徐禮康，林貴華

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200000）

液化天然氣（LNG）使用前的氣化會釋放出大量可利用的冷能[1]，隨著LNG生產(chǎn)及使用量的增加，對于LNG的冷能利用，目前已得到高度關(guān)注，并將其用于空分、發(fā)電、液化二氧化碳并生產(chǎn)干冰、海水淡化、冷凍冷藏、低溫養(yǎng)殖和低溫粉碎等[2]。LNG冷能發(fā)電是充分利用LNG高品位冷能的重要舉措，并且逐步形成了包括直接膨脹法、二次媒體法、聯(lián)合法、混合媒體法、布雷頓循環(huán)和燃氣輪機利用法等多種形式的冷能發(fā)電方式[3]。這其中釆用低溫有機工質(zhì)構(gòu)成多級朗肯循環(huán)以最大限度的利用LNG冷能成為LNG冷能發(fā)電關(guān)注的重點[4]。

不少學者對低溫朗肯循環(huán)發(fā)電進行了研究。Li等[5]提出了利用太陽能和LNG進行火力發(fā)電的級聯(lián)有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)了低溫朗肯循環(huán)發(fā)電和直接膨脹法發(fā)電的結(jié)合。饒文姬等[6]在一級朗肯循環(huán)中以工業(yè)廢熱作為熱源，得出了隨著蒸發(fā)壓力的提高，循環(huán)熱效率和做功都增大。楊紅昌等[7-9]提出LNG冷能利用分段模型，并依據(jù)模型提出了橫向和縱向三級朗肯循環(huán)，并針對循環(huán)系統(tǒng)存在的問題提出優(yōu)化方案。張超等[10]釆用甲烷、丙烷和乙烷構(gòu)成的混合工質(zhì)作為循環(huán)工質(zhì)，結(jié)果顯示混合工質(zhì)配比對最大凈輸出功存在一個最佳值。崔國彪[11]結(jié)合LNG冷能分段模型，建立了LNG冷能利用的五級橫向朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。Lee等[12]基于橫向二級朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，第一級朗肯循環(huán)以海水作為熱源，第二級朗肯循環(huán)以廢氣作為熱源，研究結(jié)果顯示系統(tǒng)很適合小型動力漁船使用，但由于廢氣溫度較高，使得換熱器火用損較大。Bao等[13]提出了一種兩級冷凝朗肯循環(huán)系統(tǒng)（TCRC），與聯(lián)合循環(huán)相比，該系統(tǒng)的凈輸出功和熱效率都得到了提高。

LNG-FSRU系統(tǒng)通常停泊在近海，向陸地遠距離輸送天然氣，其輸送壓力要達到7 MPa以上[14]，此時LNG處于超臨界狀態(tài)。顯然以上圍繞LNG氣化冷能的發(fā)電利用均是以陸地或船上環(huán)境下LNG氣化具備的熱源條件來考慮LNG高品位冷能的發(fā)電利用，且主要是針對臨界壓力以下的LNG。由于LNGFSRU運行環(huán)境沒有穩(wěn)定的高溫熱源，因此LNGFSRU上處于超臨界狀態(tài)的LNG氣化冷能的發(fā)電利用方案不可能直接來自現(xiàn)有的LNG氣化冷能的發(fā)電利用方案。

本文以LNG-FSRU上中間介質(zhì)氣化器IFV再氣化系統(tǒng)在超臨界氣化壓力下氣化，基于LNG-FSRU氣化參數(shù)及海水為唯一熱源的條件，以現(xiàn)有的級聯(lián)朗肯循環(huán)發(fā)電方案為基礎(chǔ)，從減小換熱器火用損的思路出發(fā)，提出了適用于LNG-FSRU再氣化系統(tǒng)冷能利用的一、二級新型冷能發(fā)電方案，從而為LNGFSRU冷能發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化提供方案。

1 新型冷能利用方案

本文選取LNG的物質(zhì)的量組成如下：95%CH4、3%C2H6、2%C3H8，氣化壓力取超臨界壓力8 MPa。本文基于LNG冷能利用級聯(lián)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，在給定假設(shè)條件與系統(tǒng)參數(shù)下，通過HYSYS初步模擬，發(fā)現(xiàn)調(diào)溫器以及二級級聯(lián)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中LNG蒸發(fā)器2火用損較大（見表5）。因此，基于這一問題，本文提出了一、二級新型冷能發(fā)電方案，如圖1所示，即在火用損較大的換熱器中增加一股進口溫度介于原有兩股流體進口溫度的系統(tǒng)內(nèi)流體，以此來達到降低換熱器火用損，提高系統(tǒng)凈輸出功的目的。

