液化天然氣冷能利用講解

1、第12章 液化天然氣的冷能利用 李兆慈中國(guó)石油大學(xué)(北京LNG 使用時(shí)需重新轉(zhuǎn)化為常溫氣體,溫度由 -162復(fù) 溫至常溫,大量的可用冷能釋放出來(lái),其值大約是 837kJ/kg。經(jīng)換熱重新氣化在 論上 利 的冷量約為 1噸 LNG 經(jīng)換熱重新氣化在理論上可利用的冷量約為 250kW.h 。對(duì)于一座年接收能力為 300萬(wàn)噸 LNG 的接收終 端,年可利用冷能達(dá) 7.5億 kW.h 。如何合理利用這些制冷量是一個(gè)影響如何合理利用這些制冷量是 個(gè)影響 經(jīng)濟(jì)效益 的 重要問(wèn)題。大型 LNG 接收終端在 LNG 氣化時(shí)若不采取冷能 回收措施,則需要通過(guò)大量的海水進(jìn)行熱交換,低溫 海水向海中排放,還會(huì)影響到

2、局部海域的生態(tài)平衡, 造成 冷污染 。利用LNG冷能的方法可分為 直接利用 和 間接利用 1LNG低溫聯(lián)合發(fā)電技術(shù)1. LNG低溫聯(lián)合發(fā)電技術(shù)利用 LNG 冷能發(fā)電在應(yīng)用領(lǐng)域中使用較多, 技術(shù)比較成熟技術(shù)比較成熟。天然氣直接膨脹發(fā)電朗肯循環(huán)發(fā)電LNG燃?xì)廨啓C(jī)冷量綜合利用發(fā)電系統(tǒng)組合利用冷量的發(fā)電系統(tǒng)1 天然氣直接膨脹發(fā)電直接膨脹發(fā)電是其中一種重要方式。 過(guò)程中 所作 天然氣從 (p1, T1 等熵膨脹至 (p2, T2 過(guò)程中,所作 的功為 LNG 儲(chǔ)罐中的 LNG 經(jīng)低溫泵加壓后,在氣化器 中受熱氣化為高壓天然氣,然后把 LNG 的物理火用 在高壓氣化時(shí)轉(zhuǎn)化成壓力火用 直接驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī) 在高壓

3、氣化時(shí)轉(zhuǎn)化成壓力火用,直接驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī),帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這種方法原理簡(jiǎn)單,但是效率不高,發(fā)電功率 較小, 冷能回收效率僅為 24%。2朗肯循環(huán)發(fā)電通過(guò)朗肯循環(huán)利用 LNG 冷能發(fā)電是采用較多的一種 方式方式。通過(guò)冷凝器把冷能轉(zhuǎn)化到某 通過(guò)朗肯循環(huán)將 LNG 通過(guò)冷凝器把冷能轉(zhuǎn)化到某一 冷媒上,利用 LNG 與環(huán)境之間的溫差,推動(dòng)冷媒進(jìn)行蒸 氣動(dòng)力循環(huán),從而對(duì)外做功。 最基本的蒸氣動(dòng)力循環(huán)為朗肯循環(huán),見(jiàn)圖 7-11。朗肯循環(huán)由鍋爐、汽輪 機(jī)、冷凝器和水泵組成。鍋圖7-11朗肯循環(huán)爐a 流程圖 b -s 圖圖 朗肯循環(huán) a 流程圖 bT-s 圖中 水在鍋爐和過(guò)熱器中定壓吸熱 由未飽和水變?yōu)檫^(guò)熱 在過(guò)

4、程 4-1中,水在鍋爐和過(guò)熱器中定壓吸熱,由未飽和水變?yōu)檫^(guò)熱 蒸氣;在過(guò)程 1-2中,過(guò)熱蒸氣在汽輪機(jī)中膨脹,對(duì)外作功;在過(guò)程 2-3中, 作功后的乏氣在冷凝器中定壓放熱,凝結(jié)為飽和水;在過(guò)程 3-4中,水泵 消耗外功,將凝結(jié)水壓力提高,再次送入鍋爐。朗肯循環(huán)的對(duì)外凈功為汽輪機(jī)作功 wT與水泵耗功 wp之差,后者相對(duì)來(lái)說(shuō)很小朗肯循環(huán)的效率為循環(huán)凈功與從鍋爐的吸熱量之比 通常,冷凝器采用冷卻水作為冷源。這樣,循環(huán)的最低 溫度就限制為環(huán)境溫度。 LNG 的汽化溫度很低 (-162 ,秋冬 季由于海水本身溫度較低 在海水汽化器大量放熱 有結(jié)冰 季由于海水本身溫度較低,在海水汽化器大量放熱,有結(jié)冰的危

