孫憲航 陳保東 王雷 宋士祥 馬躍 張國(guó)軍

遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院

以太陽能為高溫?zé)嵩吹腖NG衛(wèi)星站冷能發(fā)電系統(tǒng)

孫憲航 陳保東 王雷 宋士祥 馬躍 張國(guó)軍

遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院

如何高效合理利用LNG所攜帶的冷能一直是人們關(guān)注的話題。為此，對(duì)LNG衛(wèi)星站中LNG冷能利用方式及工藝流程進(jìn)行了研究。以山東淄博LNG衛(wèi)星站為例，建立了一種以太陽能加熱的水為高溫?zé)嵩?，LNG儲(chǔ)罐輸出的LNG液態(tài)工質(zhì)為低溫?zé)嵩吹臒崃ρh(huán)發(fā)電系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的工藝參數(shù)，計(jì)算了該系統(tǒng)日均凈發(fā)電量和能量利用效率，分析了該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保效益。結(jié)果表明：在日供氣量為12×104m3的山東淄博LNG衛(wèi)星站中建立該熱力循環(huán)系統(tǒng)，能量利用效率可超過30%且符合工程實(shí)際，年可發(fā)電27×104k W·h，每年帶來約30萬元的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)，還可以節(jié)約氣化LNG所需的燃料費(fèi)用6～8萬元／a，減少因燃燒煤炭和天然氣而帶來的400～1 000 kg／a的SO2排放量和56～146 t／a的CO2排放量，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保、增效三贏。

LNG衛(wèi)星站 LNG冷能利用 太陽能 高溫?zé)嵩?低溫?zé)嵩?熱力循環(huán) 發(fā)電系統(tǒng) 山東淄博

充分高效地利用進(jìn)口LNG攜帶的冷能，不僅可以節(jié)約能源、創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，而且能夠避免LNG氣化過程對(duì)環(huán)境造成的冷污染?，F(xiàn)有LNG冷能利用方式主要有空氣分離、冷能發(fā)電、低溫粉碎、制造液態(tài)二氧化碳、低溫冷庫和輕烴分離等。

筆者將太陽能熱水器原理應(yīng)用于LNG衛(wèi)星站來建立以太陽能加熱水為高溫?zé)嵩?，以LNG儲(chǔ)罐輸出LNG為低溫?zé)嵩吹睦士涎h(huán)發(fā)電系統(tǒng)，在免費(fèi)使用太陽能的同時(shí)也回收了LNG中蘊(yùn)藏的寶貴冷能。下面以山東省淄博市的LNG衛(wèi)星站為例來做具體分析。

1 LNG衛(wèi)星站利用太陽能熱源的潛力

LNG衛(wèi)星站作為小型的LNG氣化站具有與大型LNG接收站相似的功能，對(duì)于需要清潔能源而輸氣管網(wǎng)又不易到達(dá)的中小城鎮(zhèn)或特殊廠家，LNG衛(wèi)星站成功解決了這一矛盾。近年來隨著中國(guó)LNG產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和城市管網(wǎng)供氣安全的需要，LNG衛(wèi)星站得到了雨后春筍般地發(fā)展。內(nèi)陸的LNG衛(wèi)星站與沿海大型LNG接收站相比雖然沒有取之不盡的海水作為熱源來構(gòu)建發(fā)電系統(tǒng)，但這也為以太陽能加熱水為熱源構(gòu)建LNG低溫冷能發(fā)電系統(tǒng)提供了可能［1］。

山東省淄博市位于北緯35°56′～37°18′、東經(jīng)117°32′～118°3l′之間，屬于半溫潤(rùn)，半干旱的大陸性氣候；四季分明，年平均氣溫為12.3～13.1℃，年平均無霜期為180～220 d，年平均日照時(shí)數(shù)為2 542～2 832 h，晴天平均日照時(shí)間為8.5 h，年平均太陽輻射總量為4 704～5 460 MJ／m2，具有比較豐富的太陽能資源，地下水溫度為10～15℃。這為建立以太陽能熱水系統(tǒng)為熱源的LNG低溫冷能發(fā)電系統(tǒng)提供了前提條件。

