lng研究类的论文

能源概论能源的意义能源［Source of energy］是人类藉以克服困难，维持生存的原动力，譬如太阳给我们光热，风吹动风车可以发电，燃烧汽油可用以推动汽车，使用瓦斯可以烹调、取暖，凡此种种如太阳、风、汽油、瓦斯等都是能源。至於能源存在於自然界中，不需经过转换处理，直接可用的称为「初级能源」［Primary Energy］，例如太阳能、水力等，但凡必须经过转换才可提供使用的能源，称之为「次级能源」［Secondary Energy］，例如：汽油、电能等。【各类能源转换系统图】能源的种类众多，近年来，无论核分裂(fission)、核融合(fusion)和太阳能的研究发展，均呈现出一片蓬勃景象，但目前依赖最重，使用最多的还是化石性燃料［Fossil fuel］，如煤、石油和天然气等，占有90％以上的今日能源供应市场由於这类燃料其蕴藏量有限且日益枯竭、分布不均，使用时又污染严重，鉴於目前已经投置的生产设备和应用技术，预计化石燃料尚可以维持在能源主流的地位直至本世纪之末，因此人类当务之急便是寻求更好用的燃料，并加紧改良现有能源的利用技术。由於人口增加，每人耗费的能源用量也不断升高，但自然界的能源蕴藏并非无穷，於传统能源逐渐枯竭之际，［目前的估计是煤大约可再维持100年左右，石油、天然气亦只有数十年的存量］，对各种形式再生能源的开发研究正被各国重视，现今社会人类终於体悟到能源不容我们的任意挥霍，因此除了积极开发新能源、改善能源利用的效率外，也应研究如何在不降低生活水准、不减缓工业发进步及经济成长的前题下，努力节约能源。--------------------------------------------------------------------------------地球的能源一、 地球上可取用的能源： 1. 人类在地球上可取用的能源，绝大部分来自太阳能，如化石燃料(包括石油、煤、天然气)、水 力、风力、生质能。 2. 小部分来自於核能，这是源自於宇宙的演化过程，在地球形成时就已存在的放射性元素，例如铀。 3. 余下的小量来自於地热(地球内部的热量)和月球运动引致的潮汐作用。 二、 能源分类： 地球能源若依起源来分类，可区分成自有能源和外来能源(来自外太空)两种。自有能源主要包括地热和核燃料；外来能源主要包括月球能(月球对地球之万有引力作用而产生潮汐能)和太阳能等。若依使用结果来分类，可分为： 1. 再生能源（非耗竭能源）：太阳能、水力、风力、生质能、潮汐、地热、海浪能、海洋热能转换、核融合能等能源，在短期内能自行补充，能反覆使用持续供应者 ，称之。 2. 非再生能源（耗竭能源）：煤、石油、天然气、废热、铀等能源，用过即无的，必须另外设法开发转换采取，无法自行补充者，称之。 --------------------------------------------------------------------------------能源的开发与应用：一、 太阳： 1. 每年照射到地球表面的太阳能，估计为×1017瓦-年，约为目前全世界每年所需能量的一万多倍。 2. 其中有30%之太阳能被反射回太空。 3. 约有50%为地球表面吸收后，再重新辐射出去，因此得以维持地球表面的温度。 4. 约20%的太阳能将地表的水蒸发成水蒸气，形成云、雨及空气的流动(水力和风力的由来)，同时也造成海洋表面和底层的温差。 5. 只有很小的比例(约)用於进行植物生长所需的光合作用，太阳能被转化储存在植物体内碳氢化合物的化学能。 6. 太阳能可经由太阳电池直接转换为电能，或是利用反射镜，将太阳光焦聚直接转换为热能。直接取用的太阳能，没有造成任何污染，是非常乾净的能源。(但成本高，经济价值不高，仅适合在沙漠或偏远地带)。 【太阳能板】 二、 水力与风力发电： 本质上都是太阳能的间接利用，发电过程不会产生污染性废物，是相当理想的清洁能源。