浅谈利用LNG冷能的发电系统_易惠芳

的试验基础上，日本钢管公司又进行了 100 t / 天的工业化试验 项目，并且在 2004 年 7 月完成了 46 天的操作试验，生产了 1 240 t 二甲醚，二甲醚的纯度是 99. 6% 。
（ 3） 清华大学 1998 年开始与美国空气化学品公司合作进 行浆态床一步法 DME 生产技术的研究。目前清华大学已开发 出采用循环浆态床反应器一步法合成 DME 技术。中试结果为： 合成反应工艺条件为 250 ℃ 、4. 5 MPa、氢碳比（ H2 / CO） 约为 1∶1，CO 的单程转化率超过 60% ，DME 的选择性大于 95% 。 2002 年 7 月，清 华 大 学 与 重 庆 英 力 燃 化 股 份 公 司 合 作 开 发 3 000 t / 年燃料用 DME 工业示范技术。2004 年 3 月 29 日采用浆 态床一步法 DME 合成技术，以天然气、CO2 和水蒸气重整所 制得的合成气为原料生产燃料用 DME 装置一次试车成功。在 合成气一 次 通 过 合 成 塔，温 度 和 压 力 分 别 控 制 在 255 ℃ 和 4. 35 MPa 的条件下，CO 的单程转化率达到了 63. 1% ，二甲醚 在醇醚中的选择性达 94% 。这是我国首家实现浆态床一步法燃 料 DME 的大规模生产的装置［3］。
5. 2 浆态床
（ 1） 美国空气化学品公司开发完成了采用单一的鼓泡浆态 床反应器，合成气 一 步 合 成 DME 的 工 业 示 范 装 置，以 沸 石、 固体酸负载的 Cu － Al2 O3 － SiO2 为催化剂，操作压力为 3. 5 ～ 6. 0 MPa，温度为 200 ～ 290 ℃ ，空速为 1 000 ～ 10 000 m3 / h。合 成气与循环气混合后一起进入浆态床反应器，同时加入少量水 以利用水气变换反应调节反应平衡。合成气与循环气混合前用 反应的产物预热。换热后的产物送入集油罐脱除所携带的油和 催化剂。然后将气流冷却并送入分离器，在此被冷凝的甲醇 / DME / 水与未反应的合成气分离，但有部分 DME 仍留在气 相 中。分离器顶气主要用作循环，少量用作吹扫气，这股吹扫用 甲醇洗涤，脱除任何携带的 DME。出分离器的冷凝甲醇 / DME / 水混合物首先送入 DME 塔，塔顶馏出 DME 产品，它与来自吹 扫洗涤塔 DME / 甲醇混合即得到燃 料 级 DME，根 据 需 要，粗 DME 产品也可进行进一步的加工。DME 塔底馏出物送往废水 处理装置。出甲醇塔，在此将甲醇从塔顶分出，塔底水则送往 废水处理装置。出甲醇塔的甲醇产品可以用于洗涤吹扫气，也 可循环到浆态床反应器完全转化为 DME，还可用作副产品分离 出售。
低温朗肯循环法工艺简单，投资少，选用合适的工质对冷 能进行分段使用可以提高冷能利用率及冷 回收率，是 LNG 冷 能发电工艺研究的趋势。
4 联合法
图 3 低温朗肯循环法 Fig. 3 Process of low temperature rankine cycle
联合法将低温朗肯循环法和直接膨胀法结合到一起，工艺 流程图见图 5。
2 低温 Brayton 法
低温 Brayton 法利用 LNG 冷能发电的工艺流程图见图 2。
图 1 直接膨胀法 Fig. 1 Process of direct expansion refrigeration
从储罐来的 LNG 经过加压泵加压后进入蒸发器与热源（ 通
图 2 低温 Brayton 法 Fig. 2 Process of low temperature brayton
5 多级复合循环
图 4 LNG 气化特性曲线 Fig. 4 LNG gasification curve
由于温度跨度大，循环工质不容易确定。提出一种 “多级 复合循 环”，见 图 6。这 种 循 环 利 用 LNG 的 气 化 特 性，对 于 LNG 的冷能进行分段利用，每个循环采用不同的工质，顶级是 燃气轮机循环，第四级是甲烷循环，加上直接膨胀，总共五个 循环，即五个利用等级。
3. 2 工质的选择
工质的冷凝特性直接关系到冷热流体换热过程中的 损 失，故必须对现有常用工质进行详细分析，经过定量的模拟计 算后确定采用何种工质。工质的选择要以 “优化冷热流体的换 热曲线匹配、减少 ”为目的。
低温郎肯循环中常用的单一工质有多种，上海交通大学贺 红明等对 Ｒ290、Ｒ116、Ｒ23、Ｒ125、Ｒ1270 和 Ｒ134a 等工质进 行了初选，得出 Ｒ290、Ｒ125、Ｒ1270 和 Ｒ134a 效率较高，尤
3 低温朗肯循环法
3. 1 工艺流程
低温朗肯循环法是利用 LNG 的冷能发电的一种方法，工艺 流程图见图 3。
其是 Ｒ290 和 Ｒ1270，适 合 用 于 回 收 利 用 物 理 的 朗 肯 循 环［1］。 单一有机工质有 C1、C2、C3 或乙烯等，现有的 LNG 冷能利用 工程大部分采用 C3。这种工艺设备投资较少，操作简单，应用 广泛。但由于其温位曲线与 LNG 曲线匹配性较差，造成 损失 较大。
