薛菲爾　陳 煜　巨永林

(1上海交通大學制冷與低溫工程研究所　上海　200240； 2 上海工程技術大學機械工程學院熱能與動力工程系　上?！?01620)

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基于LNG冷能的低溫動力循環(huán)研究進展

薛菲爾1陳 煜2巨永林1

(1上海交通大學制冷與低溫工程研究所上海200240； 2 上海工程技術大學機械工程學院熱能與動力工程系上海201620)

液化天然氣(LNG)是一種應用日趨廣泛的清潔能源，構建LNG冷能低溫動力循環(huán)成為回收冷能的重要途徑。本文首先討論了LNG側參數、循環(huán)工質、設備進出口參數等重要參數對基本LNG冷能動力循環(huán)的影響；其次分析和總結了諸多LNG冷能動力循環(huán)的結構改進類型，包括朗肯循環(huán)、布雷頓循環(huán)、卡琳娜循環(huán)和復合循環(huán)。文章最后指出了參數研究的實際工程意義和循環(huán)結構改進的多樣性，并指出下一步研究應圍繞有機混合工質組分配比、模擬與實驗相結合等方面展開。

液化天然氣；冷量回收；制冷劑；朗肯循環(huán)

液化天然氣(LNG)是天然氣經過脫酸、脫水處理，通過低溫工藝冷凍液化而成的低溫(-162 ℃)液體混合物[1]，其主要成分是甲烷(90%以上)、乙烷、氮氣(0.5%～1%)及少量C3～C5烷烴。與常規(guī)能源煤炭和石油相比，LNG成分中不含硫，在氣化后燃燒不會產生二氧化硫等污染環(huán)境的氣體；同時，其燃燒產生的溫室氣體也僅占同等數量煤炭的1/2，石油的2/3。當前，我國正處于節(jié)能環(huán)保、低碳經濟的大形勢下，能源結構正從單一的煤炭向著以煤為主、多能互補的大方向邁進，LNG作為一種重要的清潔能源，未來使用量必將不斷增大，行業(yè)的發(fā)展前景十分看好。

在實際應用中，LNG需氣化才能加以利用。然而，傳統(tǒng)利用海水或空氣等自然熱源的氣化方式將會造成LNG冷能的巨大浪費。因此，構建基于LNG冷能的動力循環(huán)，有效地將LNG冷能轉化為電能輸出，成為利用LNG冷能的重要途徑。

針對近年來LNG冷能低溫動力循環(huán)的研究，本文首先介紹了基本循環(huán)的主要影響因素，其次分析和總結了諸多LNG冷能動力循環(huán)的結構改進類型，最后指出了LNG冷能動力循環(huán)的進一步研究方向。

1 基本LNG冷能動力循環(huán)影響因素

基本LNG冷能動力循環(huán)主要包括：LNG直接膨脹法、中間制冷劑的低溫朗肯循環(huán)和聯(lián)合法。后兩種循環(huán)是目前已經投入使用且技術相對成熟的動力循環(huán)。以日本Osaka Gas公司[2]為例，早在1979年和1982年，該公司就分別利用以丙烷為工質的低溫朗肯循環(huán)和聯(lián)合法實現(xiàn)LNG的冷能發(fā)電，輸出功率分別為1450 kW和6000 kW。

鑒于中間制冷劑的低溫朗肯循環(huán)和聯(lián)合法的應用廣泛性，對循環(huán)輸出功影響因素的研究也多以此為基礎展開，主要包括LNG側的運行參數、循環(huán)工質以及系統(tǒng)中主要設備進出口參數等。

1.1 LNG側參數的影響

上述研究結果表明，LNG與環(huán)境之間的大溫差和大壓差決定了LNG會具有較大冷能。在LNG側參數中，LNG溫度與壓力的改變直接影響其冷能與做功能力，而CH4作為LNG最主要的組分，其變化會帶來物質屬性的變化，間接影響和環(huán)境間的溫差與壓差，進而影響系統(tǒng)做功能力。因此，應當根據LNG自身的條件來選擇適當的循環(huán)方式，以實現(xiàn)輸出功的最大化。同時，由于甲烷含量越高，系統(tǒng)輸出功的能力越強，故對于實際的工程項目，可將甲烷含量區(qū)間的下限作為極端情況，上限作為最佳情況，以便全面分析實際參數下動力循環(huán)的輸出功表現(xiàn)。

