第12章液化天然气冷能利用讲解备课讲稿.docx

1、第12章液化天然气冷能利用讲解备课讲稿第12章 液化天然气的冷能利用 李兆慈中国石油大学(北京LNG 使用时需重新转化为常温气体,温度由 -162复 温至常温,大量的可用冷能释放出来,其值大约是 837kJ/kg。经换热重新气化在 论上 利 的冷量约为 1吨 LNG 经换热重新气化在理论上可利用的冷量约为 250kW.h 。对于一座年接收能力为 300万吨 LNG 的接收终 端,年可利用冷能达 7.5亿 kW.h 。如何合理利用这些制冷量是一个影响如何合理利用这些制冷量是 个影响 经济效益 的 重要问题。大型 LNG 接收终端在 LNG 气化时若不采取冷能 回收措施,则需要通过大量的海水进行热

2、交换,低温 海水向海中排放,还会影响到局部海域的生态平衡, 造成 冷污染 。利用LNG冷能的方法可分为 直接利用 和 间接利用 1LNG低温联合发电技术1. LNG低温联合发电技术利用 LNG 冷能发电在应用领域中使用较多, 技术比较成熟技术比较成熟。天然气直接膨胀发电朗肯循环发电LNG燃气轮机冷量综合利用发电系统组合利用冷量的发电系统1 天然气直接膨胀发电直接膨胀发电是其中一种重要方式。 过程中 所作 天然气从 (p1, T1 等熵膨胀至 (p2, T2 过程中,所作 的功为 LNG 储罐中的 LNG 经低温泵加压后,在气化器 中受热气化为高压天然气,然后把 LNG 的物理火用 在高压气化时

3、转化成压力火用 直接驱动膨胀机 在高压气化时转化成压力火用,直接驱动膨胀机,带动发电机发电。这种方法原理简单,但是效率不高,发电功率 较小, 冷能回收效率仅为 24%。2朗肯循环发电通过朗肯循环利用 LNG 冷能发电是采用较多的一种 方式方式。通过冷凝器把冷能转化到某 通过朗肯循环将 LNG 通过冷凝器把冷能转化到某一 冷媒上,利用 LNG 与环境之间的温差,推动冷媒进行蒸 气动力循环,从而对外做功。 最基本的蒸气动力循环为朗肯循环,见图 7-11。朗肯循环由锅炉、汽轮 机、冷凝器和水泵组成。锅图7-11朗肯循环炉a 流程图 b -s 图图 朗肯循环 a 流程图 bT-s 图中 水在锅炉和过热

4、器中定压吸热 由未饱和水变为过热 在过程 4-1中,水在锅炉和过热器中定压吸热,由未饱和水变为过热 蒸气;在过程 1-2中,过热蒸气在汽轮机中膨胀,对外作功;在过程 2-3中, 作功后的乏气在冷凝器中定压放热,凝结为饱和水;在过程 3-4中,水泵 消耗外功,将凝结水压力提高,再次送入锅炉。朗肯循环的对外净功为汽轮机作功 wT与水泵耗功 wp之差,后者相对来说很小朗肯循环的效率为循环净功与从锅炉的吸热量之比 通常,冷凝器采用冷却水作为冷源。这样,循环的最低 温度就限制为环境温度。 LNG 的汽化温度很低 (-162 ,秋冬 季由于海水本身温度较低 在海水汽化器大量放热 有结冰 季由于海水本身温度

5、较低,在海水汽化器大量放热,有结冰的危险。另一方面,蒸汽轮机排出的水蒸气在冷凝器中由冷 媒水冷却,这部分冷媒水吸收热量后,温度有了明显升高。 因此,对于 LNG 汽化来说,可以利用冷媒水汽化 LNG ,既避 免了结冰的危险,又降低了汽化费用。 低温朗肯循环发电装置流程图1 2 3 41涡轮机 2减速器 3发电机 4天然气加热器 5 丙烷蒸发器 6 丙烷泵 7LNG 蒸发器根据中间媒质的不同 有 单工质 混合工质根据中间媒质的不同,有 单工质、混合工质 的朗肯循环 系统之分。单工质朗肯循环系统一般使用纯的甲烷或乙烯,其实用 装置冷能回收量大约为 18%。混合工质朗肯循环系统工质为碳氢化合物的混合

