基于无油螺杆膨胀机的LNG冷能发电系统的试验验证

基于无油螺杆膨胀机的LNG冷能发电系统的试验验证
刁安娜
【摘要】液化天然气中蕴含着大量的冷能,采用低温朗肯循环法对冷能进行回收,是LNG冷能发电工艺研究的趋势.对低温朗肯循环法LNG冷能回收发电系统的过程进行了理论分析,分析结果表明:冷凝器的损失最大,其占整个系统损失的比例为85.57％.这是因为冷源LNG的温度非常低,可用的冷量非常大,冷凝器设计的换热面积偏小,LNG在冷凝器中没有进行充分的换热,最后仍然以很低的温度流出冷凝器,其大量的冷量没有得到充分利用,导致了严重的损失,因此,建议后续研究采用多级分段回收利用,提高冷回收率.在此基础上,还开展了基于无油螺杆膨胀驱动机的LNG 冷能发电系统的试验研究,试验结果表明:利用LNG通过动力循环气化带动无油螺杆膨胀机做功发电,系统简单,可靠性高,热力性能稳定,变工况适应能力强,是一种值得推广的应用方式.
【期刊名称】《压缩机技术》
【年(卷),期】2018(000)002
【总页数】5页(P24-28)
【关键词】LNG;冷能发电;朗肯循环法;无油螺杆膨胀机
【作者】刁安娜
【作者单位】中国船舶重工集团公司第七一一研究所,上海 201108
【正文语种】中文
【中图分类】TH455
1 引言
液化天然气中蕴含着大量的冷能，每千克LNG可释放出83010～89010的能量。

这部分能量可进行回收，用于国民经济发展的各个领域。

LNG冷能的利用方式有
制取冷库、发电、蓄冷、液化二氧化碳、干冰、低温破碎和粉碎、冷冻食品、空气分离、水和污染处理等。

关于液化天然气冷能回收的研究，之前的学者已经做了很多工作[1-4]。

液化天然气（LNG）冷能发电主要有3种方式：（1）直接膨胀发电；（2）LNG
低温朗肯循环发电；（3）LNG低温Brayton法发电。

低温朗肯循环法工艺简单，选用合适的工质对冷能进行回收，实现冷能的高效利用，投资少，是LNG冷能发电工艺研究的趋势。

本文主要研究的是低温朗肯循环法液化天然气冷能回收发电系统，其原理是：利用LNG通过动力循环气化带动无油螺杆膨胀机做功发电。

以往的研究主要集中在系统流程的改进，热电转换效率的分析，重在过程的理论分析等，试验研究较少，试验数据缺乏，同时对流程中原动机的分析资料更少，为了进一步验证该热力系统的可行性，本文重点开展了基于无油螺杆膨胀驱动机的LNG冷能发电系统的试验研究，分别从LNG低温朗肯循环发电系统、螺杆膨胀机结构特点、试验台介绍、数据分析4个方面进行介绍。

2 低温朗肯循环LNG冷能发电系统
低温朗肯循环LNG冷能发电系统是将LNG的气化过程和朗肯循环发电结合起来。

如图1所示，LNG通过冷凝器将冷能传递给循环工质，经过工质泵加压后进入预
热器和蒸发器和热源（通常是海水，本文试验中为热水）换热，换热后变为高温高压的气体，之后进入螺杆机膨胀做功，带动原动机发电。

完成整个朗肯循环，实现热电转换。

图1 低温朗肯循环法LNG冷能回收发电系统
对该低温朗肯循环系统建立仿真模型时，应用热物性方程及能量、质量守恒等控制方程来描述系统各个部件的运行特性。

在不计各设备连接管道的阻力，工质节流过程中的焓降，以及忽略管道热损失的情况下，列出了计算该模型稳态运行时的主要方程：
质量守恒方程
能量守恒方程
系统热效率
部件效率
系统效率
在对循环系统性能的理论分析中，系统各个部件的控制方程如表1所示。

