液化天然氣(LNG)冷能用于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合系統(tǒng)研究

李 靜 陳 曦 張 華

(上海理工大學(xué) 上海 200093)

全球性石油資源的緊缺以及不斷加劇的環(huán)境污染，使得污染小、燃燒性能好、儲(chǔ)量豐富的天然氣的應(yīng)用越來越廣泛。為了便于天然氣的儲(chǔ)藏運(yùn)輸，通常將天然氣經(jīng)過干燥脫酸處理后，在低溫下(110K以下)液化成液態(tài)(LNG)，因而在LNG氣化成常溫氣體供給用戶的過程中將釋放出大量的冷能。如果能將該部分冷能進(jìn)行有效的回收利用，如用于發(fā)電、空分、制造干冰、低溫冷庫(kù)、汽車?yán)洳?、汽車空調(diào)等領(lǐng)域，則可以節(jié)省大量的電能。

目前有研究表明[1-3]，LNG冷能可用于斯特林熱機(jī)，利用低溫氣化冷量發(fā)電，也可以用于冷卻燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口空氣，提高燃?xì)廨啓C(jī)效率。結(jié)合這二者的優(yōu)點(diǎn)，通過創(chuàng)新提出了一種利用液化天然氣冷能的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱聯(lián)合系統(tǒng))，并基于熱力學(xué)第一、第二定律對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析。

1 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)

基于LNG冷能的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。經(jīng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，LNG氣化，乙二醇溶液溫度降低，低溫氣態(tài)天然氣將冷量傳給乙二醇溶液，用于冷卻燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣，升溫后的天然氣用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)。聯(lián)合系統(tǒng)對(duì)LNG冷能分兩方面進(jìn)行回收利用：一是利用LNG的冷量 做功，以LNG作為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)冷源，乙二醇溶液作為熱源，利用大溫差驅(qū)動(dòng)循環(huán)做功。二是利用LNG的冷量降低燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度，在高溫季節(jié)或年平均氣溫較高的地區(qū)，為了提高燃?xì)廨啓C(jī)效率，利用LNG冷量冷卻燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口空氣[4-6]。

圖1 利用LNG冷能的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合系統(tǒng)Fig.1 Combined system of Stirling engine and gas turbine for utilizing cold energy of LNG

如圖1所示，聯(lián)合系統(tǒng)中，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)冷端采用LNG冷卻工質(zhì)(氦或氫)，熱端采用乙二醇溶液加熱工質(zhì)，LNG和乙二醇溶液的巨大溫差為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)用功設(shè)備提供動(dòng)力。

LNG由儲(chǔ)液罐和低溫泵輸送至斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端換熱器，用于冷卻工質(zhì)，乙二醇溶液由儲(chǔ)液箱經(jīng)溶液泵和三通調(diào)節(jié)閥輸送至斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱端換熱器，用于加熱工質(zhì)。輸出的天然氣經(jīng)套管式換熱器冷卻另一路乙二醇溶液。

燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣在空氣冷卻箱中被冷卻，為防止換熱溫差過大導(dǎo)致?lián)Q熱器結(jié)霜，影響換熱效果，冷卻箱中設(shè)有兩個(gè)翅片管式冷卻器?？諝庠趽Q熱過程中會(huì)形成水滴，因此，在冷卻箱底部設(shè)置空氣凝結(jié)水出口。換熱后的乙二醇溶液返回儲(chǔ)液箱中，形成乙二醇溶液循環(huán)系統(tǒng)。由空氣冷卻箱輸出的空氣在燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)中被壓縮，天然氣在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中與壓縮的空氣混合燃燒，帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)透平運(yùn)轉(zhuǎn)。

聯(lián)合系統(tǒng)可用于LNG接收站附近的電廠，如工廠的自備發(fā)電廠或調(diào)峰發(fā)電廠等。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組較大時(shí)，LNG的需求量增大，可采用并聯(lián)多臺(tái)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的方法來滿足燃料需求，該聯(lián)合系統(tǒng)具有一定的靈活性。此外，根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的容量可以調(diào)整聯(lián)合系統(tǒng)中斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)數(shù)，以保證燃?xì)獾墓?yīng)量。

