 摘要：智能化楼宇LNG冷热电联供方案主要是研究将LNG的冷能、压力能与化学能综合应用于冷热电三项。针对此目标，本文提出了三个方案进行研究，最后选出两套较优方案——方案二和方案三，方案二适用于LNG卫星接收站附近的智能化楼宇冷热电联供，方案三适合于中型LNG接收站附近的智能化楼宇冷热电联供。先将LNG冷量用丙烷朗肯循环发电；之后在LNG进一步气化的过程中，可以在夏季制冷，冬季供暖；最后用气化后的天然气用于燃气轮机发电或提供给用户直接使用，大大提高了能量的综合利用率。 关键词：LNG；分布式能源系统；冷热电联供 一、研究背景 近几年，LNG的应用在我国迅速发展，但目前利用方式单一，主要以燃烧利用化学能为主。但因气化过程释放出大量的冷量，因此造成了严重的能量浪费。目前，已有一些学者提出区域性LNG能量综合利用模式。 随着天然气冷热电联产和分布式热电联产系统建设在国内和国际上的应用；本文就对LNG用于智能化楼宇的冷热电联供方案进行了研究，以使天然气能源和LNG气化过程中释放出来的冷量得以综合利用。 二、分布式能源系统和天然气冷热电联产 (一)分布式能源系统的本质 分布式能源系统是基于一系列能源技术进步和能源结构调整的产物，是不同领域新技术革命的整合，是建立在自动控制系统、先进的材料技术、灵活的制造工艺等新技术的基础上，具有低污染排放、灵活方便、高可靠性和高效率的电能生产系统。分布式能源系统的本质就是根据用户的能量需求特点，利用一系列满足环保要求，适合就地方式生产电能的发电系统、热电联产系统、多联产动力系统或多联供动力系统，以“按需供能”的方式，在用户端实现能源的梯级利用，达到提高能源利用率，降低能源成本，减少污染，保护环境，提高供电的安全性、可靠性的目的。分布式能源系统能够为用户提供更多选择，促进电力市场的健康发展。 (二)分布式能源系统的主要实现方式 分布式能源系统实现方式多种多样，根据燃料不同，可分为化石能源与可再生能源；根据用户需求不同，有电力单供方式与热电联产方式(CHP)，或热电冷三联产方式(CCHP)；根据循环方式不同，可分为燃气轮机发电方式，蒸汽轮机发电方式或内燃机发电方式等。目前应用较为广泛的分布式能源系统多为燃用化石燃料的热电联产(CHP)或冷热电三联产(CCHP)系统。 (三)天然气冷热电联供系统 初期的冷热电联产是在热电联产的基础上发展起来的，它将热电联产与吸收式制冷技术相结合，使热电厂在生产电能的同时供应热能和冷能。故初期的热电联产又得到新的发展，与常规的集中供电电站相比，具有节能环保等优点。其中输配电损耗较低甚至为零，可广泛应用于同时具有电力、冷热量要求的场所，如商业区、居民区、工业园区、医院等，具有较大的发展潜力。 冷热电联供Combined Cooling heating&Power(CCHP)系统是以天然气为燃料，由小型或微型设备组成，在用户或建筑物附近，直接向用户供应冷热电和生活热水的分布式能源系统Distributed Energy System(DES)。它是一种综合能源利用率高、污染物排放少和安全可靠的能源系统，已在美国、日本、欧洲各国及国内上海等地得到了推广应用。 三、LNG气化过程释放出的冷量计算 3.1 LNG气化过程释放的冷量 LNG是天然气经过脱酸脱水处理，通过低温工艺冷冻液化而成的低温液体混合物。每生产一吨LNG的动力及公用设施耗电量约为850KWh，而在LNG接收站，一般又需要将LNG通过汽化器汽化后使用，汽化时放出很大的冷量，其值大约为830KJ/Kg（包括液态天然气的汽化潜热和气态天然气从储存温度复温到环境温度的显热）。这一部分冷能通常在天然气汽化器中随海水或空气被舍弃了，造成了能源的浪费。为此，通过特定的工艺技术利用LNG的冷能，可以达到节省能源、提高经济效益的目的。国外已对LNG冷能的应用展开了广泛的研究，并在冷能发电、冷冻食品及空气液化等方面达到实用化程度，经济效益和社会效益非常明显。下面就来简单估算1Kg液化天然气所放出的冷量。 假设天然气中只含有甲烷和乙烷，且在标准状况下甲烷的体积分数为98%，乙烷的体积分数为2%，LNG的初始温度T0=110K，初始压力P0=0.1MPa，汽化后的温度T=293K，压力P=0.1MPa。那么
