系统以提高发电效率。

利用LNG冷能实现空气液化分离有三种方式，第一种是利用氮气对LNG冷却循环；第二种是通过低温粉碎技术；第三种是利用液态二氧化碳生产运用等。

1.LNG冷能利用方式及特点
LNG冷能利用现状的特点有下面几点：
(1)现阶段在我们国家LNG冷能的利用范围十分广泛，有着比较好的技术基础；
(2)LNG具有体积小、压力低、密度大、安全可靠性较高的优点，适合大规模、跨国界、远距离运输；
(3)LNG的气化过程与LNG冷能利用过程在时间和空间上不同步；
(4)LN冷能的综合利用途径往往是根据其温度而定，要求对温度的控制尽量精准化；
(5)任何单一LNG冷能利用方案事实上都无法充分利用LNG的冷量，对于冷能的利用都是一个循环协作，多个不同原理不同技术相互作用的结果；
(6)LNG冷能发电系统产业链短，不受外界因素干扰、可回收大部分温度段的冷能且LNG冷能发电系统相对成熟。

在实际LNG冷能应用过程中，人们对燃气设备的要求也越来越多，为了满足当下越来越广的应用范围，也会出现各种针对LNG冷能利用过程中的问题，与此同时，随之而来的是层出不穷的解决方式，不同的用途用不同的方式，所以对技术人员就提出来更高的要求，需要技术人员拥有成熟的技术水准和丰富的实践经验，针对实际LNG冷能应用过程中出现的各种问题都能进行准确的现象分析。

如对不同温度LNG 冷能的梯级利用，利用相变物质作为LNG冷能的蓄冷剂或是LNG接收站_体化建设等。

2.燃气-蒸汽联合循环
燃气-蒸汽联合循环是一种高效洁净的分布式发电技术，它的优点就是有效利用率比较高，它实际中的能源利用效率可达60%+。

燃气-蒸汽联合循环作为一种先进的发电技术，减少了燃料燃烧时释放有害气体的几率，促进了煤的洁净燃烧，有利于大气环境的维护。

伴随着能源结构的不断调整和清洁煤利用技术的逐渐完善，需求量将进一步的扩大。

从现在的市场环境来看，先进的燃气轮机设计技术和制造工艺，以及高效的燃气轮机及联合循环设备利用能力，其经济效益和社会效益毫无疑问将是巨大的，并且对环境的污染也得到了一定的控制。

3.LNG冷能在联合循环机组的应用
对于联合循环发电厂，LNG气化的冷能能够通过作用于机组的不同位置被利用，包括：
(1)燃气轮机进气冷却
当代化工研究/TQ
Modern Chemical Research U7 2020•18技术应用与研究
举例而言，标况下燃气轮机进气口环境温度与功率比率呈反向相关的，随着进气温度的不断升高，燃气机轮的输出效率反而会逐渐减小，这是由于空气密度下降，进气质量流量减小而导致的。

在实际操作中，可以根据燃机进口参数的实际变化计算出对应的燃机工作效率、燃机出力的变化。

对于燃气-蒸汽联合循环机组来说，在换热器中利用乙二醇溶液将LNG气化冷能传给燃机进口空气，燃机的出力、效率随着冷能利用都将提高，同时考虑到联合循环效率中燃机冷能利用使得蒸汽循环的效率下降。

参考邱永罡⑴“LNG 冷能利用对联合循环机组性能分析”，如果完全利用LNG冷能，联合循环出力可增加约6.7%,但是效率仅降低0.2%,这就大大改善了联合循环机组的技术经济性，在控制成本的基础上还提高了效率。

除此之外，燃机进气口温度有一定的限制，一般要求大气温度不低于15°C,所以在冬天的时候进气冷却装置需要停用。

(2)冷却电厂诸环水回水
利用LNG气化冷量冷却循环水，利用循环水加热LNG。

LNG气化用水可以从循环回水引出，再设置增压泵将热水输送至LNG气化区域，换热后将回水送达至冷却水池。

这种方案对于降低循环水温度，提高机组出力是一种非常可行的方法，但是方案不是一成不变的，需要技术人员要根据项目具体情况考虑，若整个循环水量较大时，需要考虑到循环水降温的幅度可能偏小。

并且在这个过程中形成了水循环，大大节约水资源的消耗，经济转换率提高。

⑶冷却电厂闭式循环冷却水
若采用高品质闭式循环水作为LNG气化用水，基本类似于循环水回水的作用，但同时可以取消闭式循环冷却水热交换器，减少了循环水泵的容量。

此种方案在实行中具有很高的经济性，且不受季节变化的影响，即使到了冬天也能正常工作。

⑷空气分离系统中液化空气
空分装置是将空气压缩低温液化，根据各气体成分沸点不同，逐级分离液氧、液氮等。

减少空分系统的耗功是提高电站效率的有效手段。

因此，LNG冷能在此的利用能够省去液化空气所消耗的大量压缩功，并且电站效率与出力显著提高。

4.梯级利用过程强化LNG冷能发电
任何单一L NG冷能利用方案事实上都无法充分利用LNG的冷量，当我们根据冷能利用对象的温度范围，综合选用几种LNG冷能利用方式，可使LNG冷能利用效率最大化。

