液化天然气(LNG)冷能用于斯特林发动机和燃气轮机的联合系统研究

李 静 陈 曦 张 华

(上海理工大学 上海 200093)

全球性石油资源的紧缺以及不断加剧的环境污染，使得污染小、燃烧性能好、储量丰富的天然气的应用越来越广泛。为了便于天然气的储藏运输，通常将天然气经过干燥脱酸处理后，在低温下(110K以下)液化成液态(LNG)，因而在LNG气化成常温气体供给用户的过程中将释放出大量的冷能。如果能将该部分冷能进行有效的回收利用，如用于发电、空分、制造干冰、低温冷库、汽车冷藏、汽车空调等领域，则可以节省大量的电能。

目前有研究表明[1-3]，LNG冷能可用于斯特林热机，利用低温气化冷量发电，也可以用于冷却燃气轮机进口空气，提高燃气轮机效率。结合这二者的优点，通过创新提出了一种利用液化天然气冷能的斯特林发动机和燃气轮机联合系统(以下简称联合系统)，并基于热力学第一、第二定律对系统进行了热力学分析。

1 斯特林发动机和燃气轮机联合发电系统

基于LNG冷能的斯特林发动机与燃气轮机的联合发电系统如图1所示。经斯特林发动机，LNG气化，乙二醇溶液温度降低，低温气态天然气将冷量传给乙二醇溶液，用于冷却燃气轮机进气，升温后的天然气用于燃气轮机发电系统。联合系统对LNG冷能分两方面进行回收利用：一是利用LNG的冷量 做功，以LNG作为斯特林发动机冷源，乙二醇溶液作为热源，利用大温差驱动循环做功。二是利用LNG的冷量降低燃气轮机进气温度，在高温季节或年平均气温较高的地区，为了提高燃气轮机效率，利用LNG冷量冷却燃气轮机进口空气[4-6]。

图1 利用LNG冷能的斯特林发动机和燃气轮机联合系统Fig.1 Combined system of Stirling engine and gas turbine for utilizing cold energy of LNG

如图1所示，联合系统中，斯特林发动机冷端采用LNG冷却工质(氦或氢)，热端采用乙二醇溶液加热工质，LNG和乙二醇溶液的巨大温差为斯特林发动机用功设备提供动力。

LNG由储液罐和低温泵输送至斯特林发动机的冷端换热器，用于冷却工质，乙二醇溶液由储液箱经溶液泵和三通调节阀输送至斯特林发动机热端换热器，用于加热工质。输出的天然气经套管式换热器冷却另一路乙二醇溶液。

燃气轮机进气在空气冷却箱中被冷却，为防止换热温差过大导致换热器结霜，影响换热效果，冷却箱中设有两个翅片管式冷却器。空气在换热过程中会形成水滴，因此，在冷却箱底部设置空气凝结水出口。换热后的乙二醇溶液返回储液箱中，形成乙二醇溶液循环系统。由空气冷却箱输出的空气在燃气轮机压气机中被压缩，天然气在燃气轮机燃烧室中与压缩的空气混合燃烧，带动燃气轮机透平运转。

联合系统可用于LNG接收站附近的电厂，如工厂的自备发电厂或调峰发电厂等。当燃气轮机机组较大时，LNG的需求量增大，可采用并联多台斯特林发动机的方法来满足燃料需求，该联合系统具有一定的灵活性。此外，根据燃气轮机的容量可以调整联合系统中斯特林发动机的台数，以保证燃气的供应量。

2 联合系统的热力学分析

2.1 联合系统的热力计算

为简化计算，用甲烷代替天然气，斯特林发动机的相对卡诺循环效率取50%[7-8]，忽略泵与风机的影响。热力计算的参数值如表1所示。

表1 热力学计算的参数Tab.1 The parameters of thermodynamics calculation

取环境温度为15℃时，燃气轮机处于额定工况。选用的燃气轮机的性能曲线如图2所示。

图2 燃气轮机热耗率和输出功率随进气温度的变化[10]Fig.2 The change of gas turbine heat rate and output power with the inlet air temperature

在环境温度为35℃的条件下，针对燃气轮机系统(不含斯特林发动机，LNG冷能完全释放给环境，进气温度为环境温度的单燃气轮机系统)，直接冷却进气系统(不含斯特林发动机，LNG直接与乙二醇溶液换热，冷能用于冷却燃气轮机进气的系统)，以及联合系统，分别计算三个系统的输出功率、热效率和 效率，并进行对比。

