孙宪航 陈保东 王雷 宋士祥 马跃 张国军

辽宁石油化工大学石油天然气工程学院

以太阳能为高温热源的LNG卫星站冷能发电系统

孙宪航 陈保东 王雷 宋士祥 马跃 张国军

辽宁石油化工大学石油天然气工程学院

如何高效合理利用LNG所携带的冷能一直是人们关注的话题。为此，对LNG卫星站中LNG冷能利用方式及工艺流程进行了研究。以山东淄博LNG卫星站为例，建立了一种以太阳能加热的水为高温热源，LNG储罐输出的LNG液态工质为低温热源的热力循环发电系统。设计了该系统的工艺参数，计算了该系统日均净发电量和能量利用效率，分析了该系统的经济性和环保效益。结果表明：在日供气量为12×104m3的山东淄博LNG卫星站中建立该热力循环系统，能量利用效率可超过30%且符合工程实际，年可发电27×104k W·h，每年带来约30万元的经济效益；同时，还可以节约气化LNG所需的燃料费用6～8万元／a，减少因燃烧煤炭和天然气而带来的400～1 000 kg／a的SO2排放量和56～146 t／a的CO2排放量，实现了节能、环保、增效三赢。

LNG卫星站 LNG冷能利用 太阳能 高温热源 低温热源 热力循环 发电系统 山东淄博

充分高效地利用进口LNG携带的冷能，不仅可以节约能源、创造经济效益，而且能够避免LNG气化过程对环境造成的冷污染。现有LNG冷能利用方式主要有空气分离、冷能发电、低温粉碎、制造液态二氧化碳、低温冷库和轻烃分离等。

笔者将太阳能热水器原理应用于LNG卫星站来建立以太阳能加热水为高温热源，以LNG储罐输出LNG为低温热源的朗肯循环发电系统，在免费使用太阳能的同时也回收了LNG中蕴藏的宝贵冷能。下面以山东省淄博市的LNG卫星站为例来做具体分析。

1 LNG卫星站利用太阳能热源的潜力

LNG卫星站作为小型的LNG气化站具有与大型LNG接收站相似的功能，对于需要清洁能源而输气管网又不易到达的中小城镇或特殊厂家，LNG卫星站成功解决了这一矛盾。近年来随着中国LNG产业的不断发展和城市管网供气安全的需要，LNG卫星站得到了雨后春笋般地发展。内陆的LNG卫星站与沿海大型LNG接收站相比虽然没有取之不尽的海水作为热源来构建发电系统，但这也为以太阳能加热水为热源构建LNG低温冷能发电系统提供了可能［1］。

山东省淄博市位于北纬35°56′～37°18′、东经117°32′～118°3l′之间，属于半温润，半干旱的大陆性气候；四季分明，年平均气温为12.3～13.1℃，年平均无霜期为180～220 d，年平均日照时数为2 542～2 832 h，晴天平均日照时间为8.5 h，年平均太阳辐射总量为4 704～5 460 MJ／m2，具有比较丰富的太阳能资源，地下水温度为10～15℃。这为建立以太阳能热水系统为热源的LNG低温冷能发电系统提供了前提条件。

2 系统流程

山东淄博LNG卫星站设计日供气量12×104m3，卫星站内有12台立式储罐，单台容积为106 m3，站内有8台空浴式气化器，气化能力为1 500 kg／h，LNG储罐储存压力为0.3 MPa，储存温度为－146℃，外输管网输气压力为0.6 MPa，输气温度为5～10℃［2］。基于太阳能加热水为高温热源，输出LNG为低温热源的冷能发电系统基本工艺流程如图1所示。

以太阳能为热源的热水循环系统由太阳能集热器、智能控制循环系统、备用电加热器、管路连接系统、水箱、支架等组成。由于系统受用户用气量的变化和天气变化的影响，当水温不符合热力循环的要求时，系统使用电加热方式来补充热量以保证热水供应持续［3］。

图1 以太阳能为热源的LNG卫星站冷能发电系统流程图

循环中液态工质经工质泵加压后送入蒸发器，吸收循环热水提供的热量并蒸发，气态工质进入汽轮机1，在汽轮机1内膨胀到冷凝压力后进入冷凝器，在冷凝器内被逆向流动的LNG冷凝为液态，最后进入工质泵，完成一个热力循环，通过汽轮机对外做功进行发电［4］。