5、險(xiǎn)。另一方面,蒸汽輪機(jī)排出的水蒸氣在冷凝器中由冷 媒水冷卻,這部分冷媒水吸收熱量后,溫度有了明顯升高。 因此,對(duì)于 LNG 汽化來(lái)說(shuō),可以利用冷媒水汽化 LNG ,既避 免了結(jié)冰的危險(xiǎn),又降低了汽化費(fèi)用。 低溫朗肯循環(huán)發(fā)電裝置流程圖1 2 3 41渦輪機(jī) 2減速器 3發(fā)電機(jī) 4天然氣加熱器 5 丙烷蒸發(fā)器 6 丙烷泵 7LNG 蒸發(fā)器根據(jù)中間媒質(zhì)的不同 有 單工質(zhì) 混合工質(zhì)根據(jù)中間媒質(zhì)的不同,有 單工質(zhì)、混合工質(zhì) 的朗肯循環(huán) 系統(tǒng)之分。單工質(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)一般使用純的甲烷或乙烯,其實(shí)用 裝置冷能回收量大約為 18%?；旌瞎べ|(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)為碳?xì)浠衔锏幕旌衔?工 質(zhì)冷凝器采用多流體換熱器,在換

6、熱器中 LNG 利用工質(zhì)自身 的顯然和潛入進(jìn)行預(yù)熱或部分氣化,然后在蒸發(fā)器中全部氣 化進(jìn)入輸氣管線。采用此系統(tǒng)只用了一級(jí)朗肯循環(huán)就可得到 相當(dāng)多的動(dòng)力,整個(gè)系統(tǒng)效率約為 36%。目前使用較多的是膨脹發(fā)電和郎肯循 環(huán)方式的結(jié)合,結(jié)合使用的能量利用率比 兩個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)要高,但冷熱能的回收效 率也只能達(dá)到 36%。 復(fù)合朗肯循環(huán)發(fā)電 3LNG燃?xì)廨啓C(jī)冷量綜合利用發(fā)電系統(tǒng)最簡(jiǎn)單的燃?xì)廨啓C(jī)裝置主要由壓氣機(jī) 燃燒室 燃?xì)廨啓C(jī)組成 壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)廨啓C(jī)組成, 其循環(huán)近似簡(jiǎn)化為如圖所示的燃?xì)廨啓C(jī)定壓機(jī)熱循環(huán) (布雷頓循環(huán) 。 理想的布雷頓循環(huán)由定熵壓縮過(guò) 程 1-2i 定壓加熱過(guò)程 2i-3、定熵膨脹過(guò)程

7、 3-4i ,和定壓放熱過(guò)程 4i-1組成。 實(shí)際循環(huán)中 定熵過(guò)程實(shí)際上不可實(shí)際循環(huán)中,定熵過(guò)程實(shí)際上不可 能達(dá)到,在圖中,點(diǎn) 2i 和 4i ,分別變化為點(diǎn) 2和 4。燃?xì)廨啓C(jī)入口的空氣溫度對(duì)燃?xì)馔钙降墓ぷ餍视?明顯影響,可以利用 LNG 冷量預(yù)冷空氣,以提高機(jī)組 效率 增加發(fā)電量效率,增加發(fā)電量。這是由于隨著溫度的降低 空氣密度變大 相同 這是由于隨著溫度的降低,空氣密度變大,相同 體積下進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)空壓機(jī)的空氣量隨之增加,燃燒效 果更佳。由于LNG 的汽化溫度較低,空氣的冷卻是以 LNG 作為冷源,用一種 乙二醇溶液 作為中間載冷劑,將冷量由 LNG 傳遞給空氣, 易揮發(fā)的物質(zhì) (醇溶

