提高LNG冷能發電利用效率的仿真研究

郝 磊

（西安鐵路職業技術學院，陜西 西安 710026）

0 引 言

天然氣資源豐富，且具有高效、潔凈、熱值高、污染小、可持續性等特點，得到了越來越廣泛的應用。LNG是超低溫液態天然氣，沸點約為-162 ℃，包含的冷能大約為840 kJ/kg，約270 （kW·h）/t，實際可用約240 （kW·h）/t[1]。因此，LNG大量應用于冷能發電、低溫粉碎、低溫空分、食品冷凍、利用供冷和發電復合方案提高LNG火用效率[2]、冷能梯級利用工藝順序等大規模工程中[3]。為了提高LNG冷能發電利用效率，使用Aspen Plus建立了儲能耦合系統的物理模型，并通過一定的算法建立了整個系統的數學模型。

1 仿真模型建立

如圖1所示，耦合模型設計了一路儲能和兩路發電過程。在儲能過程中，高壓氣體經過多級壓縮、冷卻、儲熱后，形成的熱量被冷卻吸收存于儲熱罐中。LNG冷量再進行多次冷卻后獲得液態空氣，并儲存在液空儲罐中。在釋能發電過程中，一方面液態空氣經多級膨脹機和空氣換熱器，回收能量進行發電且吸收多級余熱。另一方面，LNG經過多級LNG冷能換熱器釋放能量、多級透平膨脹機進行膨脹做功，推動發電機組發電。

2 研究方法

針對耦合系統模型提出的兩個新的效率公式為：

其中，ΣWT為吸收外界余熱的情況下系統膨脹功總和；Qy為系統吸收余熱；WC為壓縮機功耗；WP為系統泵的功耗；系統熱效率η1代表系統熱電轉化效率；余熱利用效率η2代表系統吸收余熱后效率提升的情況。由于不考慮余熱本身轉化為功的能力，該效率可以大于1。

基于Aspen plus軟件中PSRK方程，分析模擬兩個新效率隨著系統壓力和溫度的變化機理，并對系統各效率進行優化分析。

3 仿真計算參數設定

初始狀態下，假設煙氣換熱器煙氣側出口溫度高于125 ℃，各級換熱器的換熱溫差大于20 ℃；發電機組功率50 kW，壓縮機效率0.75，低溫泵效率0.7，渦輪效率0.8，且在分析過程中系統的壓力損失忽略不計。初始條件如表1所示。

4 計算結果和分析

4.1 系統壓力對η1、η1的影響

圖2、圖3反映了系統膨脹級數n=4時，在不同溫度下系統效率η1、η2隨工作壓力的變化情況。可見，在一定溫度下，η1隨著壓力增加而增加。因為在相同進口溫度條件下，隨著壓力的增加，系統工質流量減少，但是由于總焓降較大，膨脹功相應增加。另外，工質流量減少，壓縮耗功和吸收余熱較少，因此效率η1增加。類似地，隨著壓力增加，效率η2變化規律相似。

4.2 溫度對 η1、η2的影響

圖4、圖5反映了在膨脹級數n=4時，系統溫度對η1、η2的影響。由圖4可知，隨著溫度的增加，η1逐漸減小。這是因為隨著溫度增加，系統總焓降增大，工質流量減少，余熱和耗功相應減少，膨脹功也顯著減少。而圖5表明η2隨著溫度增加呈線性增加。

圖1 LNG冷能和壓縮空氣耦合流程

表1 系統初始參數

圖3 效率η2隨系統壓力的變化

圖2 效率η1隨系統壓力的變化

4.3 余熱效率比較

由上述分析可知，在T=600 K時，系統余熱利用率和系統凈功較高。為了便于進一步比較系統吸收余熱后效率的提升情況，定義效率η3為：

式（3）將溫度T=600 K時吸收余熱后系統做功和環境溫度T=300 K時不吸收余熱系統做功相比較，以此分析系統余熱效率。

圖6、圖7反映了壓縮空氣儲能系統和LNG發電系統的余熱效率η3。由圖6、圖7可知，隨著壓力的增加，空氣余熱效率呈現先增大后減少的現象；而LNG余熱效率隨著壓力的增加而增加。此外，LNG余熱效率大于同等條件下的空氣余熱效率，這是由氣體本身性質決定的。同等條件下，LNG單級焓降近乎是空氣焓降的2倍。

圖4 效率η1隨溫度的變化

圖5 效率η2隨系統溫度的變化

圖6 壓縮空氣儲能系統的余熱效率

圖7 LNG發電系統的余熱效率

5 結 論

（1）效率η1隨著壓力增加而增加，隨著溫度增加而減少，T=600 K時達到最大，這與系統凈功率在T=600 K最大一致；效率η2隨著壓力、溫度增加均增大，明顯提高了壓縮空氣儲能熱效率。

（2）隨著壓力增加，空氣余熱效率呈現先增大后減少的現象；LNG余熱效率隨著壓力增加而增加，且大于同等條件下空氣余熱效率。