基于LNG冷能发电的朗肯循环关键参数分析优化.pdf

基于 LNG 冷能发电的朗肯循环关键参数分析优化豆少刚1，2，李金波1，2，文晓龙1，2，吴国其3，谢腾腾1，2，孙冬来1，2，王鹏博1，2，许鑫森1，2（1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃兰州730070；2.上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海201518；3.江苏洋口港能源科技有限公司，江苏南通226400）摘要：经过对传统两级低温朗肯循环进行模拟分析，为了提高系统的净输出功，提出了改进的两级低温朗肯循环系统。在系统初始参数与循环工质不变的情况下，以改进的两级低温朗肯循环的净输出功为研究对象。利用 HYSYS过程模拟软件对其进行了逐级分析优化，得到优化后系统的关键参数为：系统低、高温级循环中工质的蒸发压力分别为 4.2、0.64 MPa，冷凝压力均为 0.1 MPa，LNG 的气化压力为 1.2 MPa，此时系统的净输出功最大。关键词：冷能发电；朗肯循环；关键参数；优化分析中图分类号：TE646文献标识码：A文章编号：1004-7050（2023）09-0086-040引言LNG 的储存温度约为-162，在气化过程中，释放出的能量约为 850 kJ/kg，如果对该部分能量加以利用，不但能避免能量的损失，而且能产生较好的经济效益1。LNG 冷能利用的技术和应用研究早在 20世纪后半叶就已经开始，日本和韩国都是世界上 LNG的进口大国，同时也是 LNG 冷能利用技术最发达的国家2。近年来，我国已经研发并将 LNG 冷能回收技术应用于很多领域3。利用 LNG 冷能发电方案具有结构简单，不易受环境、市场和运输等条件制约等优势。王弢4建立了低温朗肯循环，以 R290、R1270、R134a 和 R717 作为循环工质，比较了它们在此循环中的热力学性能。部分学者5-7针对三级朗肯循环进行了相关研究。本文结合蓝科高新 液化天然气冷能利用系统中热交换器研发项目对低温朗肯循环发电系统回收利用 LNG冷能进行了研究，为实际工程项目提供了有益的参考方案。1模型建立与初始参数确定图 1 为传统两级低温朗肯循环系统流程图，其采用串联方式将一、二两级朗肯循环连接，以海水为热源，利用两个温度区间来回收 LNG 冷能并将其用于发电。系统内主要有：冷源 LNG 流股、低温循环工质流股、高温循环工质流股和热源海水流股共四种流股。在传统的两级低温朗肯循环系统中，LNG 原料由泵 P-01 加压后进入后续换热设备被升温气化，而泵P-01 输出的这部分压力最终被消耗掉没有得到回收利用，为了使该部分能量被合理有效地利用，在0-LNG 流股中增加了膨胀机 K-01，并增加了相应的海水加热器 E-31，最终形成的系统工艺流程如图 2所示。为方便计算分析，节省人力物力，对模型做出如下假设8：1）循环工质冷凝压力取 0.1 MPa；2）系统中所有换热器无压降且不计热损失；3）膨胀机和增压泵的效率分别取 80%和 75%；4）热源海水以纯水代替，且冷却前后温差取 5。工质的筛选均须遵从以下几个一般性原则12-14：1）良好的热力学性能；2）适当的临界温度和标准沸点；3）稳定的化学性能，不易分解，不易腐蚀；4）稳定的安全性能，不易与设备材料发生反应；收稿日期：2023-03-15基金项目：蓝科高新 液化天然气冷能利用系统中热交换器研发 科技发展基金项目（LK_22HGJC009）作者简介：豆少刚，男，1995 年出生，毕业于西安石油大学，硕士学位，助理工程师，研究方向为石油化工工艺与设备。总第 214 期2023 年第 9 期山西化工Shanxi Chemical IndustryTotal 214No.9，2023DOI:10.16525/14-1109/tq.2023.09.034图 1传统横向两级低温朗肯循环系统流程图图 2改进的横向两级低温朗肯循环系统流程图专题讨论2023 年第 9 期图 4低温级工质 R1150 压焓图6050403020109876543210.90.80.70.60.5-50050100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700比焓/（kJ/kg）等熵线 2等熵线 1BCDA图 5高温级工质 R290 压焓图50403020109876543210.90.80.70.60.5050100150200250300350400450500550600650700比焓/（kJ/kg）等熵线 2等熵线 1BCDA5）较低的 OPD（臭氧层破化潜力）值和 GWP（全球气候变暖潜力）值；6）易获取、易储存、方便运输。表 1 给出了常见工质在 0.11 MPa 下的物性参数。研究表明11：当气化压力为 0.1 MPa 时，LNG 在低温区（-162-100）所释放的冷用量占总释放量的 85%以上，因此系统中低温循环应选择饱和温度接近 100 的工质，这有利于低温区冷能量的充分利用。根据表 1 可知，符合这一条件的只有饱和温度为-102.36 的 R1150。考虑到冷凝器 E-22 出口处的低温天然气还可用于其他冷能利用方案，因此将冷凝器E-22 的出口温度设定为-45，根据表 1，可供选择的工质有 R290、R143a 和 R1270 三种工质，但是R143a 的 GWP 值较高。再考虑到热源海水的温度为20，为了避免工质冷凝器 E-22 的换热温差过大引起用损失严重，综上第二级循环工质选择饱和温度为-40.23 的 R290。