8、液 作為中間載冷劑 將冷量由 傳遞給空氣 如圖所示。冷卻溫度必須嚴(yán)格控制在 0 以上,以防止水蒸氣凍結(jié)在冷卻 器表面。在冷卻裝置以后,應(yīng)設(shè)置汽水分離裝置,以防止水滴進(jìn)入壓縮 機(jī)。如果直徑大于 40pm 的水滴進(jìn)入壓縮機(jī),對(duì)壓縮機(jī)葉片有潛在的液體 沖擊腐蝕的可能 水滴沖擊金屬表面能導(dǎo)致金屬表面微裂紋的發(fā)展 產(chǎn) 沖擊腐蝕的可能,水滴沖擊金屬表面能導(dǎo)致金屬表面微裂紋的發(fā)展,產(chǎn) 生表面疤痕,并可能導(dǎo)致軸系振動(dòng)加大。 以 LNG 為動(dòng)力的燃?xì)廨啓C(jī)還可以采取其它形式利用冷 量。圖 7-18示出一個(gè)綜合采用低溫朗肯循環(huán)、兩級(jí)天然氣 -162直接膨脹等冷量利用方式的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)。狀態(tài)為 162 、5.3MPa

9、 的 LNG 的低溫冷量通過(guò)三級(jí)設(shè)備得到利用。第一級(jí)是用于丙烷朗肯循環(huán)的冷凝器,循環(huán)以海水作 為熱源。通過(guò)冷凝器后, LNG -35、 5.0MPa為熱源 通過(guò)冷凝器后 汽化為 的天 然氣,先后通過(guò)兩個(gè)膨脹機(jī)膨脹作功后,進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)作 為燃料 在膨脹機(jī)前后共有 個(gè)海水換熱器來(lái)升高天然氣 為燃料,在膨脹機(jī)前后共有三個(gè)海水換熱器來(lái)升高天然氣 溫度。這樣的設(shè)計(jì)充分利用了 LNG 的冷量,但設(shè)備增加較多, 應(yīng)按熱經(jīng)濟(jì)學(xué)方式分析具體運(yùn)用對(duì)象 以確定其合理性 應(yīng)按熱經(jīng)濟(jì)學(xué)方式分析具體運(yùn)用對(duì)象,以確定其合理性。 是 種新型發(fā)電技術(shù) 天然 LNG 燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 是一種新型發(fā)電技術(shù),天然 氣燃燒驅(qū)動(dòng)燃?xì)?/p>

10、透平發(fā)電,燃?xì)馔钙脚懦龅拇罅扛邷貜U氣進(jìn) 入余熱鍋爐回收熱量,產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽透平發(fā)電。該循環(huán) 熱效率高達(dá) 55%。綜合利用 LNG 冷量與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)中的廢熱,可以 有效提高燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)整個(gè)系統(tǒng)的熱效率,降低了燃?xì)?發(fā)電的成本。其中 LNG 冷能主要的可利用方式為:燃?xì)廨啓C(jī)入口空 氣的冷卻 蒸汽余熱汽化 LNG 蒸汽余熱作為分離塔再沸器 的熱源。的熱源4組合利用冷量的發(fā)電系統(tǒng)圖 7-24是一個(gè)更為復(fù)雜的組合利用 LNG 冷量的聯(lián)合循 環(huán)系統(tǒng) 基本聯(lián)合循環(huán)由以天然氣為燃料的 臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī) 環(huán)系統(tǒng)。基本聯(lián)合循環(huán)由以天然氣為燃料的一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)(GAS-T和一臺(tái)蒸汽輪機(jī) (ST-T構(gòu)成,并配有用

11、于回收蒸汽 輪機(jī)乏汽冷凝潛熱以及燃?xì)廨啓C(jī)排氣顯熱的一臺(tái)采用氟利 (FRT昂混合制冷劑朗肯循環(huán)的透平 (FR-T和天然氣膨脹透平 (NG-HT和 NG-LT 。分析表明,在以 3.6MPa 供給天然氣時(shí), 每蒸發(fā) 1t 液化天然氣可發(fā)電 400kW·h,其中包括回收 LNG 冷 60kW·h蒸發(fā)出來(lái)的天然氣大部分在經(jīng)過(guò)循環(huán)后重新 量的 60kW h 。蒸發(fā)出來(lái)的天然氣大部分在經(jīng)過(guò)循環(huán)后重新 被液化,只有小部分作為燃料消耗掉。 2G2 LNG輕烴回收LNG 接收終端接收不同來(lái)源的 LNG 。通常情況 下接收終端接收的 熱值較高 而向下游供氣的 LNG 熱值較高,而向下游供氣的天

