提高LNG冷能发电利用效率的仿真研究

郝 磊

（西安铁路职业技术学院，陕西 西安 710026）

0 引 言

天然气资源丰富，且具有高效、洁净、热值高、污染小、可持续性等特点，得到了越来越广泛的应用。LNG是超低温液态天然气，沸点约为-162 ℃，包含的冷能大约为840 kJ/kg，约270 （kW·h）/t，实际可用约240 （kW·h）/t[1]。因此，LNG大量应用于冷能发电、低温粉碎、低温空分、食品冷冻、利用供冷和发电复合方案提高LNG火用效率[2]、冷能梯级利用工艺顺序等大规模工程中[3]。为了提高LNG冷能发电利用效率，使用Aspen Plus建立了储能耦合系统的物理模型，并通过一定的算法建立了整个系统的数学模型。

1 仿真模型建立

如图1所示，耦合模型设计了一路储能和两路发电过程。在储能过程中，高压气体经过多级压缩、冷却、储热后，形成的热量被冷却吸收存于储热罐中。LNG冷量再进行多次冷却后获得液态空气，并储存在液空储罐中。在释能发电过程中，一方面液态空气经多级膨胀机和空气换热器，回收能量进行发电且吸收多级余热。另一方面，LNG经过多级LNG冷能换热器释放能量、多级透平膨胀机进行膨胀做功，推动发电机组发电。

2 研究方法

针对耦合系统模型提出的两个新的效率公式为：

其中，ΣWT为吸收外界余热的情况下系统膨胀功总和；Qy为系统吸收余热；WC为压缩机功耗；WP为系统泵的功耗；系统热效率η1代表系统热电转化效率；余热利用效率η2代表系统吸收余热后效率提升的情况。由于不考虑余热本身转化为功的能力，该效率可以大于1。

基于Aspen plus软件中PSRK方程，分析模拟两个新效率随着系统压力和温度的变化机理，并对系统各效率进行优化分析。

3 仿真计算参数设定

初始状态下，假设烟气换热器烟气侧出口温度高于125 ℃，各级换热器的换热温差大于20 ℃；发电机组功率50 kW，压缩机效率0.75，低温泵效率0.7，涡轮效率0.8，且在分析过程中系统的压力损失忽略不计。初始条件如表1所示。

4 计算结果和分析

4.1 系统压力对η1、η1的影响

图2、图3反映了系统膨胀级数n=4时，在不同温度下系统效率η1、η2随工作压力的变化情况。可见，在一定温度下，η1随着压力增加而增加。因为在相同进口温度条件下，随着压力的增加，系统工质流量减少，但是由于总焓降较大，膨胀功相应增加。另外，工质流量减少，压缩耗功和吸收余热较少，因此效率η1增加。类似地，随着压力增加，效率η2变化规律相似。

4.2 温度对 η1、η2的影响

图4、图5反映了在膨胀级数n=4时，系统温度对η1、η2的影响。由图4可知，随着温度的增加，η1逐渐减小。这是因为随着温度增加，系统总焓降增大，工质流量减少，余热和耗功相应减少，膨胀功也显著减少。而图5表明η2随着温度增加呈线性增加。

图1 LNG冷能和压缩空气耦合流程

表1 系统初始参数

图3 效率η2随系统压力的变化

图2 效率η1随系统压力的变化

4.3 余热效率比较

由上述分析可知，在T=600 K时，系统余热利用率和系统净功较高。为了便于进一步比较系统吸收余热后效率的提升情况，定义效率η3为：

式（3）将温度T=600 K时吸收余热后系统做功和环境温度T=300 K时不吸收余热系统做功相比较，以此分析系统余热效率。

图6、图7反映了压缩空气储能系统和LNG发电系统的余热效率η3。由图6、图7可知，随着压力的增加，空气余热效率呈现先增大后减少的现象；而LNG余热效率随着压力的增加而增加。此外，LNG余热效率大于同等条件下的空气余热效率，这是由气体本身性质决定的。同等条件下，LNG单级焓降近乎是空气焓降的2倍。

图4 效率η1随温度的变化

图5 效率η2随系统温度的变化

图6 压缩空气储能系统的余热效率

图7 LNG发电系统的余热效率

5 结 论

（1）效率η1随着压力增加而增加，随着温度增加而减少，T=600 K时达到最大，这与系统净功率在T=600 K最大一致；效率η2随着压力、温度增加均增大，明显提高了压缩空气储能热效率。

（2）随着压力增加，空气余热效率呈现先增大后减少的现象；LNG余热效率随着压力增加而增加，且大于同等条件下空气余热效率。