液化天然气冷能回收混合动力循环参数分析

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　第 59 卷 　第 1 期 　 　化 　　　工 　　　学 　　　报 　　　 　　　　Vol159 　No11 　 2008 年 1 月 　 　Journal 　of 　Chemical 　Indust ry 　and 　Engineering 　(China) 　 　　January 　2008 研究论文 液化天然气冷能回收混合动力循环参数分析 卢 　涛 , 王奎升 (北京化工大学机电工程学院 , 北京 100029) 摘要 : 提出了以氨水为工质的朗肯循环、燃气动力循环和液化天然气循环组成的混合动力循环系统 , 用于液化 天然气冷能回收。建立了混合动力循环中换热和动力设备的能量平衡方程和可用能平衡方程 , 并以朗肯循环冷 凝温度、朗肯循环透平进出口压力、液化天然气循环透平进出口压力为关键参数 , 分析了上述关键参数对混合 动力循环热效率和可用能效率的影响。分析结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 , 混合动力循环热效率和可用能效率随朗肯循环冷凝温度 升高、朗肯循环透平进口压力和液化天然气循环透平进口压力增大而提高 , 随朗肯循环透平出口压力和液化天 然气循环透平出口压力增大而降低。 关键词 : 液化天然气 ; 冷能 ; 回收 ; 动力循环 ; 参数分析 中图分类号 : T K 123 　　　　　　文献标识码 : A 文章编号 : 0438 - 1157 (2008) 01 - 0001 - 05 Parameter analysis of combined power cycle with liquefied natural ga s cold energy recovery LU Tao , WANG Kuisheng ( School of Mechanical and Elect rical Engineering , Bei j ing University of Chemical Technology , Bei j ing 100029 , China) Abstract : A combined power cycle wit h L N G cold energy recovery consisting of Rankine cycle using ammonia2water as working fluid , power cycle of combustion gas , and L N G cycle , was presented1 The energy balance equations and exergy balance equations of heat exchanger and power equip ment in t he combined power cycle were established1 Taking condensation temperature of Rankine cycle , inlet and outlet p ressure of t urbine of Rankine cycle , inlet and outlet p ressures of turbine of L N G cycle as key parameters , t he influences of t hese parameters on the t hermal efficiency and exergy efficiency of the combined power cycle were analyzed1 Analytical result s showed t hat t he thermal efficiency and exergy efficiency increased with increasing condensation temperat ure of Rankine cycle , inlet p ressure of t urbines of Rankine cycle and L N G cycle , and decreased wit h increasing outlet p ressure of t urbines of Rankine cycle and L N G cycle. Key words : liquefied nat ural gas (L N G) ; cold energy ; recovery ; power cycle ; parameter analysis 　　2007 - 04 - 03 收到初稿 , 2007 - 05 - 29 收到修改稿。 联系人及第一作者 : 卢涛 (1975 —) , 男 , 博士 , 副教授。 基金项目 : 北京市教育委员会共建项目化工过程机械重点学 科 ( XK100100541) 。 　 引 　言 环境和资源问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 日益受到关注 , 天然气作为一 种清洁能源 , 环境友好。天然气在常压下将温度降 至 - 162 ℃变成液化天然气 (L N G) , 体积较气态 骤缩至 1/ 600 , 这为天然气的大批量远洋运输提供 　　Received date : 2007 - 04 - 03. Corresponding author : L U Tao , associate professor . E - mail : lutao @mail1 buct1edu1cn 　 了可能。液化天然气到达目的地后 , 在输送给用户 之前 , 需要将液态天然气气化成气体。由于在天然 气液化过程中 , 制冷过程消耗了大量的机械能 , 因 此液化天然气中蕴含了大量的冷能。