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液化天然气冷能回收发电的工艺流程模拟

文档作者：卢涛钟桦文档来源：北京化工大学机电工程学院		点击数：	更新时间： 2024年06月15日
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节能
E]^咂RGY CONSERVATION
2011年第5期
(总第346期)
液化天然气冷能回收发电的工艺流程模拟
卢涛。钟桦
(北京化工大学机电工程学院，北京100029)
摘要：根据勃雷登燃气动力循环和朗肯循环原理，提出一种液化天然气冷能回收发电的工艺流程，并
利用ASPEN PLUS软件对该流程进行了模拟，获得了流程各物流的压力、温度、流量等状态参数，各．
热力过程的热功等过程参数，以及各循环热效率．总热效率等热力学性能参数，为建立高效的液化天
然气冷能发电系统提供理论支持。
关键词：液化天然气；冷能；发电；模拟
中图分类号：TM619文献标识码：A文章编号：1004—7948(2011)05—0014—03
doi：103969／j．issn．1004—7948．2011．05．004
引言
天然气(Natural Gas，NG)作为一种环境友好
型能源日益受到关注，其消费速度快速增长。天然
气在常压条件下，温度降至约一1620c时液化，体积
骤缩到约1／600，这为陆运槽车和远洋运输提供了
可能。天然气的液化过程，需要消耗大量的压缩机
轴功，要消耗大量的电能；当液化天然气(Liquefied
Natural Gas，LNG)到达用户终端时，需要将液化天
然气进行气化，气化过程要释放大量的冷能(约为
830kJ／kg)。天然气液化过程消耗电能，而液化天
然气冷能利用实际上是对天然气液化过程消耗的
电能进行回收。高效合理地利用LNG冷能，可以
节约能源，带来可观的经济效益和社会效益。
我国的LNG冷能回收利用尚处于起步阶段，
但日本、美国等发达国家非常重视LNG冷能的回
收利用，他们认为，如果仅将LNG作为燃料的使
用，而忽略对其冷能的利用，是莫大的资源浪
费‘1|。
国内外液化天然气冷能的利用方式，可以分为
直接利用和间接利用两大类：直接利用包括发电、
低温空分、冷冻仓库、液化二氧化碳、海水淡化、空
调和低温养殖、栽培等；间接利用包括用空分后得
到的液氮、液氧、液氩来进行低温破碎、冷冻干燥、
低温干燥、水和污染物处理及冷冻食品等旧J。根
据各种冷量利用工艺对LNG冷量温位的需求不
同，熊永强旧1等提出按照“温度对口、梯级利用”的
原则逐级利用LNG的冷量，从而提高冷量的利用
效率。但是，目前世界上采用这种原则对LNG冷
能进行回收利用的多户集成项目非常少，大多数还
是LNG冷能单一利用的项目。因而LNG冷能的
利用效率非常低，许多用户需求的温位与LNG提
供的冷能温度不匹配，使得LNG冷能利用存在大
量浪费现象。
LNG冷能发电系统是LNG冷能回收利用的
一个重要方面。在LNG冷能发电系统中，用LNG
燃烧或海水作为高温源，用LNG冷能作为低温源
形成热量循环。一部分由高温源带入的热量产生
电力，其他的热量释放给低温源，用作LNG蒸发
的用量M1。利用LNG冷能发电的工艺技术主要
有3种：直接膨胀法、二次媒体法和联合法。其中，
综合了直接膨胀法和二次媒体法的联合法对LNG
冷能的回收效率最高∞J。
现阶段，液化天然气冷能的利用价值日益受到
重视，LNG冷能利用的研究也在国内外开展起来。
本文提出一种液化天然气冷能回收发电的工艺流
程，通过对该流程进行模拟，获得该系统的状态参
数、过程参数和性能参数，为建立高效率的LNG冷
能发电系统提供一定的理论支持。
1冷能回收发电流程(见图1)
通过复叠式混合动力循环，对存储在液化天然
气中的冷能进行回收利用。液化天然气气化冷能
回收的工艺流程包括3个循环：开口LNG循环
万方数据
2011年第5期节能
(总筚346期) ENERGY CONSERVAllON t5一
rI—-PI··2--MHXI—r 3—-MHX2—-4—·TI——5—-
SPLITI一6)．勃雷登燃气动力循环(8一COMPI一
9—-MIXl—-10——FURNACE—11—-1"2—-12一
MHX2—13)，氪一水朗肯循环(16一B一17一
