热力学论文
摘 要： 提出了一种LNG卫星站冷电联产新型系统，主要包括LNG气化制冷技术、蒸气动力发电循环技术、太阳能制热技术和空调水系统技术。同时，对该LNG卫星站冷电联产系统进行了热力学第一定律和系统热效率的计算分析，并对LNG的供气压力与冷凝器出口温度，蒸汽动力发电循环工质R1270的汽轮机出口压力、加压泵出口压力、预热器出口温度与再热器出口温度进行调整优化，以求系统整体效率达到最优水平。
关键词： LNG卫星站; 冷电联产; 热效率;
0 、引言
随着我国经济实力的快速提升，能源需求也不断扩大。目前我国能源存在结构不合理、污染物排放量大、石油对外依存度高等问题，调整能源结构、控制污染物排放、改善环境质量是当下面临的一大难题。由于太阳能、风能等可再生能源的利用均处于起步阶段，短期内难以满足我国快速增长的能源需求，用天然气发电部分替代煤炭发电，是我国目前的现实选择。作为三大传统化石能源之一的天然气，具有产能高效、环境友好的优势[1]。
由于气态天然气体积大，管网铺设费用高，为了满足海上运输和燃气管网不发达地区的需求，天然气常经过处理得到液化天然气（LNG)[2]。作为中小城市燃气供应中心的LNG卫星站（即小型LNG气化站）得到了广泛的发展，其由LNG运输供应卸货、LNG储存与气相处理、LNG输送与再气化、天然气输送与分配等环节组成。
LNG在常压气化时，温度由-162℃上升到5℃释放的冷量约为830 k J/kg[3]。将LNG的冷能充分且高效利用，以节约能源、带来经济效益、避免LNG气化对环境的冷污染。LNG气化站大多分布在沿海城市，若按传统工艺利用海水加热汽化LNG，不仅浪费冷能，还会污染海洋生态环境；若使用工业余热加热汽化LNG，难以确保气化站附近有可供利用的工业余热[4]。选择太阳能作为高温热源，可以有效避免上述方式造成浪费冷能、影响海洋生态环境和工业余热供给不足等[5]。
相对大型LNG接收站，小型LNG卫星站具有冷量波动频繁、冷能相对较小等特点，其冷能的利用没有得到足够的重视。然而，小型卫星站之间的管网距离近，LNG的气化压力较低，可利用的冷能比大型接收站多。本文研究小型LNG卫星站的能冷利用。现有的LNG冷能利用方式主要有空气分离、冷能发电、低温粉碎、制取干冰、低温冷库和冷水空调等[6]。
本文研究的LNG卫星站冷电联产系统采用冷能发电与冷水空调的方式对LNG冷能进行阶梯利用。因LNG卫星站的储存压力较低，利用LNG的低品位冷能进行朗肯循环发电，热源选择太阳能，可以提高系统发电效率，增加发电功率。LNG卫星站及周边用户的空调系统可利用LNG冷能进行制冷，不仅可以节省大量电能，使用户节省电力开支，还能有效地利用LNG低品位冷能[7]。
1 、系统介绍
根据LNG冷能阶梯利用特点及实际情况，在参考现有文献基础上提出一种LNG卫星站冷电联产工艺[8]，如图1所示。该系统主要包括LNG气化制冷工艺流程、蒸汽动力发电循环工艺流程、太阳能制热工艺流程、空调水系统工艺流程4部分。利用LNG高品位和低品位冷能分别为蒸汽动力发电循坏及夏季空调供冷提供低温热源，利用太阳能制热技术为蒸汽动力发电循环提供高温热源，同时利用蓄冷技术为系统储存备用冷能。
图1 LNG卫星站冷电联产系统示意图
1-LNG储罐；2-加压泵；3、5、8、9-流量调节阀；4-LNG高品位冷能换热器；6-水浴气化器；7-调节阀；10-工质储罐；11-加压泵；12-预热器；13-再热器；14-透平发电机；15-水泵；16-太阳能集热板；17-热水储罐；18-备用加热器；19-换热管；20-蓄冷水箱；21-空调进水管；22-空调回水管
1.1、 LNG气化制冷工艺流程
(1-2-3-4-5-19-6-7）在空调供冷季，储罐1中的LNG经加压泵2与流量调节阀3调控后，依次在LNG高品位冷能换热器4、蓄冷水箱换热管19中与蒸汽动力发电循环工质、蓄冷介质换热气化，后经水浴气化器6再次升温与调压阀7调压后送入下游燃气管网。