(在开发中国家，水力发电资源已趋饱和。且造成对生态环境的影响广受争议，风力发电之风车叶片会产生很大的噪音，使人不安，且对自然景观有负面的影响。) 【风力发电】 三、 潮汐与地热发电： 潮汐发电以及地热发电都是善於利用地区和地形的特性，以产生乾净能源。 【潮汐发电】 四、 生质能的应用： 植物本身、农作物的残渣、动物牲畜的排泄物等，可经化学处理合成为液体燃料，或经微生物的发酵作用产生沼气，可用於燃烧产生热能，这种能量称为生质能。 利用甘蔗或玉米可制成酒精，是当今最主要的生质能能源。而生质能的供应需要依赖大面积种植，因此制作成本甚高，不适合地狭人稠的国家。尽管如此，生质能仍是一个值得选择的替代化石燃料的能源。酒精燃烧固然会产生二氧化碳，但因大量植物的种植，经由光合作用，可回收大气中的二氧化碳而达到平衡。 五、 核能反应发电： 核能和一般火力发电一样，从特定的燃料中，发出大量的能，利用核反应产生巨大的核能，制造高温高压的蒸气或气体，导入输机，驱动发电组发电。 核能所用的燃料，乃是可分裂或融合的放射性物质，例如铀235、钸239、铀233等 核能在近年来由於日本和法国研究发展快滋生核反应炉，利用快速中子撞击铀-238，使转化成可分裂的钸-239，作为核反应的燃料。使先前含量高达的铀-238，可充分的利用。 核分裂：核能的产生首先是以中子撞击可分裂物［如铀235］使分裂，变成钡及氪等原子，并发出能量以及快速中子，这些中子又会去撞击旁的铀原子核使分裂进行下去，称为连锁反应［或链反应］，为了有效控制反应速率，因此需要「缓和剂」［例如水、石磨、重水等］来吸收中子的能量，使之减速，以及「控制棒」［例如锆金属管中贮存石墨等可以吸收中子的物质］以使参与反应的中子数降低，直到反应以等速进行，反应时发出的能量是靠「冷却剂」来移走，常用的冷却剂有二氧化碳、水、氦、液态钠等，冷却剂流经「热交换器」把热量送出制造高温蒸气，送往汽机，产生动力。 核融合：目前人类只会应用融合时的巨大核能，当作杀伤武器［如氢弹］，由於核子融合［聚变］往往需要摄氏1亿度的高温因此欲将核融合发电，投入的能量比发出的多，迄今能停於研究阶段，但是核融合的生成物很安全，燃料又便宜［例如1m3的水电解所得的天然重氢，采融合反应所发的核能，就超过200吨石油的能量］，所以核融合发电仍是很有发展潜力。 核分裂式的反应器种类很多，例如： 1. 沸水反应器［BWR，Boiling Water Reactor］，以水为冷却剂及缓和剂，让水在炉心沸腾，所生蒸气亦可直接通往汽涡轮发电机。 2. 压水反应器［PWR，Pressurized Water Reactor］，以水为冷却剂及缓和剂，并加压不使水沸腾，极高温的水经热交换器把热量送出，以供制造蒸气，发往汽涡轮发电机发电。 3. 气冷反应器［GCR，Gas-Cooled Reactor］，以气体为冷却剂，以石墨为缓和剂，产生能量亦经热交换器送出。 4. 重水反应器［HWR，Heavy-Water Reactor］，以重水为缓和剂，又分「重水气冷式［HWGCR］」即气体冷却，「沸腾轻水式［HWLWR］」即重水缓和，一般水冷却及「加压重水式［PHWR］」即以重水为缓和剂及冷却剂并加压。 5. 高温反应器［HTR HTGR，High Temperature Reactor］，采用稀有气体为冷却剂，核心采用陶瓷材料，通常采用石墨为缓和剂，其冷却剂出口温度甚高。 6. 钠冷却反应器［Sodium-Cooled Reactor］，以液态钠为冷却剂。 7. 轻水反应器［LWR，Light-Wter Reactor］以天然纯水为冷却剂，分沸水式［SWR］及压水式［PWR］。 8. 快孳生反应器［FBR，Fast Breeder Reactor］，能进行快速孳生［使铀包围钸经反应后，除发出能量，兼产生钸239，产生的可分裂放射性物多於所分裂的反应物］，以液态钠或钠钾为冷却剂，反应生成物仍可再利用。 