趙慶軒 譚宏博 孫楠楠 厲彥忠

(西安交通大學(xué)制冷與低溫系 西安 710049)

一種新型L-CNG加注站的能量綜合回收系統(tǒng)

趙慶軒 譚宏博 孫楠楠 厲彥忠

(西安交通大學(xué)制冷與低溫系 西安 710049)

分析了傳統(tǒng)L-CNG加注站存在的問(wèn)題，提出了一種新型L-CNG加注站的綜合能量回收系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了熱力學(xué)分析。結(jié)果表明，以加氣量18 000 Nm3/d的加注站為例，新系統(tǒng)能夠節(jié)省傳統(tǒng)系統(tǒng)中的泵功18.73 kW，同時(shí)其效率較傳統(tǒng)系統(tǒng)提高3.61%。在乙烷為工質(zhì)的新系統(tǒng)中，當(dāng)有機(jī)朗肯循環(huán)的蒸發(fā)壓力從1.3 MPa升高到2.3 MPa時(shí)，LNG膨脹機(jī)入口溫度可以從331.6 K降低到298.6 K；此外當(dāng)蒸發(fā)壓力從1.3 MPa升高到2.1 MPa，LNG的汽化壓力可從30.5 MPa降低到21.6 MPa；當(dāng)有機(jī)朗肯循環(huán)的蒸發(fā)壓力為1.7 MPa時(shí)，隨著LNG汽化壓力從22 MPa升高到28 MPa，LNG膨脹機(jī)入口溫度從371.3 K先降到314.5 K，隨后略有上升。研究從理論上證明新型L-CNG加注站的綜合能量回收系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果，同時(shí)可在較寬工作范圍內(nèi)正常運(yùn)行。

L-CNG站 有機(jī)朗肯循環(huán) 能量回收

1 引 言

“十三五”能源規(guī)劃指出，到2020年中國(guó)天然氣供應(yīng)量要達(dá)到4 000億立方，一次能源消費(fèi)占比將上升到10%。為此在北京、上海、長(zhǎng)沙、烏魯木齊、貴陽(yáng)、?？?、三亞、珠海等地開展了液化天然氣(LNG)公交車的推廣，LNG汽車已成為清潔燃料汽車中的重要一員。當(dāng)前LNG加注站的建設(shè)是制約LNG汽車發(fā)展的一個(gè)重要因素，開展建站成本低、運(yùn)行費(fèi)用少、能源利用效率高的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的天然氣加注站系統(tǒng)技術(shù)的研究顯得尤為重要。

L-CNG加注站利用高壓低溫泵將LNG加壓至20—25 MPa后汽化獲得壓縮天然氣(CNG)，可為CNG和LNG汽車加注燃料，其功耗遠(yuǎn)小于壓縮機(jī)直接加壓流程；此外其建站用地少、初投資及運(yùn)行成本低、無(wú)噪聲污染，工藝簡(jiǎn)單且不受天然氣管網(wǎng)的限制。本文將介紹一種新型的L-CNG加注站的綜合能量回收系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行能量分析，并探討多種工況變化情況下的工作范圍。

2 L-CNG加注系統(tǒng)概述

圖1所示為L(zhǎng)-CNG加注站系統(tǒng)的典型流程，LNG經(jīng)往復(fù)式高壓低溫泵(如柱塞泵)加壓至20—25 MPa，在空溫式汽化器中被汽化并復(fù)溫到環(huán)境溫度，之后進(jìn)入CNG緩沖罐，最后經(jīng)過(guò)計(jì)量系統(tǒng)和加注槍為CNG汽車加注燃料。由熱力學(xué)可知，處于同一初壓的液態(tài)工質(zhì)和氣態(tài)工質(zhì)被加壓到相同的終壓，液體所需要的耗功要明顯小于氣體壓縮功。郁永章等人分析了利用兩級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻壓縮機(jī)將進(jìn)氣壓力2 MPa的天然氣壓縮至20 MPa、25 ℃的耗功為314.53 kJ/kg[1]；而利用LNG高壓泵(絕熱效率為0.75)將一個(gè)大氣壓下的LNG加壓至20 MPa的耗功僅需約62.61 kJ/kg。由此可見(jiàn)，L-CNG加氣系統(tǒng)能耗與傳統(tǒng)CNG加注站相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。盡管如此，傳統(tǒng)的L-CNG加注站的低溫高壓泵消耗功仍然是整個(gè)系統(tǒng)最主要部分，以加氣量18 000 Nm3/d[2]的加注站為例(假設(shè)天然氣成分為純甲烷，LNG泵每天工作12小時(shí)計(jì)算)，則泵功率約為18.73 kW。

