第12章液化天然气冷能利用讲解

第12章液化天然气的冷能利用李兆慈

中国石油大学(北京

LNG 使用时需重新转化为常温气体,温度由 -162℃复温至常温,大量的可用冷能释放出来,其值大约是 837kJ/kg。

经换热重新气化在论上利的冷量约为 1吨 LNG 经换热重新气化在理论上可利用的冷量约为 250kW.h 。对于一座年接收能力为 300万吨 LNG 的接收终端,年可利用冷能达 7.5亿 kW.h 。

如何合理利用这些制冷量是一个影响

如何合理利用这些制冷量是个影响经济效益的重要问题。

大型 LNG 接收终端在 LNG 气化时若不采取冷能回收措施,则需要通过大量的海水进行热交换,低温海水向海中排放,还会影响到局部海域的生态平衡, 造成冷污染。

利用LNG冷能的方法可分为直接利用和间接利用

1LNG低温联合发电技术

1. LNG低温联合发电技术

利用 LNG 冷能发电在应用领域中使用较多, 技术比较成熟技术比较成熟。

●天然气直接膨胀发电

●朗肯循环发电

●LNG燃气轮机冷量综合利用发电系统

●组合利用冷量的发电系统

1 天然气直接膨胀发电

直接膨胀发电是其中一种重要方式。

过程中所作天然气从 (p1, T1 等熵膨胀至 (p2, T2 过程中,所作的功为

LNG 储罐中的 LNG 经低温泵加压后,在气化器中受热气化为高压天然气,然后把 LNG 的物理火用在高压气化时转化成压力火用直接驱动膨胀机在高压气化时转化成压力火用,直接驱动膨胀机,

带动发电机发电。

这种方法原理简单,但是效率不高,发电功率较小, 冷能回收效率仅为 24%。

2朗肯循环发电

通过朗肯循环利用 LNG 冷能发电是采用较多的一种方式

方式。

通过冷凝器把冷能转化到某通过朗肯循环将 LNG 通过冷凝器把冷能转化到某一冷媒上,利用 LNG 与环境之间的温差,推动冷媒进行蒸气动力循环,从而对外做功。

最基本的蒸气动力循环为朗肯循环,见图 7-11。朗肯循环由锅炉、汽轮机、冷凝器和水泵组成。

锅

图7-11朗肯循环

炉

a 流程图

b 『 -s 图

图朗肯循环 a 流程图 bT-s 图

中水在锅炉和过热器中定压吸热由未饱和水变为过热在过程 4-1中,水在锅炉和过热器中定压吸热,由未饱和水变为过热蒸气;在过程 1-2中,过热蒸气在汽轮机中

膨胀,对外作功;在过程 2-3中, 作功后的乏气在冷凝器中定压放热,凝结为饱和水;在过程 3-4中,水泵消耗外功,将凝结水压力提高,再次送入锅炉。

朗肯循环的对外净功为汽轮机作功 w

T

与水泵耗

功 w

p

之差,后者相对来说很小

朗肯循环的效率为循环净功与从锅炉的吸热量之比

通常,冷凝器采用冷却水作为冷源。这样,循环的最低温度就限制为环境温度。LNG 的汽化温度很低 (-162℃ ,秋冬季由于海水本身温度较低在海水汽化器大量放热有结冰季由于海水本身温度较低,在海水汽化器大量放热,有结冰

的危险。另一方面,蒸汽轮机排出的水蒸气在冷凝器中由冷媒水冷却,这部分冷媒水吸收热量后,温度有了明显升高。因此,对于 LNG 汽化来说,可以利用冷媒水汽化 LNG ,既避免了结冰的危险,又降低了汽化费用。

低温朗肯循环发电装置流程图

1— 2— 3— 4—

1涡轮机 2减速器 3发电机 4天然气加热器 5—丙烷蒸发器 6—丙烷泵 7—LNG 蒸发器

根据中间媒质的不同有单工质混合工质

根据中间媒质的不同,有单工质、混合工质的朗肯循环系统之分。

单工质朗肯循环系统一般使用纯的甲烷或乙烯,其实用装置冷能回收量大约为18%。

混合工质朗肯循环系统工质为碳氢化合物的混合物,工质冷凝器采用多流体换热器,在换热器中 LNG 利用工质自身的显然和潜入进行预热或部分气化,然后在蒸

发器中全部气化进入输气管线。采用此系统只用了一级朗肯循环就可得到相当多的动力,整个系统效率约为 36%。

目前使用较多的是膨胀发电和郎肯循环方式的结合,结合使用的能量利用率比两个单独的系统要高,但冷热能的回收效率也只能达到 36%。

复合朗肯循环发电

3LNG燃气轮机冷量综合利用发电系统

最简单的燃气轮机装置主要由

压气机燃烧室燃气轮机组成

压气机、燃烧室、燃气轮机组成, 其循环近似简化为如图所示的燃气轮机定压机热循环 (布雷顿循环。

理想的布雷顿循环由定熵压缩过

程 1-2i 定压加热过程 2i-3、定熵膨胀

过程 3-4i ,和定压放热过程 4i-1组成。

实际循环中定熵过程实际上不可

实际循环中,定熵过程实际上不可能达到,在图中,点 2i 和 4i ,分别变

化为点 2和 4。

燃气轮机入口的空气温度对燃气透平的工作效率有明显影响,可以利用 LNG 冷量预冷空气,以提高机组效率增加发电量

效率,增加发电量。

这是由于随着温度的降低空气密度变大相同这是由于随着温度的降低,空气密度变大,相同体积下进入燃气轮机空压机的空气量随之增加,燃烧效果更佳。

由于

LNG 的汽化温度较低,空气的冷却是以 LNG 作为冷源,用一种乙二醇溶液作为中间载冷剂,将冷量由 LNG 传递给空气, 易挥发的物质 (醇溶液作为中间载冷剂将冷量由传递给空气如图所示。冷却温度必须严格控制在 0 ℃以上,以防止水蒸气冻结在冷却器表面。在冷却装置以后,应设置汽水分离装置,以防止水滴进入压缩机。

如果直径大于 40pm 的水滴进入压缩机,对压缩机叶片有潜在的液体冲击腐蚀的可能水滴冲击金属表面能导致金属表面微裂纹的发展产冲击腐蚀的可能,水滴冲击金属表面能导致金属表面微裂纹的发展,产生表面疤痕,并可能导致轴系振动加大。

以 LNG 为动力的燃气轮机还可以采取其它形式利用冷量。图 7-18示出一个综合采用低温朗肯循环、两级天然气 -162直接膨胀等冷量利用方式的燃气轮机系统。状态为 162 ℃、

5.3MPa 的 LNG 的低温冷量通过三级设备得到利用。

第一级是用于丙烷朗肯循环的冷凝器,循环以海水作为热源。通过冷凝器后, LNG -35℃、 5.0MPa

为热源通过冷凝器后汽化为的天然气,先后通过两个膨胀机膨胀作功后,进入燃气轮机作为燃料在膨胀机前后共有个海水换热器来升高天然气为燃料,在膨胀机前后共有三个海水换热器来升高天然气温度。

这样的设计充分利用了 LNG 的冷量,但设备增加较多, 应按热经济学方式分析具体运用对象以确定其合理性应按热经济学方式分析具体运用对象,以确定其合理性。