1.2 循環(huán)工質

1) 單一工質

低溫朗肯循環(huán)和聯(lián)合法中單一工質的一般選擇原則應包括：環(huán)境友好特性、汽化熱較大、化學和熱穩(wěn)定性好、導熱系數高、氣體和液體動力粘度小、液相飽和線盡可能垂直、無毒易制取、價格低廉等[5]。此外，工質的三相點要低于運行最低溫度，以保證流體不會在循環(huán)中任意位置發(fā)生固化而堵塞[4]。

鹿院衛(wèi)等[6]分別分析了以R152a (CH3CHF2)、R290 (C3H8)、R600 (C4H10)、R134a ( CH2FCF3)等為工質的單級朗肯循環(huán)，發(fā)現(xiàn)其發(fā)電量均隨蒸發(fā)溫度的升高先增后減，即工質存在最佳蒸發(fā)溫度使得系統(tǒng)凈發(fā)電量最大，且輸出功率隨蒸發(fā)溫度升高而上升。同時對比透平等熵焓降、飽和壓力等方面因素，得到R290綜合性能最佳，當熱源海水溫度為20 ℃時，與R290相對應的最佳蒸發(fā)溫度為11.08 ℃。

劉燕妮等[7]對以海水為熱源的丙烷朗肯循環(huán)和聯(lián)合法系統(tǒng)建立了LNG利用溫度-單位輸出功的評價體系，研究發(fā)現(xiàn)給定LNG氣化壓力下，隨著LNG利用溫度的升高，單位輸出功先增后減?？紤]冷凝器傳熱溫差的限制，可以在LNG最佳利用溫度上獲得工質最佳冷凝溫度，使得單位輸出功最大。

張磊等[8]首次采用基團貢獻法進行LNG-海水低溫朗肯循環(huán)的工質選擇。基于基團貢獻法設定模型產生的工質CHF3與傳統(tǒng)制冷劑R22、R134a和R410a相比，在物流成本、能耗、設備尺寸和循環(huán)效率等多方面都呈現(xiàn)出優(yōu)越性。

2) 混合工質

對于制冷劑混合物，Kim C W等[9]的研究表明，相較于單一工質 R22和 R142b，這兩種制冷劑組成的混合工質的循環(huán)特性有所提高，但隨著環(huán)保意識的增強，氟利昂漸漸被禁用。目前較多的是利用混合有機工質進行的系統(tǒng)優(yōu)化。

朱鴻梅等[10]對LNG-空氣的低溫朗肯循環(huán)分別使用丙烷和混合工質(摩爾分數之比，丙烷∶乙烯∶異丁烷=0.39∶0.16∶0.45)進行換熱過程和冷能利用率的比較，后者傳熱溫差明顯減小，冷能利用效率提高41.04%。

王弢[5]對LNG-廢煙氣的回熱低溫朗肯循環(huán)使用混合工質實現(xiàn)變溫相變，并在配比(摩爾分數之比，丙烷∶異丁烷=0.7∶0.3)下獲得等熵流體工質，使得透平出口壓力溫度可以很低，且透平入口處不用過熱，且循環(huán)效率最高，但其工作溫度區(qū)間受限。

1.3 設備進出口參數研究

白芳芳[4]改變LNG-海水的丙烷聯(lián)合法循環(huán)中工質透平入口溫度，通過調節(jié)壓力變化使透平出口丙烷狀態(tài)不變，得到系統(tǒng)發(fā)電量隨工質透平入口溫度上升而明顯上升。提高NG透平入口溫度同樣可以使系統(tǒng)發(fā)電量上升。

饒文姬等[15]針對LNG-工業(yè)余熱的乙烷朗肯循環(huán)，分析了循環(huán)熱效率及做功量隨蒸發(fā)器出口溫度和壓比(工質蒸發(fā)器出口壓力/冷凝器出口壓力)的變化，得到結論：循環(huán)熱效率和做功量隨壓比的增加而增加，隨蒸發(fā)器出口溫度變化并不明顯。

Xue X等[16]建立了LNG-煙氣廢熱的兩級朗肯循環(huán)，指出兩級工質透平入口的壓力越高，各自質量流量越大，能獲得更高的指標CPP值(cost per net power output)，整個循環(huán)的熱力學和經濟學性能會得到顯著提高。