圖1 L-CNG加注站傳統(tǒng)系統(tǒng)流程圖Fig.1 L-CNG fueling station conventional system flow chart

朗肯循環(huán)中工質(zhì)被泵加壓后在鍋爐中被加熱汽化成高壓蒸汽，經(jīng)余熱回收換熱器過(guò)熱后膨脹做功；在L-CNG加注站中，LNG被加壓并在汽化器中被汽化，這與朗肯循環(huán)的加壓、汽化過(guò)熱過(guò)程相似；此外LNG作為低溫工質(zhì)，蘊(yùn)含著寶貴的低溫冷，在LNG與環(huán)境間建立有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)，可以回收部分LNG冷量?；诖?，利用LNG增壓汽化后膨脹做功并構(gòu)建低溫區(qū)ORC的L-CNG加注站的綜合能量回收系統(tǒng)如圖2所示。LNG經(jīng)高壓泵P1增壓后在換熱器B中被ORC工質(zhì)汽化加熱，之后在余熱回收換熱器C中被工業(yè)余熱加熱，最后在LNG膨脹機(jī)T1中膨脹做功；回收LNG低溫冷的ORC以低沸點(diǎn)的有機(jī)冷媒作為循環(huán)工質(zhì)，冷媒飽和液被工質(zhì)循環(huán)泵P2增壓后在蓄冷換熱器中被環(huán)境溫度下的熱源汽化并過(guò)熱后在工質(zhì)膨脹機(jī)T2中膨脹做功，乏汽在換熱器B中被LNG冷凝后成為飽和液體。該新型L-CNG加氣系統(tǒng)無(wú)需外界輸入能量，利用ORC回收LNG冷量，并回收高壓LNG汽化過(guò)熱后膨脹輸出功，用于驅(qū)動(dòng)LNG高壓泵及ORC的加壓泵。

圖2 L-CNG加注站綜合能量回收系統(tǒng)流程圖B、C、F. 換熱器；P1. LNG加壓泵；P2-工質(zhì)循環(huán)泵；T1、T2. 膨脹機(jī)Fig.2 L-CNG fueling station integrated energy recovery system flow chart

3 新型L-CNG加氣系統(tǒng)分析

對(duì)新流程的能量分析，主要包括從能量守恒角度，對(duì)加氣系統(tǒng)中泵的耗功和膨脹機(jī)輸出功的平衡計(jì)算，確定流程的主要工作參數(shù)，進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，研究變工況條件下綜合能量回收系統(tǒng)的工作范圍。此外，從分析的角度，分析系統(tǒng)各部件的損失和系統(tǒng)效率。

3.1 循環(huán)工質(zhì)選取

ORC工質(zhì)的選取對(duì)L-CNG加氣站的綜合能量回收性能有著重要的影響，除了要考慮系統(tǒng)凈功量、安全性、穩(wěn)定性等通用性原則外，還應(yīng)考慮熱源的溫度與工質(zhì)臨界溫度整體匹配性能，同時(shí)還應(yīng)考慮工質(zhì)在冷凝器中的飽和冷凝壓力不應(yīng)低于常壓，以減少維持真空度而增加的額外投資和運(yùn)行功耗[3]。Drescher U等[4]、Bahaa Saleh等[5]分析了工質(zhì)物性參數(shù)對(duì)ORC系統(tǒng)性能的影響，并給出了不同溫度條件下系統(tǒng)工質(zhì)篩選的基本原則。饒文姬等在比較了R113、R123、乙烯、乙烷等工質(zhì)發(fā)現(xiàn)，乙烷是一種可用于ORC很好的工質(zhì)[6]，其基本性質(zhì)如表1。

表1 乙烷基本性質(zhì)Table 1 Ethane basic properties

采用乙烷作為ORC的工質(zhì)，LNG(假設(shè)其成分為純甲烷)初始狀態(tài)為0.1 MPa、111.4 K的飽和液體；加氣狀態(tài)為20 MPa、298.15 K(環(huán)境溫度)的CNG，各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)均列于表2。其中余熱換熱器C的熱源為60 ℃的熱水，蓄冷換熱器F的熱源為環(huán)境溫度下的乙二醇溶液(乙二醇與水摩爾分?jǐn)?shù)比為0.45：0.55)進(jìn)行計(jì)算，其儲(chǔ)存冷量可用于加注站辦公室的房間供冷。各換熱器端部換熱溫差均取3 K[7]?？紤]泵加壓和膨脹過(guò)程的不可逆性，取泵和膨脹機(jī)的絕熱效率分別為ηP1=ηP2=0.75、ηT1=ηT2=0.85。