12、然氣產(chǎn)品卻要求熱值較低。烴脫除法是 LNG 熱值 調(diào)整的主要方法。通過(guò)處理設(shè)備,將 LNG 中一部分 較重的 高熱值的組分(等除去 以降低 較重的、高熱值的組分(C2、 C3等除去,以降低 天然氣中重組分的含量及其熱值。在接收終端進(jìn)行 L NG 輕烴回收,可以利用 LNG 的冷能。 利用 LNG 冷量進(jìn)行輕烴回收流程簡(jiǎn)圖組分的分析 可以從根據(jù) LNG 組分的分析,可以從 C2+提取出大量的 LPG -丙烷和丁烷,供應(yīng)本地市場(chǎng);另一方面 C2+含 有大量的 C2、 C3烷烴和主要由 C3、 C4構(gòu)成的凝析油, 都是乙烯工業(yè)的極好原料都是乙烯工業(yè)的極好原料。研究表明, LNG 的冷能用于 C2+分

13、離、和裂解制 乙烯裝置中的裂解產(chǎn)物深冷分離,是 LNG 冷量利用的 最佳途徑 在利用 冷能進(jìn)行輕烴分離的同時(shí) 還 最佳途徑。在利用 LNG 冷能進(jìn)行輕烴分離的同時(shí),還 可以實(shí)現(xiàn)輕烴分離與發(fā)電集成優(yōu)化,進(jìn)一步擴(kuò)大能源 的集約效益。1 冷量利用1 冷量利用2 調(diào)整熱值3 提高經(jīng)濟(jì)效益 3 提高經(jīng)濟(jì)效益3液化空氣及干冰生產(chǎn)空分工廠在制造液氮、液氧和液氬時(shí),通常低溫環(huán) 境由電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械制冷產(chǎn)生,液化 1m 3空氣大約需要 的冷能 產(chǎn)生這些冷能需要大量的電力2700kJ 的冷能,產(chǎn)生這些冷能需要大量的電力?？辗盅b置屬于高能耗設(shè)備,通常的低溫環(huán)境都是由 電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械制冷產(chǎn)生的。由制冷原理可知,隨著溫

14、度的降低其消耗的電能將急劇增加,因此空分裝置不但 需要的冷量大 而且所需的冷量的品位要求更高需要的冷量大,而且所需的冷量的品位要求更高。利用 LNG 汽化時(shí)提供的冷能來(lái)冷卻空氣,不但使所 需能耗大幅度降低,而且使空分系統(tǒng)的流程簡(jiǎn)化,設(shè)備 減少?？梢詼p少能耗 30%5%,減少冷卻水 30%左右。 空分裝置中利用 LNG 冷能是技術(shù)上最 合理 的方式。 空氣液化裝置流程圖1過(guò)濾器;2壓縮機(jī);3凈化器;4、10換熱器;5主精餾塔; 6氬凈化器;7氫罐;8氬塔;9循環(huán)氮壓縮機(jī);11天然氣加熱器; 12液氬貯槽;13液氮貯槽;14液氧貯槽。 的冷能 很容易獲得冷卻和液化 利用 LNG 的冷能,很容易獲得

15、冷卻和液化 CO 所需要的低溫。與傳統(tǒng)的 CO 液化工藝相 2所需要 低 傳 2液 比,制冷設(shè)備的負(fù)荷大為減少,電耗也降為原 來(lái)的 30%40%。4 4 LNGLNG 汽車(chē)?yán)淠芑厥? LNG 1 LNG冷藏運(yùn)輸車(chē)?yán)淠芑厥?LNG 冷能回收用于汽車(chē)?yán)洳剀?chē)示意圖1-氣體發(fā)動(dòng)機(jī); 2-加熱器; 3-控制閥; 4-LNG 儲(chǔ)液罐; 5-冷凍貨物; 6-熱交換器2 LNG2 LNG汽車(chē)空調(diào)利用 LNG 冷量供給空調(diào)系統(tǒng),是回收 LNG 汽車(chē)?yán)淞康男?型方式?？照{(diào)環(huán)境必須保證一定的溫度和濕度,利用 LNG 的 潛熱或顯熱直接與空氣進(jìn)行換熱顯然是不可行的,容易造成 空氣中水蒸氣、 CO2等氣體的凍結(jié),使換熱