2 LNG冷能動力循環(huán)結構改進

單純針對LNG直接膨脹環(huán)節(jié)的結構改進研究[17-18]并不多見，LNG冷能動力循環(huán)的結構改進主要在朗肯循環(huán)和布雷頓循環(huán)的基礎上進行。同時，針對非共沸工質對的特性提出了以吸收器和分離器為主要部件的卡琳娜循環(huán)。結構更為復雜的復合循環(huán)在朗肯循環(huán)、布雷頓循環(huán)和卡琳娜循環(huán)的基礎上建立。

2.1 朗肯循環(huán)改進

現(xiàn)有的朗肯循環(huán)研究中，循環(huán)工質不局限于應用最廣泛的丙烷，還包括乙烷、氨水混合物、有機混合工質和CO2等；熱源也從海水擴展到工業(yè)廢熱、煙氣、地熱和太陽能等。

朗肯循環(huán)多級化是結構改進的另一重要方向，主要原理是根據LNG氣化曲線實現(xiàn)冷能的梯級利用。

圖1 具有回熱結構的聯(lián)合法Fig.1 Regenerative Rankine cycle with direct expansion of LNG

圖2 跨臨界CO2回熱朗肯循環(huán)Fig.2 Transcritical CO2 regenerative Rankine cycle

圖3 橫向兩級朗肯循環(huán)Fig.3 2-stage Rankine cycle of horizontal

圖4 縱向三級朗肯循環(huán)Fig.4 3-stage Rankine cycle of vertical

圖5 縱向三級朗肯循環(huán)Fig.5 3-stage cascade Rankine cycle

Choi I H等[22]考慮到冷凝器出口的LNG溫度仍較低，為繼續(xù)利用這部分冷量，建立了三級內嵌套的朗肯循環(huán)，如圖5所示。外層冷凝器中，LNG提供冷量而外層工質提供熱量；中層冷凝器中，LNG與外層工質供冷，中層工質供熱；內層冷凝器中，LNG、外層工質、中層供冷，僅內層工質供熱。這種循環(huán)結構相較于一般朗肯循環(huán)熱效率顯著提升；但是采用多個多流道換熱器使得循環(huán)的復雜性和不穩(wěn)定性上升。

朗肯循環(huán)主要結構改進[5,21,23-28]見表1。

2.2 布雷頓循環(huán)改進

布雷頓循環(huán)(Brayton cycle)主要利用LNG冷能降低壓縮機入口氣體溫度，在相同壓比的條件下顯著減小壓縮機功耗，提升循環(huán)凈功；同時LNG與氣體工質之間的換熱曲線相較于單一工質的朗肯循環(huán)換熱曲線更為匹配，因此能有效提升循環(huán)效率。典型的氮氣布雷頓循環(huán)與LNG直接膨脹相結合的結構如圖6所示，LNG經泵加壓，在LNG-氮氣換熱器中將冷量傳遞給氮氣，經加熱器升溫后進入NG透平做功；氮氣獲得冷量，以較低溫度進入壓縮機，與熱源換熱后，以高溫高壓的狀態(tài)進入透平做功，再次回到LNG-氮氣換熱器。

圖6 布雷頓循環(huán)與LNG直接膨脹Fig.6 Brayton cycle with direct expansion of LNG

Agazzani A等[29]對典型布雷頓循環(huán)進行改進，增加回熱環(huán)節(jié)以提高工質氦氣的透平入口溫度，熱源采用燃燒熱，如圖7所示，廢熱得到有效利用。Morosuk T等[30]構建了如圖8所示的布雷頓循環(huán)，空氣經帶有中間冷卻的兩級壓縮后與燃料在燃燒室燃燒，燃燒氣進入透平做功，再為工質氦氣供熱。Dispenza C等[31]構建的布雷頓循環(huán)中，熱源為開式NG燃燒兩級膨脹出口的廢氣，整體循環(huán)的功率輸出來自NG膨脹做功與氦氣膨脹做功，NG兩級膨脹提高了整體循環(huán)的做功能力。其他學者[32-33]也提出了類似的循環(huán)結構。

考慮到透平輸出功中的大部分被用于驅動壓縮機，使得整個系統(tǒng)輸出凈功有限，故壓縮和膨脹的多級化成為布雷頓循環(huán)改進的方向之一。Tomków等[34]提出了兩級壓縮-兩級膨脹的布雷頓循環(huán)結構，如圖9所示。此外，復雜的MGT循環(huán)結構[35]也是循環(huán)改進之一。

