混合工质回热朗肯循环回收天然气冷量的模拟.pdf

第 3 9卷 第 6期 2 0 1 1 年 6月 化学工程 C H E MI C A L E N G I N E E R I N G C HI N A Vo 1 ． 3 9 No ． 6 J u n ．2 0 1 1 混合工质 回热朗肯循环 回收天然气冷量的模拟 舒丹 ，孙恒 中国石油大学 北京城市油气输配技术北京市重点实验室，北京1 0 2 2 4 9 摘要 高压天然气在集输过程中常需要节流， 节流后的低温天然气具有品位低但是总量大的冷能。采用朗肯动力循 环利用冷能发电是一种可行的思路。但由于天然气释放的冷能品位低且是一个变温过程， 因而循环效率一般很低。 由于混合工质的相变是一个变温过程， 因而采用混合工质的朗肯循环， 可以较好地加热与冷却曲线接近， 从而减少不 可逆损失。同时利用回热过程也可以进一步提高循环的效率。采用 H Y S Y S软件对上述流程进行了工艺模拟并对混 合工质的组成进行了优化。模拟结果显示采用带有回热的循环比不带回热的循环效率提高约 3 3 ． 1 7 ％。当天然气输 量为5 5 1 0 m ／ d时， 夏季可以得到6 4 ． 4 8 k W的输出功率， 当气温降到 1 0℃时仍能产生 3 4 ． 4 8 k W的输出功率。 关键词 混合工质； 回热 ； 朗肯循环； 冷量 中图分类号 T E 6 4 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 - 9 9 5 4 2 0 1 1 0 6 - 0 0 0 1 - 0 3 S i m u l a t i o n s o f h e a t - r e c o v e r y Ra n k i ne c y c l e wi t h mi x t ur e r e f r i g e r a n t f o r r e c o v e r i n g c o l d e n e r g y o f n a t u r a l g a s S HU Da n，S UN He n g B e i j i n g K e y L a b o r a t o r y o f U r b a n O i l a n d G a s D i s t ri b u t i o n T e c h n o l o g y ， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， B e i j i n g 1 0 2 2 4 9 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e h i g h p r e s s u r e n a t u r a l g a s u s u a l l y n e e d s t o b e d e p r e s s u r i z e d d u ri n g t h e g a t h e ri n g a n d t r a n s p o r t i n g p r o c e s s ．T h e t e mp e r a t u r e o f t h e g a s d e c r e a s e s r a p i d l y d u e t o J - T e f f e c t a n d t h e l o w t e mp e r a t u r e n a t u r al g a s h a s l o w q u ali t y a n d l a r g e q ua n t i t y c o l d e n e r g y． To r e c o v e r t h e c o l d e n e r g y， a c ryo g e n i c Ra n k i n e c y c l e u s i n g mi x t u r e r e f ri g e r a n t w i t h h e a t r e c o v e ry w a s r e p r e s e n t e d ．T h e a p p l i c a t i o n o f mi x t u r e r e f ri g e r a n t c a n a b a t e t h e t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e i n t h e h e a t e x c h a n g e r ，t h u s r e d u c i n g t h e i r r e v e r s i b l e l o s s e s ．T h e h e a t r e c o v e ry p r o c e s s c a n i n c r e a s e t h e e f fic i e n c y f urth e r mo r e ．The p r o c e s s s i mul a t i o n wa s pe r f o r me d b y me a n s o f HYS YS s o f t wa r e，a n d t h e c o mp o s i t i o n o f mi x t u r e r e f ri g e r a n t wa s o p t i mi z e d ．