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龚梦雅， 蔡 磊， 徐菱虹， 管延文， 刘文斌， 刘青国
(1.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉430074;2.佛燃能源集团股份有限公司，广东佛山528100)
LNG冷能利用有直接利用、间接利用两种方式[1-3]，直接利用方式主要为冷能发电、空气分离、制冰、液化二氧化碳，间接利用方式主要为用空气分离得到的液氮、液氧进行低温破碎、污水处理等[3]。对LNG冷能发电和制冰系统的研究主要分为两类：一类是系统参数的优化分析，多采用遗传算法、粒子群算法等多目标优化算法，得到特定情况下的最佳运行参数[4-7]。另一类是改进、创新系统，多从系统集成的角度提高LNG冷能的利用效率[8-11]。但目前的LNG冷能发电和制冰系统多为先发电后制冰的利用方式，气化后得到的天然气温度仍然很低，常需要用海水、工业余热等额外热源再热后才能输入燃气管网[12-14]。
本文建立包括低温余热发电有机朗肯循环、工质相变制冰循环、蒸气压缩式制冰循环的LNG冷能发电和制冰的联合系统(称为联合系统)。对3个循环的工质进行选取。在设定条件下，采用Aspen Plus软件对联合系统进行流程模拟与分析。将文献提出的LNG冷能利用系统作为比较对象，比较单位质量LNG发电量、制冰量。本文中的压力均为绝对压力。
联合系统工艺流程见图1。图1中1～15为物料编号。
低温余热发电有机朗肯循环是由等压过程6-7、8-5和等熵过程7-8、5-6组成。低温低压的工质1(物料8)进入换热器H1与LNG换热，换热冷凝后的液态工质1(物料5)经泵P1增压，压力升高到蒸发压力，进入制冰模块M1等压吸热气化为高压蒸气，高压蒸气进入透平T1做功带动发电机发电，做功后的工质1变为低温低压状态(物料8)，由此完成1次循环。
工质相变制冰循环：工质2(物料11)进入换热器H2与低温天然气换热后冷凝，经泵P2加压，进入制冰模块M2气化释放出冷能，随后进入换热器H2开始新的循环。
蒸气压缩式制冰循环：工质3(物料14)经压缩机压缩后温度升高到环境温度以上，进入换热器H3加热低温天然气，使天然气出口温度达到设定温度。冷却液化后的工质3(物料12)，经过节流阀降压，然后进入制冰模块M3释放冷能制冰，由此完成1次循环。
LNG依次经过换热器H1、H2、H3加热后温度升至设定温度后，进入燃气管网。
图1 联合系统工艺流程
工质应具备的特性有[15]：标准沸点(101.325 kPa下的饱和温度)要合适，使得蒸发温度(或冷凝温度)对应的饱和压力不应过低，以稍高于大气压力为宜，可以防止空气进入系统。冷凝温度对应的饱和压力不宜过高，以降低对设备耐压和严密性的要求。气化潜热大，凝固点低。具有良好的传热和流动性能。具有良好的物理化学性质。环保和安全性好。价格低，易获得。
3.1 低温余热发电有机朗肯循环
LNG的温度设定为-162 ℃，冰的温度为-8 ℃[16]，因此工质蒸发温度应低于-8 ℃，冷凝温度应高于-162 ℃，并保证冷凝压力高于101.325 kPa。
在低温余热发电有机朗肯循环中，工质经过透平做功，透平进口压力越高做功越多，因此适合选取蒸发压力高的工质。比较适合的纯工质：丙烷(R290)、丙烯(R1270)、乙烷(R170)、乙烯(R1150)。
低温余热发电有机朗肯循环的压力-比体积图见图2。图2中蓝色曲线为工质温度为-15 ℃的等温线，红色曲线为有机朗肯循环。笔者采用多项式[17]拟合低温余热发电有机朗肯循环压力-比体积图的工况点，计算理想状况下不同冷凝温度对应的低温余热发电有机朗肯循环输出功率。参与计算的工质有R290(丙烷)、R1270(丙烯)、R170(乙烷)、R1150(乙烯)。
图2 低温余热发电有机朗肯循环的压力-比体积图
拟合时，对低温余热发电有机朗肯循环进行以下设定：LNG质量流量为1 000 kg/h。工质蒸发温度为-15 ℃。管道和设备均无压力降，且与外界环境无传热。泵、压缩机、透平的等熵效率、机械效率均为1。LNG设定为纯甲烷，进口压力为0.6 MPa，温度为-162 ℃。透平出口工质无液相。换热器H1冷流出口与热流进口的温差为5 ℃。以REFPROP 9.0版本的物性数据为标准，以乙烷为例，采用最小二乘法多项式对低温余热发电有机朗肯循环工质压力-比体积图上的工况点进行拟合。
点5饱和乙烷液体比焓h5的拟合式为：
(1)
式中h5——点5饱和乙烷液体比焓，kJ/kg
tc——低温余热发电有机朗肯循环的冷凝温度，℃
点8饱和乙烷蒸气比焓h8、比熵s8的拟合式分别为：
(2)
(3)
式中h8——点8饱和乙烷蒸气比焓，kJ/kg
s8——点8饱和乙烷蒸气比熵，J/(kg·K)
点7过热乙烷蒸气(温度为-15 ℃)压力p7、比焓h7的拟合式分别为：
19 077.234
(4)