2 系統(tǒng)流程

山東淄博LNG衛(wèi)星站設(shè)計(jì)日供氣量12×104m3，衛(wèi)星站內(nèi)有12臺(tái)立式儲(chǔ)罐，單臺(tái)容積為106 m3，站內(nèi)有8臺(tái)空浴式氣化器，氣化能力為1 500 kg／h，LNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)存壓力為0.3 MPa，儲(chǔ)存溫度為－146℃，外輸管網(wǎng)輸氣壓力為0.6 MPa，輸氣溫度為5～10℃［2］?；谔柲芗訜崴疄楦邷?zé)嵩矗敵鯨NG為低溫?zé)嵩吹睦淠馨l(fā)電系統(tǒng)基本工藝流程如圖1所示。

以太陽能為熱源的熱水循環(huán)系統(tǒng)由太陽能集熱器、智能控制循環(huán)系統(tǒng)、備用電加熱器、管路連接系統(tǒng)、水箱、支架等組成。由于系統(tǒng)受用戶用氣量的變化和天氣變化的影響，當(dāng)水溫不符合熱力循環(huán)的要求時(shí)，系統(tǒng)使用電加熱方式來補(bǔ)充熱量以保證熱水供應(yīng)持續(xù)［3］。

圖1 以太陽能為熱源的LNG衛(wèi)星站冷能發(fā)電系統(tǒng)流程圖

循環(huán)中液態(tài)工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵加壓后送入蒸發(fā)器，吸收循環(huán)熱水提供的熱量并蒸發(fā)，氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入汽輪機(jī)1，在汽輪機(jī)1內(nèi)膨脹到冷凝壓力后進(jìn)入冷凝器，在冷凝器內(nèi)被逆向流動(dòng)的LNG冷凝為液態(tài)，最后進(jìn)入工質(zhì)泵，完成一個(gè)熱力循環(huán)，通過汽輪機(jī)對(duì)外做功進(jìn)行發(fā)電［4］。

被LNG泵加壓到3.0 MPa后的LNG為熱力循環(huán)的工質(zhì)提供冷量后被氣化為氣態(tài)天然氣，但此時(shí)的氣態(tài)天然氣溫度仍然低于－40℃，仍具有相當(dāng)可觀的冷量，再使氣態(tài)天然氣進(jìn)入水浴氣化器為氣化站內(nèi)的中央空調(diào)提供冷凍水。當(dāng)下游用戶用氣量處于高峰且LNG的流量已經(jīng)超過了熱力循環(huán)系統(tǒng)所需要的冷能時(shí)，可以通過旁通流量閥來調(diào)節(jié)LNG進(jìn)入冷凝器的流量。經(jīng)過水浴氣化器加熱后的天然氣冷能已消耗殆盡，但經(jīng)LNG泵加壓到3.0 MPa的天然氣仍然具有相當(dāng)?shù)膲毫δ埽偈固烊粴饨?jīng)過汽輪機(jī)對(duì)外做功，完成LNG冷能的多級(jí)利用。膨脹到0.6 MPa后的天然氣再經(jīng)過空溫式氣化器加熱到5～10℃后輸送至外輸管網(wǎng)［5－6］。

3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與發(fā)電量計(jì)算

3.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1.1 LNG在冷凝器中進(jìn)出口溫度的設(shè)計(jì)

上述熱力循環(huán)系統(tǒng)的建立是以LNG進(jìn)出冷凝器溫度為確定值的前提下確定的，因此當(dāng)LNG進(jìn)出冷凝器溫度確定后，工質(zhì)的冷凝溫度便已經(jīng)確定。由于LNG在不同的壓力下具有不同數(shù)量的冷火用，且冷火用在各個(gè)溫度區(qū)間的分布也不同，所以LNG在冷凝器進(jìn)出口的溫度對(duì)于LNG冷火用的利用率有直接的影響。上海交通大學(xué)楊紅昌在他的碩士論文中對(duì)LNG在不同壓力下LNG冷火用隨溫度的分布進(jìn)行了總結(jié)，如表1所示。

在忽略LNG成分影響的情況下，由表1可知在3.0 MPa下，LNG的冷火用主要集中在－162～－43℃，占總冷火用的95.98%，因此為了充分降低LNG的冷火用損失，在上述發(fā)電系統(tǒng)流程中3.0 MPa下的LNG在冷凝器的進(jìn)出口溫度應(yīng)選擇－146℃／－43℃［7］。

