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任锦LNG 冷能发电模式分析32023，33（4）LNG 冷能发电模式分析任锦*惠生工程（中国）有限公司北京分公司北京100020摘要本文以项目实例，将朗肯循环运用到联合法发电流程，通过模拟计算表明，混合工质是用于低温朗肯循环最合适的工质，工质的蒸发温度和冷凝温度对系统净输出功的影响较为明显，利用周边装置余热作为工质蒸发热源可有效改善系统冷量回收率。关键词液化天然气（LNG）低温朗肯循环混合工质冷能回收利用DOI:10.3969/j.issn.1007-6247.2023.04.001*任锦：工程师。2007 年毕业于武汉理工大学化学工程与工艺专业获学士学位。主要从事石油化工与天然气工艺设计。联系电话：[phone]，E-mail：。天然气作为一种新型、清洁、高效的优质能源，受到各个能源消费大国的重视，其用途主要体现在发电、用作生活燃料及工业燃料、化工行业原料、生产化肥、合成纤维等方面。目前世界天然气探明储量已经接近石油储量，随着世界石油、煤炭等资源逐渐减少，生态环境的恶化加剧，天然气将逐步成为可利用的主要能源之一。1LNG 冷能特性分析随着我国对环境保护的重视，LNG 作为一种清洁、高效的新能源，越来越受到青睐。天然气在进行远距离运输时，往往以常压、-162 的液态形式储存。在 LNG 接收站，又需要将其气化为常温下的高压气体送至天然气管网，在气化过程中，LNG 将释放大量冷能。冷能是指在常温环境中利用一定的温差所得到的低温能量，即 LNG 所具备的温差势能。传统气化方式直接将冷能释放到环境中，造成了极大的能量浪费，回收冷能并将其再利用已成为新焦点。1.1LNG 的冷及其影响因素是当热力学系统的状态与给定的环境状态不平衡时，系统所具有的在理论上能够转换为可用功的那部分能量。是以环境作为基准所取的相对量，在可逆过程中，和能量一样是守恒的。但任何实际过程都是不可逆的，必然有部分损失，不能转化为可用能，由此可见，分析是系统能量分析的一个重要方法，应用分析揭示 LNG 冷量回收系统内不可逆损失的分布及大小，可为合理利用冷量提供重要的理论指导。LNG 是以含甲烷为主，并含少量氮气、乙烷、丙烷等组分的低温液态混合物，与外界环境存在着温度差和压力差，其冷量等于 LNG 变化到与外界平衡状态所能获得的能量。LNG 的冷 Ex 包括一定压力下由热不平衡引起的低温 Ex,th 和环境温度下由压力不平衡引起的压力 Ex,p，即：Ex=Ex,th+Ex,p其中：Ex,th=Ex（T,p）Ex（T0,p）Ex,p=Ex（T0,p）Ex（T0,p0）影响 LNG 冷大小的主要因素取决于环境温度、压力以及 LNG 的组成。LNG 低温、压力和总冷均随环境温度的升高而增大。其冷利用效率与环境温度有较大关系，环境温度升高，LNG 冷值也随之增大。LNG 低温随系统压力的增大而减小，而压力随系统压力的增大而增大。这主要有以下两点原因：由于系统压力增大，液体混合物的泡点温度升高，使之达到环境热平衡的温差减小；随着压力的增大，液体混合物接近临界区，致使气化潜热减小。LNG 总冷是压力和低温的总和，其值也随着系统压力的增大而减小。当系统压力和环境温度不变时，LNG 低温和压力均随甲烷含量的增加而增大。这是因为系统压力一定时，混合物的泡点温度随甲烷含量的增加而降低，增大了达到环境温度热平衡的温差，使低温增大，且随着甲烷含量的增加，气体混合物分子量降低，使得单位质量混合物的压力增大。因此，随着甲烷含量的增加，LNG 总冷也随之增大。4化工设计 2023，33（4）CHEMICAL ENGINEERING DESIGN由此可知，应根据 LNG 的用途去选择合适的冷量回收途径。当 LNG 气化后用作管道气时，提升压力较高（2 10 MPa），可充分利用其压力；当 LNG 气化后供电厂发电用时，气化压力较低（0.5 1.0 MPa），压力较小，低温较大，此时可充分利用其低温。本文讨论 LNG 冷能发电模式，因此，应选择低温较大的冷量回收途径。1.2LNG 的气化特性在不同压力下，LNG 的气化 T（温）S（熵）曲线见图 1。2LNG 冷能发电的原理LNG 冷能发电属于对 LNG 冷能的直接利用，以电能的形式回收 LNG 的冷能。如前所述，冷能发电主要是利用其液相段和两相潜热段的低温，回收冷量的方法主要有：直接膨胀法、二次冷媒法（即中间载热体的朗肯循环）和联合法。2.1直接膨胀法如图 2 所示，利用低温泵对 LNG 加压，再在蒸发器内与海水换热转化为高压气体，然后通过膨胀透平机把压力能转化为机械能，再由发电机将机械能转化为电能。该法循环过程简单，所需设备少，可回收的动力大小取决于膨胀前后气体的压力比；但由于 LNG 的低温冷量没有充分被利用，故其对外做功较少，效率不高，冷能回收率仅 24%，每吨 LNG 冷能仅能产生 20 kWh 左右的电能，发电功率小。图 1LNG 气化特性曲线由图 1 可知，LNG 的气化经过液相段、两相潜热段和气相段三部分。不同的区段呈现出不同的气化特性，因此，在对其冷能进行回收时，应按区段进行考虑，增大低温的回收率。以 4 MPa（G）的气化过程为例，环境温度t0=20。LNG 初始温度 tin进入循环系统，此时 LNG具有的低温为 ex（in）；温度 tout离开循环系统时，LNG 具有的低温为 ex（out），该过程中单位质量 LNG 释放的低温 ex（c）可表示为：ex（c）=ex（out）ex（in）=（hout hin）t0（Sout Sin）。LNG 气化过程各区段低温值见表 1。表 1LNG 气化过程各区段低温值液相段两相潜热段气相段全区段tin，-161-85.43-71.22-161tout，-85.43-71.2255ex（c）308.3129.653.5491.4低温百分比，%62.926.410.7100从表 1 可以看出，单位质量的 LNG 在液相段和两相潜热段释放的低温占气化过程低温总量的 89.3%，因此，最大程度地利用液相段和两相潜热段的低温，即可有效增大冷量回收率，提高冷能发电的利用率。图 2直接膨胀法发电工艺2.2二次冷媒法二次冷媒法是利用中间载热体（即冷媒）的朗肯循环冷能发电。朗肯循环即是以蒸汽为工质的一种理想动力循环过程，该过程可简化为可逆定压冷却过程，见图 3。图 3二次冷媒法发电工艺任锦LNG 冷能发电模式分析52023，33（4）将朗肯循环运用到 LNG 冷能发电流程中，经透平膨胀后的低压气相冷媒在冷凝器中被 LNG 凝结成液体，再经冷媒泵升压后加热气化变成高压气相冷媒，高压蒸汽经透平膨胀成低压气体，同时对外输出功，带动发动机发电。