MHXI一14一I)2—15一HEATER一16)。
圈I液化夭持气气化琦麓圄收世电的工艺瀛箍田
I)汗n LNO循环。
液化天然气I进入到{疰化天然气泵P1中进行
加压．从2通过LNG换热器MHXI吸热，从而蒸
发由液态变成气卷3，随后进入到LNG换热器
MHX2-I，+If趺加热，获得r温度较高的天然气4，
由于透平Tl对其进行做功发电，天然气的体君{膨
胀，而压力和温度有所骅低。分流器SPLITI将做
功后的天然气5分成阿部分．绝大部分走然气6提
供给_}}i户输出．剩余的小部分天然气7作为燃烧炉
中燃烧反应的燃料进入到勃雷髓燃气动力循环中
来。
2)勃雷叠燃气动力循环。
常温常压下的空气8进人到压缩机COMPI
中加压；g到具毒较高压力的夺气9，夺气9在物流
混合器MIXI中与燃气动力循环的燃书}天然气7
丰日遇井相混合，随后lO进^到燃烧炉FURNACE
巾，天然气与空气住燃烧炉巾发生剧烈的燃烧反
应．释放出巨大的能罱．其中一部分热鼾进人到期
肯循环中用J。加热氯一水．一龆分热量被自身燃烧
产物吸收，燃气透平T2利用这些高温高压的气体
混台物¨对外馓功发电，做功后的燃烧产物12具
有的热罱仍然可以用于加热天然气3，经过LNG
换热器MHX2冷却的气体混合物13滴度降低不
少，最终以尤柠豪废气的形式排艘到周嗣环境中。
3)氦一水朗肯循环。
氟一水以7：3的摩尔比丰Ⅱ混合．吸收由燃烧炉
中燃烧匣应所产生的一部分热基形成具有较高温
度的‘C体16，透平B利用高温2 C体16对外做功
发电．做功后的气态氮一水"体积膨胀，压力降
低，但其所具打舶热篮仍然能够用于加热天然气
2．使天然气由液态变为气态．经过LNG换热器
MHXI冷却的氮一水因为温度降低到沸点以下而
完全变为液态氨一水14．由聚P2对液态氨一水进
行加压．具有鞍高压力的氰一水再次吸收燃烧炉中
的热量进行后续流程，从而实现循环利用。
2数学模型豆结果分析
根据能景平衡和热力学原理．建立各单元操作
模型的能量平衡方程”1、各个循环的热效率及流
程总的热效率计算方程。
工I能■平衡方程夏热效率
对于空气压缩机COMPI，泵Pl和P2．其能量
方程为：
M=m．“(^m一^m)
=m．m(^+一一^㈨)／m，
i=COMPI．PI，I)2 (1)
式中：w为压缩机或泵所作的功；Ⅲ为质量流
量；^为俺；^7为绝热过程的焓，即对应温度下的理
姥始雠；≈为绝热教率。下标inleq和oufiet分别表
示单元操作模型的人u和出u。
对于透平Tl、亿和T3．其能量方程为：
％=mm(^．m一^。k)
2qT．m砒(^．“I一^’州m)，
』=l，2，3 (2)
埘于LNG换热器MHXI和MHX2．其能量平
衡方程为：
m州(^一一^椭)=mh(^；妇一^州h) (3)
式巾：下标cold和hot分别表示冷流体和热流
体。
对于燃烧炉FURNACE．其能量平衡方程为： q(_BⅢ7LHV=口⋯E+Q⋯ (4)
式中：口融。为燃料的燃烧效牢；LHV为天然气
的低热戗；_。。m，LHV为燃烧炉中燃料燃烧释放总热域；Q⋯表示总热最中由勃雷器燃气动
力循环所吸收的热盛；口⋯表示总热骨中由
氨一水朗肯循环所吸收的热量。
对于勃霄登燃气功力循环．就热效率为：
万方数据
节能
ENERGY CONSERVATIoN
2011年第5期
(总第346期)
叼‘WT22一]W：瓦o啪i
对于朗肯循环，其热效率为：
收益功％一％
T／t,R一支出热量一Q咖棚
(5)
表1液化天然气气化冷能回收的工艺流程计算数据
循环项目数值
(6) 开口液化天然气循环
对于液化天然气冷能回收发电的工艺流程，其
总热效率为： 叼删：型地(7)
’，TH一叼cMBm7LHV
＼’，
i=COMPl，P1，P2；
J=l，2，3
2．2结果分析
采用大型通用流程模拟软件ASPEN PLUS对
液化天然气气化冷能回收发电的工艺流程进行模
拟，天然气的成分引自参考文献[7]，流程模拟的
计算数据如表1所示。
流程模拟所得透平发电量以及压缩机和泵的
耗电量如表2所示。流程模拟所得主要节点的物
料平衡表如表3所示。液化天然气冷能回收发电
工艺流程各个单元操作模型的模拟数据结果满足
能量平衡方程。
由图1可知，Q啦脓=Q=12958．43kw，而燃
烧释放的总热量叼cMBm，LHV计算如下：