表2 系統(tǒng)各狀態(tài)點(diǎn)主要參數(shù)Table 2 Main parameters of each state point in system

3.2 系統(tǒng)的能量分析

圖3所示為新方案的T-S圖，LNG被低溫泵P1從0.1 MPa加壓至1’點(diǎn)，隨后在高壓空溫式汽化器B中等壓汽化并復(fù)溫至2點(diǎn)狀態(tài)，之后在余熱回收換熱器C中被加熱至3點(diǎn)狀態(tài)，最后在膨脹機(jī)T1中膨脹至4’點(diǎn)狀態(tài)。其中1’至2點(diǎn)換熱過(guò)程，LNG釋放冷量與環(huán)境溫度的熱源構(gòu)建ORC輸出功量，圖中陰影部分即為這部分冷量的。則：

泵P1的耗功：WP1=m(h1-h0)/ηP=m(h1’-h0)；

換熱器B換熱量：QB=m(h2-h1’)；

余熱回收換熱器C換熱量：QC=m(h3-h2)；

膨脹機(jī)T1輸出功：WT1=m(h3-h4)ηT=m(h3-h4’)；

在換熱器B中LNG被汽化，ORC工質(zhì)(膨脹后的乏汽)被冷凝成飽和液，設(shè)冷媒汽化潛熱為L(zhǎng)，則循環(huán)工質(zhì)的質(zhì)量：m’=QB/L；

泵P2耗功：WP2=m’(h5-h8)；

蓄冷換熱器的換熱量：QF=m’(h6-h5)；

膨脹機(jī)T2的輸出功：WT2=m’(h7-h6)；

換熱器B：m’(h7-h8)=m’L=QB=m(h2-h1)。

圖3 新型L-CNG加氣系統(tǒng)T-S圖Fig.3 T-S diagram of new L-CNG fueling station system

由于L-CNG加注站輸出壓力為20 MPa的CNG，因此該新方案旨在利用工業(yè)余熱對(duì)高壓天然氣進(jìn)行過(guò)熱，使膨脹機(jī)在高于20 MPa的壓力范圍內(nèi)膨脹做功，此外回收部分LNG低溫做功，輸出功量供LNG加壓泵和ORC中工質(zhì)循環(huán)泵的耗功之用。

在熱平衡計(jì)算的基礎(chǔ)上，需要從熱力學(xué)第二定律的角度對(duì)新流程與傳統(tǒng)方案進(jìn)行比較，并分析新流程中影響系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素，以便于對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

各點(diǎn)參數(shù)計(jì)算式為：ex=(h-h0)-T0(s-s0)；

系統(tǒng)的損失計(jì)算式為：I=Ex,in-Ex,out；

對(duì)于傳統(tǒng)流程，供給Ex,in包括LNG的低溫冷量Ex,LNG和低溫高壓泵輸入系統(tǒng)的功Ex,P1；收益Ex,ef為系統(tǒng)輸出的高壓CNG的Ex,CNG，即：Ex,in=Ex,LNG+Ex,P1；Ex,ef=Ex,CNG；

對(duì)于新流程，Ex,in和Ex,ef分別為：Ex,in=Ex,LNG+Ex,9；Ex,ef=Ex,CNG+Ex,12。其中Ex,9為換熱器C中熱水所提供的熱量，Ex,12為換熱器F中乙二醇溶液所獲得的冷量。

系統(tǒng)效率：ηex=Ex,ef/Ex,in。

4 系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 系統(tǒng)的功量計(jì)算結(jié)果

各系統(tǒng)的主要設(shè)備功量列于表3。從表3可看出，對(duì)于直接加壓并加熱汽化至加氣狀態(tài)的傳統(tǒng)加氣站系統(tǒng)，需額外輸入LNG加壓泵P1所消耗功率為18.73 kW。而新流程在上述工況下計(jì)算發(fā)現(xiàn)，LNG膨脹機(jī)T1和乙烷膨脹機(jī)T2的功率恰好等于LNG加壓泵P1和乙烷循環(huán)泵P2的功率，即系統(tǒng)達(dá)到內(nèi)部能量平衡。新型L-CNG加注站的綜合能量回收系統(tǒng)無(wú)需系統(tǒng)外部能量供應(yīng)，系統(tǒng)內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)能量平衡，回收了LNG汽化并復(fù)溫過(guò)程中的冷能和工業(yè)余熱，節(jié)省了傳統(tǒng)流程中的LNG加壓泵的功耗，從而達(dá)到了節(jié)能效果。

