耦合天然气压力能的新型三联供系统构建及分析
时间：2022-12-05 21:45:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王登亮，舒 雯，张书凯，汪泽奇，冯明杰
（1.东北大学 冶金学院，沈阳 110819；
2.抚顺市国际工程咨询集团有限公司，辽宁 抚顺 113001）
能源和环境问题是21世纪全球的两大难题.随着世界人口的不断增长，人类对能源的需求量越来越大，这导致化石燃料逐渐枯竭，同时化石燃料的大量使用也会增加CO2的排放量.其中，传统火力发电厂CO2排放量的占比超过了40%，而发电效率却只有30%左右[1].与此相比，冷热电联供（combined cooling heating and power，CCHp）系统可实现能量的多级利用，一次能源利用率达到80%以上.这不仅提高了系统的经济性和环保性，而且能够同时满足用户的冷、热、电需求.因此，冷热电联供系统具有很好的发展前景[2-4].
目前，已有很多学者对传统的天然气冷热电联供系统进行了研究.蒋润花等[5]分析了天然气冷热电联供系统在“以电定冷”和“以冷定电”的两种运行方式下的性能.杨承等[6]提出了天然气冷热电联供系统的热经济分析模型，讨论了压气机压比、透平进气温度等参数对系统性能的影响.张世翔等[7]通过比较分析天然气冷热电联供系统和冷热电分供系统的节煤量、大气污染物排放性能和噪声污染3个指标，验证了天然气冷热电联供系统的优势.此外，还有学者提出了新型的耦合其他可再生能源的CCHp系统.Huang等[8]提出了将生物质作为燃料的冷热电联供系统，并分析了不同的生物质原料对系统性能的影响.任福康等[9]提出了耦合太阳能和地热能的冷热电联供系统，采用遗传算法对系统运行进行多目标优化求解.严毅等[10]提出了一种耦合压缩空气储能的冷热电联供系统，使用不同运行策略对系统进行优化，得出系统的最佳运行方式.但到目前为止，关于耦合天然气压力能的冷热电联供系统的研究并不多.有学者发现，高压天然气蕴藏着巨大的压力能和冷能.在常规的冷热电三联供系统中，高压天然气经高压管道输送到调压站降压后进入城市燃气管网，在降压过程中不仅会损失大量的压力能，同时还需要使用外部热源去加热天然气，导致大量冷能被白白浪费[11-13].为了充分利用高压天然气的压力能和冷能，本文中提出了一种新型的冷热电三联供系统，利用透平膨胀机将天然气的压力能转化为机械能，带动发电机做功发电，利用供冷换热器提取天然气降压后的冷能制取冷水，为用户提供冷能，以期提高整个系统的能源利用率.
1.1 物理模型
本文提出的新型CCHp系统如图1所示（为了便于比较，图1也示出了常规联供系统）.新型联供系统主要由天然气压力能利用设备、燃气轮机、双效LiBr吸收式制冷机组和烟气热水换热器等热工设备组成.与常规的CCHp系统相比，增加了天然气压力能利用设备（透平膨胀机和天然气供冷换热器）.在新型CCHp系统中，天然气从状态点NG输入后，依次进入透平膨胀机和天然气供冷换热器，然后与空气一起进入燃烧室燃烧.而在常规冷热电联供系统中，经等熵膨胀的天然气从状态点2输入，直接与空气一起进入燃烧室燃烧.透平膨胀机和燃气轮机为用户提供电负荷，天然气供冷换热器和双效LiBr吸收式制冷机组为用户提供冷负荷，烟气热水换热器为用户提供热负荷.双效LiBr吸收式制冷机组在文献[14]的基础上进行了改进.
图1 新型和常规CCHp系统流程对比图Fig.1 Comparison of novel and conventional CCHp system processes
在新型CCHp系统中，从天然气管网输入的高压天然气先进入透平膨胀机（TE），经膨胀做功发电后，降压的天然气进入供冷换热器（HEATX）制取冷水，再与经空气压缩机（AC）压缩的空气一起送入燃烧室（CC），在燃烧室内燃烧生成高温高压烟气后，送入燃气轮机（GT）膨胀做功发电.做功后的乏气经分流器（SpLIT）分为两部分：一部分进入供暖换热器（HEATX5），为用户生产热水，提供热负荷；
另一部分进入双效LiBr吸收式制冷机组，加热LiBr稀溶液.稀溶液中的部分溶剂在高压发生器（HpG）中汽化产生高温冷剂蒸汽，从而导致溶液浓缩.浓缩后的高温LiBr溶液经高温换热器（HEATX2）降温后，进入低压发生器（LpG），并在低压发生器中被来自高压发生器中的高温冷剂蒸汽加热.此时，溶液中的部分溶剂继续汽化产生低温冷剂蒸汽，溶液也因此继续被浓缩，而后经过低温热交换器（HEATX3）降温，再进入吸收器（ABSORBER）.另外，高压发生器产生的冷剂蒸汽经低压发生器降温后进入冷凝器（CONDEN），而低压发生器产生的冷剂蒸汽直接进入冷凝器，两股冷剂蒸汽在冷凝器中冷凝成低温制冷剂.低温制冷剂经节流阀（VALVE）降压后，进入蒸发器（EVApOR）中低压蒸发.由于吸收器中的LiBr浓溶液吸收了蒸发器中产生的蒸汽被稀释为低温稀溶液，经溶液泵（pUMp）加压后，继续进入发生器完成循环.
