LNG冷能發電的優化設計

白宸瑞 文子彥

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

LNG是在除去酸和水后通過天然氣低溫工藝冷凍液化而成的低溫（-162℃）液體混合物。液化天然氣是一種高能耗過程，生產一噸液化天然氣消耗約850kWh的電能。而在LNG接收站，一般又需將LNG經氣化器氣化后使用，氣化時放出很大的冷量，大約為830kWh/kg。如果將液化天然氣的冷能利用起來，很明顯整體效率會提高[1]。若將LNG蘊涵得冷能全部轉化為電能，其能量利用價值大約為240kWh/t[2]。考慮到LNG冷能的大量消耗，使用LNG冷能發電的潛力非常顯著。根據國際能源署的預測，中國將在2020年成為世界上最大天然氣進口國，2023年預測天然氣消費量5825億m3，其中大部分為LNG進口。到2023年約有60座LNG接收站運行，共計2.4億噸，約3360億m3。

1 利用LNG冷能發電原理

將 LNG 的冷量火用分解為低溫火用和低壓火用，這兩種不同的能量用于發電的機制是不同的。低溫火用的應用涉及閉式低溫朗肯循環[3]，在循環中，LNG在冷凝過程中用作冷卻循環工質，并且輸出工質通過膨脹過程完成，在此過程中高壓蒸汽通過蒸汽輪機膨脹。壓力火用的應用涉及天然氣直接膨脹。高壓天然氣通過燃氣輪機膨脹，輸出功通過膨脹過程完成。當進料氣壓相對較高時，可以使用多級膨脹循環[4]。本文采用朗肯循環和天然氣直接膨脹聯合發電系統進行優化設計。見圖1。

圖1 聯合循環

2 數學模型

太陽能集熱器將太陽輻射能轉換成熱能，通過熔融鹽將熱量傳遞給有機工質，有機工質被加熱產生有機蒸汽，蒸汽推動透平或膨脹機并帶動發電機做功，從而產生電能，膨脹后的蒸汽經冷凝器與LNG換熱被冷卻到液態，再經工質泵打回進行循環。LNG冷凝工質后進入換熱器與海水換熱，然后進入透平發電。

1）透平

2）換熱器

3）泵

火用效率更能準確地反映系統能量轉換能力，其公式為：

3 系統優化

以火用效率作為目標函數，透平進口溫度、壓力、冷凝溫度、LNG流量為參數變量。見表1、表2及圖2。

表1 變量條件

表2 優化參數

4 結論

圖2 朗肯循環優化圖

在建立有機工質低溫發電系統的熱力學模型中，為了使發電系統的性能達到最佳，以系統火用效率最大為目標函數，采用改進的遺傳算法對系統進行優化設計，獲得最優工作參數。最終系統效率為 41.35%。