被LNG泵加压到3.0 MPa后的LNG为热力循环的工质提供冷量后被气化为气态天然气，但此时的气态天然气温度仍然低于－40℃，仍具有相当可观的冷量，再使气态天然气进入水浴气化器为气化站内的中央空调提供冷冻水。当下游用户用气量处于高峰且LNG的流量已经超过了热力循环系统所需要的冷能时，可以通过旁通流量阀来调节LNG进入冷凝器的流量。经过水浴气化器加热后的天然气冷能已消耗殆尽，但经LNG泵加压到3.0 MPa的天然气仍然具有相当的压力能，再使天然气经过汽轮机对外做功，完成LNG冷能的多级利用。膨胀到0.6 MPa后的天然气再经过空温式气化器加热到5～10℃后输送至外输管网［5－6］。

3 系统参数设计与发电量计算

3.1 系统参数设计

3.1.1 LNG在冷凝器中进出口温度的设计

上述热力循环系统的建立是以LNG进出冷凝器温度为确定值的前提下确定的，因此当LNG进出冷凝器温度确定后，工质的冷凝温度便已经确定。由于LNG在不同的压力下具有不同数量的冷火用，且冷火用在各个温度区间的分布也不同，所以LNG在冷凝器进出口的温度对于LNG冷火用的利用率有直接的影响。上海交通大学杨红昌在他的硕士论文中对LNG在不同压力下LNG冷火用随温度的分布进行了总结，如表1所示。

在忽略LNG成分影响的情况下，由表1可知在3.0 MPa下，LNG的冷火用主要集中在－162～－43℃，占总冷火用的95.98%，因此为了充分降低LNG的冷火用损失，在上述发电系统流程中3.0 MPa下的LNG在冷凝器的进出口温度应选择－146℃／－43℃［7］。

3.1.2 工质冷凝温度的设计

表1 不同压力下LNG气化过程中冷火用随温度的分布表

当LNG在冷凝器进出口温度确定的情况下，由卡诺定理可知工质的冷凝温度越低，则循环效率越高，因此冷凝器中最小传热温差越小越好，但是减小传热温差会导致冷凝器换热面积增加，低温工程中相关的大量文献推荐最小传热温差采用3～5℃。本设计中选取最小传热温差σt为5℃，则工质的冷凝温度便确定为－38℃。本设计选取R1270（丙烯）为循环工质（丙烯的沸点为－47.72℃，临界温度为91.6℃，临界压力为4.55 MPa）。此时R1270的冷凝压力为152.5 k Pa。

3.1.3 太阳能集热器进出口水温的设计

设计太阳能集热器出口点3的温度为t3＝45℃，蒸发器出口点1的温度取当地全年平均水温为t1＝17.5℃。

3.1.4 工质蒸发温度的设计

由于受太阳能热水源的限制，如最小温差仍取5℃，则蒸发温度可取为杨红昌在硕士论文中提出的最佳蒸发温度23.6℃，此时工质R1270的蒸发压力为780.6 kPa。

3.1.5 LNG与工质流量的设计

设计卫星站内LNG气化量为1 500 kg／h，按每天平均工作8.5 h计算，则供气量约1.77×104m3／d，可满足0.5万～1.0万户的用气需求量。

冷凝器内的热平衡方程为：

式中γ1表示工质丙烯在－38℃时的冷凝潜热，419.96 kJ／kg；qR表示工质的质量流量，kg／h；qLNG表示LNG的质量流量，kg／h；QLNG1表示1 kg LNG提供给工质的冷量，650 kJ／kg。

代入数据得工质的质量流量qR＝2 321.6 kg／h。

3.1.6 太阳能集热器面积的确定

蒸发器内的热平衡方程为：

式中cp表示液态丙烯比定压热容，5.524 kJ／（kg· K）；ΔtR表示工质从工质泵出口到饱和温度的温度差，℃；γ2表示工质丙烯在23.6℃时的气化潜热，364.62 kJ／kg；q热水表示循环热水的质量流量，kg／h；c热水表示循环热水的比热容，kJ／（kg·K）；Δt热水表示循环热水的温降，℃。