Pipeline Network Limited，Guizhou Guiyang 550022； 3 China Petroleum Pipeline Engineering Corporation， Hebei Langfang 065000； 4 South － East Asia Pipeline Company Limited，Yunnan Kunming，650000，China）
Abstract： Power generation using LNG cold energy was a high efficiency technology． Direct expansion refrigeration， low temperature rankine cycle，combined method，low temperature brayton method and multilevel compound cycle were commonly used technology． By comparing those technologies，it concluded that low temperature rankine cycle was good at recovering LNG cooling energy and LNG cryogenic exergy and was the development trend of power generation with LNG cold energy．
Key words： power generation using LNG； rankine cycle； recovering LNG cryogenic exergy
LNG 利用海水进行气化，气化过程中大量释放的冷能被白 白浪费掉，这部分冷能可回收用于空气分离、橡胶粉碎、发电 等，其中冷能回收率较高的是用于发电。LNG 冷能用于发电的 工艺有直接膨胀法、低温朗肯循环法、联合法、低温 Brayton 法、多级复合循环。
低温朗肯循环法将 LNG 的气化过程和朗肯循环发电结合起 来。循环工质 经 过 工 质 泵 加 压 后 进 入 预 热 器 和 蒸 发 器 和 热 源 （ 通常是海水） 换热，换热后变为高温高压的气体，之后进入汽 轮机膨胀做功，带动原动机发电。汽轮机出口气体为湿蒸汽， 将湿蒸汽与 LNG 换热，湿蒸汽接收来自 LNG 的冷能变为液体 进入工质泵，完成整个朗肯循环。
（ 2） 日本 NKK 公司采用传热特性优良，温度易于控制的 淤浆床，微粒状催化剂悬浮在惰性油中，CO、H2 以气泡形式 在悬浮液中上升，生成 DME 和 CO2 ，副产的 CO2 进入自热转 化炉造气。该公司开始规模是 50 kg / 天，5 t / 天中试工厂在日 本北海道。这个项目由 METI 支持经费。在 1999 年 9 月建成工 厂，并且在 2000 年 10 月成功完成中试试验。在一年半的时间 内 6 个单元装置进行了试验。整个试验进行了 4 300 h （ 合成气 生产 4 100 h，二甲醚生产 3 000 h） ，生产二甲醚 400 t。在 5 t / 天
作者简介： 易惠芳 （ 1987 － ） ，女，2011 年毕业于西南石油大学油气储运工程专业，现主要从事长输天然气运营管理等工作。
第 42 卷第 6 期
易惠芳，等： 浅谈利用 LNG 冷能的发电系统
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低温 Brayton 采用压气机为工质加压，故工质必须具备低 露点的特点，一般选用 N2 ，压缩机进口温度可以降到 － 130 ℃ ， 大大提高了循环效率。由于工作介质没有相变过程，与朗肯循 环不同的是 LNG 的蒸发压力处在超临界，目的是为了与 N2 的 温度变化很好的匹配，提高换热的效率。
冷凝器若只使用一个换热器，存在冷热流换热温差过大、 损较大的问题［4］，图 4 为 LNG 的气化特性曲线，从图 4 中可 以看出，LNG 在气化过程中温度首先缓慢上升，上升到一定温 度后升温速度急剧增大，即在低温区段升温速率很小，高温区 段升温速率很大。可以利用这个气化规律对 LNG 冷能进行分段 利用，减少换热器换热温差，增大冷 回收率。
河北 廊坊 065000; 4 中国石油集团东南亚管道有限公司，云南 昆明 650000)
摘 要： LNG 冷能发电是高效利用 LNG 冷能的一种形式，常用的冷能发电工艺有直接膨胀法、低温朗肯循环法、联合法、
低温 Brayton 法和多级复合循环法，通过对几种工艺优缺点的比较，得出低温朗肯循环法在 LNG 冷能利用和冷 回收方面优势突 出，是 LNG 冷能发电工艺的发展趋势。
图 5 联合法 Fig. 5 Process of combined method
这种工艺综合了朗肯循环法和直接膨胀法，LNG 通过 LNG 泵提高到一定压力，在冷凝器中与循环工质换热，使工质完成 整个循环对外做功，经过冷凝器的 LNG 气化为 NG，进入膨胀 机膨胀做功。
这种工艺的优点是同时利用了 LNG 的低温 和压力 ，且 工艺简单，工程造价低，缺点是 损失较大。