液化天然氣(LNG)冷能用于斯特林發(fā)動機和燃氣輪機的聯(lián)合系統(tǒng)研究

李 靜 陳 曦 張 華

(上海理工大學 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、儲量豐富的天然氣的應用越來越廣泛。為了便于天然氣的儲藏運輸，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行有效的回收利用，如用于發(fā)電、空分、制造干冰、低溫冷庫、汽車冷藏、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，利用低溫氣化冷量發(fā)電，也可以用于冷卻燃氣輪機進口空氣，提高燃氣輪機效率。結(jié)合這二者的優(yōu)點，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)動機和燃氣輪機聯(lián)合系統(tǒng)(以下簡稱聯(lián)合系統(tǒng))，并基于熱力學第一、第二定律對系統(tǒng)進行了熱力學分析。

1 斯特林發(fā)動機和燃氣輪機聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)

基于LNG冷能的斯特林發(fā)動機與燃氣輪機的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。經(jīng)斯特林發(fā)動機，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，用于冷卻燃氣輪機進氣，升溫后的天然氣用于燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)。聯(lián)合系統(tǒng)對LNG冷能分兩方面進行回收利用：一是利用LNG的冷量 做功，以LNG作為斯特林發(fā)動機冷源，乙二醇溶液作為熱源，利用大溫差驅(qū)動循環(huán)做功。二是利用LNG的冷量降低燃氣輪機進氣溫度，在高溫季節(jié)或年平均氣溫較高的地區(qū)，為了提高燃氣輪機效率，利用LNG冷量冷卻燃氣輪機進口空氣[4-6]。

圖1 利用LNG冷能的斯特林發(fā)動機和燃氣輪機聯(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)動機冷端采用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)動機用功設備提供動力。

LNG由儲液罐和低溫泵輸送至斯特林發(fā)動機的冷端換熱器，用于冷卻工質(zhì)，乙二醇溶液由儲液箱經(jīng)溶液泵和三通調(diào)節(jié)閥輸送至斯特林發(fā)動機熱端換熱器，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。

燃氣輪機進氣在空氣冷卻箱中被冷卻，為防止換熱溫差過大導致?lián)Q熱器結(jié)霜，影響換熱效果，冷卻箱中設有兩個翅片管式冷卻器。空氣在換熱過程中會形成水滴，因此，在冷卻箱底部設置空氣凝結(jié)水出口。換熱后的乙二醇溶液返回儲液箱中，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氣輪機壓氣機中被壓縮，天然氣在燃氣輪機燃燒室中與壓縮的空氣混合燃燒，帶動燃氣輪機透平運轉(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。當燃氣輪機機組較大時，LNG的需求量增大，可采用并聯(lián)多臺斯特林發(fā)動機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)燃氣輪機的容量可以調(diào)整聯(lián)合系統(tǒng)中斯特林發(fā)動機的臺數(shù)，以保證燃氣的供應量。

2 聯(lián)合系統(tǒng)的熱力學分析

2.1 聯(lián)合系統(tǒng)的熱力計算

為簡化計算，用甲烷代替天然氣，斯特林發(fā)動機的相對卡諾循環(huán)效率取50%[7-8]，忽略泵與風機的影響。熱力計算的參數(shù)值如表1所示。

表1 熱力學計算的參數(shù)Tab.1 The parameters of thermodynamics calculation

取環(huán)境溫度為15℃時，燃氣輪機處于額定工況。選用的燃氣輪機的性能曲線如圖2所示。

圖2 燃氣輪機熱耗率和輸出功率隨進氣溫度的變化[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，針對燃氣輪機系統(tǒng)(不含斯特林發(fā)動機，LNG冷能完全釋放給環(huán)境，進氣溫度為環(huán)境溫度的單燃氣輪機系統(tǒng))，直接冷卻進氣系統(tǒng)(不含斯特林發(fā)動機，LNG直接與乙二醇溶液換熱，冷能用于冷卻燃氣輪機進氣的系統(tǒng))，以及聯(lián)合系統(tǒng)，分別計算三個系統(tǒng)的輸出功率、熱效率和 效率，并進行對比。

1) 聯(lián)合系統(tǒng)給的熱效率計算

天然氣的質(zhì)量流量為：

式中，qc—燃機的熱耗率，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)動機熱效率，%。

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)動機輸出功率，kW；PGT—燃氣輪機輸出功率，kW；Qin,GT—輸入燃氣輪機的熱量，kW。

2) 聯(lián)合系統(tǒng)的 效率計算

LNG冷量[1]為：

聯(lián)合系統(tǒng)的 效率為：

式中，ENG—天然氣的化學 ，kW。

燃氣輪機進氣溫度t2未知，可以通過迭代計算求得。假設t2的初值，分別計算空氣由環(huán)境溫度降至t2所需冷量和用于冷卻空氣的總冷量，比較兩個冷量值，若二者差值較大，則重新假設t2的值進行計算。以1kg空氣為例，計算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—燃機進氣的焓值，kJ/kg。

2.2 結(jié)果分析

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

由圖3可知，燃氣輪機進氣在聯(lián)合系統(tǒng)中可從35℃被冷卻至25.87℃；在直接冷卻進氣系統(tǒng)中可從35℃被冷卻至26.71℃?？梢?，聯(lián)合系統(tǒng)相比直接冷卻進氣系統(tǒng)對燃氣輪機進氣冷卻效果更好。

環(huán)境溫度為35℃條件下，分別利用熱力學第一、第二定律分析燃氣輪機系統(tǒng)、直接冷卻進氣系統(tǒng)、聯(lián)合系統(tǒng)的性能并進行對比，三個系統(tǒng)的輸出功率，熱效率和 效率的計算結(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%；燃氣輪機系統(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%。相比燃氣輪機系統(tǒng)和直接冷卻進氣系統(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)各個月的平均氣溫計算并分析聯(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)，可將燃氣輪機進氣溫度降低10℃左右，隨著進氣溫度的降低，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)動機和燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)，充分利用了液化天然氣的冷能，基于熱力學第一、第二定律，分別對燃氣輪機系統(tǒng)、直接冷卻進氣系統(tǒng)、聯(lián)合系統(tǒng)進行熱力學分析，計算每個系統(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)一年中不同時間段內(nèi)的性能。通過計算對比可得，在環(huán)境溫度為35℃時，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%，相比燃氣輪機系統(tǒng)和直接冷卻進氣系統(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，可將燃氣輪機進氣溫度降低10℃左右，系統(tǒng)輸出功率和效率隨著進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科研創(chuàng)新項目(10YZ96)、上海市教育委員會重點學科建設項目(J50502)和高等學校博士學科點專項科研基金(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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