表3 各系統(tǒng)的功量計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculated results of power in various systems

4.2 系統(tǒng)的分析結(jié)果

通過(guò)表2各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)和上述公式計(jì)算各系統(tǒng)主要設(shè)備的損失如表4。從表4可以看出新型流程較傳統(tǒng)流程的損失減小15.17 kW，回收了LNG的部分冷量，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部的能量平衡，同時(shí)新型流程的效率較傳統(tǒng)流程提高3.61%。在新型L-CNG加注站的綜合能量回收系統(tǒng)中，余熱回收換熱器C的損失最大，為39.14 kW，其次是LNG加壓泵P1損失為23.90 kW。LNG的冷能并未全部回收利用，一部分冷能在換熱器C中損失，同時(shí)為了回收LNG汽化過(guò)程的壓力而提高了LNG的汽化壓力，導(dǎo)致LNG加壓泵P1的損失增大。

表4 各系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculated results of exergy in various systems

4.2.1 ORC的蒸發(fā)壓力與LNG膨脹機(jī)入口溫度的變化關(guān)系

保持系統(tǒng)的熱源溫度和LNG汽化壓力不變，提高有機(jī)朗肯循環(huán)的蒸發(fā)壓力，在T-S圖中系統(tǒng)工作過(guò)程如圖4所示。隨著蒸發(fā)壓力的升高，乙烷膨脹機(jī)T2的比功增大，但是隨著蒸發(fā)壓力繼續(xù)升高，膨脹機(jī)入口的過(guò)熱度無(wú)法保證，膨脹過(guò)程進(jìn)入兩相區(qū)，膨脹機(jī)出口的帶液量較大，不利于膨脹機(jī)的安全運(yùn)行，所以在調(diào)節(jié)蒸發(fā)壓力的過(guò)程中應(yīng)盡量保證膨脹機(jī)出口干度在0.88以上[8]。

圖4 蒸發(fā)壓力升高示意圖Fig.4 Increase diagram of evaporation pressure

隨著ORC的蒸發(fā)壓力的提高，乙烷冷凝側(cè)的焓差減小，同時(shí)換熱器B的總換熱量不變，導(dǎo)致乙烷質(zhì)量流量近似呈線性增加。在蒸發(fā)壓力從1.3 MPa升高到2.3 MPa的過(guò)程中，乙烷質(zhì)量流量從388.5 kg/h增加到420.9 kg/h，如圖5。乙烷膨脹機(jī)T2的輸出功率增加，因此可降低LNG膨脹機(jī)入口溫度T3，以減小LNG膨脹機(jī)的功率使系統(tǒng)達(dá)到新的能量平衡，如圖6。根據(jù)上述調(diào)整過(guò)程得出LNG膨脹機(jī)入口溫度T3與蒸發(fā)壓力的變化關(guān)系，如圖7。從圖中可以看出隨著蒸發(fā)壓力從1.3 MPa升高到2.3 MPa時(shí)，LNG膨脹機(jī)入口溫度T3從331.6 K降低到298.6 K，系統(tǒng)對(duì)可利用余熱熱源的溫度要求將大幅度降低。

圖5 乙烷質(zhì)量流量隨蒸發(fā)壓力的變化Fig.5 Ethane mass flow varies with change of evaporation pressure

圖6 設(shè)備功率隨蒸發(fā)壓力的變化Fig.6 Equipment power varies with change of evaporation pressure

圖7 LNG膨脹機(jī)入口溫度隨蒸發(fā)壓力的變化Fig.7 LNG expander inlet temperature varies with change of evaporation pressure

4.2.2 LNG汽化壓力與ORC蒸發(fā)壓力的變化關(guān)系

同樣，保持L-CNG加氣站系統(tǒng)的熱源溫度和LNG膨脹機(jī)入口溫度不變，提高乙烷有機(jī)朗肯循環(huán)的蒸發(fā)壓力，增大乙烷膨脹機(jī)T2的功率，從而降低LNG的汽化壓力得出LNG汽化壓力與蒸發(fā)壓力的變化關(guān)系如圖8。隨著ORC蒸發(fā)壓力從1.3 MPa升高到2.1 MPa，LNG的汽化壓力從30.5 MPa降低到21.6 MPa。ORC乙烷循環(huán)質(zhì)量隨蒸發(fā)壓力的升高而升高，如圖9。此調(diào)節(jié)過(guò)程中，系統(tǒng)達(dá)到能量平衡時(shí)各設(shè)備的功率變化如圖10所示。

