基于LNG冷能的低温动力循环研究进展

薛菲尔　陈 煜　巨永林

(1上海交通大学制冷与低温工程研究所　上海　200240； 2 上海工程技术大学机械工程学院热能与动力工程系　上海　201620)



基于LNG冷能的低温动力循环研究进展

薛菲尔1陈 煜2巨永林1

(1上海交通大学制冷与低温工程研究所上海200240； 2 上海工程技术大学机械工程学院热能与动力工程系上海201620)

液化天然气(LNG)是一种应用日趋广泛的清洁能源，构建LNG冷能低温动力循环成为回收冷能的重要途径。本文首先讨论了LNG侧参数、循环工质、设备进出口参数等重要参数对基本LNG冷能动力循环的影响；其次分析和总结了诸多LNG冷能动力循环的结构改进类型，包括朗肯循环、布雷顿循环、卡琳娜循环和复合循环。文章最后指出了参数研究的实际工程意义和循环结构改进的多样性，并指出下一步研究应围绕有机混合工质组分配比、模拟与实验相结合等方面展开。

液化天然气；冷量回收；制冷剂；朗肯循环

液化天然气(LNG)是天然气经过脱酸、脱水处理，通过低温工艺冷冻液化而成的低温(-162 ℃)液体混合物[1]，其主要成分是甲烷(90%以上)、乙烷、氮气(0.5%～1%)及少量C3～C5烷烃。与常规能源煤炭和石油相比，LNG成分中不含硫，在气化后燃烧不会产生二氧化硫等污染环境的气体；同时，其燃烧产生的温室气体也仅占同等数量煤炭的1/2，石油的2/3。当前，我国正处于节能环保、低碳经济的大形势下，能源结构正从单一的煤炭向着以煤为主、多能互补的大方向迈进，LNG作为一种重要的清洁能源，未来使用量必将不断增大，行业的发展前景十分看好。

在实际应用中，LNG需气化才能加以利用。然而，传统利用海水或空气等自然热源的气化方式将会造成LNG冷能的巨大浪费。因此，构建基于LNG冷能的动力循环，有效地将LNG冷能转化为电能输出，成为利用LNG冷能的重要途径。

针对近年来LNG冷能低温动力循环的研究，本文首先介绍了基本循环的主要影响因素，其次分析和总结了诸多LNG冷能动力循环的结构改进类型，最后指出了LNG冷能动力循环的进一步研究方向。

1 基本LNG冷能动力循环影响因素

基本LNG冷能动力循环主要包括：LNG直接膨胀法、中间制冷剂的低温朗肯循环和联合法。后两种循环是目前已经投入使用且技术相对成熟的动力循环。以日本Osaka Gas公司[2]为例，早在1979年和1982年，该公司就分别利用以丙烷为工质的低温朗肯循环和联合法实现LNG的冷能发电，输出功率分别为1450 kW和6000 kW。

鉴于中间制冷剂的低温朗肯循环和联合法的应用广泛性，对循环输出功影响因素的研究也多以此为基础展开，主要包括LNG侧的运行参数、循环工质以及系统中主要设备进出口参数等。

1.1 LNG侧参数的影响

上述研究结果表明，LNG与环境之间的大温差和大压差决定了LNG会具有较大冷能。在LNG侧参数中，LNG温度与压力的改变直接影响其冷能与做功能力，而CH4作为LNG最主要的组分，其变化会带来物质属性的变化，间接影响和环境间的温差与压差，进而影响系统做功能力。因此，应当根据LNG自身的条件来选择适当的循环方式，以实现输出功的最大化。同时，由于甲烷含量越高，系统输出功的能力越强，故对于实际的工程项目，可将甲烷含量区间的下限作为极端情况，上限作为最佳情况，以便全面分析实际参数下动力循环的输出功表现。

1.2 循环工质

1) 单一工质

低温朗肯循环和联合法中单一工质的一般选择原则应包括：环境友好特性、汽化热较大、化学和热稳定性好、导热系数高、气体和液体动力粘度小、液相饱和线尽可能垂直、无毒易制取、价格低廉等[5]。此外，工质的三相点要低于运行最低温度，以保证流体不会在循环中任意位置发生固化而堵塞[4]。