表1 朗肯循環(huán)主要結構改進

注：1)RC-朗肯循環(huán)；DEC-直接膨脹

2.3 卡琳娜循環(huán)

近年來，卡琳娜循環(huán)工質在氨水混合物的基礎上擴展到乙烯-丙烷和四氟化碳-丙烷等，循環(huán)內部采用回熱、兩級膨脹環(huán)節(jié)或與LNG的直接膨脹相復合以提高循環(huán)效率，其主要結構[4,36-39]見表2。

圖10為以氨水混合物為工質、具有LNG直接膨脹的卡琳娜循環(huán)[36]：具有一定質量分數的氨水基液，經過蒸發(fā)器吸收熱源的熱量，變?yōu)楦邷厝芤?高溫溶液在分離器被分離成富氨蒸氣和富水溶液;分離出的富氨蒸氣進入透平做功，透平乏汽進入冷凝器與LNG換熱，經泵加壓進入混合器；它與從高溫回熱器出口的經節(jié)流降壓后的富水溶液在混合器中混合成一定質量分數的氨水混合物，同時被LNG冷凝，經工質泵加壓后回到蒸發(fā)器；LNG先后獲得透平乏汽和回熱器熱量后進入透平做功，再進入混合器冷凝氨水混合物，完成一個循環(huán)。該循環(huán)中，分離器出口的富氨蒸氣做功能力強，提升整體循環(huán)的輸出功；富水溶液能為LNG氣化提供熱量，部分熱得到回收利用。

表2 卡琳娜循環(huán)主要結構

注：1)Kalina-卡琳娜循環(huán)；DEC-直接膨脹

圖7 回熱布雷頓循環(huán)與LNG直接膨脹Fig.7 Regenerative Brayton cycle with direct expansion of LNG

圖8 改進布雷頓循環(huán)與LNG直接膨脹Fig.8 Improved Brayton cycle with direct expansion of LNG

圖9 兩級布雷頓循環(huán)Fig.9 2-stage Brayton cycle

圖10 卡琳娜循環(huán)與直接膨脹的復合Fig.10 Kalina cycle with direct expansion of LNG

2.4 復合循環(huán)

復合循環(huán)主要將朗肯循環(huán)、布雷頓循環(huán)、卡琳娜循環(huán)、LNG直接膨脹進行結合；一些學者也建立了與燃氣輪機相結合的復合結構。主要復合循環(huán)[2,34,40-44]見表3。以Zhang N等[42]和Tomków等[34]建立的復合循環(huán)為例，進行說明。

Zhang N等[42]建立的CO2近零排放循環(huán)中，將超臨界CO2的朗肯循環(huán)和CO2的布雷頓循環(huán)進行結合。如圖11所示，空氣產物氧氣和LNG氣化產物甲烷在燃燒室中燃燒，燃燒氣膨脹做功，作為熱流體先后通過三通道和兩通道CO2蒸發(fā)器，經分離器分離出產物水和CO2；CO2由LNG冷卻后進入低級壓縮機，低級壓縮機出口CO2分為兩股，一股經加壓加熱回到燃燒室，另一股完成超臨界CO2循環(huán)。該復合循環(huán)中，LNG冷能先后用于冷卻壓縮機入口氣體和冷凝工質，循環(huán)輸出功由朗肯循環(huán)和燃燒氣做功共同實現(xiàn)。燃燒產物CO2通過冷凝、分離轉化為液態(tài)，部分被收集，剩余進行朗肯循環(huán)，因此整個循環(huán)接近CO2零排放。

表3 復合循環(huán)主要結構

注：1)RC-朗肯循環(huán)；BC-布雷頓循環(huán)；Kalina-卡琳娜循環(huán);DEC-直接膨脹

圖11 朗肯循環(huán)與布雷頓循環(huán)的復合Fig.11 Integration of Rankine cycle and Brayton cycle

圖12　卡琳娜循環(huán)與朗肯循環(huán)的復合Fig.12　Integration of Kalina cycle and Rankine cycle

3 結論及展望

本文主要將LNG冷能利用動力循環(huán)的研究分為基本循環(huán)的參數研究和循環(huán)結構改進兩方面。由于基本循環(huán)已經具有一定的實際工程應用，因此參數研究具有十分重要的工程價值，能夠有效指導實際工程以實現(xiàn)LNG冷能輸出功的最優(yōu)化。循環(huán)改進類型較為豐富，為LNG冷能動力循環(huán)進一步結構優(yōu)化開拓了思路。