国内核能发电厂有三，其中金山、国圣附近的核能一厂、二厂所采用的反应器是沸水式，垦丁附近的三厂采用的是压水式。这三个核能电厂发电机组之装机容量，分别为核一厂636MW，核二厂两部各985MW，核三厂两部各951MW。 核能发电成本较火力为低，以核一厂为例每度约4角，燃煤［以深澳、南部火力为例］约每度1元，燃油［以协和、大林火力为例］约每度元。 六、 石油和天然气： 人类应用的最多，依赖得最重的能源，就是石油［又称原油］，由於石油和天然气往往相伴而生，又可互相转化或代用，是所有能源中最方便使用的燃料，它可视需要量的多寡而调节生产量，便於输送，也便於储藏，可直接燃烧用於发电或驱动引擎。因此通称之为「油气」，目前在估计石油之蕴藏及产量时，也往往将天然气，合并计算。(可惜地球的蕴藏量有限，人们开采使用石油的速率远远超过它形成的速率。) 石油和天然气不仅是优良的燃料，而且可供做化工生产之原料［如制造肥料等］。石油经沈淀、过滤、离心处理去除水份及固体，再送入蒸馏槽加温，可依次分馏出各种汽化气约200℃时，汽油已经完全分馏出，称为「分馏汽油」，然后再增高温度可分馏出灯油、轻油、机油、重油等，剩下沥青；轻油及重油在高温高压之下再予化学处理又可得汽油，称为「分解汽油」，总共自石油中可提炼日汽油量约30%。 汽油又是目前机械动力最主要的来源，交通工具［车、船、飞机等］大多以汽油为燃料，汽油含碳83~85%、氢14~15%，另含硫磺、抗燥剂等，在10℃遇火即燃，380℃时能自然，燃烧时空气与汽油之混合比为：1，每燃烧1公斤汽油可发出热量约1万千卡。 天然气开发利用较晚，但蕴藏丰富，使用方便且污染较不严重，而且用途广泛，因此能源价值日益升高。天然气是自然界一切天然生成可燃性气体的统称，譬如火山、温泉、矿山、油田、煤田之气体以及地下腐败物质发酵生成之气体，主要成分可说是各类碳氢化合物［ 如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等］及硫化氢等。 天然气液化卸称为液化天然气［LNG］，液化是为了缩小体积以利运送及贮存，一般而言，液化天然气主要成分是甲烷。若将丙烷、丁烷液化则称为液化石油气［LPG］，俗称煤气，常用做城市住宅工商加热取暖之燃料。目前各国有大量采用天然气取代石油之趋势！ 七、 煤： 能源危机主要的是因为石油蕴藏日益短少之故，而煤和石油同样是开发使用历史悠久的燃料，更因为煤具有存量丰富、用途广泛之优点，因此在发电及工业加热应用上，也常用来取代石油，煤及古代植物，埋在地下经长时间作用碳化而成，煤可分无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤等，发热量每磅约可发6300~14000英热单位，比重在之间，比热在351℉以下约磅℉。 直接利用系采用各种燃烧器［煤炉］，转化利用是经液化或气化等手续，先把煤变成燃气或液化燃料［如乙炔、醇类、汽油等］再燃烧使用，加工处理是把煤研磨成煤粉，炼成焦煤，制成碳原料或制煤、油混合燃料，以供燃用。 煤燃烧所产生的污染比石油和天然气严重得多，不过近年来工业界已积极在研究如何将煤转化成便宜的、清洁的液体燃料，或转化为可燃气体，以提升煤的应用价值。 目前世界各留大多设法多用煤、天然气，核能及其他能源，以减轻对石油的依赖；我国在能源供应之长期规画中；亦预备将来提高煤、天然气、核能之供应，预定增加情形为煤，天然气5%，核能。 八、 化石燃料： 动植物死亡后，埋葬在地下，经过数百万年以上的地压、地热和细菌引致的化学变化后，累积形成煤、石油、天然气等化石燃料。目前全世界每年消耗的能量约有90%来自於化石能源，其余主要由核能和水力发电提供。 【化石能源形成过程】 参考.

