基于LNG冷能的低溫動力循環研究進展

薛菲爾　陳 煜　巨永林

(1上海交通大學制冷與低溫工程研究所　上?！?00240； 2 上海工程技術大學機械工程學院熱能與動力工程系　上?！?01620)

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基于LNG冷能的低溫動力循環研究進展

薛菲爾1陳 煜2巨永林1

(1上海交通大學制冷與低溫工程研究所上海200240； 2 上海工程技術大學機械工程學院熱能與動力工程系上海201620)

液化天然氣(LNG)是一種應用日趨廣泛的清潔能源，構建LNG冷能低溫動力循環成為回收冷能的重要途徑。本文首先討論了LNG側參數、循環工質、設備進出口參數等重要參數對基本LNG冷能動力循環的影響；其次分析和總結了諸多LNG冷能動力循環的結構改進類型，包括朗肯循環、布雷頓循環、卡琳娜循環和復合循環。文章最后指出了參數研究的實際工程意義和循環結構改進的多樣性，并指出下一步研究應圍繞有機混合工質組分配比、模擬與實驗相結合等方面展開。

液化天然氣；冷量回收；制冷劑；朗肯循環

液化天然氣(LNG)是天然氣經過脫酸、脫水處理，通過低溫工藝冷凍液化而成的低溫(-162 ℃)液體混合物[1]，其主要成分是甲烷(90%以上)、乙烷、氮氣(0.5%～1%)及少量C3～C5烷烴。與常規能源煤炭和石油相比，LNG成分中不含硫，在氣化后燃燒不會產生二氧化硫等污染環境的氣體；同時，其燃燒產生的溫室氣體也僅占同等數量煤炭的1/2，石油的2/3。當前，我國正處于節能環保、低碳經濟的大形勢下，能源結構正從單一的煤炭向著以煤為主、多能互補的大方向邁進，LNG作為一種重要的清潔能源，未來使用量必將不斷增大，行業的發展前景十分看好。

在實際應用中，LNG需氣化才能加以利用。然而，傳統利用海水或空氣等自然熱源的氣化方式將會造成LNG冷能的巨大浪費。因此，構建基于LNG冷能的動力循環，有效地將LNG冷能轉化為電能輸出，成為利用LNG冷能的重要途徑。

針對近年來LNG冷能低溫動力循環的研究，本文首先介紹了基本循環的主要影響因素，其次分析和總結了諸多LNG冷能動力循環的結構改進類型，最后指出了LNG冷能動力循環的進一步研究方向。

1 基本LNG冷能動力循環影響因素

基本LNG冷能動力循環主要包括：LNG直接膨脹法、中間制冷劑的低溫朗肯循環和聯合法。后兩種循環是目前已經投入使用且技術相對成熟的動力循環。以日本Osaka Gas公司[2]為例，早在1979年和1982年，該公司就分別利用以丙烷為工質的低溫朗肯循環和聯合法實現LNG的冷能發電，輸出功率分別為1450 kW和6000 kW。

鑒于中間制冷劑的低溫朗肯循環和聯合法的應用廣泛性，對循環輸出功影響因素的研究也多以此為基礎展開，主要包括LNG側的運行參數、循環工質以及系統中主要設備進出口參數等。

1.1 LNG側參數的影響

上述研究結果表明，LNG與環境之間的大溫差和大壓差決定了LNG會具有較大冷能。在LNG側參數中，LNG溫度與壓力的改變直接影響其冷能與做功能力，而CH4作為LNG最主要的組分，其變化會帶來物質屬性的變化，間接影響和環境間的溫差與壓差，進而影響系統做功能力。因此，應當根據LNG自身的條件來選擇適當的循環方式，以實現輸出功的最大化。同時，由于甲烷含量越高，系統輸出功的能力越強，故對于實際的工程項目，可將甲烷含量區間的下限作為極端情況，上限作為最佳情況，以便全面分析實際參數下動力循環的輸出功表現。

1.2 循環工質

1) 單一工質

低溫朗肯循環和聯合法中單一工質的一般選擇原則應包括：環境友好特性、汽化熱較大、化學和熱穩定性好、導熱系數高、氣體和液體動力粘度小、液相飽和線盡可能垂直、無毒易制取、價格低廉等[5]。此外，工質的三相點要低于運行最低溫度，以保證流體不會在循環中任意位置發生固化而堵塞[4]。

