基于Aspen Plus的LNG冷能利用及压缩空气储能耦合系统研究

郝　磊，李海宁

(西安铁路职业技术学院，陕西 西安 710014)



基于Aspen Plus的LNG冷能利用及压缩空气储能耦合系统研究

郝磊，李海宁

(西安铁路职业技术学院，陕西 西安 710014)

将LNG利用工业余热的发电系统与超临界压缩空气储能系统有机结合，从工程实际出发，根据热力学原理，构建了基于Aspen Plus的LNG冷能发电及压缩空气储能耦合系统模型，探讨了系统压力、温度和涡轮压比等关键参数对系统功率的影响，并从热力学角度对数值结果进行了机理阐释。结果表明，LNG低温火用得到了充分回收利用，实现了LNG冷能“温度对口、梯级利用”；随着系统运行压力增大、膨胀级数增加及回热温度提高，净功率呈现了拐点现象。

LNG冷能利用；压缩空气储能；耦合系统模型

在全球变暖及能源紧张的今天，液化天然气由于具有便于距离运输、储运成本低、热值高和清洁无污染等特点，越来越受到全球各国能源部门的重视。国家发改委在“十二五”规划中强调，我国应大力开发天然气产业，完善LNG能源产业链的规划布局，并对天然气的管理利用做出重要导向[1-2]。

LNG为-162 ℃低温液体混合物，本身蕴含巨大LNG冷能。LNG在接收站需汽化后才能使用，汽化时LNG冷量得到释放(约为830 kJ/kg[3-5])，如若不加以利用，将造成LNG冷能的极大浪费。为此，国内外专家学者对LNG冷能利用提出了多种研究方案，如冷量发电、低温空分、食品冷冻及低温粉碎[6-8]，LNG冷能利用的再热Rankine及Brayton循环系统优化经济分析[9-11]，利用CO2Rankine的LNG冷能研究[12]；但是，上述几种方案都不能充分利用LNG冷能，LNG直接膨胀发电存在效率低下问题，利用率只有24%；而利用中低温余热的郎肯循环系统又依赖于其他发电项目，不能做到独立运行[13]。

基于大规模工程应用背景，本文建立的LNG冷能发电与压缩空气储能耦合系统，能在储能过程中实现LNG冷能的有效转移，与预冷空气液化温区相匹配，省去传统空分流程的冷却塔；同时，能利用发电机组燃气余热回热高压天然气，实现高压天然气膨胀发电，从而有效提高系统热效率。鉴于集成LNG冷能利用超临界压缩空气储能系统的本身及超临界、低温区流体流动的复杂性，开展相关领域的研究探索具有重要的意义。

1　LNG冷能利用与储能系统耦合模型

为了充分利用LNG低温火用及提高系统循环热效率，应用Aspen Plus建立耦合系统模型。该系统不依赖于其他工程项目建设，具有相对的独立性。系统流程如图1所示。

在储能过程中，整个系统分2路。其中一路，高压空气经多级压缩机压缩后进入空气换热器被冷却，压缩热被冷却水吸收储存在储热罐中，空气冷却后通过LNG冷能换热器吸收LNG冷量再次冷却后进入蓄冷器，最后经节流阀的节流效应及液化空气储罐的进一步预冷获得液态空气，储存在液化空气储罐中；在释能时，液态空气经低温泵加压进入各级蓄冷器储存冷量后，再通过空气余热回热器加热，然后依次经各级空气换热器加热到一定温度，在此过程中经过多级膨胀机回收能量，最后排放到大气中。另外一路，储罐中的LNG经低温泵加压后送入LNG冷能换热器释放冷量，复热到常温后首先被发电机组烟气余热加热，然后依次进入各级LNG换热器及透平膨胀机实现膨胀做功，最后进入发电机组燃气发电；在释能过程中，LNG冷能发电的T-S图如图2所示。

图1　LNG冷能发电与压缩空气储能系统流程图

图2　LNG冷能发电T-S图

2　状态参数设定

假定发电机组的功率为50 kW，根据烟气余热汽化的LNG经多级吸收做功后所得到的LNG质量流量，确定系统空气质量流量，从而获得整个循环系统参数。为了便于分析，系统在管道及各级换热器中的压力损失忽略不计，取低温泵效率为0.7，压缩机效率为0.75，涡轮效率为0.8。应保证各级换热器的换热温差>20 ℃，烟气换热器烟气侧出口温度>125 ℃，以防止烟气凝结。在Aspen plus中选取PSRK方程，模拟关键参数(运行压力、运行温度及膨胀级数)对系统功率的影响。系统关键状态参数见表1。

表1　系统初始参数

3　计算结果分析

3.1运行压力对系统功率的影响

工质循环压力是热发电系统的重要参数，系统运行压力对系统功率的影响如图3所示。需要指出的是，此时系统功率是从系统涡轮膨胀做功的总和中扣除压缩机功耗、低温泵功耗而得。计算过程中不考虑轴承、齿轮箱及沿程阻力等引起的附加功耗。由图3a可以看出，随着工作压力增大，系统功率先增加后趋于平缓，当压力为9 MPa时，出现拐点随之减小，曲线变化原因是随系统压力升高，单位工质焓降增大，压力能转化为动能，增加了涡轮膨胀功；当压力>9 MPa时，系统功耗损失大于因压力增加而获得的膨胀功，因此呈下降趋势。图3b出现了类似规律。

