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液化天然氣冷能回收發(fā)電的工藝流程模擬

文檔作者：盧濤鐘樺文檔來源：北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月15日
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節(jié)能
E]^咂RGY CONSERVATION
2011年第5期
(總第346期)
液化天然氣冷能回收發(fā)電的工藝流程模擬
盧濤。鐘樺
(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029)
摘要：根據(jù)勃雷登燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)和朗肯循環(huán)原理，提出一種液化天然氣冷能回收發(fā)電的工藝流程，并
利用ASPEN PLUS軟件對(duì)該流程進(jìn)行了模擬，獲得了流程各物流的壓力、溫度、流量等狀態(tài)參數(shù)，各．
熱力過程的熱功等過程參數(shù)，以及各循環(huán)熱效率．總熱效率等熱力學(xué)性能參數(shù)，為建立高效的液化天
然氣冷能發(fā)電系統(tǒng)提供理論支持。
關(guān)鍵詞：液化天然氣；冷能；發(fā)電；模擬
中圖分類號(hào)：TM619文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004—7948(2011)05—0014—03
doi：103969／j．issn．1004—7948．2011．05．004
引言
天然氣(Natural Gas，NG)作為一種環(huán)境友好
型能源日益受到關(guān)注，其消費(fèi)速度快速增長。天然
氣在常壓條件下，溫度降至約一1620c時(shí)液化，體積
驟縮到約1／600，這為陸運(yùn)槽車和遠(yuǎn)洋運(yùn)輸提供了
可能。天然氣的液化過程，需要消耗大量的壓縮機(jī)
軸功，要消耗大量的電能；當(dāng)液化天然氣(Liquefied
Natural Gas，LNG)到達(dá)用戶終端時(shí)，需要將液化天
然氣進(jìn)行氣化，氣化過程要釋放大量的冷能(約為
830kJ／kg)。天然氣液化過程消耗電能，而液化天
然氣冷能利用實(shí)際上是對(duì)天然氣液化過程消耗的
電能進(jìn)行回收。高效合理地利用LNG冷能，可以
節(jié)約能源，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
我國的LNG冷能回收利用尚處于起步階段，
但日本、美國等發(fā)達(dá)國家非常重視LNG冷能的回
收利用，他們認(rèn)為，如果僅將LNG作為燃料的使
用，而忽略對(duì)其冷能的利用，是莫大的資源浪
費(fèi)‘1|。
國內(nèi)外液化天然氣冷能的利用方式，可以分為
直接利用和間接利用兩大類：直接利用包括發(fā)電、
低溫空分、冷凍倉庫、液化二氧化碳、海水淡化、空
調(diào)和低溫養(yǎng)殖、栽培等；間接利用包括用空分后得
到的液氮、液氧、液氬來進(jìn)行低溫破碎、冷凍干燥、
低溫干燥、水和污染物處理及冷凍食品等舊J。根
據(jù)各種冷量利用工藝對(duì)LNG冷量溫位的需求不
同，熊永強(qiáng)舊1等提出按照“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的
原則逐級(jí)利用LNG的冷量，從而提高冷量的利用
效率。但是，目前世界上采用這種原則對(duì)LNG冷
能進(jìn)行回收利用的多戶集成項(xiàng)目非常少，大多數(shù)還
是LNG冷能單一利用的項(xiàng)目。因而LNG冷能的
利用效率非常低，許多用戶需求的溫位與LNG提
供的冷能溫度不匹配，使得LNG冷能利用存在大
量浪費(fèi)現(xiàn)象。
LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)是LNG冷能回收利用的
一個(gè)重要方面。在LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)中，用LNG