T h e s i mu l a t i o n s h o w s t h a t t h e c y c l e e ffic i e n c y i s i n c r e a s e d b y a b o u t 3 3 ． 1 7 ％d u e t o t h e he a t r e c o v e ry ．Th e p o we r o u t p ut c a n r e a c h 5 4． 48 k W i n s u mme r，b u t i t i s 3 4． 4 8 k W i f t h e e n v i r o n me n t a l t e mp e r a t u r e i s abo u t 1 0 ℃ wh e n t h e fl o w o f n a t u r a l g a s i s 5 51 0 m。 ／ d ． Ke y wo r d s mi x t u r e r e f rig e r a n t ；h e a t r e c o v e ry；Ra n k i n e c y c l e ；c o l d e n e r gy 高压天然气在集输过程 中由于工艺需要常进行 节流。此时由于焦耳- 汤姆逊 J T 效应 ， 天然气温度 会有显著降低， 在某些条件下可能会下降到 一 5 5℃ 左右。虽然这部分冷量品位不是很高， 但由于天然气 流量大 ， 如能回收利用将有助于企业节能降耗。目前 关于 L N G冷能利用的研究很多 ， 一般认为这一温位 的冷量适合用于冷库、 空调系统 ， 但是天然气集输 系统因位置偏远一般没有合适的用冷场合。因此采 用朗肯动力循环利用这一部分冷能间接发电是一种 可行方案。黄美斌 、 林文胜等 研究 了采用 C O ，为 工质的朗肯动力循环， D e n g 和J in 等 研究了同时利 用天然 气燃烧 热能 和 L N G冷能 的联合 朗肯循 环， H i s a z u m i 等 和 M i y a k i 等 均对 同时利用废热和 L N G冷能的动力循环进行了研究， B i s i o和 T a g l i a fi c o 则针对在 L N G接 收站 L N G汽化过程和冷能利用的 结合进行 了研究。但上述研究的工艺所适用的冷热 源温差均远超过天然气节流所能产生的温差 ， 因而本 文提出了采用混合工质并采取 回热措施的朗肯循环 发电工艺 ， 并利用 H Y S Y S软件进行了工艺模拟， 研究 能够更合理充分地利用这部分冷量的方法 。 1 混合工质低温朗肯循环的工艺流程 因为节流后天然气与环 境之间的温差 不是很 大 ， 所 以各种动力循环中只有 朗肯循环较为可行 ， 而 作者简 介 舒丹 1 9 8 5 一， 女 ， 硕 士研究生 ， 研究方 向为撬装式天然气液化工艺 ， E - ma i l L N G C U P 1 2 6 ． c o rn； 孙恒 1 9 7 6 一 ， 男， 博士 ． 讲师 ， 研究方 向为天然气液化工艺及优化 ， 电话 1 5 8 1 0 7 3 8 4 3 9 ， E m a i l b d d u k e s h 1 6 3 ． c o rn。 2 化学工程2 0 1 1 年第 3 9卷第 6期 天然气在释放冷量中是一个变温过程 ， 为了与之适 应以减小换热损失 ， 可 以考虑采用混合工质。此时 工艺流程如图 1 所 示， 物流 N G为天然气， N为氮。 混合工质首先进入换热器 回收天然气 的冷量 ， 混合 工质被冷凝成液体。液相的混合工质通过泵提高压 力后利用空气加热使之汽化 。汽态 的混合工质进入 透平膨胀机对外做功， 混合工质膨胀为低压气体后 回到换热器人 口完成循环。 图 1 不带 回热的回收天然气冷■ 的朗肯循环工艺流程 F i g ． 1 P r o c e s s fl o w d i a g r a m o f Ra n k i n e c y c l e p r o c e s s wi t h o u t h e a t r e c o v e r y p r o c e s s 混合工质的组分选择应满足下述条件 混合工 质进泵之前必须全部为液相 ， 进膨胀机之前必须全 部为气相并有一定过 热度。根据这一要 求选择 乙 烯 、 丙烷和异丁烷作为混合冷剂。循环的工艺参数 应根据天然气人 口参数、 环境温度而选定。在夏季 ， 假设环境温度可以达到3 5℃并假设有5℃左右 的 换热温差， 泵效率为 8 0 ％ ， 膨胀机 的绝热效率设为 8 0 ％ ， 并假设天然气 的流量为 1 0 0 0 k mo l ／ h 约为 5 5 x1 0 m ／ d ， 温度为 一 5 5 c I ， 压力为 4 ． 0 MP a ， 其 组成如表 1 所示。在上述条件下混合工质的组分如 表 2中第 1行所示 ， 对工 艺参数进 行设计并 采用 HY S Y S软件进行模拟 ， 所得结果如表 3所示。此时 透平膨胀机可以产生 4 8 ． 4 2 k W 的功率。天然气的 有效能为 7 5 5 ． 7 8 k J ／ k m o l ， 因而} 昆 合工质冷能有效 能的利用效率约为 2 3 ． 0 6 ％。在夏季循环运行结果 较好 ， 但气温降低会使循环效率迅速下降。 表 1 天然气组分 Ta b l e 1 C o mp o s i t i o n o f n at u r a l g a s 组成 摩尔分数 组成 摩尔分数 甲烷0 ． 9 6 0 丙烷0 ． 0 1 0 乙烷0 ． 0 2 8 正 丁烷0 乙烯0 异丁烷0 ． 