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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：北京化工大學機電工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年06月15日
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上一篇：一種降低油田供電系統(tǒng)無功損耗及提高供電…

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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
(北京化工大學機電工程學院，北京100029)
摘要：根據(jù)勃雷登燃氣動力循環(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軟件對該流程進行了模擬，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。
關鍵詞：液化天然氣；冷能；發(fā)電；模擬
中圖分類號：TM619文獻標識碼：A文章編號：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
型能源日益受到關注，其消費速度快速增長。天然
氣在常壓條件下，溫度降至約一1620c時液化，體積
驟縮到約1／600，這為陸運槽車和遠洋運輸提供了
可能。天然氣的液化過程，需要消耗大量的壓縮機
軸功，要消耗大量的電能；當液化天然氣(Liquefied
Natural Gas，LNG)到達用戶終端時，需要將液化天
然氣進行氣化，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
然氣冷能利用實際上是對天然氣液化過程消耗的
電能進行回收。高效合理地利用LNG冷能，可以
節(jié)約能源，帶來可觀的經濟效益和社會效益。
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)達國家非常重視LNG冷能的回
收利用，他們認為，如果僅將LNG作為燃料的使
用，而忽略對其冷能的利用，是莫大的資源浪
費‘1|。
國內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LNG冷量溫位的需求不
同，熊永強舊1等提出按照“溫度對口、梯級利用”的
原則逐級利用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LNG冷
能進行回收利用的多戶集成項目非常少，大多數(shù)還
是LNG冷能單一利用的項目。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
量浪費現(xiàn)象。
LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)是LNG冷能回收利用的
一個重要方面。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值日益受到
重視，LNG冷能利用的研究也在國內外開展起來。
本文提出一種液化天然氣冷能回收發(fā)電的工藝流
程，通過對該流程進行模擬，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)
通過復疊式混合動力循環(huán)，對存儲在液化天然
氣中的冷能進行回收利用。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)．勃雷登燃氣動力循環(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進入到{疰化天然氣泵P1中進行
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對其進行做功發(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
中燃燒反應的燃料進入到勃雷髓燃氣動力循環(huán)中
來。
2)勃雷疊燃氣動力循環(huán)。
常溫常壓下的空氣8進人到壓縮機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中與燃氣動力循環(huán)的燃書}天然氣7
豐日遇井相混合，隨后lO進^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．釋放出巨大的能罱．其中一部分熱鼾進人到期
肯循環(huán)中用J。加熱氯一水．一齠分熱量被自身燃燒
產物吸收，燃氣透平T2利用這些高溫高壓的氣體
混臺物¨對外馓功發(fā)電，做功后的燃燒產物12具
有的熱罱仍然可以用于加熱天然氣3，經過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
中燃燒匣應所產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)．經過LNG換熱器
MHXI冷卻的氮一水因為溫度降低到沸點以下而
完全變?yōu)橐簯B(tài)氨一水14．由聚P2對液態(tài)氨一水進
行加壓．具有鞍高壓力的氰一水再次吸收燃燒爐中
的熱量進行后續(xù)流程，從而實現(xiàn)循環(huán)利用。
2數(shù)學模型豆結果分析
根據(jù)能景平衡和熱力學原理．建立各單元操作
模型的能量平衡方程”1、各個循環(huán)的熱效率及流
程總的熱效率計算方程。
工I能■平衡方程夏熱效率
對于空氣壓縮機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為壓縮機或泵所作的功；Ⅲ為質量流
量；^為俺；^7為絕熱過程的焓，即對應溫度下的理
姥始讎；≈為絕熱教率。下標inleq和oufiet分別表
示單元操作模型的人u和出u。
對于透平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cold和hot分別表示冷流體和熱流
體。
對于燃燒爐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氣動
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。
對于勃霄登燃氣功力循環(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算數(shù)據(jù)
循環(huán)項目數(shù)值
(6) 開口液化天然氣循環(huán)
對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結果分析
采用大型通用流程模擬軟件ASPEN PLUS對
液化天然氣氣化冷能回收發(fā)電的工藝流程進行模
擬，天然氣的成分引自參考文獻[7]，流程模擬的
計算數(shù)據(jù)如表1所示。
流程模擬所得透平發(fā)電量以及壓縮機和泵的
耗電量如表2所示。流程模擬所得主要節(jié)點的物
料平衡表如表3所示。液化天然氣冷能回收發(fā)電
工藝流程各個單元操作模型的模擬數(shù)據(jù)結果滿足
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COMPl壓縮比／％
透平T2等熵效率／％
勃雷登燃氣動力循環(huán)壓縮機co~玨’1等熵效率／％
燃料7質量流量／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)電量以及壓縮機和泵耗電量kW
模塊名稱功量
T1
12
1r3
C0～IPl
P1
P2
1546．22
4274．38
3447．44
3057．18
249．40
22．85
表3主要節(jié)點的物料平衡表
因而，Q—AcE可由式(4)計算得到。利用式
(5)，根據(jù)表l和表2中數(shù)據(jù)可計算出勃雷登燃氣
動力循環(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
算出液化天然氣冷能回收發(fā)電的工藝流程總熱效
率叼冊為33．2％。
3結論
1)針對勃雷登燃氣動力循環(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系統(tǒng)的設計
張寧
(遼寧建筑職業(yè)技術學院，遼寧遼陽111000)
摘要：以常規(guī)客車空調系統(tǒng)作為研究對象。設計出一種以活性炭一甲醇為工質對的加熱吸附式客車空
調系統(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，從而進行制冷，降低車內溫度。這樣既不降低客車動力，工質對對環(huán)境又
無污染，能夠達到實現(xiàn)節(jié)約能源、保護環(huán)境的目的。
關鍵詞：吸附式制冷；尾氣余熱；客車
中圖分類號：U463．85+1文獻標識碼：A文章編號：1004—7948(2011)05—0017—04
doi：103969／j．issn．1004—7948．2011．05．005
引言
在常規(guī)客車空調系統(tǒng)設計的基礎上，提出了以
活性炭一甲醇為工質對的加熱吸附式客車空調系
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，從而進行空調制冷，
降低車內溫度。這樣既不降低客車動力，又不污染
環(huán)境，減少汽車尾氣對大氣的污染，能夠真正實現(xiàn)
節(jié)能減排，是一種具有使用價值和應用前景的汽車
空調系統(tǒng)。
1設計方案
1．1制冷方式及工質的選擇
目前，汽車空調系統(tǒng)的主流仍然是蒸汽壓縮式
制冷，但蒸汽壓縮式系統(tǒng)中氟利昂對大氣臭氧層造
成的破壞非常嚴重，而且浪費能源?？紤]汽車尾氣
對環(huán)境的污染和能源的浪費，設計出以活性炭一甲
醇作為工質對的固體吸附式汽車空調系統(tǒng)作為新
型的汽車空調系統(tǒng)，以實現(xiàn)環(huán)保、節(jié)能和減排?；?
性炭一甲醇工質對的固體吸附式制冷，一般70℃
的余熱即可進行。活性炭一甲醇工質對的理論極
限熱效率約為72％，比沸石一水工質對的理論極
限熱效率(55％)高，甲醇的蒸發(fā)壓力高，在一15℃
時，蒸發(fā)壓力仍有2kPa，因而對系統(tǒng)的真空度要求
不高，有一定的應用空間和發(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)器進入
到吸附反應器中，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。
參考文獻
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Equilibria，2002，200：203—216．
作者簡介：盧濤(1975一)，男，江西人，博士，副教授，博士
生導師，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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