Analysis on utilization of LNG cold energy for power generation
沈清清 巨永林 上海交通大学制冷及低温工程研究所，上海 200240
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摘要：液化天然气（LNG）在气化过程中会产生大量冷量，对这部分冷能的利用方式有很多种，本文主要阐述了利用冷量进行发电的利用方式。首先从冷量和冷量两个方面对冷能组成进行分析，指出在低温条件下冷量比冷量更有利用价值。进一步讨论利用冷量的发电技术，总结了几种发电方式。着重介绍利用LNG冷量实现二氧化碳（CO2）零排放的LNG气化-发电循环系统，从而得出回收LNG冷量发电不仅能节能，而且还能降低二氧化碳（CO2）排放量。
关键词：液化 天然气 冷能利用 发电 二氧化碳排放
0 前言
液化天然气（LNG）是一种清洁高效的能源，其主要成分是甲烷，临界温度为190.54K，因而在常温下无法依靠加压实现液化。为了便于天然气的存储和运输，通常将天然气干燥脱酸后，在110K的低温下（常压下）液化成为液化天然气，液化后体积缩小到标准气态下的1/600。生产LNG的动力消耗中很大一部分以冷量的形式存在于LNG中，包括LNG的气化潜热和气态天然气从储存温度恢复到环境温度的显热。因此，回收利用LNG冷能达到有效利用能源、收获相当可观的经济效应的目的。
1 LNG冷能组成分析
1.1 LNG的冷量分析
冷量是系统在低于环境温度的条件下通过边界所传递的热量，其本质上是一种利用低于环境温度的热量。但是冷量只描述了能量的“数量”，并不能体现能量的“质量”。对于LNG而言，冷量描述的是它吸收热量的能力。这个冷量包含了LNG的气化潜热和气态天然气从储存温度恢复到环境温度的显热。
1.2 LNG的冷量分析
冷量是系统在低于环境温度的条件下，从环境吸热时外界得到的最大有用功，也可以认为是为了维持低温T，从系统抽取冷量时所需消耗的最小有用功。
LNG的冷量包括两个部分——在系统压力P下由温差引起的温度exT和在环境温度T0下由压差引起的压力exP，即 ex=exT + exP (1)
而温度exT又包含了潜热温度exT,l和显热温度exT,I两部分：exT =exT,l+ exP (2)
假定LNG的平均相变温度为Ts，气化潜热为r，则潜热温度exT,l为：exT,l =(T0/Ts-1)r (3)
而系统从初态（Ts，P）经过一系列的可逆过程最终达到平衡态（T0，P0），系统的稳定流动方程为：
(4)
可得：
(5)
此时LNG完成的最大有用功，即系统工质的ex为：
（6）
可得LNG的显热温度exT,s为：
（7）
LNG的温度exT为：
（8）
LNG的压力exP为：
(9)
1.3 LNG的冷量分析和冷量分析的比较
冷量和热量一样，都是以环境条件作为基准，都具有转化为有用功的能力。从图1可以看出，低温工质的冷量比它所能转化的最大有用功要小得多，且温度越低，与环境的温差就越大，这种趋势就越明显。而在与环境的温差相同的情况下，低温下的能质系数比高温下的高很多。因此，从节能的角度说，利用低温条件下的冷量比仅仅利用低温工质释放的冷量更有价值。
2利用LNG冷能发电的方式
利用LNG冷量的低温动力循环有下面几种类型。
2.1直接膨胀法
直接膨胀法是把LNG通过低温泵压缩为高压液体，压力随着系统压力的升高而增大，然后通过换热器被海水等热源加热到常温状态，成为高压天然气，最后进入透平膨胀剂对外做功。该方式利用了LNG的压力，优点是循环过程简单，所需设备少。但是牺牲了温度，所以对外做功较少。
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图1 热量/冷量与温度的关系 |
图2 直接膨胀-二次媒体联合法 |
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图3 一种改进的联合法
2.2二次媒体法
二次冷媒法是把低温的LNG作为冷凝液，通过冷凝器把冷量传递到某一冷媒上，利用LNG和环境之间的温差，推动冷媒进行蒸汽动力循环对外做功。通常工作冷媒有甲烷、乙烷、丙烷等单组分，或者采用它们的混合物。由于实际的LNG是多组分混合物，沸程很宽，因此为了提高效率，使LNG的气化曲线与工作冷媒的凝结曲线尽可能保持一致，所以采用混合冷媒更加有利。这种方法的冷能利用效率要大于直接膨胀法。但是由于LNG和冷媒换热过程中存在温差，使得高于冷凝温度的天然气冷能没有得到利用，冷能回收的效率也受到限制。