0 0 2 表 2 不同循环中混合工质的组分 T a b l e 2 C o m p o s i t i o n o f mi x t u r e r e f rig e r a n t i n d i ff e r e n t p r o c e s s e s 表 3 采用混合工质的无回热朗肯循环的物料平衡 T a b l e 3 Ma t e r i a l a n d h e a t b ala n c e o f Ra n k i n e c y c l e wi t h o u t h e a t r e c o v e r y 从模 拟结果分 析 ， 从 泵 出来 的混 合工 质温度 很低 ， 可以通过回热加 以利用 ， 提高系统 的循环效 率。带 回热的混合工 质朗肯循环的流程如 图 2所 示。气态混合工质首先进入多股流换热器 回收天 然气和出泵后液态混合工质的冷量， 气态混合工 质被冷凝成液体。液相的混合工质通过泵提高压 力后首先进人 多股 流换 热器 回热 ， 从 换热 器 出来 后利用空气加热使之完全汽化。气态的混合工质 进入透平膨 胀机对 外做功 ， 混合 工质膨 胀为低 压 气体后再 回到多股流换热器入 口完成循环 。上述 循环中多股流换热器可 以采用铝制 的板 翅式高效 换热器 。 图 2 带回热的回收天然气冷量的朗肯循环工艺流程 F i g ． 2 P r o c e s s flo w d i a g r a m o f Ra n k i n e c y c l e p r o c e s s wit h h e a t r e c o v e r y p r o c e s s 2 带回热的混合工质低温朗肯循环的工艺模拟 对图2所示的带回热的混合工质低温朗肯循环进 舒丹等混合工质回热朗肯循环回收天然气冷量的模拟 3 行工艺模拟 ， 其中天然气 的入 口条件不变 ， 泵和膨胀机 的效率也不变， 同样假设夏季温度可以达到 3 5℃， 则 混合工质的组分仍为乙烯、 丙烷和异丁烷 3种， 其摩尔 组成如表 2 第 2行所示， 模拟结果如表4所示。从结果 中可以看 出， 由于采用 了回热， 提高 了冷量的利用效 率 ， 因而在天然气流量一定时， 混合工质的流量有明显 增加。因此透平膨胀机输出的功率也有明显增加， 达 到 6 4 ． 4 8 k W， 较 之 不 采 用 回热 的循 环 提 高 了约 3 3 ． 1 7 ％ ， 有效能的利用效率达到了 3 0 ． 7 1 ％。此时多 股流换热器中冷热流体的换热曲线如图3 所示， 从中 可见由于采用了混合工质其凝结曲线也是一个变温过 程， 与释放显热的天然气的换热温差较小， 因而提高了 系统的运行效率。当气温降低时， 系统的循环效率会 有大幅下降。假设气温下降到 1 0℃， 则只能使混合工 质加热到 5℃汽化， 则相应调整工艺参数， 混合工质的 组分也相应调整为表 2第 3行所示。对此时的工况进 行工艺模拟的结果如表 5所示。此时输出功率只有 3 4 ． 4 8 k W， 天然气冷量的有效能也只有 4 1 4 ． 7 k J ／ k m o l ， 有效能的利用效率约为 2 9 ． 9 3 ％。此时多股流换热器 中冷热流体的换热曲线如图4所示。 表 4 采用混合工质的回热朗肯循环的物料平衡 环境温度 3 5 o E T a b l e 4 Ma t e r i a l a n d h e a t b a l a n c e o f R a n k i n e c y c l e w i t h h e a t r e c o v e r y e n v i r o n me n t al t e m p e r a t u r e 3 5 o C 表 5 采用混合工质的回热朗肯循环的物料平衡 环境温度 1 0 o C T a b l e 5 Ma t e r i al and h e a t b al a n c e o f R a n k i n e c y c l e w i t h h e a t r e c o v e ry e n v i ron m e n t a l t e m p e r a t u r e 1 0℃ O 一 1 0 2 O - 3 0 赠 一 4 O 一5 0 6 O 0 8 0 0 l 6 0 0 2 4 0 0 320 0 热流密 g ／ MJ h - J 图 3混合工质 回热循环夏 季时的换热过 程 F i g ． 3 He a t t r a n s f e r p r o c e s s o f t h e p r o c e s s wi t h h e a t r e c o v e r y i n s u mme r 热流密度／ MJ h 图4 混合工质回热循环气温降低时的换热过程 F i g ． 4 He a t t r a n s f e r p r o c e s s of t h e p r o c e s s wi t h h e a t r e c o v e r y u n d e r l o w e n v i r o n me n t a l t e mp e r a t u r e 3结 论 本文探讨了采用混合工质的低温朗肯循环发电 来 回收天然气节流后的冷能的方法 。通过采取回热 措施可以使循环效率有明显 的提高 ， 当天然气输量 为 5 5 x 1 0 I n ／ d时， 在夏季可以得到 6 4 ． 4 8 k W 的 输 出功率 ， 比不带 回热 的循环提高约 3 3 ． 1 7 ％。当 气温降到 1 0℃时通过调整系统的工艺参数和混合 工质的组分 ， 仍能产生 3 4 ． 