1) 联合系统给的热效率计算

天然气的质量流量为：

式中，qc—燃机的热耗率，kJ/(kW.h)。

冷端换热量和热端换热量分别为：

式中，mLNG—LNG质量流量，kg/s；ηSE—斯特林发动机热效率，%。

天然气的定压比热[11]为：

式中，A、B、C、D—比热方程常数；M—相对分子量。

天然气的显热为：

联合系统的热效率为：

式中，PSE—斯特林发动机输出功率，kW；PGT—燃气轮机输出功率，kW；Qin,GT—输入燃气轮机的热量，kW。

2) 联合系统的 效率计算

LNG冷量[1]为：

联合系统的 效率为：

式中，ENG—天然气的化学 ，kW。

燃气轮机进气温度t2未知，可以通过迭代计算求得。假设t2的初值，分别计算空气由环境温度降至t2所需冷量和用于冷却空气的总冷量，比较两个冷量值，若二者差值较大，则重新假设t2的值进行计算。以1kg空气为例，计算t2的过程如下：

用于冷却空气的总冷量为：

1kg湿空气的相对湿度为：

式中，pv—湿空气的蒸汽分压力，Pa；ps—湿空气的饱和压力，Pa；p—环境压力，Pa； —相对含湿率，%。

湿空气的比焓为：

式中，cp,a—干空气定压比热，kJ/(kg.℃)；t—湿空气的温度，℃；hv—湿空气中水蒸汽的比焓，kJ/kg，近似为hv≈h′(t)；h′(t)—饱和水蒸汽的焓值，kJ/kg。

入口空气的质量流量为：

湿空气被冷却过程中的换热量为：

式中，h1—环境中空气的焓值，kJ/kg；h2—燃机进气的焓值，kJ/kg。

2.2 结果分析

将假设不同t2值的计算结果绘制曲线，如图3所示，图中曲线交点即为t2的终值。

由图3可知，燃气轮机进气在联合系统中可从35℃被冷却至25.87℃；在直接冷却进气系统中可从35℃被冷却至26.71℃。可见，联合系统相比直接冷却进气系统对燃气轮机进气冷却效果更好。

环境温度为35℃条件下，分别利用热力学第一、第二定律分析燃气轮机系统、直接冷却进气系统、联合系统的性能并进行对比，三个系统的输出功率，热效率和 效率的计算结果如表3所示。

图3 环境温度35℃，联合系统和直接冷却进气系统的冷量供需曲线Fig.3 The supply and demand curves of combined system and direct cooling inlet air system in the environment of 35℃

表2 不同系统的输出功率、热效率、火用效率的对比Tab.2 Output power, thermal ef fi ciency and exergy ef fi ciency contrast in different system

由表2可知，在环境温度35℃条件下，联合系统的输出功率为5715.48kW，热效率为31.62%，效率为43.65%；燃气轮机系统的输出功率为5300kW，热效率为30.65%， 效率为41.88%；直接冷却进气系统的输出功率为5671.65kW，热效率为31.25%， 效率为42.95%。相比燃气轮机系统和直接冷却进气系统，联合系统的输出功率分别提高了8.39%和1.10%，热效率分别提高了3.26%和1.25%， 效率分别提高了4.87%和1.74%。

以广东某地区为例，根据各个月的平均气温计算并分析联合系统的性能。该地区7～9月间月平均气温高达28℃，4～6月和10～11月间月平均气温约为20℃，12～3月间月平均气温约为15℃，利用热力学第一、第二定律分析联合系统在该地区一年中不同阶段的运行性能，结果如表3所示。

表3 联合系统在广东某地区一年中不同阶段的性能Tab.3 The performances of combined system used in different months of an area in Guangdong

如表3所示，联合系统用于该地区具有良好的性能。该地区年平均气温较高，联合系统在一年中不同阶段内，可将燃气轮机进气温度降低10℃左右，随着进气温度的降低，系统的输出功率、热效率和 效率均有所提高。

3 结论

采用斯特林发动机和燃气轮机联合循环，充分利用了液化天然气的冷能，基于热力学第一、第二定律，分别对燃气轮机系统、直接冷却进气系统、联合系统进行热力学分析，计算每个系统的输出功率、热效率和 效率，并分析了联合系统用于广东某地区一年中不同时间段内的性能。通过计算对比可得，在环境温度为35℃时，联合系统的输出功率为5744.70kW，热效率为31.65%，

效率为43.92%，相比燃气轮机系统和直接冷却进气系统，联合系统的输出功率分别提高了7.84%和0.78%，热效率分别提高了3.16%和1.18%， 效率分别提高4.23%和1.63%。联合系统在不同的环境温度中，可将燃气轮机进气温度降低10℃左右，系统输出功率和效率随着进气温度的降低均有所提高。联合系统表现出了较好的热力性能。

本文受上海市教育委员会科研创新项目(10YZ96)、上海市教育委员会重点学科建设项目(J50502)和高等学校博士学科点专项科研基金(20093129129996)资助。(The project was supported by Innovation Program of Shanghai Municipal Education Commission (No.10YZ96), Leading Academic Discipline Project of Shanghai Municipal Education Commission (No.J50502) and the Doctoral Program of Higher Education of China (No.20093120120006).)

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