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LNG混合冷剂工​艺冷能发电

2018/6/5 16:07:54      点击:

宁波热电股份有限公司 研发中心


      天然气因其清洁、高效的特点,已成为我国重要的战略储备能源之一。液化天然气(LNG)是由天然气液化为-162°C的低温液体混合物,通过海水汽化器或燃气加热器直接加热,气化成天然气,同时释放大量冷能(约为830~860kJ/kg)。为减少LNG冷能的浪费和增强环境保护,国内外己经形成了多种LNG冷能利用技术,例如:冷能发电、空气分离、生产干冰、低温冷藏、海水淡化、制冰和低温粉碎等。

一、冷能利用现状

目前,我国已投运LNG接收站14座,另外还有10余个在建或拟建接收站。但是国内整体冷能利用率偏低,仅有6座接收站已有冷能利用项目,且以空气分离装置为主,如:福建莆田LNG接收站(空气分离和低温粉碎)、浙江宁波LNG接收站(空气分离)、河北曹妃甸LNG接收站(空气分离)、珠海金湾LNG接收站(空气分离)、山东青岛LNG接收站(轻烃回收)和江苏如东LNG接收站(空气分离)。

但由于受到下游产业链,地理位置等诸多因素限制,除了冷能发电外,其他应用对于冷能利用相对较低,无法形成较大的产业规模。国内外学者对 LNG 冷能发电技术进行深入的研究,并取得了一定的应用成果。日本、台湾等地已建成发电量为1000~9400kW的LNG冷能发电装置,尤其是日本对于冷能发电技术的研究起步较早,目前已建成并工业化运行16套LNG冷能发电装置,约占冷能利用总量的60%。

二、冷能发电原理

通过对国内外 LNG 冷能发电技术文献和实际应用的调研,目前主流的六种 LNG 冷能发电技术: 直接膨胀法、朗肯循环法、联合循环法、布雷顿循环法、卡琳娜循环法和冷却燃气轮机进气法,在总结LNG冷能发电的6种循环方法基础上,对各个循环的效率进行了比较(图表 1)。

通过国内外冷能发电技术的比较以及与合作公司的沟通,朗肯循环发电法更适用于大型LNG气化站。LNG与低压冷媒蒸汽工质在冷凝器中进行热交换,冷媒蒸汽凝结成液体,LNG加热生成天然气。低压冷媒液体工质经过泵提升压力,再经过加热器加热变成高压冷媒蒸汽。高压冷媒蒸汽工质经过透平膨胀机,生成低压蒸汽,对外输出动力,带动发电机发电(图表 2)。

图表 2 朗肯循环法

此种中间媒介法是将低温的LNG作为冷凝液,通过冷凝器,把冷量转化到另一冷媒工质上,利用LNG与周围环境间的温度差异,推动冷媒进行蒸汽动力循环,从而对外做功。此类中间媒介主要有甲烷、乙烷、丙烷等单组分,或者采用它们的混合物。液化天然气是多组分混合物,沸程很宽,要提高效率,使液化天然气的气化曲线与工作媒体的凝结曲线尽可能保持一致。因此,使用混合媒体更有利。这种方法对液化天然气冷能的利用效率要优于直接膨胀法。但是,由于高于冷凝温度的这部分天然气冷能没有加以利用,冷能回收效率也必然受到限制。



图表 1LNG冷能发电方法比较

 

LNG冷能发电方法

原理

优点

缺点

适用性

1

直接膨胀法

经低温泵和蒸发器后 LNG 成为高压常温气体,而后高压气化时物理转化为压力,驱动发电机发电,之后经过加热器将天然气输入管网中。

原理简单,成本低

冷能利用效率低,发电功率小

小型LNG气化站,回收部分LNG冷能,可与其他利用方式联合使用

2

朗肯循环法

LNG 与经过透平膨胀后的低压冷媒蒸汽在冷凝器中换热,冷媒凝结成液体;低压冷媒液体经泵提高压力,加热变成高压冷媒蒸汽;高压冷媒蒸汽经透平膨胀成低压蒸汽,对外输出动力,带动发电机发电

效率较高,可达36%

流程较复杂,高于冷凝部分的冷能未能利用

 

3

联合循环法

联合循环法综合了直接膨胀法与朗肯循环法。LNG经压缩后,通过换热器将冷能转移给冷媒,LNG经过换热器成为高压常温气体,再通过透平机膨胀,带动电机发电,最后经过换热器变成一定压力的常温气体之后外输。而冷媒被液化经过泵压缩和回热器变成高压气体,再经泵压缩和换热器成 为高压常温气体,最后通过透平机带动电机发电,出来的冷媒再次循环利用

效率较高,可达50%,综合造价低

流程相对较复杂

各型LNG气化站

4

布雷顿循环法

利用 LNG 冷能来降低压缩机入口的气体温度,能显著的降低压缩机到达相同增压比时的耗功,高压氮气经加热器加热进入气体透平膨胀做功,对外输出电能,能使装置热效率显著提高

效率较高,可达50%

流程相对较复杂

冷却温度0°C以上

5

卡琳娜循环法

基于朗肯循环法的一种改进循环法,利用冷却介质的不同沸点(大部分使用氨水),使得其可以覆盖LNG 更大范围温度的冷能

冷能利用率显著提高

混合媒体本身不稳定,实际应用较难

大型LNG气化站

6

冷却燃气轮机进气法

根据环境温度、空气密度的变化,采用不同的冷却介质(水,氟利昂,二氧化碳,甲醇,乙二醇等) 通过直接或间接的方法将 LNG气化时释放的冷能用来降低燃气轮机入口空气温度或用来冷却蒸汽轮机的排气,能够显著提高燃气轮机的热效率。

装置热效率显著提高

流程复杂,要与发电站结合起来

大型LNG气化站


三、冷能技术方案分析

采用以甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丁烷等混合工质为冷媒的低温朗肯循环冷能发电技术。该混合工质相较于单一工质(如丙烷),拥有良好的热力学性能,单位发电量是丙烷的两倍(约为30.5 KW/t LNG),安全性高,环境友好性强,价格合理,运输方便等。冷能发电技术装备成熟,启停时间短(相较于“空分”项目),工艺流程简单,组装方便,降低海水消耗(6000t/h,未用装置时为10000t/h)。但是其发电效率较低,仍会排放一部分低温海水,降低周边海域温度,影响环境。目前,编写的180t/h规模混合冷剂工艺的LNG冷能发电方案经济性分析。分析报告中该项目营运成本包括电费(变压器容量费)、水费、生产工人工资及福利费、修理费、折旧费、其他营运费,发生的期间费用包括管理费用、财务费用等。估算年净生产电量3300万KWh(每年按6000小时计算工作时间),则运营成本为805万元/年。该装置作为资源综合利用项目,发电用于LNG接收站内部消耗,节省外网用电,并且不产生产品销售相关税费。本装置相当于产生销售收入为2310万元/年,净利润为1505万元/年, 投资回收周期为5.35年

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