本文选取的 LNG 成分由体积分数分别为 95%的甲烷、3%的乙烷和 2%的丙烷组成，流量为 175000kg/h6。同时，根据气化压力对 LNG 冷量及冷用释放的影响规律，LNG 的初始气化压力为 0.2 MPa。热源采用海水，其初始温度设定为 20，工质冷凝压力为 0.1MPa，模拟计算中的气体状态方程为Peng-Robinson方程9-11。2优化前系统的模拟结果及关键参数分析利用 HYSYS 过程模拟软件对改进后的系统进行了模拟分析，得到优化前系统内膨胀机的总输出功、泵的总耗功及系统的净输出功如图 3 所示。研究表明15，图 4 和图 5 中状态点 C 和 D 靠近饱和蒸汽线有助于循环系统实现最大净输出功，考虑到压焓图曲线的形状与实际工况，最佳压力条件如下：1）膨胀机入口压力等于蒸发器压力，应为最大饱和蒸汽焓压（MSVEP，maximum saturated vapor enthalpypressure）与热源海水加热循环工质可达到的最大饱和蒸气压中的较大者；2）膨胀机出口压力等于冷凝器入口压力，应为大气压和冷却介质 LNG 冷却工质可达到的最小饱和液压中的较小者。3系统优化结果讨论由图 6 可知，工质泵的耗功（WPump_WF）与热源泵的耗功（WPump_SW）均随着工质气化压力的增大而增大，在此过程中工质泵的耗功（WPump_WF）占主导地位。由于膨胀机输出功率（WTurbine）远大于上述两种泵的耗功量。在过程中系统的净输出功（WNet）在 P=4.2 MPa 时达到最大值 8 116.5 kW，且此时气化器中工质与海水的温表 1常见工质在 0.11 MPa 下的物性参数工质饱和温度/临界压力/MPa临界温度/标准沸点/R134a-24.264.06101.06-26.07R290-40.234.2596.8-42.11R143a-45.493.7672.71-47.24R1270-45.804.5691.06-47.62R170-87.054.8732.17-88.58R1150-102.365.049.2-103.77图 3改进两级循环的膨胀机的总输出功、泵的总耗功及系统的净输出功6 0005 0004 0003 0002 0001 0000输出功率5 525.3净输出功率5 202.11耗功率323.19豆少刚，等：基于 LNG 冷能发电的朗肯循环关键参数分析优化87窑窑山西化工第 43 卷差能够满足最小端差温度为 5 的要求。在低温级循环工质气化压力为 4.2 MPa 时，对高温级循环进行模拟分析。由图 7 可知，高温级循环的净输出功（WNet）在P=3.8 MPa 时达到最大值 2 171.5 kW。应当注意：当工质的气化压力大于 0.64 MPa 时，系统净输出功（WNet）的增加是无效的。因此高温级循环的最大净输出功（WNet）应为工质气化压力 P=0.64MPa 时的1246.5kW。经过前述的模拟计算与分析得到低温级工质的最大气化压力为 4.2 MPa，高温级为 0.64 MPa，在此工况下模拟计算 LNG 气化压力对循环系统中各设备做功与耗功的变化情况，得到系统净输出功最大时的LNG 气化压力。如图 8 所示为循环系统所有膨胀机输出功之和（WTurbine_total）与所有泵耗功之和（WPump_total）及系统净输出功（WNet）随 LNG 气化压力的变化趋势。图 8 中，当LNG 的气化压力为 1.2 MPa 时，净输出功（WNet）达到最大值 17 831 kW，此值为优化前系统净输出功5 250.11 kW 的 3 倍之多，达到了本文预期使系统净输出功尽可能大的目的。4结论经过分析对比对 LNG 冷能发电的两级低温朗肯循环系统做了改进。利用 HYSYS 过程模拟软件建立模型，以系统的净输出功为目标函数，根据蒸发器出口的压力尽可能地接近膨胀机入口压力；膨胀机出口压力尽可能接近冷凝器的压力；换热器最小端差为5 的要求三个原则对系统进行了逐级优化分析。最终得到系统的关键参数为：低温级循环工质的气化压力为 4.2 MPa；高温级循环工质气化压力为0.64 MPa；LNG 的气化压力为 1.2 MPa。此时系统的净输出功最大。参考文献1吴小华，蔡磊，李庭宇，等.LNG 冷能利用技术的最新进展J.油气储运，2017，36（6）：624-635.2孟令尊，雷田田，苏梦婷，等.LNG 冷能利用方式及发展前景J.当代化工，2018，47（1）：132-135.3严艺敏.因地制宜积极探索 LNG 冷能利用合理途径：上海 LNG接收站冷能利用方案研究J.上海煤气，2014（2）：2-7.4王弢.利用 LNG 冷能的朗肯循环适用工质的理论研究D.上海：上海交通大学，2011.5杨红昌，鹿院卫，马重芳，等.LNG 冷能梯级利用系统优化研究J.可再生能源，2011，29（1）：72-75.6Khan N B N，Barifcani A，Tade M，et al.A case study：Application ofenergy and exergy analysis for enhancing the process efficiency of athree stage propane pre-cooling cycle of the cascade LNG processJ.Journal of Natural Gas Science and Engineering，2016，29（1）：125-133.7Garica R F，Carril J C，Gomez J R，et al.Power plant based on threeseries Rankine cycles combined with a direct expander using LNGcold as heat sink J.Energy Conversion and Management，2015(8):285-294.8唐亮.LNG-FSRU 再气化系统的冷能利用研究D.