然而，就LNG冷能利用動力循環(huán)的研究現(xiàn)狀而言，還有一些方面值得進一步深化，主要包括：

1) 低溫朗肯循環(huán)和聯(lián)合法有機混合工質的組分研究。現(xiàn)有的研究多直接給定循環(huán)混合工質的組分而展開參數分析，對于組分如何選擇和如何配比并未做出詳細解釋說明。針對不同來源的LNG，以何種標準選擇混合工質、并確定使循環(huán)性能最佳的組分比例，將會是很有意義的一項工作。

2) 循環(huán)模擬與實驗數據相結合的研究?，F(xiàn)有的循環(huán)結構改進主要依托流程模擬軟件實現(xiàn)，而模擬軟件的設定中多將設備條件及循環(huán)系統(tǒng)過于理想化。因此，建立實驗研究，使得實驗與模擬相互促進會是未來該領域研究的重點和難點。

3) 可行性和經濟性分析。對于一些理論研究相對成熟的循環(huán)，可以在理論分析的基礎上補充實際應用的可行性和經濟性分析，包括重要設備的選型、循環(huán)管路搭建、設備成本、年發(fā)電量收益、回本年限等。

[1]陳利瓊, 許培林, 孫磊, 等. LNG 冷能發(fā)電技術現(xiàn)狀分析[J]. 天然氣與石油, 2013, 31(6): 39-44. (CHEN Liqiong, XU Peilin, SUN Lei, et al. Present situation analysis of LNG cold energy power generation technology[J]. Natural Gas and Oil, 2013, 31(6): 39-44.)

[2]Hisazumi Y, Yamasaki Y, Sugiyama S. Proposal for a high efficiency LNG power-generation system utilizing waste heat from the combined cycle[J]. Applied Energy, 1998, 60(3): 169-182.

[3]Liu Y, Guo K . Efficiency of power generation by LNG cold energy[J]. Cryogenics & Superconductivity, 2010, 38(2):1-4.

[4]白芳芳. 提高 LNG 冷能發(fā)電效率的集成優(yōu)化研究 [D]. 廣州: 華南理工大學, 2011.

[5]王弢. 利用LNG冷能的朗肯循環(huán)適用工質的理論研究 [D]. 上海交通大學, 2011.

[6]鹿院衛(wèi), 楊紅昌, 呂鵬飛, 等. 液化天然氣冷能發(fā)電系統(tǒng)參數分析與工質選擇[J]. 北京工業(yè)大學學報, 2011, 37(12): 1874-1879. (LU Yuanwei, YANG Hongchang, LV Pengfei , et al. Parametric analysis and working fluid selection of power generation system based on LNG cold energy[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2011, 37(12): 1874-1879.)

[7]劉燕妮, 郭開華. 液化天然氣冷能發(fā)電效益分析[J]. 低溫與超導, 2010, 38(2): 13-17. (LIU Yanni, GUO Kaihua. Efficiency of power generation by LNG cold energy[J]. Cryogenics and Superconductivity, 2010, 38(2): 13-17.)

[8]張磊, 高為, 余黎明, 等. LNG 冷能發(fā)電系統(tǒng)工質優(yōu)化研究[J]. 化學工業(yè), 2015, 33(1): 25-29. (ZHANG Lei, GAO Wei, YU Liming, et al. LNG cold energy optimization of working fluid power systems[J]. Chemical Industry, 2015, 33(1): 25-29.)

[9]Kim C W, Chang S D, Ro S T. Analysis of the power cycle utilizing the cold energy of LNG [J]. International Journal of Energy Research, 1995, 19(9): 741-749.

[10] 朱鴻梅, 孫恒, 舒丹. 利用天然氣冷量的朗肯循環(huán)發(fā)電流程的工藝模擬[J]. 低溫與超導, 2010,38(12): 12-14. (ZHU Hongmei, SUN Heng, SHU Dan. Simulation of Rankine power cycle to recovery the cooling nature gas[J]. Cryogenics and Superconductivity, 2010,38(12): 12-14.)

[11] 陳敏. LNG 冷能用于發(fā)電和空調供冷工藝開發(fā)及優(yōu)化[D]. 廣州：華南理工大學, 2013.