(1-2-3-4-8-6-7）在空调供冷关闭时，LNG进入换热器4与蒸汽动力发电循环工质换热后，经流量调节阀8进入水浴气化器6再次升温与调压阀7调压送入下游燃气管网；（1-2-9-6-7）在蒸汽动力发电循环关闭时，LNG经加压泵2加压，由流量调节阀9调控后直接进入水浴气化器6中升温气化，经调压阀7调压送入下游燃气管网。
此工艺的优势在于LNG冷能得到梯级回收利用，大大减小了气化冷能损失；另一方面，由于LNG直接与水箱中蓄能介质换热，有效避免了中间换热温差损失，弥补了LNG低品位冷能利用不充分的缺陷。
1.2 、蒸汽动力发电循环工艺流程
(4-10-11-12-13-14）工质在LNG高品位冷能换热器4中与高品位冷能换热液化后，流入工质储罐10，经加压泵11加压进入预热器12由室温空气预热，随后在再热器13中由高温热水再热，接着进入透平发电机14中推动汽轮机转动而带动发电机发电，最后回到LNG高品位冷能换热器4中继续循环。
1.3 、太阳能制热工艺流程
(13-15-16-17-18）热水在再热器13与发电循环工质换热后，经水泵15进入太阳能集热板16加热升温，后流入热水储罐17，当太阳能光照强度不够时可开启备用电加热器18，最后回到再热器13继续循环。
1.4 、空调水系统工艺流程
(21-22）空调冷冻水通过进水管21进入蓄冷水箱20换热后通过回水管22离开并进入室内供冷；水箱中蓄能介质为工艺储存备用冷能。
2 、系统热力学分析
2.1 、系统假设与参数
假设系统中LNG的主要成分为甲烷与乙烷[9]，忽略其余成分。现以空调供冷季系统工作状况进行分析，假设环境温度为30℃，压力为常压。取常见小型LNG卫星站供气规模为2×104 Nm[3]/d，系统每日工作8 h,LNG入口温度为-162℃，压力为300 k Pa，出口温度为5℃。蒸汽动力发电循环的工质选取为R1270，预热器高温热源为环境温度下的热空气。根据Pvsyst上海夏季平均太阳辐射日照量为16 595 k J/（m[2]·d），太阳表面平均温度为5 770 K，设太阳能集热板加热后的热水温度为65℃。取名义制冷工况条件下，空调进水温度为12℃，回水温度为7℃，压力皆为常压。
系统工作过程中忽略管道及设备的压力损失和散热损失，泵的绝热效率为75%，汽轮机的相对内效率为90%，发电机的机械效率为80%。取太阳能保证率为0.5，集热器年平均集热效率为0.5，换热损失率为0.2，最后集热器折合效率为0.8。
取LNG的供气压力与冷凝器出口温度，蒸汽动力发电循环工质丙烯（R1270）的汽轮机出口压力、加压泵出口压力、预热器出口温度与再热器出口温度为系统优化量，太阳能集热工艺热水的再热器出口温度与R1270出口温度一致。
2.2、 热力学第一定律分析
加压泵2理想消耗功率W2s等于LNG流出流入的焓差。实际情况中泵的绝热效率ηcs为0.75，所以加压泵2实际消耗功率为W2=W2s/ηcs。空调制冷功率Qcool为LNG空调换热管进出口比焓差；LNG输入的总冷能QLNG等于系统进出口LNG的能量差。泵11理想消耗功率W11s等于R1270流出流入的焓差，实际情况中泵的绝热效率ηcs为0.75，所以加压泵11实际消耗功率为W11=W11s/ηcs。汽轮机14理想输出功率W14s等于工质流入流出的焓差。而实际情况中汽轮机相对内效率ηT为0.9，汽轮机14实际输出功率为W14=ηTW14s。
式中：Q16为太阳能集热板收集的能量；G为平均太阳辐照强度；f为太阳能保证率，取0.5；ηcd为集热器年平均集热效率，取0.5；ηL为储水箱与管路的换热损失率，取0.2，折合成总效率ηs为0.8。
太阳能集热器输入系统的总能量为
3 、系统模拟优化
3.1 、环境温度影响
在系统其他条件不变的情况下，随着环境温度的升高，系统发电与制冷功率不变。如图2，当压力足够大时，蒸汽发电动力循环工质的再热器入口温度上升，等于环境温度，高温热源供热量下降，系统热效率随之提高。
3.2 、LNG供气压力优化
通常卫星站管网输送压力为400～600 k Pa[11]。如图3所示，在系统其他条件不变的情况下，由于LNG供气压力（即气化压力）升高，高品位冷能换热器中LNG出口焓值降低，换热量减少，因此蒸汽动力发电循环工质所需的质量流量减小，再热器换热量随之减少，系统热效率小幅上升。因此，我们选择600k Pa作为系统供气压力。