鹿院卫等[6]分别分析了以R152a (CH3CHF2)、R290 (C3H8)、R600 (C4H10)、R134a ( CH2FCF3)等为工质的单级朗肯循环，发现其发电量均随蒸发温度的升高先增后减，即工质存在最佳蒸发温度使得系统净发电量最大，且输出功率随蒸发温度升高而上升。同时对比透平等熵焓降、饱和压力等方面因素，得到R290综合性能最佳，当热源海水温度为20 ℃时，与R290相对应的最佳蒸发温度为11.08 ℃。

刘燕妮等[7]对以海水为热源的丙烷朗肯循环和联合法系统建立了LNG利用温度-单位输出功的评价体系，研究发现给定LNG气化压力下，随着LNG利用温度的升高，单位输出功先增后减。考虑冷凝器传热温差的限制，可以在LNG最佳利用温度上获得工质最佳冷凝温度，使得单位输出功最大。

张磊等[8]首次采用基团贡献法进行LNG-海水低温朗肯循环的工质选择。基于基团贡献法设定模型产生的工质CHF3与传统制冷剂R22、R134a和R410a相比，在物流成本、能耗、设备尺寸和循环效率等多方面都呈现出优越性。

2) 混合工质

对于制冷剂混合物，Kim C W等[9]的研究表明，相较于单一工质 R22和 R142b，这两种制冷剂组成的混合工质的循环特性有所提高，但随着环保意识的增强，氟利昂渐渐被禁用。目前较多的是利用混合有机工质进行的系统优化。

朱鸿梅等[10]对LNG-空气的低温朗肯循环分别使用丙烷和混合工质(摩尔分数之比，丙烷∶乙烯∶异丁烷=0.39∶0.16∶0.45)进行换热过程和冷能利用率的比较，后者传热温差明显减小，冷能利用效率提高41.04%。

王弢[5]对LNG-废烟气的回热低温朗肯循环使用混合工质实现变温相变，并在配比(摩尔分数之比，丙烷∶异丁烷=0.7∶0.3)下获得等熵流体工质，使得透平出口压力温度可以很低，且透平入口处不用过热，且循环效率最高，但其工作温度区间受限。

1.3 设备进出口参数研究

白芳芳[4]改变LNG-海水的丙烷联合法循环中工质透平入口温度，通过调节压力变化使透平出口丙烷状态不变，得到系统发电量随工质透平入口温度上升而明显上升。提高NG透平入口温度同样可以使系统发电量上升。

饶文姬等[15]针对LNG-工业余热的乙烷朗肯循环，分析了循环热效率及做功量随蒸发器出口温度和压比(工质蒸发器出口压力/冷凝器出口压力)的变化，得到结论：循环热效率和做功量随压比的增加而增加，随蒸发器出口温度变化并不明显。

Xue X等[16]建立了LNG-烟气废热的两级朗肯循环，指出两级工质透平入口的压力越高，各自质量流量越大，能获得更高的指标CPP值(cost per net power output)，整个循环的热力学和经济学性能会得到显著提高。

2 LNG冷能动力循环结构改进

单纯针对LNG直接膨胀环节的结构改进研究[17-18]并不多见，LNG冷能动力循环的结构改进主要在朗肯循环和布雷顿循环的基础上进行。同时，针对非共沸工质对的特性提出了以吸收器和分离器为主要部件的卡琳娜循环。结构更为复杂的复合循环在朗肯循环、布雷顿循环和卡琳娜循环的基础上建立。

2.1 朗肯循环改进

现有的朗肯循环研究中，循环工质不局限于应用最广泛的丙烷，还包括乙烷、氨水混合物、有机混合工质和CO2等；热源也从海水扩展到工业废热、烟气、地热和太阳能等。

朗肯循环多级化是结构改进的另一重要方向，主要原理是根据LNG气化曲线实现冷能的梯级利用。

图1 具有回热结构的联合法Fig.1 Regenerative Rankine cycle with direct expansion of LNG

图2 跨临界CO2回热朗肯循环Fig.2 Transcritical CO2 regenerative Rankine cycle

图3 横向两级朗肯循环Fig.3 2-stage Rankine cycle of horizontal

图4 纵向三级朗肯循环Fig.4 3-stage Rankine cycle of vertical

图5 纵向三级朗肯循环Fig.5 3-stage cascade Rankine cycle

Choi I H等[22]考虑到冷凝器出口的LNG温度仍较低，为继续利用这部分冷量，建立了三级内嵌套的朗肯循环，如图5所示。外层冷凝器中，LNG提供冷量而外层工质提供热量；中层冷凝器中，LNG与外层工质供冷，中层工质供热；内层冷凝器中，LNG、外层工质、中层供冷，仅内层工质供热。这种循环结构相较于一般朗肯循环热效率显著提升；但是采用多个多流道换热器使得循环的复杂性和不稳定性上升。