1.2 运行参数
系统使用的天然气成分（摩尔分数）为CH4（87.08%），C2H6（7.83%），C3H8（2.94%），N2（1.47%），CO2（0.68%），低位热值为48.686 MJ／kg.设计工况下系统的主要运行参数如表1所列.
表1 系统主要运行参数Table 1 Main operating parameters of the system
采用Aspen plus11.0平台进行模拟，并提出以下假设：系统运行处于稳定状态；
燃料完全燃烧；
发生器和冷凝器的工作压力相同；
不考虑LiBr吸收式制冷机各部件的压降和热量损失；
将吸收器内的LiBr稀溶液和发生器内的LiBr浓溶液都视为饱和溶液；
将吸收器内溶液的吸收和冷却分开模拟[14].
为了应对复杂的模拟环境，Aspen plus11.0提供了多种物性计算方法以供选择.对于发电子系统中的天然气和燃烧产物，物性计算方法一般使用pENG-ROB和pR-BM.pENG-ROB使用标准的peng-Robinson立方型状态方程计算液体摩尔体积之外的所有热力学性质，适用于高温、高压非极性或弱极性混合物的计算；
pR-BM使用Boston-Mathias温度函数，可应用于所有温度、压力范围内的非极性或弱极性混合物计算.在本文的计算中，采用pR-BM的物性计算方法[11].对于LiBr吸收式制冷子系统，由于LiBr溶液中含有带电粒子，因此采用通用的电解质溶液物性方法ELECNRTL进行计算.系统中使用的单元模块如表2所列.
表2 系统中使用的单元模块Table 2 Unit modules used in the system
2.1 基于天然气发热量的系统能源利用效率
系统能源利用效率用式（1）来计算：
式中：ηf为系统一次能源利用效率，%；
WE为系统发电量，kW；
QC为系统制冷量，kW；
QH为系统制热量，kW；
Mf为系统一次能源（天然气）输入量，kg；
LHV为燃料（天然气）的低位发热量，MJ／kg.
双效LiBr吸收式制冷系数为
式中：COp为双效LiBr吸收式机组的制冷系数；
QC，LiBr为双效 LiBr吸收式机组的制冷量，kW；
Qfg为进入机组烟气所携带的热量，kW.
2.2 系统效率
式中：Trw，out为冷媒水出口温度，K；
Th，out为热水出口温度，K；
Eng为输入天然气的值，kW；
T0为环境温度，取293K.
式中：Exch为输入燃料的化学，kW；
Exph是输入燃料的物理，kW；
a，b分别为输入燃料 CaHb的下标；
hin，hout分别为物流进出口比焓，kJ／kg；
sin，sout分别为物流进出口的比熵，kJ／（kg·K）.
式中：cp为天然气的比定压热容，取值为2.223 kJ／（kg·K）.
式中：R为 CH4的摩尔气体常数，取0.518 kJ／（kg·K），p1为天然气输入压力，Mpa；
p2为天然气降压后的压力，Mpa.
表3 系统主要部件的损和效率计算数学模型Table 3 Mathematical model of exergy loss and exergy efficiency
表3 系统主要部件的损和效率计算数学模型Table 3 Mathematical model of exergy loss and exergy efficiency
设备名称images/BZ_79_991_2046_1025_2080.png损images/BZ_79_1768_2046_1802_2080.png效 率空气压缩机 ExD，AC＝ExAIR-Ex3+WAC λAC＝ExAIR-Ex3 WAC透平膨胀机 ExD，TE ＝Exp，NG-Ex1-WTE λTE＝ WTE ExNG-Ex1供冷换热器 ExD，HEATX ＝ ∑Exout HEATX Exin-∑HEATX λHEATX＝Ex31-Ex30 Ex1-Ex2燃烧室 ExD，CC ＝Ex2+Ex3-Ex5+Exch，NG λCC＝ Ex5 Ex2+Ex3+Exch，NG燃气轮机 ExD，GT＝Ex5-Ex6-WGT λGT＝ WGT Ex5-Ex6供暖换热器 ExD，HEATX5＝ ∑HEATX5 Exin-∑HEATX5 Exout λHEATX5＝Ex33-Ex32 Ex7-Ex8吸收式制冷机组 ExD，LiBr＝ ∑LiBrExin-∑LiBrExout λLiBr＝Ex38-Ex37 Ex9-Ex10
3.1 高压天然气热力分析
当环境温度为25℃、环境压力为0.1 Mpa时，单位质量的天然气在不同压力下所具有的压力如图2所示.当天然气的输气压力为10 Mpa时，不同出口压力下单位质量的天然气通过透平膨胀机所产生的机械功和冷如图3所示.从图3中可以看出，透平膨胀机出口压力越小，获得的机械功和冷越多，且相同条件下获得的机械功大于冷.在本系统内，天然气输气压力为5 Mpa，单位质量天然气所具有的压力为 185.85 kJ／kg，经透平膨胀机等熵膨胀至1.5 Mpa后，获得的机械功和冷分别为 94.61，30.85 kJ／kg.
