LNG冷能发电的优化设计

白宸瑞 文子彦

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

LNG是在除去酸和水后通过天然气低温工艺冷冻液化而成的低温（-162℃）液体混合物。液化天然气是一种高能耗过程，生产一吨液化天然气消耗约850kWh的电能。而在LNG接收站，一般又需将LNG经气化器气化后使用，气化时放出很大的冷量，大约为830kWh/kg。如果将液化天然气的冷能利用起来，很明显整体效率会提高[1]。若将LNG蕴涵得冷能全部转化为电能，其能量利用价值大约为240kWh/t[2]。考虑到LNG冷能的大量消耗，使用LNG冷能发电的潜力非常显著。根据国际能源署的预测，中国将在2020年成为世界上最大天然气进口国，2023年预测天然气消费量5825亿m3，其中大部分为LNG进口。到2023年约有60座LNG接收站运行，共计2.4亿吨，约3360亿m3。

1 利用LNG冷能发电原理

将 LNG 的冷量火用分解为低温火用和低压火用，这两种不同的能量用于发电的机制是不同的。低温火用的应用涉及闭式低温朗肯循环[3]，在循环中，LNG在冷凝过程中用作冷却循环工质，并且输出工质通过膨胀过程完成，在此过程中高压蒸汽通过蒸汽轮机膨胀。压力火用的应用涉及天然气直接膨胀。高压天然气通过燃气轮机膨胀，输出功通过膨胀过程完成。当进料气压相对较高时，可以使用多级膨胀循环[4]。本文采用朗肯循环和天然气直接膨胀联合发电系统进行优化设计。见图1。

图1 联合循环

2 数学模型

太阳能集热器将太阳辐射能转换成热能，通过熔融盐将热量传递给有机工质，有机工质被加热产生有机蒸汽，蒸汽推动透平或膨胀机并带动发电机做功，从而产生电能，膨胀后的蒸汽经冷凝器与LNG换热被冷却到液态，再经工质泵打回进行循环。LNG冷凝工质后进入换热器与海水换热，然后进入透平发电。

1）透平

2）换热器

3）泵

火用效率更能准确地反映系统能量转换能力，其公式为：

3 系统优化

以火用效率作为目标函数，透平进口温度、压力、冷凝温度、LNG流量为参数变量。见表1、表2及图2。

表1 变量条件

表2 优化参数

4 结论

图2 朗肯循环优化图

在建立有机工质低温发电系统的热力学模型中，为了使发电系统的性能达到最佳，以系统火用效率最大为目标函数，采用改进的遗传算法对系统进行优化设计，获得最优工作参数。最终系统效率为 41.35%。