图3　压力对系统功率的影响

3.2进口温度对系统功率的影响

在不同运行压力下，当膨胀级数分别为3和5时，系统功率随系统温度的变化规律如图4所示。由图4可以看出，随着进口温度增加，系统功率先增加后减少，在温度为600 K时，功率最大。这是由于随着温度增加，单位工质焓降快速增加，工质热能转化为动能增加，其他设备功耗减少，净功率增加；随着温度增加，系统设备功耗引起的功率损失大于因温度增加产生的涡轮功，因此开始缓慢减少。

图4　温度对系统功率的影响

3.3膨胀级数对系统功率的影响

系统功率在不同膨胀级数下的变化规律如图5和图6所示。由图5可知，随着压力增加，级数越多，系统功率先增加后减小。图6更直观表明，同等条件下，当级数为4时，净功率最小。

图5　　　　膨胀级数对系统功率　图6　　　　膨胀级数对系统功率的　　　的影响(温度为600 K)　　　影响(压力为5 MPa)

4　结语

综上所述，可以得出如下结论。

1)将LNG冷能引入压缩空气储能系统，能够实现LNG冷能的“温度对口，梯级利用”，有利于空气液化率提高，提高系统启动时间。

2)系统工作压力、温度及膨胀级数对系统膨胀功具有重要影响。系统功率随着压力、进口温度的升高呈现先增大而后减小的趋势，当温度为600 K时，系统功率达到最大值；系统功率随着膨胀级数增加先增大后减小，当膨胀级数为4时净功率达到最小值。从微观上看，这是由于压力能、热能等在不同效率下功能转换的叠加后综合作用的结果；从宏观上看，这是由于系统膨胀功及设备功耗综合作用的结果。

[1] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. 国家发展改革委关于印发天然气发展“十二五”规划的通知[EB/OL]. [2012-10-22]http://bgt.ndrc.gov.cn/zcfb/201211/t20121115_515431.html.

[2] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. 中华人民共和国国家发展和改革委员会令(第15号)[EB/OL]. [2012-10-14]http://www.sdpc.gov.cn/zcfb/zcfbl/201210/t20121031_511891.html.

[3] 燕娜，厉彦忠.采用液化天然气冷量的空分系统新流程[J].化学工程，2007,35(9):58-61.

[4] 刘隆，孟波，王启. 围堰对LNG储罐泄漏扩散规律影响研究[J]. 新技术新工艺，2014(12):115-118.

[5] 庞博学. 氮膨胀制冷天然气液化工艺流程计算[J]. 新技术新工艺，2015(7):13-15.

[6] 朱刚，顾安忠.液化天然气冷能的利用[J].能源工程，1999(3):1-2.

[7] 华贲，熊永强.中国LNG冷能利用的进展和展望[J].天然气工业，2009,29(5)：107-111.

[8] 李静，李志红，华贲，等. 冷能利用的现状及发展前景[J].天然气工业，2005,25(5)：103-105.

[9] 曹文胜， 林文胜， 吴集迎. 液化天然气(LNG)的冷量利用[J]. 制冷,2005,24(4):16-19.

[10] 林文胜，贺红明，顾安忠. LNG冷能利用的再热式低温郎肯循环分析[C]//第八届全国低温工程大会暨中国航天低温专业信息网2007年度学术交流会论文集. 北京：中国制冷学会低温第一专业委员会，中国航天低温专业信息网，2007.

[11] 夏侯国伟，白菲菲，张早校.以中低温余热为热源的LNG冷能利用流程改进[J]. 天然气工业，2008(5)：112-114.

[12] 王威，蔡睿贤，张娜.利用LNG冷火用的CO2Rankine循环方案探析[J]. 中国电机工程学报, 2003(8):191-195..

[13] 贺红明，林文胜. 基于LNG冷能的发电技术[J]. 低温与超导，2006,34(6)：432-437.

责任编辑郑练

The Coupling System Research on LNG Cold Energy Utilization and Compressed Air Energy Storage based on Aspen Plus

HAO Lei， LI Haining

(Xi’an Railway Vocation and Technical Institute, Xi’an 710014, China)

The LNG makes use of the system which combine industrial waste heat power generation system and the supercritical compressed air energy storage systems. From the practice, construct LNG cold energy generation and compressed air energy storage coupled model based on aspen plus, discusse the key parameters of the system like pressure, temperature, turbine pressure ratio and etc. Which affect the power system, and explain the mechanism of the numerical results from the point of view of thermodynamics. The results show that the LNG cryogenic exergy can be fully recycled, LNG cold energy achieve "temperature counterparts, cascade utilization". With the improvement of system operating pressure, swelling stages and regenerator temperature, the cold power presents the inflection phenomenon.

LNG cold energy, compressed air energy storage, coupled model

TK 123

A

郝磊(1986-)，女，助教，硕士，主要从事铁道车辆等方面的研究。

2015-12-11