叼CMBm7LHV=0．99 x0．361 x50056
=17889．5】4kW
泵P1效率／％
透平T1等熵效率／％
液化天然气1温度／℃
液化天然气l压力／MPa
70
80
—162
0．1
压缩机COMPl压缩比／％
透平T2等熵效率／％
勃雷登燃气动力循环压缩机co~珏’1等熵效率／％
燃料7质量流量／kg·s一1
天然气低热值(LrrV)／kJ·kg。
20
80
80
0．361
50056
燃烧炉燃烧效率／％ 99
表2透平发电量以及压缩机和泵耗电量kW
模块名称功量
T1
12
1r3
C0～IPl
P1
P2
1546．22
4274．38
3447．44
3057．18
249．40
22．85
表3主要节点的物料平衡表
因而，Q—AcE可由式(4)计算得到。利用式
(5)，根据表l和表2中数据可计算出勃雷登燃气
动力循环的热效率饥为25％；利用式(6)，根据表
3中数据可计算出朗肯循环的热效率叩柚为
26．4％；利用式(7)，根据表1和表2中数据可计
算出液化天然气冷能回收发电的工艺流程总热效
率叼册为33．2％。
3结论
1)针对勃雷登燃气动力循环和朗肯循环原
理，利用ASPEN PLUS流程模拟软件，建立了一种
液化天然气气化冷能回收发电的工艺流程。
2)通过流程模拟，获得一系列各物流和各模
块的状态参数、过程参数与性能参数，并计算出各
万方数据
2011年第5期
(总第346期)
节能
ENERGY CONSERVATIoN
尾气加热吸附式客车空调系统的设计
张宁
(辽宁建筑职业技术学院，辽宁辽阳111000)
摘要：以常规客车空调系统作为研究对象。设计出一种以活性炭一甲醇为工质对的加热吸附式客车空
调系统。其工作原理是：以汽车尾气余热作为制冷能量的来源，利用某些固体(吸附荆)能在低温下
吸附气体，而在高温下解吸，从而进行制冷，降低车内温度。这样既不降低客车动力，工质对对环境又
无污染，能够达到实现节约能源、保护环境的目的。
关键词：吸附式制冷；尾气余热；客车
中图分类号：U463．85+1文献标识码：A文章编号：1004—7948(2011)05—0017—04
doi：103969／j．issn．1004—7948．2011．05．005
引言
在常规客车空调系统设计的基础上，提出了以
活性炭一甲醇为工质对的加热吸附式客车空调系
统。利用活性炭一甲醇能在高温下解吸汽车尾气
余热，并能在低温下吸附气体，从而进行空调制冷，
降低车内温度。这样既不降低客车动力，又不污染
环境，减少汽车尾气对大气的污染，能够真正实现
节能减排，是一种具有使用价值和应用前景的汽车
空调系统。
1设计方案
1．1制冷方式及工质的选择
目前，汽车空调系统的主流仍然是蒸汽压缩式
制冷，但蒸汽压缩式系统中氟利昂对大气臭氧层造
成的破坏非常严重，而且浪费能源。考虑汽车尾气
对环境的污染和能源的浪费，设计出以活性炭一甲
醇作为工质对的固体吸附式汽车空调系统作为新
型的汽车空调系统，以实现环保、节能和减排。活
性炭一甲醇工质对的固体吸附式制冷，一般70℃
的余热即可进行。活性炭一甲醇工质对的理论极
限热效率约为72％，比沸石一水工质对的理论极
限热效率(55％)高，甲醇的蒸发压力高，在一15℃
时，蒸发压力仍有2kPa，因而对系统的真空度要求
不高，有一定的应用空间和发展前途¨以J。
活性炭一甲醇系统制冷循环的工作原理为：来
自蒸发器的低温低压制冷剂蒸气通过蒸发器进入
到吸附反应器中，首先使吸附床温度下降，继而被
吸附床中的活性炭纤维所吸附，吸附过程中放出的
吸附热，被未被吸附的制冷剂蒸气带走，由于受到
汽车尾气排出的高温使制冷剂蒸气加热，被吸附器
吸附的那部分制冷剂便从活性碳纤维中解析出来，
循环热效率以及工艺流程的总热效率，为建立高效
的液化天然气冷能发电系统提供理论支持。
参考文献
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Equilibria，2002，200：203—216．
作者简介：卢涛(1975一)，男，江西人，博士，副教授，博士
生导师，从事工程热物理及能源利用等方面的研究工作。
收稿日期：2011—03—02

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