在此循环过程中，利用 LNG 的冷量将低压气相冷媒冷凝成液相。该法的冷能回收率在 34%左右，高于直接膨胀法。但由于冷媒的冷凝曲线不可能与 LNG 的气化曲线完全重合，高于冷凝温度的这部分 LNG 冷量没有得到利用，致使其回收效率受到了限制。2.3联合法联合法综合了直接膨胀法和二次冷媒法两种方式，相当于两个不同的发电系统同时发电，可以使高于冷媒冷凝温度的那部分 LNG 冷量得到充分利用。联合法发电工艺见图 4。表 2LNG 低压泵输出原料参数组成摩尔百分数1氮气0.902甲烷96.643乙烷1.974丙烷0.345i-丁烷0.076丁烷0.08温度-161 压力0.8 MPa（G）3.1循环工质的选择将朗肯循环应用于 LNG 冷能回收循环流程，循环工质的选择对冷能的利用率至关重要。工质可以是单组份甲烷、乙烷或者丙烷，也可以是它们的混合物，其物性要达到一定的要求，即在 LNG 的温度范围内不凝固，具有良好的流动性和传热性能，比热容大，临界温度高于环境温度。工质的选择要以“优化冷热流体的换热曲线匹配、减少损失”为目的。工质的冷凝特性曲线直接关系到冷热流体换热过程中的损失。LNG 是多组分混合物，当工质的凝结曲线与 LNG的气化曲线一致时，才能使 LNG 气化释放出的冷量尽可能多的被工质吸收。单一组分工质的气化、冷凝过程与 LNG 的气化曲线不匹配，在换热过程中损失较大；但通过调整混合工质的组分，可以使工质的冷凝曲线尽可能的与 LNG 的气化曲线相匹配，因此，采用混合工质更有利于冷量的回收。为了得到较高的冷能利用率，经过模拟计算和分析，本实例采用甲烷、乙烷、丙烷按一定比例的混合物作为循环工质，其温度-热负荷曲线与原料LNG 更匹配。3.2构建低温朗肯循环发电模型基于朗肯循环的 LNG 冷能发电模型见图 5。系统包括一级相对独立的循环，将 LNG 携带的低温位的冷量转移给气化膨胀后的工质，冷凝后的工质经泵加压，再经海水完全气化，进入膨胀机做功，带动发动机发电。经工质气化后的 LNG 具有较大的压力，这部分压力通过直接膨胀来回收其中的能量。图 4联合法发电工艺LNG 经低温泵加压后通过冷媒换热器，温度有所升高的 LNG 再利用海水或空气换热完全气化后送至膨胀透平机做功发电；冷媒经换热后经过增压泵加压，再送至气化器使冷媒完全气化，气化后的冷媒送至膨胀透平机做功发电。该法发电效率高，冷能回收率保持在 50%左右，综合造价低，是目前使用最广泛的的一种冷能发电方式。3工程实例鉴于联合发电法冷能回收率较高，本文以某LNG 冷能发电项目为例，用联合发电工艺流程进行模拟。以系统的净输出功为评价指标，对系统的工质及工艺参数进行对比分析，为 LNG 冷能发电流程的优化提供依据。LNG 气化输出终端为 2.0 MPa（G）天然气管网。经接收站LNG低压泵输出的的原料参数见表2：6化工设计 2023，33（4）CHEMICAL ENGINEERING DESIGN3.2.1工质蒸发器出口温度对系统性能的影响维持 LNG 气化后的温度不变，通过改变工质蒸发温度，对比工质蒸发器出口温度对系统净输出功的影响，模拟结果见表 3。图 5联合法 LNG 冷能发电模型表 3不同工质蒸发器出口温度对应的系统净输出功冷剂蒸发温度，51020253035冷剂供料压力，MPa（G）1.51.772.442.863.33.9LNG 气化后温度，-7热介质海水（20/15）热水（50/40）冷剂用量，kg/h408030411522419880425105429951438040热介质用量，kg/h1302854813191305133305761331479666727736993952冷剂膨胀后温度，-43.6-43.9-44.6-45.1-45.5-46.2冷剂膨胀功率，kW104461144613090141341518016112LNG 膨胀功率，kW638463846384638463846384热介质泵功率，kW18131835953964973983冷剂泵功率，kW316385561674795966LNG 泵功率，kW723723723723723723净输出功，kW139781488717237181571907319824根据模拟数值绘制不同工质蒸发器出口温度对系统净输出功的影响变化曲线，见图 6。工质最大蒸发温度可达到 35，此时系统净输出功为 19824 kW，比用海水做热源时提高了 33.2%。因此，应充分利用就近装置的热源，提高系统的净输出功。值得注意的是，工质均为有机物，蒸发器出口温度不能过高，否则，可能造成工质性质的改变。3.2.2工质冷凝温度对系统净输出功的影响改变工质冷凝温度，维持 LNG 膨胀机和泵的操作参数不变，得到循环工质膨胀功率见表 4。表 4不同工质冷凝温度对应的系统净输出功工质冷凝温度，-135-140-145-150-155工质膨胀功率，kW181501923920146.520872.521598.5LNG 膨胀功率，kW63846384638463846384海水泵功率，kW10031003100310031003冷剂泵功率，kW16931693169316931693LNG 泵功率，kW725725725725725净输出功，kW211132220223109.523835.524561.5图 6蒸发器出口温度对系统净输出功的影响由图 6 可知，系统的净输出功随着工质蒸发器出口温度的增大而增大，近似成线性关系，但这一温度受到热源的影响。当装置仅有海水做热源时，取蒸发器海水入口温度为 20，冷热流股最小换热温差取 5，则工质最大蒸发温度仅为 10，此时系统净输出功为 14887 kW；当装置有高温凝液作为热源时时，假定蒸发器凝液入口温度为 50，（下转第 50 页）50化工设计 2023，33（4）CHEMICAL ENGINEERING DESIGN（3）泄漏报警：对监视的空间分段设置不同分区，对不同的部位进行不同标准的监视。（4）定位报警位置：当发生泄漏时，除温度报警外，还能够精确定位温度异常点的位置信息，并记录报警数据，方便及时找到问题，并尽快执行应急处理预案。（5）光纤断裂报警及定位：当出现光纤断裂时，报警并显示断裂位置。同时，可以将以上信息通过 TCP/IP、Modbus等通信协议传输到 DCS 及其它上层网络系统进行实时监控显示。4结语实时在线温度及泄漏监测在熔盐储罐上的应用替代了目前的点式测温方法，解决了点式测温方法覆盖率低、安装困难的缺点。