合理利用液化 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 天然气中的冷能 , 是液化天然气项目在能源综合利 用方面需要考虑的重要因素。 Lee 等[ 1 ] 对从常压 L N G 储罐中抽取液化天然 气过程进行了热力学分析 , 预测了抽取过程中天然 气热力学属性变化和冷能利用量。Kim 和 Ro [2 ] 对 在温暖季节里利用 L N G冷能冷却空气从而提高气 体/ 蒸气混合动力循环的动力输出的可行性进行了 分析。Sun 等[3 ]对利用 L N G 冷能发电性能进行了 研究。Deng 等[4 ] 利用燃料化学能和 LN G 冷能作 为两个能源提出了一种新颖的联合动力系统。 Wang 等[5 ]对利用 L N G 直接膨胀的冷能和低等级 热源的动力循环进行了研究。Miyazaki 等[ 6 ] 提出 一种混合动力循环系统 , 该系统包括利用垃圾焚烧 作高温热源和 L N G冷能作低温冷源 , 以氨水为工 质的朗肯循环。Bisio 和 Tagliafico [7 ] 提出一种利用 L N G蒸发作为低温热阱和废热作为热源的混合动 力循环系统。Hisazumi 等[8 ]利用 LN G蒸发提出一 种高效动力系统。 根据卡诺定律 , 热效率正比于热源和冷源之间 的温差 , L N G能量回收的直接膨胀法或单级动力 循环 , 由于冷源和热源之间的温度差受到限制 , 直 接膨胀法或单级动力循环的热效率不会太高 , 提高 循环的冷热源之间的温差 , 有助于提高循环的热效 率 , 因此本文以 L N G从储罐出发向城市天然气管 网或天然气长输管线供气过程的冷能回收为研究对 象 , 提出气2电联产复叠式混合动力循环系统 , 并 对影响该系统性能的几个关键参数进行分析。 1 　液化天然气冷能回收混合动力循环 描述 　　如图 1 所示 , 该混合动力循环包含 3 个循环 : L N G 循环 ( L02P12L12HX12L22HX22L32EX12L42 L5) , 燃气动力循环 ( S02C12S12S22F H2S32EX32 S42HX22S5) , 朗肯循环 ( R32EX22R42HX12R12P22 R22F H2R3) 。 对于 L N G循环 , 低温 L N G从 L0 进入液化天 然气泵 P1 进行增压 , 从 L1 进入换热器 HX1 吸热 蒸发变成气体 , 再从 L2 进入到换热器 HX2 进行 再 (过) 热 , 此时的天然气具有较高的温度 , 从 L3 进入到透平 EX1 做功发电 , 膨胀后的天然气压 力和温度都有所降低。从透平出口出来的天然气 L4 的大部分作为供气源 L5 向用户供气 , 其余的小 部分将作为燃气动力循环的燃料进入到 L6 中。 图 1 　LN G冷能回收混合动力循环 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 Fig11 　Flowchart of combined power cycle to recover cold energy of LN G 　 对于燃气动力循环 , 空气 S0 经过空气压缩机 C1 压缩得到压缩空气 S1 , S1 与天然气燃料 L6 进 行预混 , 得到燃料 S2。S2 进入燃烧炉 F H 进行燃 烧 , 燃烧后释放的热量一部分被朗肯循环吸热 , 一 部分被自身燃气所吸收 , 具有较高温度的燃气 S3 进入到燃气透平 EX3 进行做功 , 膨胀后的燃气 S4 仍然具有较高的温度 , 进入到换热器 HX2 对天然 气进行再热后 , S5 的温度较低 , 作为废气排放到 环境中去。 对于朗肯循环 , 以一定摩尔比混合的氨2水作 为工质 , 氨2水在燃烧炉中吸热变成高温气体 R3 , 进入到透平 EX2 进行做功 , 膨胀后的氨2水气体 R4 相对天然气 L1 具有较高的温度 , R4 进入到换 热器 HX1 对 L1 进行预热 , R4 被 L1 冷却到泡点 以下全部冷凝至液态 R1 后 , 进入到泵 P2 进行增 压 , 增压后的氨2水 R2 进入到燃烧炉中进行加热。 2 　数学模型 根据能量平衡和可用能平衡原理 , 对上述混合 动力循环的各个单元分别建立能量平衡方程和可用 能平衡方程。 211 　能量平衡方程及热效率 对于空气压缩机 C1、泵 P1 和 P2 , 其能量方 程为 W i = minlet houtlet - hinlet = minlet h′outlet - hinlet /ηi 　i = C1 ,P1 ,P2 (1) 式中 　W 为功 , m 为质量流量 , h 为焓 , h′为绝热 过程的焓 , η为绝热效率。下角标 inlet 和 outlet 分别表示该设备单元的入口和出口。 ·2· 化 　　　工 　　　学 　　　报 　 　第 59 卷 　 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 对于透平 EX1 , EX2 和 EX3 , 其能量方程为 W EXj = minlet hinlet - houtlet = ηEXj m inlet hinlet - h′outlet 　j = 1 ,2 ,3 (2) 对于换热器 HX1 和 HX2 , 其能量平衡方程为 mcold houtlet - hinlet = mhot hinlet - houtlet (3) 式中 　下角标 cold 和 hot 分别表示冷流体和热 流体。 