图2 单位质量天然气在不同压力下的压力Fig.2 pressure exergy of 1 kg natural gas under different pressures
图3 单位质量天然气可产生的机械功和冷Fig.3 Mechanical work and cold exergy generated by 1 kg of natural gas
当单位质量的管道天然气经过透平膨胀机时，发电量与进、出口压力的关系如图4所示.从图中可以看出，当出口压力一定时，透平膨胀机的发电量随着进出口压差的增大而增大，尤其是在高入口压力下，这种变化更加明显.
图4 透平膨胀机发电量与进、出口压力之间的关系Fig.4 Relationship between power output of turbo expander and inlet and outlet pressure
当单位质量的管道天然气经过透平膨胀机时，发电量与进口压力、进气温度的关系如图5所示.从图中可以看出，在其余参数一致时，进口温度越高，单位质量的天然气通过透平膨胀机时可产生的电就越多.主要原因是进口温度的升高使得天然气的温度也增大，天然气的做功能力也随之增大.
图5 透平膨胀机进口压力和进口温度与发电量之间的关系Fig.5 Relationship between intlet pressure of turbo expander and inlet temperature and power generation
3.2 系统模拟结果及分析
表4 系统各主要部件的值Table 4 Exergy values of major components of the system
表4 系统各主要部件的值Table 4 Exergy values of major components of the system
部件 输入images/BZ_81_655_1160_689_1194.png输出images/BZ_81_814_1160_849_1194.pngimages/BZ_81_918_1160_952_1194.png损images/BZ_81_1059_1160_1093_1194.png效率kW %空气压缩机 14 745.9 13 803 942.9 93.6透平膨胀机 425.651 411.5 14.15 85.6供冷换热器 336.7 302.7 34 24燃烧室 55 755.11 42 227.3 13 527.81 75.7燃气轮机 42 227.3 40 359.7 1 867.6 93.7烟气热水换热器 6 313.47 1 711.98 4 601.49 20.4吸收式制冷机 6 513.16 1 464.4 5 048.75 24.64
图6 系统中主要设备的损占系统总损的比例Fig.6 Ratio of exergy loss of main equipment to the total exergy loss of the system
图7 系统中主要设备的效率Fig.7 Exergy efficiency of main equipment in the system
图8 两种系统的性能对比Fig.8 performance comparison of two systems
表5列出了设计工况下的系统输入量、输出量和性能指标.从表中可以看出，在设计工况下，系统的总发电量为13 271.8 kW，总制热量为10 884.4 kW，总制冷量为13 940.58 kW.由于采用了双效LiBr吸收式制冷机组，制冷系数可以达到1.27；
天然气发热量的系统一次能源利用效率可以达到93%，系统的效率可以达到36.1%.而常规CCHp系统的一次能源利用效率为88.3%，效率为33.5%.由此可见，新型系统的性能明显优于常规系统.
表5 设计工况下系统的输入量、输出量和性能指标Table 5 Input，output and performance index of the system under design condition
（1）本研究提出了一种耦合天然气压力能的新型CCHp系统模型，不仅能利用天然气的压力能发电，而且能利用天然气膨胀后的冷能制取冷水.与常规CCHp系统相比，可进一步实现能量的梯级利用，提高了系统的整体能源利用率.
（2）管道输送的高压天然气蕴藏着巨大的压力能.当单位质量天然气为5 Mpa时，所具有的压力为185.85 kJ／kg；
经透平膨胀机等熵膨胀至1.5 Mpa时，可获得机械功和冷分别为94.61，30.85 kJ／kg.
（4）与常规CCHp系统相比，新型CCHp系统仅增加了透平膨胀机和供冷换热器，但天然气热值的一次能源利用效率可提高4.7%，效率可提高2.6%.
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