6、物,工 质冷凝器采用多流体换热器,在换热器中 LNG 利用工质自身 的显然和潜入进行预热或部分气化,然后在蒸发器中全部气 化进入输气管线。采用此系统只用了一级朗肯循环就可得到 相当多的动力,整个系统效率约为 36%。目前使用较多的是膨胀发电和郎肯循 环方式的结合,结合使用的能量利用率比 两个单独的系统要高,但冷热能的回收效 率也只能达到 36%。 复合朗肯循环发电 3LNG燃气轮机冷量综合利用发电系统最简单的燃气轮机装置主要由压气机 燃烧室 燃气轮机组成 压气机、燃烧室、燃气轮机组成, 其循环近似简化为如图所示的燃气轮机定压机热循环 (布雷顿循环 。 理想的布雷顿循环由定熵压缩过 程 1-2i

7、 定压加热过程 2i-3、定熵膨胀过程 3-4i ,和定压放热过程 4i-1组成。 实际循环中 定熵过程实际上不可实际循环中,定熵过程实际上不可 能达到,在图中,点 2i 和 4i ,分别变化为点 2和 4。燃气轮机入口的空气温度对燃气透平的工作效率有 明显影响,可以利用 LNG 冷量预冷空气,以提高机组 效率 增加发电量效率,增加发电量。这是由于随着温度的降低 空气密度变大 相同 这是由于随着温度的降低,空气密度变大,相同 体积下进入燃气轮机空压机的空气量随之增加,燃烧效 果更佳。由于LNG 的汽化温度较低,空气的冷却是以 LNG 作为冷源,用一种 乙二醇溶液 作为中间载冷剂,将冷量由 LN

8、G 传递给空气, 易挥发的物质 (醇溶液 作为中间载冷剂 将冷量由 传递给空气 如图所示。冷却温度必须严格控制在 0 以上,以防止水蒸气冻结在冷却 器表面。在冷却装置以后,应设置汽水分离装置,以防止水滴进入压缩 机。如果直径大于 40pm 的水滴进入压缩机,对压缩机叶片有潜在的液体 冲击腐蚀的可能 水滴冲击金属表面能导致金属表面微裂纹的发展 产 冲击腐蚀的可能,水滴冲击金属表面能导致金属表面微裂纹的发展,产 生表面疤痕,并可能导致轴系振动加大。 以 LNG 为动力的燃气轮机还可以采取其它形式利用冷 量。图 7-18示出一个综合采用低温朗肯循环、两级天然气 -162直接膨胀等冷量利用方式的燃气轮

9、机系统。状态为 162 、5.3MPa 的 LNG 的低温冷量通过三级设备得到利用。第一级是用于丙烷朗肯循环的冷凝器,循环以海水作 为热源。通过冷凝器后, LNG -35、 5.0MPa为热源 通过冷凝器后 汽化为 的天 然气,先后通过两个膨胀机膨胀作功后,进入燃气轮机作 为燃料 在膨胀机前后共有 个海水换热器来升高天然气 为燃料,在膨胀机前后共有三个海水换热器来升高天然气 温度。这样的设计充分利用了 LNG 的冷量,但设备增加较多, 应按热经济学方式分析具体运用对象 以确定其合理性 应按热经济学方式分析具体运用对象,以确定其合理性。 是 种新型发电技术 天然 LNG 燃气轮机联合循环发电 是

10、一种新型发电技术,天然 气燃烧驱动燃气透平发电,燃气透平排出的大量高温废气进 入余热锅炉回收热量,产生蒸汽驱动蒸汽透平发电。该循环 热效率高达 55%。综合利用 LNG 冷量与燃气轮机联合循环中的废热,可以 有效提高燃气轮机联合循环整个系统的热效率,降低了燃气 发电的成本。其中 LNG 冷能主要的可利用方式为:燃气轮机入口空 气的冷却 蒸汽余热汽化 LNG 蒸汽余热作为分离塔再沸器 的热源。的热源4组合利用冷量的发电系统图 7-24是一个更为复杂的组合利用 LNG 冷量的联合循 环系统 基本联合循环由以天然气为燃料的 台燃气轮机 环系统。基本联合循环由以天然气为燃料的一台燃气轮机(GAS-T和