朗肯循环主要结构改进[5,21,23-28]见表1。

2.2 布雷顿循环改进

布雷顿循环(Brayton cycle)主要利用LNG冷能降低压缩机入口气体温度，在相同压比的条件下显著减小压缩机功耗，提升循环净功；同时LNG与气体工质之间的换热曲线相较于单一工质的朗肯循环换热曲线更为匹配，因此能有效提升循环效率。典型的氮气布雷顿循环与LNG直接膨胀相结合的结构如图6所示，LNG经泵加压，在LNG-氮气换热器中将冷量传递给氮气，经加热器升温后进入NG透平做功；氮气获得冷量，以较低温度进入压缩机，与热源换热后，以高温高压的状态进入透平做功，再次回到LNG-氮气换热器。

图6 布雷顿循环与LNG直接膨胀Fig.6 Brayton cycle with direct expansion of LNG

Agazzani A等[29]对典型布雷顿循环进行改进，增加回热环节以提高工质氦气的透平入口温度，热源采用燃烧热，如图7所示，废热得到有效利用。Morosuk T等[30]构建了如图8所示的布雷顿循环，空气经带有中间冷却的两级压缩后与燃料在燃烧室燃烧，燃烧气进入透平做功，再为工质氦气供热。Dispenza C等[31]构建的布雷顿循环中，热源为开式NG燃烧两级膨胀出口的废气，整体循环的功率输出来自NG膨胀做功与氦气膨胀做功，NG两级膨胀提高了整体循环的做功能力。其他学者[32-33]也提出了类似的循环结构。

考虑到透平输出功中的大部分被用于驱动压缩机，使得整个系统输出净功有限，故压缩和膨胀的多级化成为布雷顿循环改进的方向之一。Tomków等[34]提出了两级压缩-两级膨胀的布雷顿循环结构，如图9所示。此外，复杂的MGT循环结构[35]也是循环改进之一。

表1 朗肯循环主要结构改进

注：1)RC-朗肯循环；DEC-直接膨胀

2.3 卡琳娜循环

近年来，卡琳娜循环工质在氨水混合物的基础上扩展到乙烯-丙烷和四氟化碳-丙烷等，循环内部采用回热、两级膨胀环节或与LNG的直接膨胀相复合以提高循环效率，其主要结构[4,36-39]见表2。

图10为以氨水混合物为工质、具有LNG直接膨胀的卡琳娜循环[36]：具有一定质量分数的氨水基液，经过蒸发器吸收热源的热量，变为高温溶液;高温溶液在分离器被分离成富氨蒸气和富水溶液;分离出的富氨蒸气进入透平做功，透平乏汽进入冷凝器与LNG换热，经泵加压进入混合器；它与从高温回热器出口的经节流降压后的富水溶液在混合器中混合成一定质量分数的氨水混合物，同时被LNG冷凝，经工质泵加压后回到蒸发器；LNG先后获得透平乏汽和回热器热量后进入透平做功，再进入混合器冷凝氨水混合物，完成一个循环。该循环中，分离器出口的富氨蒸气做功能力强，提升整体循环的输出功；富水溶液能为LNG气化提供热量，部分热得到回收利用。

表2 卡琳娜循环主要结构

注：1)Kalina-卡琳娜循环；DEC-直接膨胀

图7 回热布雷顿循环与LNG直接膨胀Fig.7 Regenerative Brayton cycle with direct expansion of LNG

图8 改进布雷顿循环与LNG直接膨胀Fig.8 Improved Brayton cycle with direct expansion of LNG

图9 两级布雷顿循环Fig.9 2-stage Brayton cycle

图10 卡琳娜循环与直接膨胀的复合Fig.10 Kalina cycle with direct expansion of LNG

2.4 复合循环

复合循环主要将朗肯循环、布雷顿循环、卡琳娜循环、LNG直接膨胀进行结合；一些学者也建立了与燃气轮机相结合的复合结构。主要复合循环[2,34,40-44]见表3。以Zhang N等[42]和Tomków等[34]建立的复合循环为例，进行说明。