3.1.2 工質(zhì)冷凝溫度的設(shè)計(jì)

表1 不同壓力下LNG氣化過程中冷火用隨溫度的分布表

當(dāng)LNG在冷凝器進(jìn)出口溫度確定的情況下，由卡諾定理可知工質(zhì)的冷凝溫度越低，則循環(huán)效率越高，因此冷凝器中最小傳熱溫差越小越好，但是減小傳熱溫差會(huì)導(dǎo)致冷凝器換熱面積增加，低溫工程中相關(guān)的大量文獻(xiàn)推薦最小傳熱溫差采用3～5℃。本設(shè)計(jì)中選取最小傳熱溫差σt為5℃，則工質(zhì)的冷凝溫度便確定為－38℃。本設(shè)計(jì)選取R1270（丙烯）為循環(huán)工質(zhì)（丙烯的沸點(diǎn)為－47.72℃，臨界溫度為91.6℃，臨界壓力為4.55 MPa）。此時(shí)R1270的冷凝壓力為152.5 k Pa。

3.1.3 太陽能集熱器進(jìn)出口水溫的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)太陽能集熱器出口點(diǎn)3的溫度為t3＝45℃，蒸發(fā)器出口點(diǎn)1的溫度取當(dāng)?shù)厝昶骄疁貫閠1＝17.5℃。

3.1.4 工質(zhì)蒸發(fā)溫度的設(shè)計(jì)

由于受太陽能熱水源的限制，如最小溫差仍取5℃，則蒸發(fā)溫度可取為楊紅昌在碩士論文中提出的最佳蒸發(fā)溫度23.6℃，此時(shí)工質(zhì)R1270的蒸發(fā)壓力為780.6 kPa。

3.1.5 LNG與工質(zhì)流量的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)衛(wèi)星站內(nèi)LNG氣化量為1 500 kg／h，按每天平均工作8.5 h計(jì)算，則供氣量約1.77×104m3／d，可滿足0.5萬～1.0萬戶的用氣需求量。

冷凝器內(nèi)的熱平衡方程為：

式中γ1表示工質(zhì)丙烯在－38℃時(shí)的冷凝潛熱，419.96 kJ／kg；qR表示工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg／h；qLNG表示LNG的質(zhì)量流量，kg／h；QLNG1表示1 kg LNG提供給工質(zhì)的冷量，650 kJ／kg。

代入數(shù)據(jù)得工質(zhì)的質(zhì)量流量qR＝2 321.6 kg／h。

3.1.6 太陽能集熱器面積的確定

蒸發(fā)器內(nèi)的熱平衡方程為：

式中cp表示液態(tài)丙烯比定壓熱容，5.524 kJ／（kg· K）；ΔtR表示工質(zhì)從工質(zhì)泵出口到飽和溫度的溫度差，℃；γ2表示工質(zhì)丙烯在23.6℃時(shí)的氣化潛熱，364.62 kJ／kg；q熱水表示循環(huán)熱水的質(zhì)量流量，kg／h；c熱水表示循環(huán)熱水的比熱容，kJ／（kg·K）；Δt熱水表示循環(huán)熱水的溫降，℃。

ΔtR一般為20℃，代入數(shù)據(jù)得循環(huán)熱水的質(zhì)量流量q熱水＝9 549.7 kg／h。

循環(huán)熱水需要提供的熱量為9 549.7×4.2×（45－17.5）＝1 102.9 MJ／h，設(shè)太陽能集熱面積為A，太陽能集熱效率為90%［4］，循環(huán)熱水吸收90%的熱量，當(dāng)?shù)啬昶骄栞椛淇偭繛? 704～5 460 MJ／m2，取5 000 MJ／m2，晴天平均日照時(shí)間為8.5 h，則每小時(shí)每平方米地面接收的太陽輻射量為5 000／（365×8.5）＝1 611 603.5 J／（h·m2），由1 611 603.5×A×90% ×90%＝1 102.9×106得A＝845 m2。當(dāng)遇到惡劣天氣而靠太陽能集熱器不能為循環(huán)熱水提供足夠熱量時(shí)，需要開啟備用電加熱器來補(bǔ)充熱量。