燃燒或海水作為高溫源，用LNG冷能作為低溫源
形成熱量循環(huán)。一部分由高溫源帶入的熱量產(chǎn)生
電力，其他的熱量釋放給低溫源，用作LNG蒸發(fā)
的用量M1。利用LNG冷能發(fā)電的工藝技術(shù)主要
有3種：直接膨脹法、二次媒體法和聯(lián)合法。其中，
綜合了直接膨脹法和二次媒體法的聯(lián)合法對(duì)LNG
冷能的回收效率最高∞J。
現(xiàn)階段，液化天然氣冷能的利用價(jià)值日益受到
重視，LNG冷能利用的研究也在國內(nèi)外開展起來。
本文提出一種液化天然氣冷能回收發(fā)電的工藝流
程，通過對(duì)該流程進(jìn)行模擬，獲得該系統(tǒng)的狀態(tài)參
數(shù)、過程參數(shù)和性能參數(shù)，為建立高效率的LNG冷
能發(fā)電系統(tǒng)提供一定的理論支持。
1冷能回收發(fā)電流程(見圖1)
通過復(fù)疊式混合動(dòng)力循環(huán)，對(duì)存儲(chǔ)在液化天然
氣中的冷能進(jìn)行回收利用。液化天然氣氣化冷能
回收的工藝流程包括3個(gè)循環(huán)：開口LNG循環(huán)
萬方數(shù)據(jù)
2011年第5期節(jié)能
(總篳346期) ENERGY CONSERVAllON t5一
rI—-PI··2--MHXI—r 3—-MHX2—-4—·TI——5—-
SPLITI一6)．勃雷登燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)(8一COMPI一
9—-MIXl—-10——FURNACE—11—-1"2—-12一
MHX2—13)，氪一水朗肯循環(huán)(16一B一17一
MHXI一14一I)2—15一HEATER一16)。
圈I液化夭持氣氣化琦麓圄收世電的工藝瀛箍田
I)汗n LNO循環(huán)。
液化天然氣I進(jìn)入到{疰化天然氣泵P1中進(jìn)行
加壓．從2通過LNG換熱器MHXI吸熱，從而蒸
發(fā)由液態(tài)變成氣卷3，隨后進(jìn)入到LNG換熱器
MHX2-I，+If趺加熱，獲得r溫度較高的天然氣4，
由于透平Tl對(duì)其進(jìn)行做功發(fā)電，天然氣的體君{膨
脹，而壓力和溫度有所驊低。分流器SPLITI將做
功后的天然氣5分成阿部分．絕大部分走然氣6提
供給_}}i戶輸出．剩余的小部分天然氣7作為燃燒爐
中燃燒反應(yīng)的燃料進(jìn)入到勃雷髓燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)中
來。
2)勃雷疊燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)。
常溫常壓下的空氣8進(jìn)人到壓縮機(jī)COMPI
中加壓；g到具毒較高壓力的奪氣9，奪氣9在物流
混合器MIXI中與燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)的燃書}天然氣7
豐日遇井相混合，隨后lO進(jìn)^到燃燒爐FURNACE
巾，天然氣與空氣住燃燒爐巾發(fā)生劇烈的燃燒反
應(yīng)．釋放出巨大的能罱．其中一部分熱鼾進(jìn)人到期
肯循環(huán)中用J。加熱氯一水．一齠分熱量被自身燃燒
產(chǎn)物吸收，燃?xì)馔钙絋2利用這些高溫高壓的氣體
混臺(tái)物¨對(duì)外馓功發(fā)電，做功后的燃燒產(chǎn)物12具
有的熱罱仍然可以用于加熱天然氣3，經(jīng)過LNG
換熱器MHX2冷卻的氣體混合物13滴度降低不
少，最終以尤檸豪廢氣的形式排艘到周嗣環(huán)境中。
3)氦一水朗肯循環(huán)。
氟一水以7：3的摩爾比豐Ⅱ混合．吸收由燃燒爐
中燃燒匣應(yīng)所產(chǎn)生的一部分熱基形成具有較高溫
度的‘C體16，透平B利用高溫2 C體16對(duì)外做功
發(fā)電．做功后的氣態(tài)氮一水"體積膨脹，壓力降
低，但其所具打舶熱籃仍然能夠用于加熱天然氣
2．使天然氣由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)．經(jīng)過LNG換熱器
MHXI冷卻的氮一水因?yàn)闇囟冉档偷椒悬c(diǎn)以下而
完全變?yōu)橐簯B(tài)氨一水14．由聚P2對(duì)液態(tài)氨一水進(jìn)