天然气液化循环迄今为止,在天然气液化技术领域中成熟的液化工艺有[5 ] : (1) 阶式制冷循环; (2) 混合制冷剂制冷循环,包括闭式、开式、丙烷预冷、CII ; (3) 膨胀机制冷循环,包括天然气膨胀、氮气膨胀、氮- 甲烷膨胀等。311 阶式制冷循环阶式制冷循环又称级联式制冷循环,是用丙烷(或丙烯) 、乙烷(或乙烯) 、甲烷等纯烃制冷剂的3个制冷循环阶组成,通过制冷剂液体的蒸发,逐级提供天然气液化所需的冷量,制冷温度梯度分别为- 30 ℃、- 90 ℃及- 150 ℃左右。净化后的原料天然气在3 个制冷循环的冷却器中逐级冷却、冷凝、液化并过冷,经节流降压后获得低温常压液态天然气产品,送到储罐储存。典型的阶梯式制冷循环流程图如下图所示:图3 典型的阶梯式制冷循环阶式液化循环能耗最小,在目前天然气液化循环中效率最高,所需换热面积小(相对于混合制冷剂循环) ,且制冷循环与天然气液化系统各自独立,相互影响少、操作稳定、适应性强、技术成熟。其缺点是流程复杂、机组多,至少要有3 台压缩机,要有生产和储存各种制冷剂的设备,各制冷循环系统不允许相互渗漏,管线及控制系统复杂,管理维修不方便,对制冷剂的纯度要求严格。阶式循环最适用于大型装置。通过优化机器的选择,阶式循环可以与在基本负荷混合制冷剂厂中占主导地位的带预冷的混合制冷剂循环相竞争。Phillips 公司对传统的阶式循环进行了优化。Phillips 优化的阶式循环具有稳定的可靠性,因为在设计中考虑下列四个因素:(1) 单一组分的制冷济;(2) 用铜焊接的铝换热器;(3) “two - trains - in - one”流程;(4) 适当的服务设施该工艺显著的一点是采用“two - trains - in -one”流程,流程中采用了两组并联的压缩机组,每一个压缩机组有独立的驱动设备。这种结构使得流程的操作具有很大的灵活性,可以方便的进行压缩机组或驱动装置的维修,当原料气的进气量波动很大时仍能保持很高的效率,还可以减少了备用的驱动设备[6 ] 。312 混合制冷剂制冷循环混合制冷剂(又称多组分制冷剂) 制冷循环是采用N2 和C1 - C5 烃类混合物作为循环制冷剂。与纯组分制冷剂不同的是,混合制冷剂产生的冷量是在一个连续的温度范围之内,纯组分冷剂产生的冷量是在一个固定的温度上。混合制冷剂的加热86新疆石油天然气2006 年© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 曲线可与被冷却介质的冷却曲线很好地匹配,有效地增加了两者的一致性。同阶式制冷循环相比,混合制冷液化循环具有流程简单、机组少、投资费用低、对制冷剂的纯度要求不高等优点。但单级混合制冷剂循环的能耗要比阶式制冷循环高。因此,为了降低能耗,采用多级混合制冷剂循环。国外技术人员对多级循环特性的评价结果表明,随着级数的增加能耗将有所降低,通过技术经济优化,采用三级混合制冷剂循环较为合理,如图4 所示。图4 典型的三级混合制冷剂循环改进的多级混合制冷剂循环(MRC) 使用了小型铝质板翅式换热器以减少功率消耗。