镇江：江苏科技大学，2018.9李硕.LNG 冷能用于有机朗肯循环和冷库模拟研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.10贺红明.利用 LNG 物理（用）的朗肯循环研究D.上海：上海交通大学，2007.11刘辉.LNG-FSRU 再气化系统及冷能利用研究D.镇江：江苏科技大学，2016.12刘玉兰.低品位热能有机朗肯循环特性与效率优化的研究D.南京：东南大学，201613孙志新，王蜀家，许福泉，等.低温热能-LNG 双级有机朗肯循环工质选择与多参数优J.太阳能学报，2017，38（12）：3469-3476.14许俊俊.中低温有机朗肯循环系统优化及实验研究D.广州：广东工业大学，2016.15In-HwanChoi，SangickLee，YutaekSeo，etal.Analysisand图 6输出功与耗功随工质气化压力变化图10 0008 0006 0004 0002 0000WTurbineWPump_WFWPump_SWWNet（4.2，8 116.5）012345低温级工质气化压力/MPa图 7输出功与耗功随工质气化压力变化图2 5002 0001 5001 0005000WTurbineWPump_WFWPump_SWWNet（0.64，1 246.5）012345高温级工质气化压力/MPa无效区域（3.8，2 171.5）图 8系统净输出功和耗功随 LNG 气化压力变化曲线图20 00015 00010 0005 0000020406080100LNG 气化压力/MPa（1.2，17 831）18 00012 0001 3000012345WTurbine_totalWPump_totalWNet88窑窑2023 年第 9 期Analysis on the Generation and Control of Errors in Coal Quality Testing ProcessMeng Xiajuan（Fenxi Mining Industry Group Coal Quality Transportation and Sales Center of Company,Jiexiu Shanxi032000,China）Abstract:Testing coal quality is the main way to understand coal quality,but various factors can cause certain errors in the process oftesting coal quality.Therefore,corresponding measures need to be taken to reduce the errors in testing.Based on this,the reasons for theformation of coal quality testing errors were analyzed and the types of testing errors were elaborated in detail.Several measures to controlerrors in the coal quality testing process were proposed,in order to provide assistance in improving the effectiveness of coal quality testing.Key words:coal quality analysis;reason for error;control measures（上接第 77 页）Analysis and Optimization of Key Parameters of Rankine Cycle Based on LNG Cold EnergyPower GenerationDou Shaogang1,2,Li Jinbo1,2,Wen Xiaolong1,2,Wu Guoqi3,Xie Tengteng1,2,Sun Donglai1,2,Wang Pengbo1,2,Xu Xinsen1,2（1.Lanpec Technologies Limited,Lanzhou Gansu 730070,China;2.Lanpec Technologies Limited（Shanghai）,Shanghai 201518,China;3.Jiangsu YangKou Port Energy Technology Co.,Ltd.,NantongJiangsu 226400,China）Abstract:After simulating and analyzing the traditional two-stage low-temperature Rankine cycle,an improved two-stage low-temperatureRankine cycle system