2 聯(lián)合系統(tǒng)的熱力學(xué)分析

2.1 聯(lián)合系統(tǒng)的熱力計(jì)算

為簡(jiǎn)化計(jì)算，用甲烷代替天然氣，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的相對(duì)卡諾循環(huán)效率取50%[7-8]，忽略泵與風(fēng)機(jī)的影響。熱力計(jì)算的參數(shù)值如表1所示。

表1 熱力學(xué)計(jì)算的參數(shù)Tab.1 The parameters of thermodynamics calculation

取環(huán)境溫度為15℃時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)處于額定工況。選用的燃?xì)廨啓C(jī)的性能曲線如圖2所示。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)熱耗率和輸出功率隨進(jìn)氣溫度的變化[10]Fig.2 The change of gas turbine heat rate and output power with the inlet air temperature

在環(huán)境溫度為35℃的條件下，針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(不含斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，LNG冷能完全釋放給環(huán)境，進(jìn)氣溫度為環(huán)境溫度的單燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng))，直接冷卻進(jìn)氣系統(tǒng)(不含斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，LNG直接與乙二醇溶液換熱，冷能用于冷卻燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣的系統(tǒng))，以及聯(lián)合系統(tǒng)，分別計(jì)算三個(gè)系統(tǒng)的輸出功率、熱效率和 效率，并進(jìn)行對(duì)比。

1) 聯(lián)合系統(tǒng)給的熱效率計(jì)算

天然氣的質(zhì)量流量為：

式中，qc—燃機(jī)的熱耗率，kJ/(kW.h)。

冷端換熱量和熱端換熱量分別為：

式中，mLNG—LNG質(zhì)量流量，kg/s；ηSE—斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，%。

天然氣的定壓比熱[11]為：

式中，A、B、C、D—比熱方程常數(shù)；M—相對(duì)分子量。

天然氣的顯熱為：

聯(lián)合系統(tǒng)的熱效率為：

式中，PSE—斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，kW；PGT—燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率，kW；Qin,GT—輸入燃?xì)廨啓C(jī)的熱量，kW。

2) 聯(lián)合系統(tǒng)的 效率計(jì)算

LNG冷量[1]為：

聯(lián)合系統(tǒng)的 效率為：

式中，ENG—天然氣的化學(xué) ，kW。

燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度t2未知，可以通過迭代計(jì)算求得。假設(shè)t2的初值，分別計(jì)算空氣由環(huán)境溫度降至t2所需冷量和用于冷卻空氣的總冷量，比較兩個(gè)冷量值，若二者差值較大，則重新假設(shè)t2的值進(jìn)行計(jì)算。以1kg空氣為例，計(jì)算t2的過程如下：

用于冷卻空氣的總冷量為：

1kg濕空氣的相對(duì)濕度為：

式中，pv—濕空氣的蒸汽分壓力，Pa；ps—濕空氣的飽和壓力，Pa；p—環(huán)境壓力，Pa； —相對(duì)含濕率，%。

濕空氣的比焓為：

式中，cp,a—干空氣定壓比熱，kJ/(kg.℃)；t—濕空氣的溫度，℃；hv—濕空氣中水蒸汽的比焓，kJ/kg，近似為hv≈h′(t)；h′(t)—飽和水蒸汽的焓值，kJ/kg。

入口空氣的質(zhì)量流量為：

濕空氣被冷卻過程中的換熱量為：

式中，h1—環(huán)境中空氣的焓值，kJ/kg；h2—燃機(jī)進(jìn)氣的焓值，kJ/kg。

2.2 結(jié)果分析

將假設(shè)不同t2值的計(jì)算結(jié)果繪制曲線，如圖3所示，圖中曲線交點(diǎn)即為t2的終值。

由圖3可知，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣在聯(lián)合系統(tǒng)中可從35℃被冷卻至25.87℃；在直接冷卻進(jìn)氣系統(tǒng)中可從35℃被冷卻至26.71℃?？梢姡?lián)合系統(tǒng)相比直接冷卻進(jìn)氣系統(tǒng)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻效果更好。