多股流板翅式换热器的温度驱动力小而且能量高度结合,所以其热力学效率很高,这使热股流和冷股流的曲线匹配得很好。在MRC 工艺的基础上又开发出来很多带预冷的混合制冷剂制冷循环工艺,预冷方式有丙烷预冷、混合工质预冷、利用氨吸收制冷来预冷等。丙烷预冷是其中应用比较广泛的一种。APCI公司的丙烷预冷混合制冷剂液化流程(C3PMRC) 广泛应用预国外的大型的LNG工厂中。313 膨胀机制冷循环膨胀制冷循环是通过透平膨胀机进行等熵膨胀而达到降温目的。目前膨胀制冷采用的主要循环有以下三种:(1) 天然气直接膨胀制冷。主要用于原料气有压力能可利用、甲烷含量高的场合。其液化率主要取决于膨胀比,膨胀比越大,液化率也越大。该循环具有流程简单、设备紧凑、投资小、调节灵活、工作可靠等优点。(2) 氮膨胀制冷。它是直接膨胀制冷的一种变型。其优点是对原料气组分变化有较大的适应性,液化能力强、整个系统简单、操作方便;其缺点是能耗比较高,比混合制冷剂循环高40 %左右。(3) 氮气- 甲烷混合膨胀制冷。它是氮膨胀制冷循环的一种改进,与混合制冷剂循环相比较,具有流程简单、控制容易、启动时间短,比纯氮气膨胀制冷节省10 % - 20 %的动力能耗。但是其设计复杂,目前国内还没有成熟的经验。膨胀机循环与阶式循环和混合制冷剂循环相比其优点是,它能够较迅速和简单的启动和停工。当预计生产中有较频繁的停工时,使用此循环是非常重要的,例如在调峰厂。与阶式循环和混合制冷剂循环相比,膨胀机循环的主要缺点是它的功率消耗大。但是,循环的简易性可以弥补高的功率消耗,尤其是在功率消耗不很重要的小型工厂。我国第一座小型的液化天然气生产装置———长庆陕北气田液化天然气示范工程中采用了天然气膨胀制冷循环,取得了较好的效果。4 天然气液化流程的选择本文以新疆呼图壁、彩南、莫北、石西三个油气田所产的天然气为例提出相应的天然气液化方案。四个油气田天然气的参数如表2 所示:表2 四个油气田中天然气的参数油气田名称呼图壁彩南莫北压力(MPa) 3 310～410 4流量(104m3Pd) 150 24 80气体体积分数( %)C1 94147 88131 68197C2 3128 4142 18124C3 C4～ C11 N2 CO2 0 0137 11644. 1 原料气的净化从表1 可以看出,原料气中的酸性气体组分很少,且只含有CO2 。国外很多调峰型天然气液化工厂中,原料气的处理是单独采用分子筛吸附的方法,因为分子筛是根据物质分子的大小进行选择型吸附的,可以同时脱除酸性气体和水分,也使得原料气的净化流程简化。呼图壁、彩南、莫北三个油气田天然气的产量不大,利用分子筛吸附能够满足工艺要求。412 液化工艺的选择三种基本的天然气液化流程中,带膨胀机的液化流程适用于处理量小,有压能可以利用的情况下。陕北油田液化天然气示范工程采用天然气膨胀制冷循环,取得较好的效果。建议对新疆这三处油气田的天然气采用天然气膨胀制冷循环,在膨胀制冷循环的基础上,可以采用氮气或丙烷预冷,减少液化循环过程中的功率消耗。© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.