圖1 原（(a)(c)）、新（(b)(d)）一、二級發(fā)電方案原理圖

原、新發(fā)電方案區(qū)別在于：對于一級新型冷能發(fā)電方案，是把從工質(zhì)泵中出來的發(fā)電工質(zhì)引入調(diào)溫器；對于二級新型冷能發(fā)電方案，一步是把工質(zhì)泵1中出來的一級發(fā)電工質(zhì)引入LNG蒸發(fā)器2中，另一步是把原有經(jīng)透平2膨脹后分為兩股流體的二級發(fā)電工質(zhì)分成三股，增加的一股二級發(fā)電工質(zhì)引入調(diào)溫器中。

2 系統(tǒng)最佳工質(zhì)組合與參數(shù)匹配的確定

2.1 系統(tǒng)參數(shù)的選擇

本文以LNG流量175 t/h為例進行仿真計算分析，模擬計算時做如下設(shè)定：(1)循環(huán)工質(zhì)冷凝壓力取為110 kPa；(2)熱源海水取20℃，環(huán)境溫度取25℃；(3)所有換熱器的最小端差取為5℃；(4)所有換熱器中，熱物流(除二級新型冷能發(fā)電方案中LNG蒸發(fā)器2中一級發(fā)電工質(zhì))出口過冷度取為2℃；(5)透平效率取為80%，泵效率取為75%；(6)忽略各換熱器和管路的壓力損失和熱損失；(7)透平膨脹機入口工質(zhì)為飽和氣體狀態(tài)。

2.2 工質(zhì)匹配組合

工質(zhì)的選擇對系統(tǒng)凈輸出功的影響很大，直接影響系統(tǒng)對LNG冷量的回收率。常見工質(zhì)在110 kPa下的冷凝溫度如表1所示。

表1 常見工質(zhì)在110 kPa下的冷凝溫度

對于一級新型冷能發(fā)電方案，一共有8種工質(zhì)。對于二級新型冷能發(fā)電方案，一共有28種組合工質(zhì)。

在一級新型冷能發(fā)電方案中，需要給定發(fā)電工質(zhì)經(jīng)調(diào)溫器換熱后的出口溫度（以下簡稱操作溫度1），本文根據(jù)進入調(diào)溫器的天然氣和一級發(fā)電工質(zhì)的進口溫度確定操作溫度1的范圍，如表2。在HYSYS模擬中，因假設(shè)所有換熱器的最小端差為5℃，所以進入透平的發(fā)電工質(zhì)溫度為15.05℃，當工質(zhì)為R1150時，在110 kPa下不存在這樣的狀態(tài)。當工質(zhì)為R600a時，發(fā)電工質(zhì)在經(jīng)透平膨脹后溫度較高，因假設(shè)所有換熱器的最小端差為5℃，這樣使得LNG蒸發(fā)器中LNG出口溫度 （調(diào)溫器中天然氣的進口溫度）高于調(diào)溫器中發(fā)電工質(zhì)的的進口溫度，導(dǎo)致不存在操作溫度1，使得流程不成立。

表2 不同工質(zhì)的操作溫度1范圍

在二級新型冷能發(fā)電方案中，同樣需要給定一級發(fā)電工質(zhì)經(jīng)LNG蒸發(fā)器2換熱后的出口溫度 （以下簡稱操作溫度2），操作溫度2溫度范圍包含所有的操作溫度1溫度范圍，除此之外，還有R1150的溫度范圍，即-104.6～-107.6℃。在HYSYS模擬中，以1℃對操作溫度進行劃分。

另外，對于二級新型冷能發(fā)電方案，還需要給定二級發(fā)電工質(zhì)經(jīng)分離器進入工質(zhì)蒸發(fā)器1的流量比例（以下簡稱比例），比例以0.01進行劃分。不同工質(zhì)組合情況下，流程成立的比例見表3。

在HYSYS模擬中，一種工質(zhì)組合下，不論比例如何變化，被規(guī)定比例的這股流體與進入LNG蒸發(fā)器2的工質(zhì)流體流量都保持不變，如果不存在第三股分支，比例已經(jīng)確定，所以比例不能超過不含第三股分支時的比例，否則第三股分支的流量為負值。以第一、二級工質(zhì)分別為R1150、R1270，操作溫度2為-107.6℃為例，比例不能小于0.38的原因是：進入調(diào)溫器的二級發(fā)電工質(zhì)溫度是-46.16℃，而調(diào)溫器中NG的溫度變化為-51.16℃到5℃，所以這股二級發(fā)電工質(zhì)最多只能把NG加熱到-46.16℃，即使再降低比例，使二級發(fā)電工質(zhì)流量提高，這部分提高的流量也不能將NG的溫度提高到-46.16℃以上，同時隨著比例的降低，調(diào)溫器中另一股相對有著高品位熱能的熱物流（海水）流量也會減少，此時在調(diào)溫器中是不能將NG從-51.16℃升溫到5℃的，所以比例低于0.38時流程不成立。對于不存在溫度區(qū)間的工質(zhì)組合和操作溫度2，是因為不論怎么降低比例都不能使調(diào)溫器中NG的溫度加熱到5℃。對于其他操作溫度2以及不同的一、二級工質(zhì)組合，比例只有在一定區(qū)間時流程才成立的原因同上，這里不再贅述。