行加壓．具有鞍高壓力的氰一水再次吸收燃燒爐中
的熱量進(jìn)行后續(xù)流程，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。
2數(shù)學(xué)模型豆結(jié)果分析
根據(jù)能景平衡和熱力學(xué)原理．建立各單元操作
模型的能量平衡方程”1、各個(gè)循環(huán)的熱效率及流
程總的熱效率計(jì)算方程。
工I能■平衡方程夏熱效率
對(duì)于空氣壓縮機(jī)COMPI，泵Pl和P2．其能量
方程為：
M=m．“(^m一^m)
=m．m(^+一一^㈨)／m，
i=COMPI．PI，I)2 (1)
式中：w為壓縮機(jī)或泵所作的功；Ⅲ為質(zhì)量流
量；^為俺；^7為絕熱過程的焓，即對(duì)應(yīng)溫度下的理
姥始讎；≈為絕熱教率。下標(biāo)inleq和oufiet分別表
示單元操作模型的人u和出u。
對(duì)于透平Tl、億和T3．其能量方程為：
％=mm(^．m一^。k)
2qT．m砒(^．“I一^’州m)，
』=l，2，3 (2)
塒于LNG換熱器MHXI和MHX2．其能量平
衡方程為：
m州(^一一^橢)=mh(^；婦一^州h) (3)
式巾：下標(biāo)cold和hot分別表示冷流體和熱流
體。
對(duì)于燃燒爐FURNACE．其能量平衡方程為： q(_BⅢ7LHV=口?E+Q? (4)
式中：口融。為燃料的燃燒效牢；LHV為天然氣
的低熱戧；_。。m，LHV為燃燒爐中燃料燃燒釋放總熱域；Q?表示總熱最中由勃雷器燃?xì)鈩?dòng)
力循環(huán)所吸收的熱盛；口?表示總熱骨中由
氨一水朗肯循環(huán)所吸收的熱量。
對(duì)于勃霄登燃?xì)夤αρh(huán)．就熱效率為：
萬方數(shù)據(jù)
節(jié)能
ENERGY CONSERVATIoN
2011年第5期
(總第346期)
叼‘WT22一]W：瓦o啪i
對(duì)于朗肯循環(huán)，其熱效率為：
收益功％一％
T／t,R一支出熱量一Q咖棚
(5)
表1液化天然氣氣化冷能回收的工藝流程計(jì)算數(shù)據(jù)
循環(huán)項(xiàng)目數(shù)值
(6) 開口液化天然氣循環(huán)
對(duì)于液化天然氣冷能回收發(fā)電的工藝流程，其
總熱效率為： 叼刪：型地(7)
’，TH一叼cMBm7LHV
＼’，
i=COMPl，P1，P2；
J=l，2，3
2．2結(jié)果分析
采用大型通用流程模擬軟件ASPEN PLUS對(duì)
液化天然氣氣化冷能回收發(fā)電的工藝流程進(jìn)行模
擬，天然氣的成分引自參考文獻(xiàn)[7]，流程模擬的
計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。
流程模擬所得透平發(fā)電量以及壓縮機(jī)和泵的
耗電量如表2所示。流程模擬所得主要節(jié)點(diǎn)的物
料平衡表如表3所示。液化天然氣冷能回收發(fā)電
工藝流程各個(gè)單元操作模型的模擬數(shù)據(jù)結(jié)果滿足
能量平衡方程。
由圖1可知，Q啦膿=Q=12958．43kw，而燃
燒釋放的總熱量叼cMBm，LHV計(jì)算如下：
叼CMBm7LHV=0．99 x0．361 x50056
=17889．5】4kW
泵P1效率／％
透平T1等熵效率／％
液化天然氣1溫度／℃
液化天然氣l壓力／MPa
70
80
—162
0．1
壓縮機(jī)COMPl壓縮比／％
透平T2等熵效率／％
勃雷登燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)壓縮機(jī)co~玨’1等熵效率／％
燃料7質(zhì)量流量／kg·s一1
天然氣低熱值(LrrV)／kJ·kg。
20
80
80
0．361
50056
燃燒爐燃燒效率／％ 99
表2透平發(fā)電量以及壓縮機(jī)和泵耗電量kW
模塊名稱功量
T1
12
1r3
C0～I(xiàn)Pl
P1
P2
1546．22
4274．38
3447．44
3057．18
249．40
22．85
表3主要節(jié)點(diǎn)的物料平衡表
因而，Q—AcE可由式(4)計(jì)算得到。利用式
(5)，根據(jù)表l和表2中數(shù)據(jù)可計(jì)算出勃雷登燃?xì)?
