液化天然气LNG发电及其冷能利用

热力发电 ·2006 (02) 　　 作者简介 : 　刘刚 (1975 ) ,2004 年 2 月毕业于中国石油大学 (华东)油气储运工程专业 ,工学博士 ,现为中国石油大学 (华东) 储运与建筑工程学 院讲师 ,主要进行储运专业的科研与教学。 液 化 天 然 气 ( L N G ) 发 电 及 其 冷 能 利 用 刘　刚 , 张国忠 (中国石油大学 (华东) ,山东 东营 　257061) 1 　L N G发电 世界上已建有不少以天然气或液化天然气为燃料 的燃气 蒸汽联合循环电站。1999 年到 2020 年期间 , 美国 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 新增发电量中约有 90 %是天然气发电 ,届 时 ,美国天然气发电量的比重将达到 33 %[1 ] 。20 世纪 80 年代兴起的联合循环电站 ,发电量以燃气轮机为主 (约占总电量的 2/ 3) ,电站纯效率已达 50 %以上[2 ] ,而 常规的燃煤蒸汽轮机电站效率只有 30 %～35 %。燃 气轮机电站和联合循环电站不仅效率高 ,而且机动性 好 ,从机组起动到满负荷运行时间短 ,既可作基本负荷 运行 ,也能作调峰运行。此外 ,联合循环电站污染小、 可靠性高[3 ] 。 目前 ,我国“西气东输”等大型天然气输配工程已 经全线贯通 ;广东液化天然气站线项目一期工程正式 启动 ;建设总规模为 500 万 t/ 年、一期工程总投资超过 220 亿元的福建 L N G 项目也正式启动[4 ] 。这些项目 的投产和启动为发展我国的天然气发电提供了必要的 物质保障 ,必将对缓解我国能源供需矛盾、优化能源结 构起到重要作用。 2 　L N G冷能利用 LN G一般需要通过气化器转化为常温气体才能 供给用户 ,在这个过程中需要消耗一定的能量 ,即 L N G具有一定的冷量。此冷量如果能够以 100 %效 率转化成动力 ,则 1 t L N G 释放的冷量相当于 240 kW·h左右[5 ] ,因此 ,回收这部分冷能对 L N G 的高效 利用具有重要意义。 2 . 1 　L N G冷能分析[ 5～7 ] 火用从“量”和“质”的结合上规定了能量的“价值”。 火用分析可以揭示内部不可逆造成的能量品质的贬值及 造成热力学损失的原因和位置。L N G是存在一定压力 的低温轻烃液体混合物 ,其冷量火用 可分解为压力 p 下 由于热不平衡引起的低温火用 ( Ex ,th ) 和在环境温度下由 于力不平衡引起的压力火用 ( Ex ,p ) : Ex ( T , p) = Ex ,th + Ex ,p (1) 其中 : Ex ,th = Ex ( p , T) - Ex ( p , T0 ) (2) Ex ,p = Ex ( T0 , p) - Ex ( T0 , p0 ) (3) 定压下L N G由低温升高至 T0 过程中相变平均温 度为 Ts ,吸收相应潜热 r ,相应潜热火用 为 ( T0Ts - 1) r ,加 上从 Ts 到 T0 气体吸热显热火用 ,可得低温火用为 : Ex ,th = ( T0Ts - 1) r +∫ Ts T0 cp (1 - T0T ) d T (4) 而压力火用 为 : Ex ,p = Ex ( T0 , p) =∫ p , T0 p0 , T0 vd p (5) 文献[5 ]采用 R KS 方程描述真实流体性质 ,用形 状因子法对应状态原理计算 L N G 的密度 ,给出了 LN G低温火用和压力火用的计算公式。并指出 ,环境温度 升高 ,低温火用和压力火用均增大 ;系统压力增大 ,低温火用 降低 ,压力火用增大 ,总火用降低 ,且压力超过 2 MPa 时下 降趋势趋缓 ;甲烷含量增加 ,冷量火用增大。 2 . 2 　LN G冷能在发电厂中的应用 L N G冷量火用由低温火用和压力火用组成 ,利用这 2 种 火用进行动力回收的途径通常有以下 3 种方式 : (1)采用 低沸点工质的朗肯循环方式利用低温火用 ; (2)采用单级 或多级天然气直接膨胀方式利用压力火用 ; (3)综合二者 的联合方式。根据冷量火用中低温火用和压力火用的相对 比例 ,可以确定合适的火用利用方式。回收 L N G 冷能 依靠动力循环进行发电是目前 LN G冷能回收利用的 重要方面 ,且技术也相对较为成熟[5 ,6 ,8 ] 。为了提高燃 56 信息报道 　　　 热力发电 ·2006 (02) 气轮机出力和改善其性能 ,也可采用不同的冷却介质 (水、氟利昂、ST ＄、甲醇、乙二醇等) 通过直接或间接 的方法将 L N G气化时释放的冷能用于降低燃气轮机 入口空气温度或用来冷却蒸汽轮机的排汽[9 ] 。在 L N G冷能回收的循环中 ,通常使用海水作为热源 ,有 学者提出利用电厂汽轮机乏气作为热源 ,结合天然气 直接膨胀和二次冷媒动力循环 ,可使 L N G 冷能的回 收效率达到 55 %左右[10 ,11 ] 。 