is proposed in order to improve the net output work of the system.The net output work of the improved two-stage lowtemperature Rankine cycle is studied under the condition that the initial parameters of the system and the working fluid of the cycle areunchanged.HYSYS was used to analyze and optimize it step by step,and the key parameters of the optimized system were obtained asfollows:the evaporation pressure of the working substance in the low and high temperature cycles of the system was 4.2 MPa and 0.64 MParespectively,the condensation pressure was 0.1 MPa,and the gasification pressure of LNG was 1.2 MPa,at which time the net output workof the system was the largest.Key words:cold power generation;rankine cycle;key parameters;analytical optimization2宋宝花.复方化学消毒剂中多组分有效成分同时测定的高效毛细管电泳法建立及应用D.保定：河北农业大学，2012.3李彦，谢娟，屈撑囤，等.四苯硼钠反滴定法测定季铵盐的研究J.西安石油大学学报，2009，24（4）：62-64.Determination of Six Quaternary Ammonium Salt Compounds in Disposable SanitaryProducts by UPLC-MS/MSShen Songli,Lu Hengjun,Cai Zhenhang,Lu Yan,Li Changyu,Ye Tao（Zhejiang Fangyuan Testing Group Co.,Ltd.,Hangzhou Zhejiang 310018,China）Abstract:A ultra high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry(UPLC-MS/MS)detection method was establishedfor the rapid determination of six quaternary ammonium salts in disposable sanitary products.The experimental results show that the sixquaternary ammonium salt compounds exhibit good linear relationships within the mass concentration range of 10400 ng/mL,with acorrelation coefficient(R)of 0.997.When the sample sampling amount is 10 mg,the detection limit of six quaternary ammonium saltcompounds is 0.20.5 mg/kg,and the lower limit of quantification is 0.61.5 mg/kg.The average recovery rates of the sample matrix atthree spiking levels of 50,100,and 200 ng/mL were 87.84%111.70%,and the relative standard deviation(RSD)was 1.05%7.27%.Thismethod is simple to operate,has good precision,and high sensitivity,and is suitable for the quantitative detection of six quaternaryammonium compounds in disposable sanitary products.Key words:quaternary ammonium salt compounds;disposable sanitary products;ultra high performance liquid chromatography tandemmass spectrometry(UPLC-MS/MS)（上接第 75 页）optimization of cascade Rankine cycle for liquefied natural gas coldenergy recoveryJ.Energy，2013（61）：179-195.豆少刚，等：基于 LNG 冷能发电的朗肯循环关键参数分析优化89窑窑