对于燃烧炉 , 其能量方程为 ηCMB mL6L HV + mS2 hS2 + mR2 hR2 = mS3 hS3 + mR3 hR3 (4) 该动力循环的热效率为 ηTH = ∑W EXj - ∑W iηCMB mL6L HV i = C1 ,P1 ,P2 ; j = 1 ,2 ,3 (5) 212 　可用能平衡方程及可用能效率 对于单位质量的流体 , 其可用能定义为 e = ( h - h0 ) - T0 ( s - s0 ) (6) 总的可用能平衡方程为 Ein = Eout + Eloss (7) 式 (7) 中 , 系统输入的总可用能为 Ein = mL6L HV + mL0 eL0 (8) 系统输出的可用能为 Eout = ∑EEXj - ∑Ei i = C1 ,P1 ,P2 ; j = 1 ,2 ,3 (9) 式 (9) 中 , 对于透平 EX1、EX2 和 EX3 , 其输出 的可用能为 EEXj = minlet einlet - eoutlet 　j = 1 ,2 ,3 (10) 式 (9) 中 , 对于空气压缩机 C1、泵 P1 和 P2 , 其 消耗的可用能为 Ei = minlet eoutlet - einlet 　i = C1 ,P1 ,P2 (11) 该动力循环的可用能效率为 ηEX = EoutEin (12) 3 　参数分析结果 给定的计算参数如表 1 所示。 根据循环动力能量平衡和可用能平衡方程 , 以 朗肯循环冷凝温度 TR1 , 朗肯循环透平 EX2 的进 口压力 pR3和出口压力 pR4 , L N G循环透平 EX1 的 进口压力 pL3 和出口压力 pL4 为关键参数 , 分析上 述参数对整个混合动力循环热效率和可用能效率的 影响。 图 2 描述了混合动力循环热效率和可用能效率 随朗肯循环冷凝温度 TR1的变化情况。从图 2 可以 看出 , 热效率和可用能效率都随冷凝温度的升高而 有所提高。由于冷凝温度提高 , 在燃烧炉热负荷一 定的情况下 , 朗肯循环中透平 EX2 的入口温度将 有所提高 , 使得 EX2 对外做功有所增加 , 从而使 混合动力循环的热效率和可用能效率增加。然而 , 由于泵 P2 对入口流体必须为未饱和液体的限制 , 在 0104 MPa 压力下 , 氨2水 (摩尔比为 7/ 3) 的凝 固点温度和泡点温度之间的范围不大 , 故通过提高 朗肯循环的冷凝温度 TR1来提高混合动力循环的热 效率和可用能效率的潜力不大。 表 1 　混合动力循环计算参数 Table 1 　Calculation parameter of combined power cycle Cycle Item Value power cycle of combustion gas pressure ratio of compressor C1 20 isent ropic efficiency of turbine EX3 018 isent ropic efficiency of compressor C1 018 L HV of nat ural gas 50056 kJ ·kg - 1 combustion efficiency of fired heater F H 01 99 Rankine cycle of ammonia2water isent ropic efficiency of turbine EX2 018 efficiency of pump P2 017 ammonia concent ration in molar 017 open LN G cycle inlet temperature of LN G pump P1 - 162 ℃ inlet pressure of L N G pump P1 01 1 MPa efficiency of pump P1 017 isent ropic efficiency of turbine EX1 018 ot hers pinch point temperature difference 10 ℃ ambient temperature 20 ℃ ambient pressure 01 1 MPa ·3·　第 1 期 　 　卢涛等 : 液化天然气冷能回收混合动力循环参数分析 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 2 　朗肯循环冷凝温度 TR1 对混合动力循环热效率和可用能效率的影响 Fig12 　Influence of condensation temperature of Rankine cycle on thermal efficiency and exergy efficiency 　 　　图 3 描述了混合动力循环热效率和可用能效率 随朗肯循环 EX2 入口压力变化情况。从图 3 中可 以看出 , 混合动力循环热效率和可用能效率随 EX2 入口压力增大而提高。EX2 入口压力提高需 要 P2 提供较高的压力 , P2 需要多消耗一定的功 , 但由于 EX2 入口压力的提高 , EX2 向外多做出的 功比 P2 多消耗的功多 , 使得混合动力循环的热效 率和可用能效率有所增加。 图 3 　朗肯循环 EX2 入口压力 pR3 对混合动力循环热效率和可用能效率的影响 Fig13 　Influence of inlet pressure of turbine of Rankine cycle on thermal efficiency and exergy efficiency 　 图 4 为混合动力循环热效率和可用能效率随朗 肯循环 EX2 出口压力的变化趋势。由于 EX2 出口 压力的提高 , 使得 EX2 对外做功减少 , 所以混合 动力循环的热效率和可用能效率随 EX2 的出口压 力的提高而降低。 图 5 为混合动力循环热效率和可用能效率随 L N G循环 EX1 入口压力的变化趋势。