液化天然气所放出的冷量包括液态天然气的汽化潜热和气态天然气从储存温度复温到环境温度的显热，而且气态天然气从储存温度复温到环境温度的过程可以看做是一个定压过程。所以
汽化过程甲烷和乙烷的定压比热容均取平均值，
3.2 LNG气化过程中所做的膨胀功 LNG气化过程中体积膨胀，膨胀功的公式为
相比较LNG释放的冷量而言，LNG在气化过程中所做的膨胀功要小得多，所以我们要充分利用LNG气化过程中释放的冷量，节约能源，提高能量的利用效率。 四、LNG冷热电联供方案 考虑到LNG气化时释放出大量的冷量，综合以上天然气冷热电联供优点，针对智能化楼宇建设，本文提出了以下三种LNG冷热电联供方案，并分别进行了可行性研究。 方案一：(工艺流程图见图1) 此方案流程主要包括了三级设备：第一级为二次媒体膨胀发电，丙烷朗肯循环，在此过程中，丙烷初步吸收LNG冷量，使LNG温度从-162℃升到-35℃左右，之后与乙二醇换热进膨胀机进行发电，发电之后的丙烷温度再次升高后进入换热器与LNG进行换热，开始新一轮的循环；第二级的设备为乙二醇循环换热，在此过程中，乙二醇可以在夏季提供充足的冷量，与冷库、空调、空气等换热，之后再进入换热器与LNG进行换热开始新一轮的循环；第三级设备为燃汽轮机发电，此过程主要是利用气化后的天然气与预冷后的空气进行燃烧膨胀发电，同时气化后的天然气还可以直接供天然气用户使用。 此方案适用于南方地区中小型LNG接收站附近的小区冷热电联供，这样可以充分利用乙二醇置换出的LNG冷量，不足之处在于燃汽轮机发电后的余热未进行利用。
方案二：(工艺流程图见图2) 此方案流程也主要由三级设备组成：第一级同样为丙烷朗肯循环，与方案一不同的是在此循环中，为丙烷提供热量的不是乙二醇而是蒸汽；第二级设备由蒸汽循环设备取代方案一中的乙二醇循环设备，在此循环中，充分利用燃汽轮机发电后的余热与蒸汽换热，之后蒸汽分别为LNG、夏季溴化锂制冷和冬季供暖提供热量；气化后的天然气进入燃汽轮机发电或直接供天然气用户使用，此为第三级设备。 此方案适用于LNG卫星接收站附近的小区冷热电联供，充分利用了燃汽轮机发电后的余热，但不足之处在于进入燃汽轮机发电的空气未能进行预冷，燃气轮机效率没有方案一高。
方案三：(工艺流程图见图3) 此方案是综合以上两个系统，取长补短进行LNG气化并利用其冷能。此工艺流程中，LNG首先与丙烷换热，温度升高到-35℃左右，再进一步与乙二醇或蒸汽换热，温度升高到环境温度后供天然气用户直接使用或进入燃气轮机进行发电。在此过程中共有三个循环结构：(一)丙烷循环，丙烷初步吸收LNG冷量，温度降低后与乙二醇换热温度升高进行膨胀发电，发电后丙烷温度进一步升高，之后又进入换热器吸收LNG冷量开始新一轮的循环；(二)乙二醇循环，乙二醇与-35℃左右的LNG换热后温度降低后，与丙烷进行换热，温度进一步降低，之后分别为冷库、空调以及空气提供冷量，换热后的乙二醇温度升高再进入换热器与LNG换热，开始新一轮的循环；(三)蒸汽循环，与余热换热后的蒸汽既可以为冬季供暖又可为-35℃的LNG提供热量，之后再进入换热器与燃汽轮机发电后的余热进行换热，开始新一轮的循环。