鹿院衛等[6]分別分析了以R152a (CH3CHF2)、R290 (C3H8)、R600 (C4H10)、R134a ( CH2FCF3)等為工質的單級朗肯循環，發現其發電量均隨蒸發溫度的升高先增后減，即工質存在最佳蒸發溫度使得系統凈發電量最大，且輸出功率隨蒸發溫度升高而上升。同時對比透平等熵焓降、飽和壓力等方面因素，得到R290綜合性能最佳，當熱源海水溫度為20 ℃時，與R290相對應的最佳蒸發溫度為11.08 ℃。

劉燕妮等[7]對以海水為熱源的丙烷朗肯循環和聯合法系統建立了LNG利用溫度-單位輸出功的評價體系，研究發現給定LNG氣化壓力下，隨著LNG利用溫度的升高，單位輸出功先增后減?？紤]冷凝器傳熱溫差的限制，可以在LNG最佳利用溫度上獲得工質最佳冷凝溫度，使得單位輸出功最大。

張磊等[8]首次采用基團貢獻法進行LNG-海水低溫朗肯循環的工質選擇。基于基團貢獻法設定模型產生的工質CHF3與傳統制冷劑R22、R134a和R410a相比，在物流成本、能耗、設備尺寸和循環效率等多方面都呈現出優越性。

2) 混合工質

對于制冷劑混合物，Kim C W等[9]的研究表明，相較于單一工質 R22和 R142b，這兩種制冷劑組成的混合工質的循環特性有所提高，但隨著環保意識的增強，氟利昂漸漸被禁用。目前較多的是利用混合有機工質進行的系統優化。

朱鴻梅等[10]對LNG-空氣的低溫朗肯循環分別使用丙烷和混合工質(摩爾分數之比，丙烷∶乙烯∶異丁烷=0.39∶0.16∶0.45)進行換熱過程和冷能利用率的比較，后者傳熱溫差明顯減小，冷能利用效率提高41.04%。

王弢[5]對LNG-廢煙氣的回熱低溫朗肯循環使用混合工質實現變溫相變，并在配比(摩爾分數之比，丙烷∶異丁烷=0.7∶0.3)下獲得等熵流體工質，使得透平出口壓力溫度可以很低，且透平入口處不用過熱，且循環效率最高，但其工作溫度區間受限。

1.3 設備進出口參數研究

白芳芳[4]改變LNG-海水的丙烷聯合法循環中工質透平入口溫度，通過調節壓力變化使透平出口丙烷狀態不變，得到系統發電量隨工質透平入口溫度上升而明顯上升。提高NG透平入口溫度同樣可以使系統發電量上升。

饒文姬等[15]針對LNG-工業余熱的乙烷朗肯循環，分析了循環熱效率及做功量隨蒸發器出口溫度和壓比(工質蒸發器出口壓力/冷凝器出口壓力)的變化，得到結論：循環熱效率和做功量隨壓比的增加而增加，隨蒸發器出口溫度變化并不明顯。

Xue X等[16]建立了LNG-煙氣廢熱的兩級朗肯循環，指出兩級工質透平入口的壓力越高，各自質量流量越大，能獲得更高的指標CPP值(cost per net power output)，整個循環的熱力學和經濟學性能會得到顯著提高。

2 LNG冷能動力循環結構改進

單純針對LNG直接膨脹環節的結構改進研究[17-18]并不多見，LNG冷能動力循環的結構改進主要在朗肯循環和布雷頓循環的基礎上進行。同時，針對非共沸工質對的特性提出了以吸收器和分離器為主要部件的卡琳娜循環。結構更為復雜的復合循環在朗肯循環、布雷頓循環和卡琳娜循環的基礎上建立。

2.1 朗肯循環改進

現有的朗肯循環研究中，循環工質不局限于應用最廣泛的丙烷，還包括乙烷、氨水混合物、有機混合工質和CO2等；熱源也從海水擴展到工業廢熱、煙氣、地熱和太陽能等。

朗肯循環多級化是結構改進的另一重要方向，主要原理是根據LNG氣化曲線實現冷能的梯級利用。

圖1 具有回熱結構的聯合法Fig.1 Regenerative Rankine cycle with direct expansion of LNG

圖2 跨臨界CO2回熱朗肯循環Fig.2 Transcritical CO2 regenerative Rankine cycle

圖3 橫向兩級朗肯循環Fig.3 2-stage Rankine cycle of horizontal

圖4 縱向三級朗肯循環Fig.4 3-stage Rankine cycle of vertical

圖5 縱向三級朗肯循環Fig.5 3-stage cascade Rankine cycle

Choi I H等[22]考慮到冷凝器出口的LNG溫度仍較低，為繼續利用這部分冷量，建立了三級內嵌套的朗肯循環，如圖5所示。外層冷凝器中，LNG提供冷量而外層工質提供熱量；中層冷凝器中，LNG與外層工質供冷，中層工質供熱；內層冷凝器中，LNG、外層工質、中層供冷，僅內層工質供熱。這種循環結構相較于一般朗肯循環熱效率顯著提升；但是采用多個多流道換熱器使得循環的復雜性和不穩定性上升。

