LNG冷能发电技术研究

摘 要：液化天然气之中蕴含着巨大的能量，但是在其汽化的过程中，没有对其中蕴含的冷能进行充分的利用，导致能量的浪费。本文对利用LNG能冷发电进行了比较深入的研究，主要从两方面进行冷能的利用：改善现有的动力循环和相对独立的低温动力循环，对从事LNG冷能利用的研究人员具有一定的借鉴意义。

关键词：LNG；冷能；发电技术

1 前言

在当今世界一次能源结构中，天然气所占的比重已经高达25%，对于社会经济的发展具有十分重要的作用。天然气作为能够广泛推广的清洁能源，极大的迎合了现代经济发展政策中“可持续发展”的核心要求，能够为各行各业带来高效率的优质能源服务，必将成为未来世界发展的主要能源形式。

天然气主要是以液态形式进行运输的，即液化天然气LNG，对天然气进行液化处理需要消耗大量的能量。利用天然气时往往是以气态的形式，需要将液态形式的天然气转变为气态。在LNG转变为气态的过程中会释放大量的能量，据不完全统计，转化过程中的能量大约为240kWh/t，若能对其中的冷能进行有效的利用，将会转变为大量的电能。

2 通过LNG冷能对动力循环进行改进

最为直接的利用LNG冷能的方式就是利用于海水的冷却，而后被冷却降温的海水便能够被利用到动力循环冷凝器里，作为其中的循环水来使用，同时，还可以利用LNG的冷能来降低排气的温度。该种方法构造简单，在实际中容易实施但是其对冷能的利用效率非常低，对功率、效率的提高程度非常有限。

当前LNG冷能利用比较成熟的就是对燃气轮机的入口空气进行冷却处理，由于气轮机的性能受入口空气温度的影响非常大，降低其空气温度能够提高气轮机的发电效率。由此可见，若能将LNG冷能充分的应用于燃气轮机的发电过程中，能够获得非常好的经济效益，但是同时还要注意由此而导致的空气湿度增加对气轮机所造成的影响。

关于LNG冷能的利用还有就是，利用LNG将清洁水进行降温，再经由雾化装置在气轮机的入口处喷出，与由压气机排出的空气进行均匀的混合，将混合气体的温度降低8℃，就能提高气轮机的功率达15%。此外，还可以利用LNG部分的冷能降低海水的温度10℃左右，而LNG剩余的冷能则可以用于余热锅炉中，用以降低排烟温度，最后通过膨胀做功，？效率甚至能够达到49.1%之多。

3 利用LNG冷能的相对独立低温动力循环

利用LNG冷能进行发电，还可以建设相对独立的低温动力循环系统装置，而后对其进行利用。通过LNG冷能降低循环工质的温度，能够将其维持在较低的温度，可以将工业余热作为低温动力循环的高温热源。利用LNG冷能进行发电主要有以下几种方式可供参考。

3.1 直接膨胀法

凭借LNG储存不同的状态，通过低温泵来对LNG予以相应的加压处理方式等，再利用海水或者工业预热对其进行加热处理，促使其受热气化，然后经由膨胀机进行做功，进而将电能输出，其具体的结构如图1所示。

采用直接膨胀法利用LNG冷能发电原理简单，操作便利，整个系统构造清晰明了，设备数量少，投资较少，该方法的缺点在于不能对LNG冷能进行充分利用，LNG的冷能利用率仅为24%左右。因此，在实际LNG冷能的利用工作中，很少单独使用此方法，往往与其他的方法进行联合使用。

3.2 低温Rankine循环

低温Rankine循环的方式，重要指的是通过循环的过程，利用LNG冷能的特性使之成为循环中的冷源，通过对广泛存在的低品味能的使用，结合循环的实际工作情况，优选出适宜的有机物质作为工作介质，形成封闭的低温蒸汽动力循环。将该方法与直接膨胀法进行深度的融合，就能提高LNG冷能？和压力？的回收利用效率，进而大大提高此循环方法中LNG冷能的利用效率，具体的构造示意图如图2所示。

低温Rankine循环多采用丙烷、乙烯作为循环工质，也可以采用混合物作为循环工质，要尽可能的维持传热温差稳定。在该种循环状况下，LNG的蒸发状况经常出现在亚临界的状态之下。而实际的工业使用过程中，能够利用再热循环等技术进一步增加LNG冷能的回收利用效率，通常都维持在50%左右。

3.3 构建低温Brayton循环

下图为LNG冷能利用的低温Brayton循环。

左侧是以氮气作为工作介质的低温工作条件下的Brayton循环，右侧采用的是LNG的直接膨胀法。由于采用了氮气进行降温，可以将压缩机的入口温度降低到非常低，甚至可以达到-130℃，在较低的温度条件下，循环效率可以保持在较高的水平，通常会维持在百分之五十以上。整个工作的程序当中，相关介质并没有产生相变，这与Rankine循环具有极大的差别，由于LNG的蒸发压力会处于超临界状态，进而提高了系统的换热效率。

3.4 升级改进复合循环

采用LNG冷能完成发电工作的系统具有循环工质温度变化极大的特点，很难找到适合的循环介质。为了降低为循环工质的要求，可以改进升级为复合式的新型循环方式，利用循环温度之间的差别，采取梯级型利用方式，从而极大提高利用效率与成本。如图是一个包含了四级循环的复合式循环系统。

第一級循环使用的燃气轮机，末级循环过程中所使用的工作介质为甲烷，循环方式是通过对LNG直接膨胀以及Rankine循环等方式的有机结合利用，总共包含着五个等级的利用层次。通过具体实验数据与测算发现，这种循环系统的效率能够达到58.6%以上。然而由于其组合方式较为复杂、成本较高同时构建工艺难以推广，因此应用于具体的实际工作中具有较大的难度，对于其的应用较少。

下图是LNG冷能利用的MGT方法，该方法主要的优点在于多级压缩和多级换热，在整个工作过程中，为了确保LNG冷能较高的利用效率，只要对最后一级压缩出口的温度进行有效的控制，确保其不低于周围的环境温度。实践研究与相关测算数据表明，在燃气轮机的进口温度达到1500℃的水平时，系统热效率高达60%，明显高于其他的LNG冷能利用方法。

4 结语

总而言之，对LNG之中蕴含的大量冷能用于发电具有十分重要现实的意义，不仅能够为发电企业带来良好的经济效益，还能缓解城市发电系统的压力。本文对利用LNG冷能发电技术进行了深入的分析研究，对其中的改善现有动力循环和建立相对独立的低温动力循环进行了系统全面的论述，详细的介绍了其中的原理、系统构造、循环装置等，对从事LNG冷能发电的技术人员具有一定的参考价值，进而推我国LNG冷能发电水平的不断提高。

参考文献

[1]尚兴彬，胡永谦.LNG冷能利用研究现状[J].化学工程与装备，2017（02）：230-231.

[2]董建锴，黄顺，李硕，等.LNG冷能用于冷库制冷性能模拟研究[J].哈尔滨工业大学学报，2017（02）：103-108.

[3]杨经敏.LNG冷能发电梯级利用法的优化[J].油气储运，2016（04）：401-404.

[4]李博洋，张运秋，张晓荣，等.LNG运输船冷能发电技术[J].中国航海，2016（01）：91-98.

（作者单位：济宁市化工设计院唐山分院）

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