601.558 47
(5)
式中p7——点7过热乙烷蒸气压力，kPa
s7——点7过热乙烷蒸气比熵，J/(kg·K)
h7——点7过热乙烷蒸气比焓，kJ/kg
气液两相区压力p5-8的拟合式为：
(6)
式中p5-8——气液两相区压力，kPa
对于等熵过程5-6有：
h6=h5+v5(p7-p5)
(7)
式中h6——点6未饱和乙烷液体比焓，kJ/kg
v5——点5饱和乙烷液体比体积，m3/kg，为0.001 8 m3/kg
p5——点5饱和乙烷液体压力，kPa
单位质量工质净输出功W的计算式为：
W=h7-h8-h6+h5
(8)
式中W——单位质量工质净输出功，kJ/kg
工质质量流量qm的计算式为：
(9)
Φ=0.610 22(tc-5)+235.453 98
(10)
式中qm——工质质量流量，kg/s
Φ——质量流量为1 000 kg/h的LNG从-162 ℃升高到tc-5 ℃吸收的热流量，kW
低温余热发电有机朗肯循环输出功率P的计算式为：
P=qmW
(11)
式中P——低温余热发电有机朗肯循环输出功率，kW
采用式(1)～(11)，可计算得到不同冷凝温度下，将乙烷作为工质时，低温余热发电有机朗肯循环输出功率。采用同样方法可计算得到不同冷凝温度下，工质分别为R290(丙烷)、R1270(丙烯)、R1150(乙烯)的低温余热发电有机朗肯循环输出功率。由计算结果可知，在合理的冷凝温度范围内(-88～-98 ℃)，工质为乙烯时低温余热发电有机朗肯循环输出功率最大。因此，低温余热发电有机朗肯循环的工质选取乙烯。为获得较高的输出功率，低温余热发电有机朗肯循环冷凝温度选取-98 ℃。
3.2 另外2种循环
工质相变制冰循环、蒸气压缩式制冰循环应选择蒸发温度低于-15 ℃，气化潜热比较大的工质。R152a的气化潜热比较大，全球变暖潜能值(GWP)最小，是比较理想的工质。因此，选取R152a作为工质相变制冰循环、蒸气压缩式制冰循环的工质。
采用Aspen Plus软件对联合系统进行流程模拟和分析，对Aspen Plus模型进行以下设定：各物料的物性方法采用PR方程[18]。LNG视为纯甲烷，质量流量为1 000 kg/h，进口温度为-162 ℃，压力为0.6 MPa，进入燃气管网的温度为10 ℃。换热设备、制冰模块压力降均为30 kPa。透平的等熵效率取0.85，机械效率取0.78。泵的等熵效率取0.9，机械效率取0.75[5]。压缩机的等熵效率取0.85，机械效率取0.75。换热器冷流出口与热流进口的温差为5 ℃。低温余热发电有机朗肯循环、工质相变制冰循环、蒸气压缩式制冰循环的工质质量流量分别为1 350、400、180 kg/h。
联合系统物料参数模拟结果见表1。表1中L表示液态，V表示气态，M表示气液混合态。由于泵P1的功率比较高，发热量比较大，因此物料6的温度与物料5相比有小幅上升。主要设备换热量、功耗、输出功率见表2。由表2可知，对于联合系统，总制冰能力为282.30 kW，常规制冰系统性能系数以2.0计算，可节省制冰电功率141.15 kW。联合系统净输出功率为29.82 kW。
表1 联合系统物料参数模拟结果
表2 主要设备换热量、功耗、输出功率
将文献[5]、[13]的LNG冷能利用系统作为比较对象，比较单位质量LNG发电量、制冰量。在计算制冰量时，进水温度取25 ℃，冰的温度取-8 ℃，水的比定压热容为4.18 kJ/(kg·K)，冰的比定压热容为2.1 kJ/(kg·K)，0 ℃时水的凝固热为335 kJ/kg，并设定制冰模块的热量损失率为5%。
3种LNG冷能利用系统的单位质量LNG发电量、制冰量见表3。文献[5]LNG冷能利用系统的发电循环采用低温余热发电有机朗肯循环联合工业余热加热工质进行发电，因此单位质量LNG的发电功率高于联合系统。文献[5]制冰循环采用工质无相变循环制冰，且未利用温度范围为-11～5 ℃的天然气冷能，因此单位质量LNG制冰量低于联合系统。文献[13]没有配置发电系统，仅采用工质相变制冰循环制冰，未利用-18 ℃以上的天然气冷能，因此单位质量LNG制冰量、发电量均低于联合系统。
表3 3种LNG冷能利用系统的单位质量LNG制冰量、发电量
由表3可知，联合系统单位质量LNG制冰量比文献[5]、[13]LNG冷能利用系统平均水平提高31.3%。在低温余热发电有机朗肯循环未采用工业余热加热工质的前提下，联合系统单位质量LNG发电量与文献[5]LNG冷能利用系统持平。
① 低温余热发电有机朗肯循环的工质选取乙烯。工质相变制冰循环、蒸气压缩式制冰循环的工质选取R152a。
② 联合系统单位质量LNG制冰量比文献LNG冷能利用系统平均水平提高31.3%。在低温余热发电有机朗肯循环未采用工业余热加热工质的前提下，联合系统单位质量LNG发电量与文献LNG冷能利用系统持平。
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