EX1 出口压 图 4 　朗肯循环 EX2 出口压力 pR4 对混合动力循环热效率和可用能效率的影响 Fig14 　Influence of outlet p ressure of turbine of Rankine cycle on thermal efficiency and exergy efficiency 　 图 5 　LN G循环 EX1 入口压力 pL3 对混合动力循环热效率和可用能效率的影响 Fig15 　Influence of inlet pressure of turbine of LN G cycle on thermal efficiency and exergy efficiency 　 力的提高 , 需要 P1 多消耗一定的功 , 但 EX2 多做 的功大于 P1 多消耗的功 , 所以混合动力循环的热 效率和可用能效率随 EX1 的入口压力的提高而 提高。 图 6 描述了混合动力循环热效率和可用能效率 随 L N G循环 EX1 出口压力的变化关系。由于 EX1 出口压力的提高 , 使得 EX1 对外做功减少 , 所以 混合动力循环的热效率随 EX1 的出口压力的提高 而降低。虽然 EX1 出口压力的提高能提供较高的 供气压力 , 供气输出的可用能也较大 , 但由于这部 分多输出的可用能较 EX1 少输出的可用能少 , 所 以混合动力循环的可用能效率减少。然而 , 由于 EX1 出口压力要受到供气压力 (短线供气为 015 MPa , 长线供气为 210 MPa) 的限制 , 所以不能一 味降低 EX1 出口压力而获得更高的热效率和可用 能效率。 ·4· 化 　　　工 　　　学 　　　报 　 　第 59 卷 　 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 6 　LN G循环 EX1 出口压力 pL4 对混合动力循环热效率和可用能效率的影响 Fig16 　Influence of outlet pressure of turbine of LN G cycle on thermal efficiency and exergy efficiency 　 4 　结 　论 (1) 提出了以氨水为工质的朗肯循环、燃气动 力循环和液化天然气循环组成的复叠式混合动力循 环系统 , 用于液化天然气冷能回收 , 建立了混合动 力循环的换热和动力设备的能量平衡方程和可用能 平衡方程。 (2) 以朗肯循环冷凝温度、朗肯循环透平进出 口压力、液化天然气循环透平进出口压力为关键参 数 , 分析了上述关键参数对混合动力循环热效率和 可用能效率的影响 , 为系统优化奠定一定的基础。 (3) 混合动力循环热效率和可用能效率随朗肯 循环冷凝温度升高、朗肯循环透平进口压力和液化 天然气循环透平进口压力增大而提高 , 随朗肯循环 透平出口压力和液化天然气循环透平出口压力增大 而降低。 References [ 1 ] 　Lee G S , Chang Y S , Kim M S , Ro S T1 Thermodynamic analysis of ext raction processes for t he utilization of LN G cold energy1 Cryogenics , 1996 , 36 (1) : 35240 [ 2 ] 　Kim T S , Ro S T1 Power augmentation of combined cycle power plant s using cold energy of liquefied natural gas1 Energy , 2000 , 25 : 8412856 [3 ] 　Sun Wei , Hu Peng , Chen Zeshao , Jia Lei1 Performance of cryogenic t hermoelect ric generators in L N G cold energy utilization1 Energy Conversion and M anagement , 2005 , 46 : 7892796 [ 4 ] 　Deng Shimin , Jin Hongguang , Cai Ruixian , Lin Rumou1 Novel cogeneration power system wit h liquefied natural gas (L N G) cryogenic exergy utilization1 Energy , 2004 , 29 : 4972512 [5 ] 　Wang Qiang , Li Yanzhong , Wang Jiang1 Analysis of power cycle based on cold energy of liquefied natural gas and low2 grade heat source1 A p plied T hermal Engineering , 2004 , 24 : 5392548 [ 6 ] 　Miyazaki T , Kang Y T , Akisawa A , Kashiwagi T1 A combined power cycle using refuse incineration and LN G cold energy1 Energy , 2000 , 25 : 6392655 [ 7 ] 　Bisio G , Tagliafico L1 On t he recovery of L N G physical exergy by means of a simple cycle or a complex system1 Exergy , 2002 , 2 : 34250 [ 8 ] 　Hisazumi Y , Yamasaki Y , Sugiyama S1 Proposal for a high efficiency LN G power2generation system utilizing waste heat f rom t he combined cycle1 A p plied Energy , 1998 , 60 : 1692182 ·5·　第 1 期 　 　卢涛等 : 液化天然气冷能回收混合动力循环参数分析