3.3 、LNG冷凝器出口温度优化
根据现有LNG冷能阶梯利用温度分布的文献，取LNG冷凝器（高品位冷能换热器）出口温度下限为-60℃[12]，同时由制冷剂物性查询软件REFPROP查得LNG中乙烷成分0.6 Pa下的饱和气相点温度为-47.6℃，则取出口温度上限为-45℃，观察乙烷气化对系统性能的影响，即优化范围为-60～-45℃。
图2 环境温度与系统热效率的关系图
图3 LNG供气压力与系统热效率的关系图
如图4所示，随着出口温度的上升，系统热效率不断下降，图中性能曲线的突变是由于该温度下LNG中的乙烷气化，导致LNG焓值突然增大。因此，我们选择-60℃作为LNG高品位冷能换热器出口温度。
图4 LNG冷凝器出口温度与系统热效率的关系图
3.4 、R1270汽轮机出口压力优化
R1270汽轮机出口压力优化范围为101.325～200 k Pa。如图5，在系统其他条件不变的情况下，由于工质的汽轮机出口压力（冷凝器进出口压力）增大，冷凝器进出口焓差减小，则工质流量增大，再热器吸热量上升。显然在朗肯循环中，背压增加，系统做功量减小，并且太阳提供的热能增大，因此系统热效率将明显降低。综上，我们选择最低压力即常压101.325 k Pa作为有机朗肯循环的背压。
图5 R1270汽轮机出口压力与系统热效率的关系图
3.5、 R1270预热器出口温度优化
当R1270加压泵出口压力（朗肯循环初压）足够大时，预热器的最高出口温度为空气热源的温度，即环境温度；当初压较小时，由于工质在预热器中不发生相变，因此预热器最高出口温度应低于该压力下工质的饱和气相点温度。
在这里假设初压足够大，取温度变化范围为20～30℃，由图6可知，在系统其他条件不变的情况下，R1270预热器出口温度越高，则再热器中需要的加热量越少，由于太阳提供的热能减小，系统热效率将小幅提升。综上，我们选取30℃为工质预热器出口温度。
图6 R1270预热器出口温度与系统热效率的关系图
3.6、 R1270加压泵出口压力与汽轮机进口温度优化
由于预热器R1270的出口温度最高为环境温度，而高温热源处的热水温度为65℃，因此取汽轮机进口温度变化范围为35～55℃，对应的加压泵出口压力优化范围为1 200 k Pa至该温度下工质的饱和气相压力。
由图7可知，当R1270汽轮机进口温度不变时，朗肯循环初压增大，汽轮机输出功率增加，是影响效率的主要因素，系统热效率随之提高。效率曲线在某一压力前的上升趋势较大，之后趋势稍有减小。这是由于当压力小于1 305 k Pa时，工质的饱和气相点温度低于环境温度，此时预热器出口温度取最大值等于该压力下工质的饱和气相点温度，并随压力的增加而升高，使高温热源供热量减小，进一步提高系统效率；当压力大于1 305 k Pa时，预热器出口温度取最大值恒等于环境温度，不发生变化。
图7 R1270加压泵出口压力和汽轮机进口温度与系统热效率的关系图
图7中，在同一初压下，汽轮机进口温度越高，系统热效率相对较低，由于温度高时，系统发电功率与太阳提供的热能同时增加，但此时输入热能变化的影响更大，因此热效率稍有降低。然而汽轮机进口温度越高，工质R1270的饱和气相压力越大，当不同初温下的加压泵出口压力为该温度工质的饱和气相压力时，显然温度高的系统热效率高于温度低的系统热效率。因此，我们选择55℃为工质汽轮机进口温度，2250 k Pa为工质加压泵出口压力，该压力稍小于55℃时R1270的饱和气相压力，为系统实际运行留有一定余量，并且该压力在设备可承受范围之内。
4、 结论
(1）将LNG冷能发电与太阳能热发电两种不同的发电技术有机整合，使太阳能与LNG冷能优势互补，从而大大提高发电效益；
(2）对系统进行了热力学第一定律分析和系统热效率分析，同时对LNG供气压力与冷凝器出口温度，蒸汽动力发电循环工质R1270的汽轮机出口压力、加压泵出口压力、预热器出口温度与再热器出口温度进行调整优化，使系统整体效率以及经济效益达到最优水平。
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