[12] Miyazaki T, Kang Y T, Akisawa A, et al. A combined power cycle using refuse incineration and LNG cold energy[J]. Energy, 2000, 25(7): 639-655.

[13] 高林, 王宇. 利用 LNG 冷能的混合工質中低溫熱力循環(huán)開拓研究[J]. 工程熱物理學報, 2002, 23(4): 397-400. (GAO Lin, WANG Yu. A novel binary cycle with integration of low-level waste heat recovery & LNG cold energy utilization[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2002, 23(4): 397-400.)

[14] Wang J, Yan Z, Wang M, et al. Thermodynamic analysis and optimization of an ammonia-water power system with LNG (liquefied natural gas) as its heat sink[J]. Energy, 2013, 50(2): 513-522.

[15] 饒文姬, 趙良舉, 劉朝,等. 利用LNG冷能與工業(yè)余熱的有機朗肯循環(huán)研究[J]. 工程熱物理學報, 2014, 35(2): 213-217. (RAO Wenji, ZHAO Liangju, LIU Chao, et al. Research of organic Rankine cycle utilizing LNG cold exergy and waste heat[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2014, 35(2): 213-217.)

[16] Xue X, Guo C, Du X, et al. Thermodynamic analysis and optimization of a two-stage organic Rankine cycle for liquefied natural gas cryogenic exergy recovery[J]. Energy, 2015, 83(4): 778-787.

[17] Franco A, Casarosa C. Thermodynamic analysis of direct expansion configurations for electricity production by LNG cold energy recovery[J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 78(3): 649-657.

[18] 梁騫, 厲彥忠, 譚宏博. 利用氣體動力循環(huán)的 LNG雙動力汽車[J]. 制冷學報, 2008, 29(4): 51-54. (LIANG Qian, LI Yanzhong, TAN Hongbo. LNG dual power vehicles with air powered cycle utilization[J]. Journal of Refrigeration, 2008, 29(4): 51-54.)

[19] Kim K H, Kim K C. Thermodynamic performance analysis of a combined power cycle using low grade heat source and LNG cold energy[J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 70(1):50-60.

[20] 黃美斌, 林文勝, 賀紅明, 等. LNG 冷能用于 CO2跨臨界朗肯循環(huán)和 CO2液化回收[J]. 低溫與超導, 2009,37(4): 17-21. (HUANG Meibin, LIN Wensheng, HE Hongming, et al. LNG cold energy utilized in a transcritical CO2Rankine cycle and CO2recovery by liquefaction[J]. Cryogenics and Superconductivity, 2009 37(4): 17-21.)

[21] 楊紅昌. 液化天然氣(LNG)冷能發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化研究[D]. 北京：北京工業(yè)大學, 2010.

[22] Choi I H, Lee S, Seo Y, et al. Analysis and optimization of cascade Rankine cycle for liquefied natural gas cold energy recovery[J]. Energy, 2013, 61(11): 179-195.

[23] 曹文勝, 魯雪生. LNG接收站利用低品位熱源低溫發(fā)電[J]. 低溫與超導, 2012, 40(3):17-20. (CAO Wensheng, LU Xuesheng. Cryogenic power generation driven by low level heat for LNG terminals[J]. Cryogenics and Superconductivity, 2012, 40(3):17-20. )

[24] Wang J, Wang J, Dai Y, et al. Thermodynamic analysis and optimization of a transcritical CO2geothermal power generation system based on the cold energy utilization of LNG[J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 70(1): 531-540.

[25] 孫憲航, 陳保東, 王雷, 等. 以太陽能為高溫熱源的 LNG 衛(wèi)星站冷能發(fā)電系統(tǒng)[J]. 天然氣工業(yè), 2012, 32(10): 103-106. (SUN Xianhang, CHEN Baodong, WANG Lei, et al. Cold energy power generation system at LNG satellite stations with solar energy as a high temperature heat source[J]. Natural Gas Industry, 2012, 32(10): 103-106.)

[26] Sun H, Zhu H, Liu F, et al. Simulation and optimization of a novel Rankine power cycle for recovering cold energy from liquefied natural gas using a mixed working fluid[J]. Energy, 2014, 70(3):317-324.