11、一台蒸汽轮机 (ST-T构成,并配有用于回收蒸汽 轮机乏汽冷凝潜热以及燃气轮机排气显热的一台采用氟利 (FRT昂混合制冷剂朗肯循环的透平 (FR-T和天然气膨胀透平 (NG-HT和 NG-LT 。分析表明,在以 3.6MPa 供给天然气时, 每蒸发 1t 液化天然气可发电 400kWh,其中包括回收 LNG 冷 60kWh蒸发出来的天然气大部分在经过循环后重新 量的 60kW h 。蒸发出来的天然气大部分在经过循环后重新 被液化,只有小部分作为燃料消耗掉。 2G2 LNG轻烃回收LNG 接收终端接收不同来源的 LNG 。通常情况 下接收终端接收的 热值较高 而向下游供气的 LNG 热值较高,而

12、向下游供气的天然气产品却要求热值较低。烃脱除法是 LNG 热值 调整的主要方法。通过处理设备,将 LNG 中一部分 较重的 高热值的组分(等除去 以降低 较重的、高热值的组分(C2、 C3等除去,以降低 天然气中重组分的含量及其热值。在接收终端进行 L NG 轻烃回收,可以利用 LNG 的冷能。 利用 LNG 冷量进行轻烃回收流程简图组分的分析 可以从根据 LNG 组分的分析,可以从 C2+提取出大量的 LPG -丙烷和丁烷,供应本地市场;另一方面 C2+含 有大量的 C2、 C3烷烃和主要由 C3、 C4构成的凝析油, 都是乙烯工业的极好原料都是乙烯工业的极好原料。研究表明, LNG 的冷能

13、用于 C2+分离、和裂解制 乙烯装置中的裂解产物深冷分离,是 LNG 冷量利用的 最佳途径 在利用 冷能进行轻烃分离的同时 还 最佳途径。在利用 LNG 冷能进行轻烃分离的同时,还 可以实现轻烃分离与发电集成优化,进一步扩大能源 的集约效益。1 冷量利用1 冷量利用2 调整热值3 提高经济效益 3 提高经济效益3液化空气及干冰生产空分工厂在制造液氮、液氧和液氩时,通常低温环 境由电力驱动的机械制冷产生,液化 1m 3空气大约需要 的冷能 产生这些冷能需要大量的电力2700kJ 的冷能,产生这些冷能需要大量的电力。空分装置属于高能耗设备,通常的低温环境都是由 电力驱动的机械制冷产生的。由制冷原理

14、可知,随着温 度的降低其消耗的电能将急剧增加,因此空分装置不但 需要的冷量大 而且所需的冷量的品位要求更高需要的冷量大,而且所需的冷量的品位要求更高。利用 LNG 汽化时提供的冷能来冷却空气,不但使所 需能耗大幅度降低,而且使空分系统的流程简化,设备 减少。可以减少能耗 30%5%,减少冷却水 30%左右。 空分装置中利用 LNG 冷能是技术上最 合理 的方式。 空气液化装置流程图1过滤器;2压缩机;3净化器;4、10换热器;5主精馏塔; 6氩净化器;7氢罐;8氩塔;9循环氮压缩机;11天然气加热器; 12液氩贮槽;13液氮贮槽;14液氧贮槽。 的冷能 很容易获得冷却和液化 利用 LNG 的冷

15、能,很容易获得冷却和液化 CO 所需要的低温。与传统的 CO 液化工艺相 2所需要 低 传 2液 比,制冷设备的负荷大为减少,电耗也降为原 来的 30%40%。4 4 LNGLNG 汽车冷能回收1 LNG 1 LNG冷藏运输车冷能回收 LNG 冷能回收用于汽车冷藏车示意图1-气体发动机; 2-加热器; 3-控制阀; 4-LNG 储液罐; 5-冷冻货物; 6-热交换器2 LNG2 LNG汽车空调利用 LNG 冷量供给空调系统,是回收 LNG 汽车冷量的新 型方式。空调环境必须保证一定的温度和湿度,利用 LNG 的 潜热或显热直接与空气进行换热显然是不可行的,容易造成 空气中水蒸气、 CO2等气体的冻结,使换热器流道阻塞,无 法正常工作法正常工作。此外,汽车空调负荷是变化的,保证空调制冷量的调节 也是非常重要的。将 LN G 冷能回收用于汽车空调面临如何降 LNG低 与空气之间的换热温差、如何保证供冷调节等技术难 题。小轿车、 公交车、 重型卡车 5 区域冷、热、电联供LNG 冷能可作为区域冷、热系统中大型中央空调 系统的冷源,供气系统通过换热将 LNG 气化供城市工