動(dòng)力循環(huán)的熱效率饑為25％；利用式(6)，根據(jù)表
3中數(shù)據(jù)可計(jì)算出朗肯循環(huán)的熱效率叩柚為
26．4％；利用式(7)，根據(jù)表1和表2中數(shù)據(jù)可計(jì)
算出液化天然氣冷能回收發(fā)電的工藝流程總熱效
率叼冊(cè)為33．2％。
3結(jié)論
1)針對(duì)勃雷登燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)和朗肯循環(huán)原
理，利用ASPEN PLUS流程模擬軟件，建立了一種
液化天然氣氣化冷能回收發(fā)電的工藝流程。
2)通過流程模擬，獲得一系列各物流和各模
塊的狀態(tài)參數(shù)、過程參數(shù)與性能參數(shù)，并計(jì)算出各
萬方數(shù)據(jù)
2011年第5期
(總第346期)
節(jié)能
ENERGY CONSERVATIoN
尾氣加熱吸附式客車空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
張寧
(遼寧建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧遼陽111000)
摘要：以常規(guī)客車空調(diào)系統(tǒng)作為研究對(duì)象。設(shè)計(jì)出一種以活性炭一甲醇為工質(zhì)對(duì)的加熱吸附式客車空
調(diào)系統(tǒng)。其工作原理是：以汽車尾氣余熱作為制冷能量的來源，利用某些固體(吸附荊)能在低溫下
吸附氣體，而在高溫下解吸，從而進(jìn)行制冷，降低車內(nèi)溫度。這樣既不降低客車動(dòng)力，工質(zhì)對(duì)對(duì)環(huán)境又
無污染，能夠達(dá)到實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的目的。
關(guān)鍵詞：吸附式制冷；尾氣余熱；客車
中圖分類號(hào)：U463．85+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004—7948(2011)05—0017—04
doi：103969／j．issn．1004—7948．2011．05．005
引言
在常規(guī)客車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了以
活性炭一甲醇為工質(zhì)對(duì)的加熱吸附式客車空調(diào)系
統(tǒng)。利用活性炭一甲醇能在高溫下解吸汽車尾氣
余熱，并能在低溫下吸附氣體，從而進(jìn)行空調(diào)制冷，
降低車內(nèi)溫度。這樣既不降低客車動(dòng)力，又不污染
環(huán)境，減少汽車尾氣對(duì)大氣的污染，能夠真正實(shí)現(xiàn)
節(jié)能減排，是一種具有使用價(jià)值和應(yīng)用前景的汽車
空調(diào)系統(tǒng)。
1設(shè)計(jì)方案
1．1制冷方式及工質(zhì)的選擇
目前，汽車空調(diào)系統(tǒng)的主流仍然是蒸汽壓縮式
制冷，但蒸汽壓縮式系統(tǒng)中氟利昂對(duì)大氣臭氧層造
成的破壞非常嚴(yán)重，而且浪費(fèi)能源?？紤]汽車尾氣
對(duì)環(huán)境的污染和能源的浪費(fèi)，設(shè)計(jì)出以活性炭一甲
醇作為工質(zhì)對(duì)的固體吸附式汽車空調(diào)系統(tǒng)作為新
型的汽車空調(diào)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)環(huán)保、節(jié)能和減排?；?
性炭一甲醇工質(zhì)對(duì)的固體吸附式制冷，一般70℃
的余熱即可進(jìn)行?；钚蕴恳患状脊べ|(zhì)對(duì)的理論極
限熱效率約為72％，比沸石一水工質(zhì)對(duì)的理論極
限熱效率(55％)高，甲醇的蒸發(fā)壓力高，在一15℃
時(shí)，蒸發(fā)壓力仍有2kPa，因而對(duì)系統(tǒng)的真空度要求
不高，有一定的應(yīng)用空間和發(fā)展前途¨以J。
活性炭一甲醇系統(tǒng)制冷循環(huán)的工作原理為：來
自蒸發(fā)器的低溫低壓制冷劑蒸氣通過蒸發(fā)器進(jìn)入
到吸附反應(yīng)器中，首先使吸附床溫度下降，繼而被
吸附床中的活性炭纖維所吸附，吸附過程中放出的
吸附熱，被未被吸附的制冷劑蒸氣帶走，由于受到
汽車尾氣排出的高溫使制冷劑蒸氣加熱，被吸附器
吸附的那部分制冷劑便從活性碳纖維中解析出來，
循環(huán)熱效率以及工藝流程的總熱效率，為建立高效
的液化天然氣冷能發(fā)電系統(tǒng)提供理論支持。
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作者簡介：盧濤(1975一)，男，江西人，博士，副教授，博士
生導(dǎo)師，從事工程熱物理及能源利用等方面的研究工作。
收稿日期：2011—03—02

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