朗肯循環主要結構改進[5,21,23-28]見表1。

2.2 布雷頓循環改進

布雷頓循環(Brayton cycle)主要利用LNG冷能降低壓縮機入口氣體溫度，在相同壓比的條件下顯著減小壓縮機功耗，提升循環凈功；同時LNG與氣體工質之間的換熱曲線相較于單一工質的朗肯循環換熱曲線更為匹配，因此能有效提升循環效率。典型的氮氣布雷頓循環與LNG直接膨脹相結合的結構如圖6所示，LNG經泵加壓，在LNG-氮氣換熱器中將冷量傳遞給氮氣，經加熱器升溫后進入NG透平做功；氮氣獲得冷量，以較低溫度進入壓縮機，與熱源換熱后，以高溫高壓的狀態進入透平做功，再次回到LNG-氮氣換熱器。

圖6 布雷頓循環與LNG直接膨脹Fig.6 Brayton cycle with direct expansion of LNG

Agazzani A等[29]對典型布雷頓循環進行改進，增加回熱環節以提高工質氦氣的透平入口溫度，熱源采用燃燒熱，如圖7所示，廢熱得到有效利用。Morosuk T等[30]構建了如圖8所示的布雷頓循環，空氣經帶有中間冷卻的兩級壓縮后與燃料在燃燒室燃燒，燃燒氣進入透平做功，再為工質氦氣供熱。Dispenza C等[31]構建的布雷頓循環中，熱源為開式NG燃燒兩級膨脹出口的廢氣，整體循環的功率輸出來自NG膨脹做功與氦氣膨脹做功，NG兩級膨脹提高了整體循環的做功能力。其他學者[32-33]也提出了類似的循環結構。

考慮到透平輸出功中的大部分被用于驅動壓縮機，使得整個系統輸出凈功有限，故壓縮和膨脹的多級化成為布雷頓循環改進的方向之一。Tomków等[34]提出了兩級壓縮-兩級膨脹的布雷頓循環結構，如圖9所示。此外，復雜的MGT循環結構[35]也是循環改進之一。

表1 朗肯循環主要結構改進

注：1)RC-朗肯循環；DEC-直接膨脹

2.3 卡琳娜循環

近年來，卡琳娜循環工質在氨水混合物的基礎上擴展到乙烯-丙烷和四氟化碳-丙烷等，循環內部采用回熱、兩級膨脹環節或與LNG的直接膨脹相復合以提高循環效率，其主要結構[4,36-39]見表2。

圖10為以氨水混合物為工質、具有LNG直接膨脹的卡琳娜循環[36]：具有一定質量分數的氨水基液，經過蒸發器吸收熱源的熱量，變為高溫溶液;高溫溶液在分離器被分離成富氨蒸氣和富水溶液;分離出的富氨蒸氣進入透平做功，透平乏汽進入冷凝器與LNG換熱，經泵加壓進入混合器；它與從高溫回熱器出口的經節流降壓后的富水溶液在混合器中混合成一定質量分數的氨水混合物，同時被LNG冷凝，經工質泵加壓后回到蒸發器；LNG先后獲得透平乏汽和回熱器熱量后進入透平做功，再進入混合器冷凝氨水混合物，完成一個循環。該循環中，分離器出口的富氨蒸氣做功能力強，提升整體循環的輸出功；富水溶液能為LNG氣化提供熱量，部分熱得到回收利用。

表2 卡琳娜循環主要結構

注：1)Kalina-卡琳娜循環；DEC-直接膨脹

圖7 回熱布雷頓循環與LNG直接膨脹Fig.7 Regenerative Brayton cycle with direct expansion of LNG

圖8 改進布雷頓循環與LNG直接膨脹Fig.8 Improved Brayton cycle with direct expansion of LNG

圖9 兩級布雷頓循環Fig.9 2-stage Brayton cycle

圖10 卡琳娜循環與直接膨脹的復合Fig.10 Kalina cycle with direct expansion of LNG

2.4 復合循環

復合循環主要將朗肯循環、布雷頓循環、卡琳娜循環、LNG直接膨脹進行結合；一些學者也建立了與燃氣輪機相結合的復合結構。主要復合循環[2,34,40-44]見表3。以Zhang N等[42]和Tomków等[34]建立的復合循環為例，進行說明。