圖8 LNG汽化壓力隨蒸發(fā)壓力的變化Fig.8 LNG vaporization pressure varies with change of evaporation pressure

圖9 乙烷質(zhì)量流量隨蒸發(fā)壓力的變化Fig.9 Ethane mass flow varies with change of evaporation pressure

圖10 設(shè)備功率隨蒸發(fā)壓力的變化Fig.10 Equipment power varies with change of evaporation pressure

4.2.3 LNG膨脹機(jī)入口溫度與LNG汽化壓力的變化關(guān)系

當(dāng)ORC的蒸發(fā)壓力為1.7 MPa時(shí)，調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部能量的平衡狀態(tài)，分析LNG膨脹機(jī)入口溫度與LNG汽化壓力的變化關(guān)系，如圖11。從圖中可以看出，隨著LNG汽化壓力的升高，LNG膨脹機(jī)的入口溫度要求可大幅度降低。當(dāng)LNG汽化壓力從22 MPa升高到28 MPa時(shí)，LNG膨脹機(jī)入口溫度T3先從371.3 K降低到314.5 K，后略有上升。在此新的系統(tǒng)能量平衡條件下，系統(tǒng)各設(shè)備的功率變化如圖12所示。

圖11 LNG膨脹機(jī)入口溫度隨LNG汽化壓力的變化Fig.11 LNG expander inlet temperature varies with change of LNG vaporization pressure

圖12 設(shè)備功率隨LNG汽化壓力的變化Fig.12 Equipment power varies with change of LNG vaporization pressure

5 結(jié) 論

提出了一種能量綜合回收的新型L-CNG加注站系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了熱力學(xué)分析，結(jié)果表明新系統(tǒng)能有效地回收LNG汽化復(fù)溫過(guò)程中的冷能和工業(yè)余熱，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的能量平衡，節(jié)省了傳統(tǒng)系統(tǒng)中的泵功(18.73 kW)，新流程的效率較傳統(tǒng)流程提高了3.61%。還分析了在系統(tǒng)能量平衡的條件下主要參數(shù)之間的匹配關(guān)系。當(dāng)ORC的蒸發(fā)壓力從1.3 MPa升高到2.3 MPa時(shí)，LNG膨脹機(jī)入口溫度可從331.6 K降低到298.6 K，大幅降低了對(duì)熱源溫度的要求。另外當(dāng)ORC蒸發(fā)壓力從1.3 MPa升高到2.1 MPa時(shí)，也可將LNG的汽化壓力降低到21.6 MPa，大大降低了系統(tǒng)的運(yùn)行壓力。當(dāng)ORC的蒸發(fā)壓力為1.7 MPa，LNG汽化壓力從22 MPa升高到28 MPa時(shí)，LNG膨脹機(jī)入口溫度可先從371.3 K降低到314.5 K，隨后略有上升。新型L-CNG加注站綜合地回收了LNG冷能和工業(yè)余熱，達(dá)到了節(jié)能的目的，可有效降低L-CNG加注站的運(yùn)行成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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A novel integrated energy recovery system based on a L-CNG fueling station

Zhao Qingxuan Tan Hongbo Sun Nannan Li Yanzhong

(Department of Refrigeration and Cryogenic Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China)

A novel integrated energy recovery system used in a L-CNG fueling station was put forward based on analysis of the existing problems of the conventional L-CNG fueling station. The thermodynamic analysis was conducted and the results show that the novel system can save 18.73 kW of the pump power in comparison with a conventional system with a capacity of 18 000 Nm3per day，and its exergy efficiency is 3.61% higher than that of the conventional system. In the new system using ethane as the working fluid of the Organic Rankine Cycle (ORC)，the inlet temperature of the LNG expander can be reduced from 331.6 K to 298.6 K when the evaporation pressure of the ORC increases from 1.3MPa to 2.3 MPa. Furthermore，the LNG vaporization pressure can also be reduced from 30.5 MPa to 21.6 MPa with the increasing of the evaporation pressure from 1.3 MPa to 2.1 MPa. Keeping the evaporation pressure of the ORC constant at 1.7 MPa and increasing the LNG vaporization pressure from 22 MPa to 28 MPa，the inlet temperature of the LNG expander drops from 371.3 K to 314.5 K at first，then rises slightly. It is proved theoretically that the novel integrated energy recovery system can save energy evidently and can be run in a wide range of operating conditions.

L-CNG fueling station；Organic Rankine Cycle;energy recovery

2016-06-04；

2016-07-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51306137)。

趙慶軒，男，24歲，碩士研究生。

譚宏博，男，34歲，博士、講師。

TB611

A

1000-6516(2016)04-0021-06