4 8 k W 的输 出功率。不 同工况下天然气冷量有效能的利用效率约为 3 0 ％。 在能源价格进一步上涨 的情况下 ， 采用这一方法 回 收天然气节流后的冷量可 以取得节能减排 的效果 ， 并有望获得一定的经济效益 。 参考文献 [ 1 ] 华贲， 熊永强． 中国 L N G冷能利用的进展和展望[ J ] ． 天然气工业， 2 0 0 9 ， 2 9 5 1 0 7 1 l 1 ． [ 2 ] 夏侯 国伟 ， 白菲菲， 张早校． 以中低温余热为热源的 L N G冷能利用流程改进 [ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 8 ， 2 8 5 1 1 2 1 1 4 ． 【 下转第 l 1 页】 辛志玲等三乙烯四胺合钴溶液脱除烟气中 N O的实验研究 1 1 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 【 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] 艺尾气实验研究[ J ] ． 化学工程， 2 0 0 6 ， 3 4 9 6 3 - 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2 3 2 ． 荆国华 ， 李伟 ， 谭天恩， 等． F e I I E D T A 络合 吸收 N O体系中吸收液的生物再生[ J ] ． 高校化学工程学 报， 2 0 0 4 ， 1 8 3 3 5 1 3 5 6 ． XU Xi nh u a． Re mo v i ng n i t ric o x i d e f r o m flu e g as u s i n g i r o n c i t r a t e c h e l a t e ab s o r p t i o n wi t h mi c rob i a l r e g e n e r a t i o n [ J ] ．C h e m o s p h e r e ， 2 0 0 7 ， 6 7 8 1 6 2 8 1 6 3 6 ． L I TI L EJ OHN D，CHANG S G．Re a c t i o n o f f e r r o u s e h e l a t e n i t ros y l c o m p l e x e s w i t h s u lfi t e and b i s u l f a t e i o n s [ J ] ． I n d u s t r i al an d E n g i n e e rin g C h e mi s t r y Re s e a r c h ，1 9 9 0， 2 9 1 1 O l 4． 【 上接第 3页】 [ 3 ] 黄美斌 ， 林文胜， 贺红明， 等． L N G冷能用于 C O 跨临 界朗肯循环和 C O 液化回收[ J ] ． 低温与超导 ， 2 0 0 9 ， 3 7 4 1 7 - 2 1 ． [ 4 ] D E N G S h i mi n， J I N Ho n g g u a n g ，C AI R u i x i a n， e t a 1 ． No v e l e o g e n e r a t i o n p o we r s y s t e m w i t h l i q u e fi e d n a t u r a l g as L N Gc ryo g e n i c e x e r g y u t i l i z a t i o n[ J ] ．E n e r g y ， 2 0 0 4， 2 9 4 4 9 7 - 5 1 2 ． [ 5 ] H I S A Z U MI Y， Y A M A S A K I Y，S U G I Y A MA S ．P rop o s al for a h i g h e ffi c i e n c y L NG p o w e r -- g e n e r a t i o n s y s t e m u t i l i ． ． [ 6 ] [ 7 ] z i n g w a s t e h e a t f r o m t h e c o m b i n e d c y c l e [ J ] ．A p p l i e d E n e r gy ， 1 9 9 8 ， 6 0 3 1 6 9 1 8 2 ． MI YAZ AKI T，KANG Y T，AKI S AWA A，e t a1．A c o rn b i n e d p o we r c y c l e u s i n g r e f u s e i n c i n e r a t i o n an d L N G c o l d e n e r gy[ J ] ．E n e r g y ， 2 0 0 0， 2 5 7 6 3 9 - 6 5 5 ． B I S I O G ，TAGL I AF I CO L． On t h e r e c o v e r y o f LNG p h y s i c al e x e r g y b y me an s o f a s i mp l e c y c l e o r a c o mp l e x s y s t e m[ J ] ．E x e r g y ，a n I n t e rn a t i o n al J o u r n a l ，2 0 0 2 ， 2 1 3 4 - 5 0 ．