举例而言，IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)在整体煤气化联合循环发电系统中，空气分离对应的温度是-150-C到-190-C,将LNG冷能作为梯级第一级用于液化分离空气可以充分利用LNG的低温特性；在进行空分换热后，LNG与环境温度仍存在着很大的温差，将LNG冷能用于制取液体CO?作为梯级利用第二级；之后可进一步考虑将LNG 剩余冷能用于冷却燃机入口空气，作为梯级利用第三级切。

在同时考虑了LNG梯级冷能利用与IGCC电站一体化建设后,可使LNG冷能利用得到合理充分的利用。

5.LNG冷能利用对联合循环机组性能的影响
结合传统LNG利用现状以及梯级冷能利用方式，将LNG 接受站冷能的朗肯发电循环与燃气-蒸汽联合发电循环相结合。

首先LNG增压并经丙烷冷凝器吸收气化，对燃气轮机进气口空气进行冷却。

因为LNG接收站多位于海边，在海边最大的优势就是可以充分的利用水资源，这样可以节约运输成本，在这过程中，将LNG海水加热到最低外输温度要求；其次丙烷朗肯循环以LNG为冷源，以凝汽器循环水为热源；最后凝汽器循环水全部由丙烷蒸发器冷却。

在这个系统中改进的部分是引入低温朗肯循环，以LNG低温段冷能作为冷源，充分利用高品质冷能，将高温段冷能通过乙二醇水溶液为中间介质的换热器对燃气轮机入口空气进行冷却，实现了温度对口的梯级利用，每一次进行能量的利用，利用阶梯式的方式，使得能量损耗低，极大的提高了效率
综合来说，联合循环机组的效率取决于余热锅炉余热利用率、理想朗肯循环效率以及汽轮机效率。

要使联合循环效率最高，就要对这三方面进行合理组配。

在研究LNG冷能利用时，同样参照其对联合循环机组这三方面的性能影响。

⑴余热锅炉余热利用率
LNG气化系统与LNG冷能利用系统采用并联方式驳接，当LNG冷能利用时，部分LNG进入高压水浴式气化器中气化后，作为燃料进入燃气轮机中；LNG冷能利用系统通过两级换热系统回收LNG气化的冷能，并将该部分冷能用于制得5°C的冷水，并输送至供冷管道系统；从供冷管道系统返回的129的水，返回至LNG冷能利用系统；余热锅炉烟气余热制冷系统用于制得5°C的冷水并输送至供冷管道系统；供冷管道系统用于将从LNG冷能利用系统和余热锅炉烟气余热制冷系统来的5-C的冷水经管道输送至各用冷用户，从用冷用户换热升温后的12°C的水，分配至LNG冷能利用系统和余热锅炉烟气余热制冷系统，形成循环。

⑵理想朗肯循环效率
从朗肯循环效率公式可以看出n取决于过热蒸汽焙，排汽焙h2以及凝结水恰h2】；初参数(过热蒸汽压力，温度)提高，其他条件不变，热效率将提高，反之，则下降；终参数(排汽压力)下降，初参数不变，则热效率提高，反之，则下降。

LNG与经过透平膨胀后的低压冷媒蒸汽在冷凝器中换热，冷媒凝结成液体；低压冷媒液体经泵提高压力，加热变成高压蒸汽；高压冷媒蒸汽经透平膨胀成低压蒸汽，对外输出动力，带动发电机发电。

6.结语
LNG蕴藏着大量的冷能，在利用过程中可以采取多种方式回收LNG冷能，具体的利用过程中，还是应当根据项目的具体特点采取适宜方式利用LNG冷能。

在联合循环机组的主厂房设计范围内利用LNG气化过程产生的冷能是经济环保和节水的合理利用方式。

【参考文献】
[1]邱永罡.LNG冷能利用对联合循环机组性能的影响分析[J].浙江电力，2018,37(10):59-63.
[2]林岩.多级冷凝过程强化LNG冷能发电丝研究[D],大连理工大学,201&
[3]白慧峰,梁法光，危师让.LNG冷能在IGCC电站中餉梯级利用探讨[J].热力发电，2010,39(09):5-7.
【作者简介】
杜建喜(1983-)，男，汉，新疆吐鲁番市部善县人，本科，化工管理工程师，广汇能源综合物流发展有限责任公司；研究方向：LNG 接收站运行及冷能利用.。