16、器流道阻塞,無(wú) 法正常工作法正常工作。此外,汽車(chē)空調(diào)負(fù)荷是變化的,保證空調(diào)制冷量的調(diào)節(jié) 也是非常重要的。將 LN G 冷能回收用于汽車(chē)空調(diào)面臨如何降 LNG低 與空氣之間的換熱溫差、如何保證供冷調(diào)節(jié)等技術(shù)難 題。小轎車(chē)、 公交車(chē)、 重型卡車(chē) 5 區(qū)域冷、熱、電聯(lián)供LNG 冷能可作為區(qū)域冷、熱系統(tǒng)中大型中央空調(diào) 系統(tǒng)的冷源,供氣系統(tǒng)通過(guò)換熱將 LNG 氣化供城市工業(yè)、 民用。在建立區(qū)域供熱、供冷系統(tǒng)方面,以天然氣為主 要能源供應(yīng)方式,具有電源供應(yīng)穩(wěn)定、能源效率高以及 潔凈無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。分布式能源系統(tǒng) (Distributed Energy System簡(jiǎn) 稱 DES ,又稱第二代能源系統(tǒng)。當(dāng)前,

17、全世界都在推 動(dòng)該系統(tǒng)的建設(shè)。分布式能源系統(tǒng)是相對(duì)于傳統(tǒng)的集中式能量系統(tǒng)而言的。 在這個(gè)系統(tǒng)中 , 集合了分布式供電、制冷、采暖、生活衛(wèi)生水以 及其他形式的熱能于一體及其他形式的熱能于 體 , 將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模、分散式布置在 用戶附近 , 可獨(dú)立地輸出電、熱和冷能的系統(tǒng) , 此系統(tǒng)中的主要 部分就是分布式供電和冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(Cooling-heating-power Cogeneration ,簡(jiǎn)稱 CCHP 。同時(shí)p g 簡(jiǎn)稱 同時(shí) , 應(yīng)用最新的信息化 和智能化技術(shù)管理和控制系統(tǒng) , 以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化、智能化、經(jīng)濟(jì)最 優(yōu)的目的優(yōu)的目的。66 蓄冷裝置LNG 氣化負(fù)荷隨時(shí)間和季節(jié)發(fā)生波動(dòng)。對(duì)

18、天然氣 的需求是白天和冬季多,所以 LNG 氣化所提供的冷能多, 的需求是白天和冬季多 所以 氣化所提供的冷能多而在夜晚和夏季,對(duì)天然氣的需求減少,可以利用的 LNG 冷能也隨之減少。LNG 冷能的波動(dòng),將會(huì)對(duì)冷能利用設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn) 生不良影響。 蓄冷裝置 是利用相變物質(zhì)的潛熱儲(chǔ)存 LNG 冷能。 相變物質(zhì) 的選擇是 LNG 蓄冷裝置研究的關(guān)鍵。 7 低溫破碎和粉碎大多數(shù)物質(zhì)在一定溫度下會(huì)失去延展性,突然變得 很脆。因而可以利用物質(zhì)的低溫脆性,采用液氮進(jìn)行破 很脆 因而可以利用物質(zhì)的低溫脆性 采用液氮進(jìn)行破碎和粉碎。利用液氮可在低溫下破碎一些在常溫下難以 破碎的物質(zhì)。與常溫破碎相比 , 它能把物質(zhì)破碎成極小的可分離 的微粒,且不存在微粒爆炸和氣味污染,通過(guò)選擇不同 的低溫可以有選擇性地破碎具有復(fù)雜成分的混合物。 8 低溫冷庫(kù)與食品冷凍傳統(tǒng)的低