3.1.7 冷凍水質(zhì)量流量的確定

冷凍水制備系統(tǒng)中，考慮5℃的管路損失，設(shè)計(jì)冷凍水進(jìn)口和出口溫度分別為17.5℃和5℃。水浴汽化器中的熱平衡方程為：

式中c水表示冷凍水的比定壓熱容，kJ／（kg·K）；q水表示冷凍水的質(zhì)量流量，kg／h；Δt水表示冷凍水進(jìn)出水浴氣化器的溫差，℃；QLNG2表示1 kg LNG提供給冷凍水的冷量，230 kJ／kg。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得q水＝4 693.9 kg／h。

3.2 系統(tǒng)發(fā)電量計(jì)算

假設(shè)汽輪機(jī)內(nèi)部相對(duì)效率為90%，發(fā)電機(jī)機(jī)械效率為80%，忽略換熱器的壓損及管道損失。以下計(jì)算功量均以1 h為標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.1 汽輪機(jī)1對(duì)外理論做功的計(jì)算

汽輪機(jī)1對(duì)外理論做功為：

式中Wt1表示汽輪機(jī)1對(duì)外做功，k W·h；h3、h4分別表示汽輪機(jī)1進(jìn)﹑出口處工質(zhì)的焓值，kJ／kg。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Wt1＝95.6 k W·h。

3.2.2 汽輪機(jī)2對(duì)外理論做功的計(jì)算

汽輪機(jī)2對(duì)外理論做功為：

式中Wt2表示汽輪機(jī)2對(duì)外做功，k W·h；hL4、hL5分別表示汽輪機(jī)2進(jìn)﹑出口處氣態(tài)天然氣的焓值，kJ／kg。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Wt2＝47.2 k W·h。

3.2.3 系統(tǒng)循環(huán)凈發(fā)電量的計(jì)算

系統(tǒng)理論循環(huán)凈功為：

式中Wnet表示系統(tǒng)理論循環(huán)凈功，k W·h；Wp水、WpR、WpLNG分別表示水泵﹑工質(zhì)泵﹑LNG泵的功耗，k W ·h。

根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于10 m3／h流量的水泵功率約為3 k W，則Wp水＝3 k W·h，根據(jù)流量比例對(duì)應(yīng)的WpR＝1 k W·h，LNG出液泵功率根據(jù)LNG衛(wèi)星站使用經(jīng)驗(yàn)可取為5 k W，即WpLNG＝5 k W·h。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Wnet＝133.8 k W·h。

因此系統(tǒng)循環(huán)凈發(fā)電量為W凈＝133.8×90%× 80%＝96.3（k W·h）。

當(dāng)遇到惡劣天氣而不得已開啟備用電加熱器時(shí)，備用電加熱器每小時(shí)的功耗不得高于96.3 k W·h，否則該系統(tǒng)就得不償失，無經(jīng)濟(jì)性可言。

3.3 能量回收效率分析

3.3.1 以每小時(shí)循環(huán)熱水提供的熱量為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

每小時(shí)循環(huán)熱水提供的熱量為1 102.9 MJ，即306.36 k W·h，則單純的熱力循環(huán)的熱效率為：

系統(tǒng)的總效率為：

這樣的能量利用效率在實(shí)際工程應(yīng)用中還是相當(dāng)可觀的。

4 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)環(huán)保性分析

該系統(tǒng)需要面積龐大的太陽能集熱器﹑水箱﹑備用電加熱器﹑蒸發(fā)器﹑冷凝器﹑汽輪機(jī)以及各種類型的泵和配套的管路系統(tǒng)，一次投入成本較高，需要120萬元左右。這在LNG市場(chǎng)初步發(fā)展階段建立LNG衛(wèi)星站時(shí)是需要謹(jǐn)慎考慮的。然而它帶來的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能環(huán)保效果是相當(dāng)可觀的。