2 . 3 　L N G冷能在液固态气体制取中的应用 低温火用远离环境温度越大 ,越利于冷量火用的利 用。由于空气分离 (空分) 装置中所需达到的温度比 L N G温度还低 ,LN G 冷量火用能得到最佳的利用。利 用 L N G冷却空气 ,不但可大幅降低能耗 ,而且简化了 空分流程 ,减少建设费用。大阪煤气公司 LN G 冷能 空分装置与普通空分装置相比 ,电力消耗节省 50 %以 上 ,冷却水节省 70 %[12 ] 。低成本生产的液态氮可用于 资源回收、物质分离、精细破碎等 ,而液态氧可用于污 水处理等领域。另外 ,以化工厂的副产品二氧化碳为 原料 ,利用回收 LN G 的冷能制造液态二氧化碳或者 干冰 ,可节约 50 %以上的电能 ,且产品纯度高 (可达 99. 99 %) 。有学者提出了利用 LN G冷能分离 CO2 的 氮气循环和新型冷电联产循环 2 种系统 ,其具有利用 L N G冷能与分离 CO2 一体化的特点[13 ] 。 3 　结　语 LN G不仅是重要的燃料和化工原料 ,而且蕴藏着 大量的冷能 ,应用前景十分广阔。充分合理地发挥这 一能源优势 ,是液化天然气工业面临的一个重要课题。 [参 　考 　文 　献 ] [1 ] 　吕建. 天然气发电现状及液化天然气在广东的应用 [J ] . 热力发电 ,2002 , (5) :13215. [2 ] 　王玉蓉 ,周海澜. 世界联合循环电站发展概况及我国发展 道路[J ] . 东方电气评论 ,1994 , (3) :1762183. [3 ] 　潘金文 ,万莉 ,李式模. 低温燃料展望 [ J ] . 低温工程 , 1997 ,95 (1) :128. [4 ] 　夏丽洪 ,郝鸿毅. 2003 年中国石油工业综述 [J ] . 国际石油 经济 ,2004 ,12 (4) :49253. [ 5 ] 　Hongtan Liu , Lixin You. Characteristics and applications of the cold heat exergy of liquefied natural gas[J ] . Energy Conversion & Management ,1999 ,40 : 151521525. [6 ] 　王强 ,厉彦忠 ,张朝昌 . 液化天然气 (LN G) 冷能回收及其 利用[J ] . 低温工程 ,2002 ,128 (4) :28231. [7 ] 　朱明善 ,刘颖 ,林兆庄 ,等. 工程热力学 [ M ] . 清华大学出 版社 ,2002. [8 ] 　Shiozawa H , Hiro2oka T , et al. Power generation using cold potential of LN G in multicomponent fluid Rankine cycle[J ] . Cryog. Eng. , 1981 ,27 :9712978. [9 ] 　Chunk Jones , John A. Jacobs. GE Power System : Eco2 nomic and Technical Considerations for Combined2Cycle Performance Enhancement Options[ M ]. 2000. [10 ] 　程文龙 ,伊藤猛宏 ,等. 一种回收液化天然气冷能的低温 动力循环系统[J ] . 中国科学技术大学学报 ,1999 ,29 (6) : 6712676. [11 ] 　程文龙 ,陈则韶 ,等. 电站中液化天然气可用能的回收利 用[J ] .工程热物理学报 ,2001 ,22 (2) :1482150. [12 ] 　林文胜 ,顾安忠 ,鲁雪生 ,等. 空分装置利用 LN G冷量的 热力学分析[J ] .深冷技术 ,2003 , (3) :26230. [13 ] 　王宝群 ,金红光. 冷能利用与 CO2 分离一体化研究进展 [J ] . 化工进展 ,2003 ,22 (11) :115021155. (上接第 54 页) 图 3 　D T 与 D H T 混合时 ,D T 所占比例对 H GI的影响 　　综上所述 ,配煤 H GI 与配煤比例在煤种 H GI 相 差不大 ( < 14)的条件下呈线性关系 ,当煤种 H GI 相差 很大时误差较大 ,有些煤种可显著降低 H GI , 有些可 显著提高 H GI。因此选择配煤时 ,不仅需要考虑煤质 基本指标 ,还需要考虑配煤对 H GI 的影响。 [参 　考　文 　献 ] [1 ] 　陈鹏. 动力配煤技术基础 [J ] . 煤炭学报 ,1997 ,22 (5) : 449 454. [2 ] 　汤龙华. 非线性最优化动力配煤技术的研究 [J ] . 煤炭学 报 ,1997 ,22 (5) :455 459. [3 ] 　孙学信. 燃煤锅炉燃烧试验技术与方法[ M ] . 中国电力出 版社 ,2002. 66 信息报道