本文选自《上海土木科技》（01）

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前言

在回收LNG冷能的诸多方法当中，利用冷能发电是应用较多，技术较为成熟的方法。目前，运用LNG冷能发电的方法主要有朗肯循环法、直接膨胀法与布雷顿循环法等¹。但各种方法均有着各自的优缺点²，如表1所示。

表1 常用LNG冷能发电方案比较

联合循环法就是将两种或多种不同的循环方法叠加在一起，多种循环方式相互配合，更多地吸收LNG中的冷能^3-6。其中最常见是朗肯循环与直接膨胀法复合的联合循环法（下称传统联合循环法）。基于此，本文提出了一种新的联合循环系统。

1 新系统构成与特点

本文研究的新系统是由一个朗肯循环和一个直接膨胀法构成。天然气经直接膨胀法的透平膨胀机后压力降至指定压力，同时温度降低，然后回流到朗肯循环中的LNG蒸发器中再次为工质提供冷能，最后经复热器升高到指定温度送入计量加臭装置中。其仿真模型图如图1所示。

图1  新型联合循环法仿真模型图

在传统的联合循环法发电系统中，往往都只利用了LNG自身的冷能，但忽略了二级膨胀机做功后因温度下降而带来的冷能。分析发现此部分冷能与二级膨胀机压差及进口温度有关。而循环所使用的工质种类与二级膨胀机入口温度相关，因此这里针对LNG气化压力与循环工质种类进行分析。

2 新系统参数的选定与工质的选取

2.1 新系统参数的选定

本文以LNG气化量为3000Nm³/h的气化站为研究对象。选取LNG流入系统的压力为0.6MPa。系统天然气出口压力为0.35MPa，温度为5℃。热源水温度为20℃。

模拟计算时做如下设定⁷：

（1）循环工质冷凝压力取 0.11MPa；

（2）工质冷凝器和工质蒸发器热物流出口过冷度取 2℃；最小端差取5℃；

（3）透平膨胀机入口工质为饱和气体状态；

（4）忽略系统中换热器的压力损失和漏热损失；

（5）透平膨胀机和泵的效率分别取80%和75%。

2.2 工质的选取及气化压力的确定

    2.2.1 工质的特性

表2 常见循环工质在0.11MPa下的冷凝温度

考虑到一味增大LNG气化压力会导致LNG泵耗功增加，并且增大设备投资，因此本文LNG气化压力范围定为0.6MPa-6MPa。

2.2.2工质筛选结果

进行工质筛选与确定LNG气化压力时，以系统净输出功率作为依据，进行仿真分析，结果如图2所示。

图2 不同工质情况下，LNG气化压力对新型联合循环法系统净输出功的影响曲线

图2中无R170，是因为当R170作为系统工质时，LNG气化器工质出口温度过低，导致二级膨胀机入口仍为液态。因此，在0.11MPa条件下，如R170等冷凝温度较低的工质就不适合作为此系统的循环工质。

由图2可以看出，当工质为R1270、气化压力为3750kPa时，系统净输出功率最大，为144.01kW。

3 与传统联合循环法的比较

为了验证新系统的优越性，以传统联合循环法作为对照，与本文提出的新系统进行对比。传统联合循环法仿真模型图如图3所示。

图3 传统联合循环法仿真模型图

图4（a）新型联合循环法与传统联合循环法系统净输出功对比图

图4（b）新型联合循环法与传统联合循环法系统净输出功对比图

图4（c）新型联合循环法与传统联合循环法系统净输出功对比图

从图4(a)、4(b)、4(c)可以看出，在工质种类，气化压力及其他条件均相同的情况下，新型联合循环法的系统输出功率均大于传统的联合循环法。

图5 不同工质情况下，LNG气化压力对传统型联合循环法系统净输出功的影响曲线

针对传统联合循环法单独考虑，从图5可以看出，当工质为R1270、气化压力为3100kPa时，传统联合循环法系统净输出功最大，为123.51kW。

综上，对于以上两种系统，在均选择最适合它们自身的气化压力与工质种类的情况下，新系统净输出功率为144.01kW（2.2.2工质筛选结果中提到），传统的联合循环系统净输出功为率123.51kW，净输出功率增加20.5kW。

4 结论

本文以LNG气化量为3000Nm³/h的气化站为研究对象，创新性提出了一种新的利用LNG冷能发电的联合循环系统。得到以下两点结论：

（1）当工质种类，气化压力及其他条件均相同的前提条件下，新型冷能发电联合循环系统的系统净输出功均大于传统的联合循环系统。

（2）对于新构建的冷能发电联合循环系统分析：当工质为R1270、气化压力为3750kPa时，系统净输出功最大。对传统的联合循环法进行分析，发现工质为R1270、气化压力为3100kPa时，系统净输出功最大，为123.51kW。当新型联合循环法与传统联合循环法均选择最适合它们自己的气化压力与工质种类的情况下，对比新系统具有更高的经济性。

参考来源：

[1] 陈利琼, 许培林, 孙磊, et al. LNG冷能发电技术现状分析[J]. 天然气与石油, 2013, 31(6):39-44.

[2] 吕剑雄, 王北福, 聂立宏, et al. 液化天然气(LNG)冷能发电方法比较和研究[J]. 农村经济与科技, 2017(13):277-280.

[3] 罗惠芳. 液化天然气冷能利用的研究[D]. 华中科技大学, 2011.

[4] 饶文姬, 赵良举, 张墨耕, et al. 利用LNG冷能与低温太阳能的新型联合动力循环系统优化研究[J]. 动力工程学报, 2014, 34(12):990-996.

[5] 梁莹, 管延文, 蔡磊, et al. 利用LNG冷能与Brayton循环及ORC联合发电系统[J]. 煤气与热力, 2017(12).

[6] 石洋溢, 李洪强, 张晓烽, et al. 太阳能与LNG冷能耦合发电系统研究[J]. 工程热物理学报, 2015, 36(9):1879-1883.

[7] 刘辉. LNG-FSRU再气化系统及冷能利用研究[D].