[27] 曹興起, 趙暉, 楊衛(wèi)衛(wèi), 等. 綜合利用低品位余熱與 LNG 冷能的復合循環(huán)系統(tǒng)[J]. 熱力發(fā)電, 2014，43(12): 49-55. (CAO Xingqi, ZHAO Hui, YANG Weiwei,et al. A combined energy recovery system for comprehensive utilization of both low-grade waste heat and cold energy in LNG[J]. Thermal Power Generation, 2014，43(12): 49-55.)

[28] 朱鴻梅, 孫恒, 李增材,等. 液化天然氣CCHP系統(tǒng)的乙烯-丙烷級聯(lián)動力循環(huán)及工藝模擬[J]. 低溫與超導, 2011, 39(11):27-32. (ZHU Hongmei, SUN Heng, LI Zengcai, et al. A novel ethylene-propane cascade Rankine cycle for LNG-CCHP system and process simulations[J]. Cryogenics and Superconductivity, 2011, 39(11):27-32.)[29] Agazzani A, Massardo A F, Korakianitis T. An assessment of the performance of closed cycles with and without heat rejection at cryogenic temperatures[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1999, 121(3): 458-465.

[30] Morosuk T, Tsatsaronis G. Comparative evaluation of LNG-based cogeneration systems using advanced exergetic analysis[J]. Energy, 2011, 36(6): 3771-3778.

[31] Dispenza C, Dispenza G, La Rocca V, et al. Exergy recovery during LNG regasification: electric energy production-part two[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(2): 388-399.

[32] Tsatsaronis G, Morosuk T. Advanced exergetic analysis of a novel system for generating electricity and vaporizing liquefied natural gas[J]. Energy, 2010, 35(2): 820-829.

[33] Morosuk T, Tsatsaronis G, Boyano A, et al. Advanced exergy-based analyses applied to a system including LNG regasification and electricity generation[J]. International Journal of Energy and Environmental Engineering, 2012, 3(1): 1-9.

[35] Kaneko K, Ohtani K, Tsujikawa Y, et al. Utilization of the cryogenic exergy of LNG by a mirror gas-turbine[J]. Applied Energy, 2004, 79(4): 355-369.

[36] Wang H, Shi X, Che D. Thermodynamic optimization of the operating parameters for a combined power cycle utilizing low-temperature waste heat and LNG cold energy[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 59(1): 490-497.

[37] 劉燕妮, 郭開華. 利用液化天然氣冷能的低溫動力循環(huán)[J]. 工程熱物理學報, 2012, 33(11): 1860-1863. (LIU Yanni, GUO Kaihua. A novel cryogenic power cycle for LNG cold energy recovery[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2012, 33(11): 1860-1863.)

[38] Liu Y, Guo K. A novel cryogenic power cycle for LNG cold energy recovery[J]. Energy, 2011, 36(5): 2828-2833.

[39] Shi X, Che D. A combined power cycle utilizing low-temperature waste heat and LNG cold energy[J]. Energy Conversion and Management, 2009, 50(3): 567-575.

[40] 夏侯國偉, 白菲菲, 張早. 以中低溫余熱為熱源的LNG冷能利用流程改進[J]. 天然氣工業(yè), 2008, 28(5): 112-114. ( XIAHOU Guowei, BAI Feifei, ZHANG Zao. A newly-developed process for cold energy utilization based on middle-low-temperature waste heat recovery [J].Natural Gas Industry, 2008, 28(5): 112-114.)

[41] Lu T, Wang K S. Analysis and optimization of a cascading power cycle with liquefied natural gas (LNG) cold energy recovery[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(8): 1478-1484.

[42] Zhang N, Lior N. A novel near-zero CO2emission thermal cycle with LNG cryogenic exergy utilization[J]. Energy, 2006, 31(10): 1666-1679.

[43] Shi X, Agnew B, Che D. Analysis of a combined cycle power plant integrated with a liquid natural gas gasification and power generation system[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 2010,1(1): 1-11.

[44] Najjar Y S H. Efficient use of energy by utilizing gas turbine combined systems[J]. Applied Thermal Engineering, 2001, 21(4): 407-438.

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

簡介

巨永林，男，教授，博士生導師，上海交通大學制冷與低溫工程研究所，021-34206532，E-mail: yju@sjtu.edu.cn。研究方向：小型低溫制冷機技術(脈管制冷機、G-M制冷機)，液化天然氣技術(海洋油田伴生氣、煤層氣)及其冷能綜合利用技術。