随着该技术在新兴的光热电站和未来的储能电站中的大规模应用，其实时在线、覆盖面广、精确测量、安装方便、寿命长、经济价值高等优点，将带来一定的社会效益和经济效益。参考文献1 张晓微，刘锦昆，陈童颜，等.基于分布式光纤传感器的管道泄漏监测实验研究J.水利与建筑工程学报，2016，3（1）：1-6.2 张水平，张祖昆.基于光纤传感技术对天然气储罐泄漏温度场变化的监测J.江西理工大学学报，2017，38（3）：97-102.（收稿日期2023-06-13）（上接第 6 页）根据模拟数值绘制工质冷凝温度对系统净输出功的影响变化曲线，见图 7。置，能够减少城市污染、保护环境，其与 LNG 接收站联合能够起到节能降耗的作用，特别符合国家产业发展的政策导向。（3）LNG 冷能用于发电是高效利用 LNG 冷能的一种形式。不同发电工艺的冷能利用率不同，对低温朗肯循环法进行优化改进，选择合适的工质和循环系统，针对不同的热源温度和冷凝温度区间优选方案，可最大限度地回收冷量。参考文献1 张超，金海刚，邵国芬，等.LNG 冷能发电工质选择与参数优化J .石油与天然气化工，2015，44（4）：54-58.2 曹文胜，鲁雪生.LNG 接收站利用低品位热源低温发电 J .低温与超导，2012，40（3）：17-20.3 陈利琼，许培林，等.LNG 冷能发电技术现状分析J .天然气与石油，2013，31（6）：39-44.4 Kim T S，Ro S T.Power augmentation of combined cycle power plants using cold energy of liquefied natural gas J .Energy，2000，25（9）：841856.5 Dispenza C，Dispenza G，Rocca V L，et al.Exergy recovery during LNG regasification:Electric energy production Part two J .Applied Thermal Engineering，2009，29（2）：380387.6 林文胜，顾安忠，鲁雪生，等.空分装置利用 LNG 冷量的热力学分析J .深冷技术，2003（3）：26-30.（收稿日期2022-10-26）图 7工质冷凝温度对系统净输出功的影响由图7可知，在LNG与工质流量一定的情况下，系统的净输出功随着工质冷凝温度的降低而增大，即 LNG 传递给工质的冷量随着工质冷凝温度的降低而增加，回收的冷量变多。（注：此处的冷凝温度指混合工质全凝时的温度）。4结语（1）冷能发电装置的操作相对灵活，产品仅为电能，不存在运输、储存和销售的问题，可以使装置尽可能的满负荷运行，全厂的操作稳定性较好；且装置全过程启动、停车较快，负荷调节灵活，受LNG 冷源供应影响较小。（2）冷能发电是无污染排放的产生电能的装Analysis of LNG Cold Energy Power Generation ModeRen Jin（Wison Engineering（China）Co.Ltd.Beijing Branch,Beijing 100020）In this paper,a project example is used to apply the Rankine cycle to the combined power generation process flow.Through simulation calculation,the results show that the mixed working medium is the most suitable working medium for the low-temperature Rankine cycle.The evaporation temperature and condensation temperature of the working medium have obvious effects on the net output of the system.Using the waste heat of peripheral devices as the evaporation heat source of the working medium can effectively improve the recovery rate of the system cold energy.Key wordsliquefied natural gas（LNG）low-temperature Rankine cyclemixed working mediumcold energy recycling Numerical Simulation Study on Influence of Venturi Nozzle on Back Blowing Effect of Filter ElementLi Caixia,et al（Western BaoDe Technologies Co.,Ltd.,Xian 710201）In this paper,numerical simulation is used to simulate the back blowing effect of gas passing through a Venturi nozzle after increasing speed on a 4m long filter element.The effects of inlet gas velocity and the structure of the Venturi nozzle on the back blowing effect of the filter element are studied.The simulation result is that the velocity of the back blowing gas reaches its peak at the throat after passing through the Venturi,which is 3.75 times the inlet velocity.In addition,within a certain range,the smaller the diameter of the throat,the greater the peak value of back blowing at the Venturi throat.The shorter the