此外，分析对于衡量系统可用能的利用程度具有非常重要的意义，可以指导和明确循环系统改进的方向。

对于状态点i的值为
Ex，i=mi[（hi-h0）-T0（si-s0）]
对于稳流开系，热力过程的损失为
表1 各部件的控制方程部件主要控制方程蒸发器 Qevap=CWmW（t7-t8）Qevap=mR（h1-h5）预热器 Qpre=CWmW（t8-t9）Qpre=mR（h5-h4）螺杆膨胀机 Wscrew=mR（h1-h2）ηjscrew=（h1-h2）/（h1-h2s）冷凝器
Qcond=mR（h2-h3）Qcond=mN（h12-h13）工质泵Wp，R=100mRv3（P4-P3）/ηp，R
表2 各部件损失部件控制方程蒸发器Ievap=∑Ein，evap-∑Eout，evap预热器Ipre=∑Ein，pre-∑Eout，pre螺杆膨胀机 Iscrew=E1-E2-Wscrew冷凝器
Is crew=∑Ein，cond-∑Eout，cond工质泵 Ip，R=Wp，R-（E4-E3）热水泵Ip，W=Wp，W-（E4-E3）LNG 泵 Ip，N=Wp，N-（E10-E11）
I=Ex，in-Ex，out
=（Hin-Hout）-T0（Sin-Sout）
式中Ex，in——进入系统的
Ex，out——流出系统的
0——环境状态
对各部件的损失见表2。

3 无油螺杆膨胀机结构特点
无油螺杆膨胀机是LNG冷能发电系统中的驱动设备，其机械性能的稳定性决定了系统的成败。

基于无油螺杆膨胀机的LNG冷能发电系统具有以下特点：
（1）不怕带液，省去入口分离器和出口除湿，系统大大简化；
（2）螺杆膨胀机转速较低，密封系统简单易选，轴承寿命有保障；
（3）螺杆机具有较强的变工况适应能力，稳定性好。

基于以上特点，在LNG低温朗肯循环中采用无油螺杆膨胀机，大大简化了系统，提高的机组的可高性，减少了易损件。

4 试验系统介绍
液化天然气（LNG）接收及加注站位于舟山本岛海边，在利用LNG冷能和环境海水热能上具有天然的优势。

ORC（Organic Rankine Cycle，有机朗肯循环）作为
一项利用冷、热源间的温差将热能转换成机械能的技术，非常适用于利用LNG和海水间的温差进行发电。

为了验证上述技术的可行性，设计并搭建了一套试验平台，对设备及系统的性能进行深入的理论分析和试验研究。

试验台系统流程如图2所示，系统基本工作原理为：储液罐中的液态有机工质
（丙烷）通过工质泵输送至蒸发器，在蒸发器中与海水换热，吸热汽化后的气态丙烷进入膨胀机，驱动膨胀机并带动发电机对外发电，膨胀后的丙烷气体进入冷凝器中与LNG换热，被冷凝成液态回到储液罐，形成一个封闭循环。

图2 （a）试验系统流程图
图2 （b）试验系统照片
热源为燃气锅炉提供的热水，冷源为LNG。

系统选用无油双螺杆膨胀机作为驱动机，额定转速1500 r/min，设计进气压力0.28 MPa（A），进气温度30℃，介
质气流量751 Nm3/h，额定发电量15 kW，有机工质为丙烷。

试验台各测点如图2（a）所示。

4.1 性能测试流程
测试系统开车前应完成润滑油系统的准备及清洗、设备管路检查及电气仪表的联校、系统气密性检查及系统真空试验，之后再完成丙烷充注。

上述准备工作结束后，系统可转入启动膨胀机阶段。

4.2 试验步骤
（1）启动润滑油冷却水泵，建立润滑油冷却系统；
（2）启动油泵，调节润滑油总管油压约0.5 MPa（G），进、排端轴承油压为
0.3 MPa（G），机封压力0.3 MPa（G），平衡盘油压为0.1 MPa（G），同步
齿轮油压为0.2 MPa（G）；
（3）打开冷凝器侧LNG供给管线阀门，冷源投入工作；
（4）开启工质泵，工质泵通过旁通副线进行自循环；
（5）逐渐开启热源调节阀，使热源热水进入蒸发器；
（6）通过蒸发压力，调节工质泵副线，使进入蒸发器的有机工质流量与热源流量匹配；
（7）蒸发的气态有机工质先通过螺杆膨胀机旁通管线进行系统的自循环；
（8）当蒸发压力达到一定程度，开启膨胀机进口切断阀，逐渐打开膨胀机进口调节阀，膨胀机实现冲转并不断升速；
（9）当转速升至并网转速，系统自动并网，系统自动切换成功率控制模式，膨胀机进口调节阀以要求的发电量为控制目标，自动调节开度，直至达到额定发电量；（10）系统稳定运行后，对系统各测点的运行数据进行记录。

