LNG冷能发电与供冷复合利用协调控制设计

刘顿

【摘 要】基于LNG冷能发电与供冷复合利用的系统,分析LNG冷能发电与供冷系统的特性.此系统具有大惯性延迟和耦合性,为使LNG气化后的天然气达到用气用户要求,最大程度地利用LNG气化过程释放的冷能,提出采用将LNG冷能发电与供冷看做一个整体来控制,设计协调控制系统,系统中各个子系统的协调由上层控制完成,保证了控制过程快速、准确,使系统满足运行要求. 【期刊名称】《机械管理开发》 【年(卷),期】2016(000)006 【总页数】4页(P18-21)

【关键词】液化天然气;冷能利用;协调控制 【作 者】刘顿

【作者单位】深圳能源资源综合开发有限公司,广东 深圳 518120 【正文语种】中 文 【中图分类】TK01+8

LNG即液化天然气（Liquefied Natural Gas），是将天然气冷却到-162℃低温得到的液体。当LNG气化到常温时会放出很大冷能，在一个大气压力下其气化值约为830 MJ/t。通常在天然气气化器中该冷能随海水或空气被带走，不仅造成能源浪费，而且会对周围环境造成冷污染。每吨LNG可利用的冷能折合电量约为240 kW·h，若能将LNG拥有的冷量以100%的效率转化为电力，可以达到节省能源、

提高经济效益和环保的目的。目前LNG冷能主要用于低温发电、低温空分、冷冻仓库、空调等，针对单一利用LNG冷能供冷“火用”效率不高的情况，深圳能源资源综合开发有限公司设计了LNG冷能发电与供冷复合利用方案，现就此方案做具体分析。

LNG冷能发电与供冷复合利用方案见图1，该方案将冷能发电与低温供冷两个分离的过程有机结合，将供冷回热作为冷能发电的热源，实现利用较冷的低温发电，却没有减少对供冷项目的供冷功率，反而增加供冷功率，实现能量高效利用[1]。以深圳LNG冷能利用项目为例，该项目拟向冷能需求用户供给温度为-35℃的冷媒60 MW左右，LNG气化冷源与用户距离大约为4 km，由于当地安全需求，冷媒采用30%的CaCl2溶液，输送CaCl2溶液消耗的功率大约1 200 kW，低温朗肯循环工质为R170，LNG在接收站经LNG输送泵加压后的压力为10 MPa。 系统流程描述如下：工质（R170）膨胀做功后在凝汽器与低温LNG换热，从气态B点变成液体C，再经过循环泵加压成液体D，液体D与从供冷站回流的温度较高的CaCl2溶液换热，吸收CaCl2液热量而蒸发，形成微过热气体A，CaCl2溶液温度得到一定降低，从液体1变为液体2，此段称为CaCl2郎肯循环段。微过热气体A在透平机中膨胀输出机械功，完成一个循环，输出的机械功带动发电机发电供冷媒介质输送用。经冷凝器后LNG温度升高，变为状态L1，依然还有很多冷能，而经过郎肯循环段后的CaCl2溶液温度依然不满足供冷功能需要，所以继续将CaCl2溶液在换热器B与处于L1状态的LNG换热，换热后LNG变为状态L2，此段称为CaCl2深冷段，CaCl2溶液达到-35℃为用户用气要求，但是LNG温度还未达到5℃，需要与供冷站来的温度较高的CaCl2进行换热，此段为CaCl2预冷段，LNG最终变为气态天然气NG，达到用户要求。 2.1 系统控制要求

LNG冷能利用过程中，必须保证LNG气化后的NG参数满足用户要求，这是

LNG利用的主题；LNG冷能用户对供冷条件也有限制，只有将供冷条件限制在一定范围内才能满足用户供冷安全，因此必须保证每次换热后的参数都在设计参数上；为充分利用冷能、提高冷能利用率，须将冷能发电机组中的各参数控制在设计值，使冷能发电机组达到最高效率。 2.2 系统特性分析