length of the throat,the farther the blowing range of the back blowing gas.The smaller the inlet cone angle,the farther the blowing range of the back blowing gas.The smaller the radius of the outlet crimping,the slower the velocity attenuation of the blowing gas within a certain range.The presence of a straight edge at the inlet and the length of the throat section have little effect on the blowing performance of the filter element.Key wordsVenturifilter elementback blowing performancenumerical simulation Design of Economic Pipe Diameter for Vacuum Residue Hot Material Transportation between PlantsHan Xiaohui,et al（CNPC East China Design Institute Co.Ltd.Jilin Branch,Jilin 132000）In order to solve the problems of high pressure drop of piping,high power consumption and large pipeline heat dissipation loss in long-distance transportation of vacuum residue hot feed to solvent deasphalting unit between plants,it is necessary to determine the optimal scheme with low energy consumption,investment and operating costs.This paper compares the construction investment and operating costs of different specifications of pipelines to obtain the annual total cost.Through comprehensive analysis,a piping transportation process flow scheme is proposed to achieve the dual goals of saving investment and energy consumption.This method can be applied to the optimization piping design of hot material conveying between plants and various units,and it can be used for reference to determine the process flow of piping system in similar projects.Key wordsinterplant pipelinevacuum residuesolvent deasphalting unithot feedcost annual value analysis Embarrassment and Solution of Industrial Waste SaltMa Xiumei,et al（Chongqing Chemical Engineering Design and Research Institute Co.,Ltd.,Chongqing 400039）This paper starts from the current situation of industrial waste salt,analyzes the various embarrassments faced by industrial waste salt,and based on this,elaborates on the effective ways out of industrial waste salt through case studies,including“point-to-point”comprehensive utilization,reduction and harmless disposal.Key wordscurrent situation of industrial waste saltembarrassment of industrial waste saltreflections on the way out and direction of industrial waste saltResearch on Technology of High Concentration Coal Water Slurry Preparation by Classified GrindingLi Xingyi（Xinjiang MarkorChem Chemical Co.,Ltd.,Korla 841000）Coal water slurry gasification technology has been widely applied in fields such as chemical industry,power generation and urban gas preparation.However,in the gasification coal water slurry preparation industry in China,most enterprises currently use the single stage grinding slurry（single grinding slurry）process.The coal water slurry prepared by this