5 结果分析
试验系统在额定工况下的运行数据如表3所示。

根据表3的运行数据进行计算，系统各部件的损失、效率、损失比例、损失系数及系统热效率如表4所示。

表3 循环发电系统各状态点参数值状态点E p T h s e/MPa（A）/kJ·kg-1 kJ/（kg·k）/kJ·kg-1/kW 1 0.36 38.4 450.27 2.67 327.86 133.43 2 0.09 18.9 423.83 2.84 249.76 101.65 3 0.08 -46.5 90.44 0.56 398.81 162.32 4 0.41 -46.0 -109.24 0.57 399.02 162.40 5 0.38 -7.0 182.67 0.94 379.98 154.65 6 0.10 90.0 376.99 1.19 184.68 513.04 7 0.30 90.1 377.28 1.19 184.87 513.57 8 0.29 73.5 307.76 1.00 173.77 482.73 9 0.27 70.3 294.36 0.96 171.94 477.65 10 0.25 -150 -635.9 0.34 1731.6 722.08 11 0.50 -149 -635.2 0.37 1727.6 720.41 12 0.49 -134 -112.8 4.16 1107.10 461.66/℃
表4 循环发电系统分析计算结果热效率%蒸发器 9.62 68.79 4.16 3.95 /预热器2.67 65.60 1.15 1.09 /膨胀机 19.79 37.75 8.55 8.13 /冷凝器 198.09
23.44 85.57 81.36 /工质泵 0.37 18.58 0.16 0.15 /海水泵 0.61 46.30
0.26 0.25 /LNG泵 0.33 83.40 0.14 0.14 /整个系统 231.48 4.93 100 95.07 5.15部件损失kW 效率%损失占比%损系数%
由表4可知，系统所有部件之中，冷凝器的损失最大，为198.09 kW，其占整个
系统损失的比例为85.57%。

这是因为冷源LNG的温度非常低，可用的冷量非常大，冷凝器设计的换热面积偏小，LNG在冷凝器中没有进行充分的换热，最后仍
然以很低的温度流出冷凝器，其大量的冷量没有得到充分利用，而是被排放掉了，导致了严重的损失。

LNG冷能发电系统的流情况如图3所示，各部件的损情况依次为：冷凝器
81.27%，膨胀机8.13%，蒸发器3.95%，预热器1.09%，其他部件0.63%，最
后系统输出4.93%的电。

通过实验，采集了系统的相关参数，整理出循环介质丙烷的流量与实际发电功率如图4所示。

从运行数据可以看出，LNG通过换热器将冷量传输给ORC系统，闭式循环运行工况稳定，系统配置合理，热力系统热电转换方式可行。

螺杆膨胀动力驱动主机的效率如图5所示。

从运行数据可以看出，无油螺杆膨胀动力机适应流量波动工况，是余热回收中高效稳定的机组。

图3 LNG冷能发电系统流图
图4 实际发电功率曲线
图5 螺杆膨胀动力机等熵效率曲线
6 结论
（1）对低温朗肯循环法LNG冷能回收发电系统的各个部件的过程进行理论分析，分析结果表明：冷凝器的损失最大，其占整个系统损失的比例为85.57%。

这是因
为冷源LNG的温度非常低，可用的冷量非常大，冷凝器设计的换热面积偏小，LNG在冷凝器中没有进行充分的换热，最后仍然以很低的温度流出冷凝器，其大量的冷量没有得到充分利用，导致了严重的损失，因此，建议后续研究采用多级分段回收利用，提高冷回收率。

（2）通过实验验证，LNG通过换热器将冷量传输给ORC系统，闭式循环运行工况稳定，系统配置合理，热力系统热电转换方式可行。

（3）通过实验验证，无油螺杆膨胀动力机适应流量波动工况，是余热回收中高效稳定的机组之一。

参考文献：
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