由以上計(jì)算可知，以平均日照時(shí)間8.5 h計(jì)算，該系統(tǒng)在正常情況下日平均可以得到超過800 k W·h的電能，一年之中考慮1個(gè)月的惡劣天氣所帶來的影響，則年均可以生產(chǎn)超過27×104k W·h的電能，折算成當(dāng)前的電價(jià)年均可帶來超過30萬元的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)還節(jié)約了氣化LNG所需的燃料。若以原煤﹑焦炭或者天然氣為燃料，經(jīng)計(jì)算該系統(tǒng)年均可以節(jié)約6～8萬元的燃料費(fèi)。因此，約3年即可回收投資，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

另外，該系統(tǒng)年均還可以減少因燃燒煤炭而帶來的400～1 000 kg的SO2排放量，可以減少因燃燒煤炭或天然氣而帶來的56～146 t的CO2排放量。無論從節(jié)能還是環(huán)保角度來說都是難能可貴的［8］。

5 結(jié)論

LNG蘊(yùn)藏大量可用冷能。本設(shè)計(jì)以太陽能為高溫?zé)嵩?，LNG為低溫?zé)嵩礃?gòu)建了熱力循環(huán)，回收LNG冷能的同時(shí)也充分利用了人類取之不盡用之不竭的太陽能，可謂實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保、增效的“三贏”。

1）利用LNG衛(wèi)星站現(xiàn)有客觀條件具備建立上述熱力循環(huán)的可行性。

2）系統(tǒng)日均發(fā)電量超過800 k W·h，能量利用效率可觀，超過了30%，符合工程實(shí)際。

3）系統(tǒng)回收投資時(shí)間短，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4）利用可能被浪費(fèi)掉的LNG冷能和免費(fèi)使用的太陽能，不僅省去了運(yùn)行費(fèi)用，還對(duì)節(jié)能環(huán)保做出了貢獻(xiàn)，倡導(dǎo)了節(jié)能環(huán)保型社會(huì)的發(fā)展。

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Cold energy power generation system at LNG satellite stations with solar energy as a high temperature heat source

Sun Xianhang，Chen Baodong，Wang Lei，Song Shixiang，Ma Yue，Zhang Guojun
（School of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun，Liaoning 113001，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 10，pp.103－106，10／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

It is a hot topic at present about how to take good advantage of the LNG cold energy.In view of this，a study was carried out of the method for exploring the use of LNG cold energy at LNG satellite stations as well as the involved technical process.Therefore，in the case study of the Zibo LNG satellite station in Shandong province，where the daily gas supply volume reaches 12×104m3，a power generation system with a thermodynamic cycle，in which the solar energy hot water is taken as a high－temperature heat source while the liquid medium from the LNG storage tank as a low－temperature source.Then，the technical parameters of this system are designed and its daily net generation and energy efficiency are also calculated.On this basis，the economy and environmental benefit of this system are analyzed.The following results are achieved in this case study.The energy utilization rate is over 30%，which agrees well with the actual engineering practices；the annual power generation reaches 27×104k W·h，which brings about economic benefit of about RMB 300 thousand Yuan each year.Besides，about RMB 60－80 thousand Yuan each year can be saved from the fuel consumption for LNG gasification；about 400－1000 kg of SO2and 60－80 tons of CO2emission from coal and natural gas combustion can be reduced each year.In this way，three goals of energy saving，environmental protection and profit enhancement can be achieved.

LNG satellite station，LNG cold energy utilization，solar energy，high－temperature heat source，low－temperature heat source，power generation system，Shandong，Zibo

孫憲航等.以太陽能為高溫?zé)嵩吹腖NG衛(wèi)星站冷能發(fā)電系統(tǒng).天然氣工業(yè)，2012，32（10）：103－106.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.025

孫憲航，1987年生，碩士研究生；主要研究方向?yàn)長(zhǎng)NG衛(wèi)星站優(yōu)化設(shè)計(jì)。地址：（113001）遼寧省撫順市望花區(qū)遼寧石油化工大學(xué)。電話：15141311696。E－mail：sxh19871124＠163.com

（修改回稿日期 2012－08－14 編輯 居維清）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.025

Sun Xianhang，born in 1987，is studying for an M.Sc.Degree，with his research interest in optimal design of LNG satellite stations.

Add：Wanghua District，F(xiàn)ushun，Liaoning 113001，P.R.China

E－mail：sxh19871124＠163.com