在此方案中，工艺的功能较多，灵活性较好，适用于中型LNG接受站附近的小区冷热电联供。利用此工艺的多功能性，我们可以使LNG冷量得到充分利用，譬如，在夏季，我们可以利用乙二醇循环进行第二阶段的气化，同时乙二醇可以同时为冷库、空调、空气提供冷量，同时还可用蒸汽提供生活热水等；在冬季，我们可以充分利用余热与蒸汽换热，从而为LNG第二阶段的气化提供热量，同时还可以利用蒸汽为冬季供暖，同时由于冬季乙二醇热量较少，我们可以待其与丙烷换热后进入冷库或与空气换热之后再进入换热器与LNG换热开始新一轮的循环。 五、可行性研究 在以上三个方案中，从工艺全局来看，温度控制、热量、冷量走向在理论上都是合理的，譬如在方案三中丙烷与乙二醇的换热，LNG经丙烷气化，温度升高到-35℃左右后，要用与LNG换热后的乙二醇进行换热，吸收热量，而这时与LNG换热后的乙二醇温度一般在-10℃，因此采用乙二醇循环换热在应用上是可行的。最后气化后的天然气温度能满足要求；从工艺组成的各个子系统来看，中间用到的丙烷朗肯循环已经在日本泉北低温发电站使用，空调制冷、溴化锂制冷、蒸汽供暖以及燃汽轮机发电等技术也都属于常规技术；从设备上来看，此工艺流程中用到的换热器只要是一般的低温换热器就可用，泵用国内或国外生产厂商提供的低温泵就可满足性能指标要求；从经济成本上来看，如果方案二用于LNG卫星接收站附近的小区冷热电联供，方案三用于中型LNG接受站附近的小区冷热电联供，成本就在可以接受的范围之内。 六、结论 综上所述，方案一在气化过程中没有提供热量，不予以考虑，方案二和方案三在工艺流程、设备使用及经济成本上考虑都是可行的。其中方案二适用于LNG卫星接收站附近的小区冷热电联供，方案三适用于中型LNG接受站附近的小区冷热电联供。 参考文献 [1]顾安忠.液化天然气技术[D]．机械工业出版社．2008.1.P237～P286 [2]胡文斌，华贲，郭荷清.蓄冷模式下楼宇热电冷联供系统的分析[J]．煤气与电力．2004，24(12) [3]李海涛.分布式能源系统的热力学分析与优化[D].2006 [4]关于冷热电联供技术情况进展情况[J].制冷技术.2005.4 [5]王坤，鲁雪生，顾安忠.液化天然气冷能利用发电技术浅析.低温工程.2005，1 [6]朱刚，顾安忠.液化天然气冷能的利用.能源工程.1999，3 [7]游立新，陈玲华.液化天然气冷量利用发电方案探讨.能源研究与利用.1995，3 [8]王强，厉彦忠，张朝昌.液化天然气(LNG) 冷能回收及其利用.低温工程.2002，4 [9]李亚峰，游立新.液化天然气冷量火用特性研究.能源研究与利用.1997，1 [10]邵铁民.L NG冷能及其利用.油气储运.2007，26(11) [11]孙丽敏.我国冷热电三联产的前景[J]. [12]尤海英，马国光，黄孟，徐庆磊，周巍.LNG冷能梯级利用方案[J].天然气技术.2007，1(4) 在线声明：本刊非原创内容来自网络或源自行业转发，我方不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。请读者仅作参考，并请自行承担全部责任。版权属于原作者。 内容还不错吧，请点击屏幕右上角分享按钮，分享到朋友圈！ 分担风雨，分享阳光;如果你有好的LNG资料，感谢您发给我们 2016年LNG学习知识库： 1、LNG基础知识（物理特性；安全性；和CNG、LPG对比） 2、LNG行业相关国家标准、行业标准（LNG利用政策；GB50156等） 3、LNG上游介绍（液化工厂、接收码头） 4、LNG中游物流介绍（运输车；运输船） 5、LNG下游市场介绍（LNG加注站，气化站） 6、2014年LNG行业会议（LNGCHINA大会，LNG产业技术发展论坛）
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