ΔtR一般为20℃，代入数据得循环热水的质量流量q热水＝9 549.7 kg／h。

循环热水需要提供的热量为9 549.7×4.2×（45－17.5）＝1 102.9 MJ／h，设太阳能集热面积为A，太阳能集热效率为90%［4］，循环热水吸收90%的热量，当地年平均太阳辐射总量为4 704～5 460 MJ／m2，取5 000 MJ／m2，晴天平均日照时间为8.5 h，则每小时每平方米地面接收的太阳辐射量为5 000／（365×8.5）＝1 611 603.5 J／（h·m2），由1 611 603.5×A×90% ×90%＝1 102.9×106得A＝845 m2。当遇到恶劣天气而靠太阳能集热器不能为循环热水提供足够热量时，需要开启备用电加热器来补充热量。

3.1.7 冷冻水质量流量的确定

冷冻水制备系统中，考虑5℃的管路损失，设计冷冻水进口和出口温度分别为17.5℃和5℃。水浴汽化器中的热平衡方程为：

式中c水表示冷冻水的比定压热容，kJ／（kg·K）；q水表示冷冻水的质量流量，kg／h；Δt水表示冷冻水进出水浴气化器的温差，℃；QLNG2表示1 kg LNG提供给冷冻水的冷量，230 kJ／kg。

代入数据计算得q水＝4 693.9 kg／h。

3.2 系统发电量计算

假设汽轮机内部相对效率为90%，发电机机械效率为80%，忽略换热器的压损及管道损失。以下计算功量均以1 h为标准。

3.2.1 汽轮机1对外理论做功的计算

汽轮机1对外理论做功为：

式中Wt1表示汽轮机1对外做功，k W·h；h3、h4分别表示汽轮机1进﹑出口处工质的焓值，kJ／kg。

代入数据计算得Wt1＝95.6 k W·h。

3.2.2 汽轮机2对外理论做功的计算

汽轮机2对外理论做功为：

式中Wt2表示汽轮机2对外做功，k W·h；hL4、hL5分别表示汽轮机2进﹑出口处气态天然气的焓值，kJ／kg。

代入数据计算得Wt2＝47.2 k W·h。

3.2.3 系统循环净发电量的计算

系统理论循环净功为：

式中Wnet表示系统理论循环净功，k W·h；Wp水、WpR、WpLNG分别表示水泵﹑工质泵﹑LNG泵的功耗，k W ·h。

根据使用经验，对于10 m3／h流量的水泵功率约为3 k W，则Wp水＝3 k W·h，根据流量比例对应的WpR＝1 k W·h，LNG出液泵功率根据LNG卫星站使用经验可取为5 k W，即WpLNG＝5 k W·h。

代入数据计算得Wnet＝133.8 k W·h。

因此系统循环净发电量为W净＝133.8×90%× 80%＝96.3（k W·h）。

当遇到恶劣天气而不得已开启备用电加热器时，备用电加热器每小时的功耗不得高于96.3 k W·h，否则该系统就得不偿失，无经济性可言。

3.3 能量回收效率分析

3.3.1 以每小时循环热水提供的热量为计算标准

每小时循环热水提供的热量为1 102.9 MJ，即306.36 k W·h，则单纯的热力循环的热效率为：

系统的总效率为：

这样的能量利用效率在实际工程应用中还是相当可观的。

4 系统经济环保性分析

该系统需要面积庞大的太阳能集热器﹑水箱﹑备用电加热器﹑蒸发器﹑冷凝器﹑汽轮机以及各种类型的泵和配套的管路系统，一次投入成本较高，需要120万元左右。这在LNG市场初步发展阶段建立LNG卫星站时是需要谨慎考虑的。然而它带来的经济效益和节能环保效果是相当可观的。

由以上计算可知，以平均日照时间8.5 h计算，该系统在正常情况下日平均可以得到超过800 k W·h的电能，一年之中考虑1个月的恶劣天气所带来的影响，则年均可以生产超过27×104k W·h的电能，折算成当前的电价年均可带来超过30万元的经济效益。该系统还节约了气化LNG所需的燃料。若以原煤﹑焦炭或者天然气为燃料，经计算该系统年均可以节约6～8万元的燃料费。因此，约3年即可回收投资，经济效益显著。