Zhang N等[42]建立的CO2近零排放循环中，将超临界CO2的朗肯循环和CO2的布雷顿循环进行结合。如图11所示，空气产物氧气和LNG气化产物甲烷在燃烧室中燃烧，燃烧气膨胀做功，作为热流体先后通过三通道和两通道CO2蒸发器，经分离器分离出产物水和CO2；CO2由LNG冷却后进入低级压缩机，低级压缩机出口CO2分为两股，一股经加压加热回到燃烧室，另一股完成超临界CO2循环。该复合循环中，LNG冷能先后用于冷却压缩机入口气体和冷凝工质，循环输出功由朗肯循环和燃烧气做功共同实现。燃烧产物CO2通过冷凝、分离转化为液态，部分被收集，剩余进行朗肯循环，因此整个循环接近CO2零排放。

表3 复合循环主要结构

注：1)RC-朗肯循环；BC-布雷顿循环；Kalina-卡琳娜循环;DEC-直接膨胀

图11 朗肯循环与布雷顿循环的复合Fig.11 Integration of Rankine cycle and Brayton cycle

图12　卡琳娜循环与朗肯循环的复合Fig.12　Integration of Kalina cycle and Rankine cycle

3 结论及展望

本文主要将LNG冷能利用动力循环的研究分为基本循环的参数研究和循环结构改进两方面。由于基本循环已经具有一定的实际工程应用，因此参数研究具有十分重要的工程价值，能够有效指导实际工程以实现LNG冷能输出功的最优化。循环改进类型较为丰富，为LNG冷能动力循环进一步结构优化开拓了思路。

然而，就LNG冷能利用动力循环的研究现状而言，还有一些方面值得进一步深化，主要包括：

1) 低温朗肯循环和联合法有机混合工质的组分研究。现有的研究多直接给定循环混合工质的组分而展开参数分析，对于组分如何选择和如何配比并未做出详细解释说明。针对不同来源的LNG，以何种标准选择混合工质、并确定使循环性能最佳的组分比例，将会是很有意义的一项工作。

2) 循环模拟与实验数据相结合的研究。现有的循环结构改进主要依托流程模拟软件实现，而模拟软件的设定中多将设备条件及循环系统过于理想化。因此，建立实验研究，使得实验与模拟相互促进会是未来该领域研究的重点和难点。

3) 可行性和经济性分析。对于一些理论研究相对成熟的循环，可以在理论分析的基础上补充实际应用的可行性和经济性分析，包括重要设备的选型、循环管路搭建、设备成本、年发电量收益、回本年限等。

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About the corresponding author

Ju Yonglin, male, professor, Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, +86 21-34206532, E-mail:yju@sjtu.edu.cn. Research fields: low power cryocoolers ( Pulse tube and G-M ), liquefied natural gas (LNG) and its cold energy utilization.

Development of Cryogenic Power Generation Cycles with LNG Cold Energy Utilization

Xue Feier1Chen Yu2Ju Yonglin1

(1. Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China;2.College of Mechanical Engineering ,Shanghai University of Engineering Science, Shanghai, 201620, China)

Liquefied natural gas is an increasingly widely used clean energy. Establishing cryogenic power generation cycles using LNG cold energy is an important way of cold energy recovery. In the present paper, the key factors affecting the basic LNG power generation cycles are discussed, including LNG-side parameters, working fluids and equipment inlet and outlet parameters. Cycle structural enhancement is also summarized, including Rankine cycle, Brayton cycle, Kalina cycle and the compound cycles. The practical significance of parametric study and diversity of cycle structural enhancement are indicated. It is also pointed out that further research should be based on the selection and the component matching of organic mixed working fluids, and the combination of simulation and experiment, etc.

liquefied natural gas; cold recovery; refrigerant; Rankine cycle

0253- 4339(2016) 03- 0060- 10

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.03.060

2015年9月18日

TB61+1; TB61+2

A

简介

巨永林，男，教授，博士生导师，上海交通大学制冷与低温工程研究所，021-34206532，E-mail: yju@sjtu.edu.cn。研究方向：小型低温制冷机技术(脉管制冷机、G-M制冷机)，液化天然气技术(海洋油田伴生气、煤层气)及其冷能综合利用技术。