Zhang N等[42]建立的CO2近零排放循環中，將超臨界CO2的朗肯循環和CO2的布雷頓循環進行結合。如圖11所示，空氣產物氧氣和LNG氣化產物甲烷在燃燒室中燃燒，燃燒氣膨脹做功，作為熱流體先后通過三通道和兩通道CO2蒸發器，經分離器分離出產物水和CO2；CO2由LNG冷卻后進入低級壓縮機，低級壓縮機出口CO2分為兩股，一股經加壓加熱回到燃燒室，另一股完成超臨界CO2循環。該復合循環中，LNG冷能先后用于冷卻壓縮機入口氣體和冷凝工質，循環輸出功由朗肯循環和燃燒氣做功共同實現。燃燒產物CO2通過冷凝、分離轉化為液態，部分被收集，剩余進行朗肯循環，因此整個循環接近CO2零排放。

表3 復合循環主要結構

注：1)RC-朗肯循環；BC-布雷頓循環；Kalina-卡琳娜循環;DEC-直接膨脹

圖11 朗肯循環與布雷頓循環的復合Fig.11 Integration of Rankine cycle and Brayton cycle

圖12　卡琳娜循環與朗肯循環的復合Fig.12　Integration of Kalina cycle and Rankine cycle

3 結論及展望

本文主要將LNG冷能利用動力循環的研究分為基本循環的參數研究和循環結構改進兩方面。由于基本循環已經具有一定的實際工程應用，因此參數研究具有十分重要的工程價值，能夠有效指導實際工程以實現LNG冷能輸出功的最優化。循環改進類型較為豐富，為LNG冷能動力循環進一步結構優化開拓了思路。

然而，就LNG冷能利用動力循環的研究現狀而言，還有一些方面值得進一步深化，主要包括：

1) 低溫朗肯循環和聯合法有機混合工質的組分研究。現有的研究多直接給定循環混合工質的組分而展開參數分析，對于組分如何選擇和如何配比并未做出詳細解釋說明。針對不同來源的LNG，以何種標準選擇混合工質、并確定使循環性能最佳的組分比例，將會是很有意義的一項工作。

2) 循環模擬與實驗數據相結合的研究。現有的循環結構改進主要依托流程模擬軟件實現，而模擬軟件的設定中多將設備條件及循環系統過于理想化。因此，建立實驗研究，使得實驗與模擬相互促進會是未來該領域研究的重點和難點。

3) 可行性和經濟性分析。對于一些理論研究相對成熟的循環，可以在理論分析的基礎上補充實際應用的可行性和經濟性分析，包括重要設備的選型、循環管路搭建、設備成本、年發電量收益、回本年限等。

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About the corresponding author

Ju Yonglin, male, professor, Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, +86 21-34206532, E-mail:yju@sjtu.edu.cn. Research fields: low power cryocoolers ( Pulse tube and G-M ), liquefied natural gas (LNG) and its cold energy utilization.

Development of Cryogenic Power Generation Cycles with LNG Cold Energy Utilization

Xue Feier1Chen Yu2Ju Yonglin1

(1. Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China;2.College of Mechanical Engineering ,Shanghai University of Engineering Science, Shanghai, 201620, China)

Liquefied natural gas is an increasingly widely used clean energy. Establishing cryogenic power generation cycles using LNG cold energy is an important way of cold energy recovery. In the present paper, the key factors affecting the basic LNG power generation cycles are discussed, including LNG-side parameters, working fluids and equipment inlet and outlet parameters. Cycle structural enhancement is also summarized, including Rankine cycle, Brayton cycle, Kalina cycle and the compound cycles. The practical significance of parametric study and diversity of cycle structural enhancement are indicated. It is also pointed out that further research should be based on the selection and the component matching of organic mixed working fluids, and the combination of simulation and experiment, etc.

liquefied natural gas; cold recovery; refrigerant; Rankine cycle

0253- 4339(2016) 03- 0060- 10

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.03.060

2015年9月18日

TB61+1; TB61+2

A

簡介

巨永林，男，教授，博士生導師，上海交通大學制冷與低溫工程研究所，021-34206532，E-mail: yju@sjtu.edu.cn。研究方向：小型低溫制冷機技術(脈管制冷機、G-M制冷機)，液化天然氣技術(海洋油田伴生氣、煤層氣)及其冷能綜合利用技術。