在系统中存在三种流体，即LNG、R170及CaCl2溶液，系统中换热设备串接在一起，系统存在很大的延迟惯性环节，系统换热流程如图2，系统的特性传递图如图3。系统中需要控制的两个被控量为深冷段CaCl2溶液出口温度和预冷段NG出口温度，该系统中，由于CaCl2溶液的流量（系统负荷量）是由用户决定，所以控制站只能根据CaCl2溶液负荷量调节LNG气化流量，同时调整低温朗肯机组负荷，使这两个被控变量达到设计要求，但如果直接根据CaCl2溶液出口温度调节LNG流量，由于整个系统大惯性延迟，两个被控量之间具有耦合性，将会导致调节过程不稳定、波动过大、调节品质不高等问题，因此在控制上采用协调控制，将LNG冷能发电与供冷看作一个整体，将控制系统向下分为几个子系统，各子系统相对自治，子系统的协调由上层控制完成，系统最佳设计参数见表1，在系统正常运行时，三种流体流量存在固定比例关系，因此要控制LNG气化后温度和CaCl2溶液供冷温度，应该保持三种流体流量比例值在设定值附近。

表1中的循环倍率为CaCl2溶液质量流量与LNG质量流量之比，工质循环倍率为工质（R170）流量与LNG质量流量之比，热效率为系统供冷量与LNG气化释放冷量之比。 3.1 总体设计

负荷计算管理中心（见图4），根据CaCl2溶液流量与温差计算所需供冷负荷请求，并限制负荷升降速率，输出控制系统能承受的负荷需求指令，并能在系统危急情况时发出指令，停运系统。

3.2 LNG出口气温控制系统

LNG安全气化到满足用户要求是LNG利用的重点，也是冷能利用的前提，没有LNG的安全气化冷能利用无从谈起，冷能利用处于从属地位，因此控制系统的重点是保证LNG气化后温度满足用户要求；LNG温度控制系统为前馈反馈系统（见下页图5），从负荷管理计算中心来的负荷指令F、PI调节器的输出指令、CaCl2溶液出口温度偏差指令和冷凝器压力偏差指令共同组成LNG流量控制指令，LNG流量指令送入执行器控制LNG流量，其中负荷设定值F是流量指令的主要部分，根据前面分析知道，在设计条件下它是与LNG流量成比例的，在负荷变化时能保证流量指令快速跟随负荷变化，减少调节过程的波动；PI调节器能使气化后的NG温度稳定在设定值5℃，当低温郎肯机组凝汽器压力升高时候，说明流量偏小或单位LNG携带冷量变小，反之则说明流量偏大，因此引入压力偏差信号作为流量指令的一部分；CaCl2溶液出口温度的波动也可以反映出LNG携带冷量的变化，因此也引入CaCl2溶液出口温度偏差信号。 3.3 低温发电机组控制系统

本段系统的控制有两个控制任务：控制CaCl2溶液出口温度在设定值-12.7℃，由于CaCl2溶液是直接与循环工质R170换热的，因此要控制CaCl2溶液出口温度就需要控制R170的流量；尽量控制R170温度达到设计值要求的-0.9℃，采用将循环泵出口R17O喷入R170主汽减温方法，控制系统图见图6。

在朗肯段CaCl2溶液出口温度控制系统中，R170流量指令信号由两部分组成：经过延时处理的负荷需求指令F，它是R170流量指令的主要部分，经过延时处理是因为流体流程需要时间和换热部分的延迟，如果不经过延时会导致R170出口温度过低，湿度过大，这部分信号能保证在负荷变化时R170流量快速跟随变化，减小调节过程过渡时间；温度调节器PI输出指令信号，保证CaCl2溶液出口温度在设定上。

3.4 换热器温度控制系统

系统中预冷段和过冷段换热器的控制都使CaCl2溶液温度在各段的设定值上，控制系统设计如图7和图8所示，三通阀门开度指令由负荷需求指令F同温度调节器PI输出信号共同组成，PI调节器控制CaCl2溶液温度在设定值上，负荷需求指令F使系统快速响应负荷需求，加快调节过程。

在LNG冷能发电与供冷复合利用方案中，由于冷能发电与供冷系统复杂，系统流程较长且被控量较多，系统具有大惯性延迟特性，冷能发电控制与供冷控制具有耦合性，如果采用经典反馈控制系统，会导致调节系统调节品质不能满足用户要求、过渡过程波动较大、过渡时间长等，因此针对系统特点，设计采用协调控制，将系统分为几个子系统，在各自独立的子系统内，各系统控制实现自治，各子系统之间通过上位机进行协调，可以实现系统间的解耦，改善调节品质。

【相关文献】

[1]刘顿.LNG冷能发电与供冷复合方案参数优化[J].能源与节能，2015（4）:172-175.