另外，该系统年均还可以减少因燃烧煤炭而带来的400～1 000 kg的SO2排放量，可以减少因燃烧煤炭或天然气而带来的56～146 t的CO2排放量。无论从节能还是环保角度来说都是难能可贵的［8］。

5 结论

LNG蕴藏大量可用冷能。本设计以太阳能为高温热源，LNG为低温热源构建了热力循环，回收LNG冷能的同时也充分利用了人类取之不尽用之不竭的太阳能，可谓实现了节能、环保、增效的“三赢”。

1）利用LNG卫星站现有客观条件具备建立上述热力循环的可行性。

2）系统日均发电量超过800 k W·h，能量利用效率可观，超过了30%，符合工程实际。

3）系统回收投资时间短，经济效益显著。

4）利用可能被浪费掉的LNG冷能和免费使用的太阳能，不仅省去了运行费用，还对节能环保做出了贡献，倡导了节能环保型社会的发展。

［1］刘新领.液化天然气供气站的建设［J］.煤气与热力，2002，22（1）：35－36.

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［3］赵耀华，邹飞龙，刁彦华.新型平板热管式太阳能集热技术［J］.工程热物理学报，2010，31（12）：2061－2064.

［4］熊涛，何美凤.光热转换材料及太阳能热水器的现状和发展方向［J］.材料导报，2010，24（10）：57－60.

［5］程文龙，陈则韶，胡芃.电站中液化天然气可用冷能的回收利用［J］.工程热物理学报，2001，22（2）：148－150.

［6］徐文东，边海军，樊栓狮，等.LNG卫星气化站冷能利用技术［J］.天然气工业，2009，29（5）：112－114.

［7］杨红昌.液化天然气（LNG）冷能发电系统的优化研究［D］.北京：北京工业大学，2010.

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Cold energy power generation system at LNG satellite stations with solar energy as a high temperature heat source

Sun Xianhang，Chen Baodong，Wang Lei，Song Shixiang，Ma Yue，Zhang Guojun
（School of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun，Liaoning 113001，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 10，pp.103－106，10／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

It is a hot topic at present about how to take good advantage of the LNG cold energy.In view of this，a study was carried out of the method for exploring the use of LNG cold energy at LNG satellite stations as well as the involved technical process.Therefore，in the case study of the Zibo LNG satellite station in Shandong province，where the daily gas supply volume reaches 12×104m3，a power generation system with a thermodynamic cycle，in which the solar energy hot water is taken as a high－temperature heat source while the liquid medium from the LNG storage tank as a low－temperature source.Then，the technical parameters of this system are designed and its daily net generation and energy efficiency are also calculated.On this basis，the economy and environmental benefit of this system are analyzed.The following results are achieved in this case study.The energy utilization rate is over 30%，which agrees well with the actual engineering practices；the annual power generation reaches 27×104k W·h，which brings about economic benefit of about RMB 300 thousand Yuan each year.Besides，about RMB 60－80 thousand Yuan each year can be saved from the fuel consumption for LNG gasification；about 400－1000 kg of SO2and 60－80 tons of CO2emission from coal and natural gas combustion can be reduced each year.In this way，three goals of energy saving，environmental protection and profit enhancement can be achieved.

LNG satellite station，LNG cold energy utilization，solar energy，high－temperature heat source，low－temperature heat source，power generation system，Shandong，Zibo

孙宪航等.以太阳能为高温热源的LNG卫星站冷能发电系统.天然气工业，2012，32（10）：103－106.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.025

孙宪航，1987年生，硕士研究生；主要研究方向为LNG卫星站优化设计。地址：（113001）辽宁省抚顺市望花区辽宁石油化工大学。电话：15141311696。E－mail：sxh19871124＠163.com

（修改回稿日期 2012－08－14 编辑 居维清）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.025

Sun Xianhang，born in 1987，is studying for an M.Sc.Degree，with his research interest in optimal design of LNG satellite stations.

Add：Wanghua District，Fushun，Liaoning 113001，P.R.China

E－mail：sxh19871124＠163.com