process has problems such as coarse particle size,unreasonable grading and low concentration,which directly affect the improvement of coal water slurry gasification efficiency.Classified grinding slurry preparation is a new technology developed relative to traditional single grinding slurry preparation.Compared with traditional single grinding slurry preparation,its slurry concentration can be increased by about three percentage points,which can improve the production capacity of the plant,reduce gasification oxygen consumption and coal consumption in production.Key wordsclassified grindinghigh concentrationcoalpulpingPiping Arrangement of Molecular Sieve DryerYu Luona（Hualu Engineering&Technology Co.,Ltd.,Xian 710065）Through the analysis and comparison of different schemes for the inlet and outlet piping layout of the molecular sieve filler dryer in a certain project,optimization schemes are explored from the perspectives of operability,liquid bag requirements and economy.Key wordsmolecular sievedryerpiping arrangementcompressionproduct gas Valve Commodity Code Software Development and Application in PDMS ProjectZou Peixuan（CNOOC Petrochemical Engineering Co.,Ltd.,Qingdao 266101）This paper mainly introduces the idea and program application effect of using PDMS built-in PML programming language to develop valves Commodity Code.Key wordsvalvePDMSPMLCommodity CodeStructural Design of High Temperature Direct Chlorination ReactorWang Zhituo，et al（China Chengda Engineering Co.,Ltd.,Chengdu 610041）In this paper,the structural optimization design for the large tube type demister,large conical orifice plate distributor,large disc type control valve and descending pipe support in a high temperature direct chlorination reactor in a certain project is conducted.The stress intensity and stability of the reactor are checked through finite element analysis and calculation,which ensures the safety and economy of the equipment,and provides reference for the design of similar reactors.Key wordshigh temperature direct chlorination reactortube type separation defoamerconical orifice plate distributorDiscussion on the Bottom Frame-Upper Portal Rigid Frame Structure SystemGe Xiaohui（China Chengda Engineering Co.,Ltd.,Chengdu 610041）The bottom frame-upper portal rigid frame structure system is commonly used in industrial and warehouse buildings,but currently there are no relevant regulations for similar structure systems in the specifications.This paper analyzes the overall performance of this type of structure system and the whip effect of the two-story portal rigid frame,and explores the design focus and precautions for similar structures.Key wordsbottom frameportal rigid framewhiplash effect ，（，），（）（）（），（）（）（），（，），（，），（，），（），：，（，），（，），（，），（，），（，），（）2023，33（4）