2.3直接膨胀-二次媒体联合法
直接膨胀-二次媒体联合法是把低温的LNG压缩提升压力，然后通过冷凝器带动二次媒体的蒸汽动力循环对外做功，最后天然气通过透平机膨胀做功。这种方法相比前面两种方式能更好的利用LNG冷能。
图2为目前较为常见的联合法LNG冷能利用发电流程图。该系统中二次冷媒通常选取丙烷、乙烯等烃类化合物或者R502等氟利昂类工质,以及轻烃和氟利昂的混合物。为了提高LNG冷能的利用效率，二次冷媒动力循环中通常采用回热或者再热循环。
在联合法的基础上，出现了一些改进形式，使得LNG冷能的回收利用效率更高。图3所示为一种改进的联合法。该循环中，在二次媒体的蒸汽循环中加入了抽气回热，减少了冷媒循环的损失，也增加了二次冷媒和天然气之间的可逆性；在天然气的膨胀过程中增加了再热，有效提高了气体膨胀做功的效率。
2.4? 利用LNG冷能的CO2循环方式
随着天然气在国家能源比重中的逐步加大，出现了很多LNG气化站。这部分气化站本身要消耗大量的电能，因此引入LNG燃气轮机将一部分气化的LNG用于自供电。在这一过程中会产生大量的CO2。而近来CO2排放所引起的温室效应受到广泛关注，所以实现CO2零排放对环境保护起到良好的作用。研究人员提出了利用LNG冷能的零CO2排放的系统，如图4。
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图4 系统循环装置图 |
该系统循环由CO2/H2O布雷顿循环（12-13-14-15-16-6-7-8-9-10-12），超临界CO2朗肯循环（18-1-2-3-4-5-14-17-18），LNG蒸发过程（20-21-22-23-24/25）和空气分离过程（27-28/30）构成。这个系统实现了CO2零排放，并且能够得到副产品液态的CO2，具有一定的经济价值。
ASU—空分装置 B—燃烧器 G—发电机 HE—换热器LC/HC—低压/高压压缩机? LT/HT—低压/高压透平机PC—液态CO2泵?? PL—LNG泵? S—分水器
3 结语
随着LNG在能源利用中所占的比重日益增大，以及对环境保护的迫切要求，使得对LNG冷能的有效回收显得十分必要。本文讨论了几种利用LNG冷能发电的方式，着重叙述了利用LNG冷的CO2循环方式实现CO2零排放。利用LNG冷能发电的同时实现CO2回收，不仅有效的回收利用了能源，减小了能耗，同时能回收液态CO2，具有可观的经济效益和社会效益。但运用于实际工程时，要考虑到设备投资和产出能否平衡等问题。
参 考 文 献
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- 王强，历彦忠，陈曦，吕希钢．天然液化气冷能分析及其回收利用．流体机械，2003，31(1)：56~58
- 谭宏博，历彦忠．液化天然气冷能构成及其利用方式探讨．化学工程，2006，34(12)：58~61
- 张娜，蔡睿贤，王威，金红光．利用LNG冷的准零CO2排放循环探析．工程热物理学报，2003，24(6)：901~905
- 程文龙，伊藤猛宏，陈则韶．一种回收液化天然气冷能的低温动力循环系统．中国科学技术大学学报，1999，29(6)：671~676
- Na Zhang，Noam Lior．Configuration analysis of a novel zero CO2 emission cycle with LNG cryogenic exergy utilization．IMECE2003-41958
- Na Zhang，Noam Lior．Proposal and analysis of a novel zero CO2 emission cycle with liquid natural gas cryogenic exergy utilization．Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2005，127：1~11
- Na Zhang，Noam Lior． A novel near-zero CO2 emission thermal cycle with LNG cryogenic exergy utilization．Energy，2005：1~14
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