表3 不同工質(zhì)組合情況下流程成立的比例

2.3 工質(zhì)篩選

圖2一級新型冷能發(fā)電方案系統(tǒng)凈輸出功

在HYSYS中進行，不同工質(zhì)組合下，不同操作溫度1以及不同操作溫度2所對應(yīng)的比例下，一、二級新型冷能發(fā)電方案系統(tǒng)凈輸出功的計算。流體物性包選用Peng-Robinson。一級新型冷能發(fā)電方案系統(tǒng)凈輸出功如下圖2所示。二級新型冷能發(fā)電方案系統(tǒng)凈輸出功如圖3（以一級發(fā)電工質(zhì)分成6張圖）所示。

由圖2可知，對于一級新型冷能發(fā)電方案系統(tǒng)，當發(fā)電工質(zhì)為R1270，操作溫度1為-51.16℃時，系統(tǒng)凈輸出功最大，為1524.66 kW。

結(jié)合表3，從圖3中可以看出，對于二級新型冷能發(fā)電方案系統(tǒng)，當采用R1150，R1270的工質(zhì)組合，操作溫度2為-107.6℃，且比例為0.38時產(chǎn)生的系統(tǒng)凈輸出功最大，為3647.09 kW。

圖3 二級新型冷能發(fā)電方案系統(tǒng)凈輸出功

表4 火用損和火用效率定義

3 一、二次新型冷能發(fā)電方案熱力學比較

3.1 不同方案的熱力學分析

鑒于不同設(shè)備火用效率形式的多樣性，必須依照研究對象及功用的不同而具體確定。本文分析定義的火用損和火用效率見表4。系統(tǒng)的總火用效率等于系統(tǒng)凈輸出功除以總消費火用（包含LNG和海水的消費火用），計算結(jié)果見表5。

從表5中可以看出，一級新型冷能發(fā)電方案方案與原一級發(fā)電方案方案相比，其調(diào)溫器火用損降低，凈輸出功提高了540 W。二級新型冷能發(fā)電方案方案與原一級發(fā)電方案方案相比，LNG蒸發(fā)器2、調(diào)溫器和透平1的火用損都有所降低，特別是調(diào)溫器，其火用損降低了20.82%。對于整個系統(tǒng)的性能而言，二級新型冷能發(fā)電方案方案較原一級發(fā)電方案方案循環(huán)凈輸出功提高了12.45%，火用效率提高了12.33%。

表5 一、二級新型冷能發(fā)電方案與原一、二級發(fā)電方案系統(tǒng)火用損及凈輸出功的對比

3.2 關(guān)鍵流程參數(shù)

表6、表7給出了一、二級新型冷能發(fā)電方案系統(tǒng)獲得最大凈輸出功時的關(guān)鍵流程參數(shù)。

表6 一級新型冷能發(fā)電方案系統(tǒng)的關(guān)鍵流程參數(shù)

表7二級新型冷能發(fā)電方案系統(tǒng)的關(guān)鍵流程參數(shù)

4 結(jié)論

本文基于減少換熱器火用損，提高系統(tǒng)火用效率的目的，提出了一、二級新型冷能發(fā)電兩個方案，從系統(tǒng)工質(zhì)匹配組合及熱力學火用分析角度與已有的一、二級冷能發(fā)電方案進行了對比分析，并給出了兩種新型發(fā)電方案的最佳工質(zhì)與參數(shù)匹配，具體結(jié)論如下：

（1）對于一級新型冷能發(fā)電方案，發(fā)電工質(zhì)為R1270，操作溫度1為-51.16℃時，系統(tǒng)凈輸出功最大，為1524.66 kW，相比于原一級發(fā)電方案，凈輸出功提高了540 W。

（2）對于二級新型冷能發(fā)電方案，工質(zhì)組合分別為R1150和R1270，操作溫度2為-107.6℃，且比例為0.38時產(chǎn)生的系統(tǒng)凈輸出功最大，為3647.09 kW。

（3）二級新型冷能發(fā)電方案與原二級發(fā)電方案相比，二級新型冷能發(fā)電方案系統(tǒng)最大凈輸出功提高了12.45%，火用效率提高了12.33%。