環(huán)境溫度為35℃條件下，分別利用熱力學(xué)第一、第二定律分析燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)、直接冷卻進(jìn)氣系統(tǒng)、聯(lián)合系統(tǒng)的性能并進(jìn)行對(duì)比，三個(gè)系統(tǒng)的輸出功率，熱效率和 效率的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖3 環(huán)境溫度35℃，聯(lián)合系統(tǒng)和直接冷卻進(jìn)氣系統(tǒng)的冷量供需曲線Fig.3 The supply and demand curves of combined system and direct cooling inlet air system in the environment of 35℃

表2 不同系統(tǒng)的輸出功率、熱效率、火用效率的對(duì)比Tab.2 Output power, thermal ef fi ciency and exergy ef fi ciency contrast in different system

由表2可知，在環(huán)境溫度35℃條件下，聯(lián)合系統(tǒng)的輸出功率為5715.48kW，熱效率為31.62%，效率為43.65%；燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的輸出功率為5300kW，熱效率為30.65%， 效率為41.88%；直接冷卻進(jìn)氣系統(tǒng)的輸出功率為5671.65kW，熱效率為31.25%， 效率為42.95%。相比燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)和直接冷卻進(jìn)氣系統(tǒng)，聯(lián)合系統(tǒng)的輸出功率分別提高了8.39%和1.10%，熱效率分別提高了3.26%和1.25%， 效率分別提高了4.87%和1.74%。

以廣東某地區(qū)為例，根據(jù)各個(gè)月的平均氣溫計(jì)算并分析聯(lián)合系統(tǒng)的性能。該地區(qū)7～9月間月平均氣溫高達(dá)28℃，4～6月和10～11月間月平均氣溫約為20℃，12～3月間月平均氣溫約為15℃，利用熱力學(xué)第一、第二定律分析聯(lián)合系統(tǒng)在該地區(qū)一年中不同階段的運(yùn)行性能，結(jié)果如表3所示。

表3 聯(lián)合系統(tǒng)在廣東某地區(qū)一年中不同階段的性能Tab.3 The performances of combined system used in different months of an area in Guangdong

如表3所示，聯(lián)合系統(tǒng)用于該地區(qū)具有良好的性能。該地區(qū)年平均氣溫較高，聯(lián)合系統(tǒng)在一年中不同階段內(nèi)，可將燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度降低10℃左右，隨著進(jìn)氣溫度的降低，系統(tǒng)的輸出功率、熱效率和 效率均有所提高。

3 結(jié)論

采用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)，充分利用了液化天然氣的冷能，基于熱力學(xué)第一、第二定律，分別對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)、直接冷卻進(jìn)氣系統(tǒng)、聯(lián)合系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，計(jì)算每個(gè)系統(tǒng)的輸出功率、熱效率和 效率，并分析了聯(lián)合系統(tǒng)用于廣東某地區(qū)一年中不同時(shí)間段內(nèi)的性能。通過計(jì)算對(duì)比可得，在環(huán)境溫度為35℃時(shí)，聯(lián)合系統(tǒng)的輸出功率為5744.70kW，熱效率為31.65%，

效率為43.92%，相比燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)和直接冷卻進(jìn)氣系統(tǒng)，聯(lián)合系統(tǒng)的輸出功率分別提高了7.84%和0.78%，熱效率分別提高了3.16%和1.18%， 效率分別提高4.23%和1.63%。聯(lián)合系統(tǒng)在不同的環(huán)境溫度中，可將燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度降低10℃左右，系統(tǒng)輸出功率和效率隨著進(jìn)氣溫度的降低均有所提高。聯(lián)合系統(tǒng)表現(xiàn)出了較好的熱力性能。

本文受上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(10YZ96)、上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(J50502)和高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20093129129996)資助。(The project was supported by Innovation Program of Shanghai Municipal Education Commission (No.10YZ96), Leading Academic Discipline Project of Shanghai Municipal Education Commission (No.J50502) and the Doctoral Program of Higher Education of China (No.20093120120006).)

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