液化天然气(LNG)冷能用于发电燃气轮机进气冷却系统初探

液化天然气(LNG)冷能用于发电燃气轮机进气冷却系统初探
王巍悦 柳建华 陈曦
(上海理工大学，上海 200093)
摘 要 随着世界经济的发展，全球性石油资源的紧缺以及环境污染问题的日益严重，使得燃烧性能好、污染小的天然气日益受到各国的关注。

但天然气通常以液态运输和存储，在使用前又必须经过一个气化过程，这样便会释放出大量的冷量，若能对这部分能量加以利用将会产生十分可观的经济效益,拥有良好的节能前景。

针对液化天然气的实际使用情况，结合包括我国广东地区的气候等各方面条件设计了一个将液化天然气冷能用于冷却燃气轮机组进气温度的回收利用系统，并分析了该冷能回收利用系统的可行性。

关键词 LNG 冷量 燃气轮机进气温度 节能
EXPLORATION OF GAS TURBINE GENERATING UNIT INLET AIR COOLING SYSTEM BASED ON THE LIQUEFIED NATURE GAS(LNG) COLD
ENERGY
Wang Weiyue Liu Jianhua Chen Xi
(University of Shanghai for Science and Technology, shanghai 200093)
Abstract With the development of the world economy, the shortage of global oil sources and environmental contamination problem becomes more and more seriously that makes the natural gas which has well combustibility and low pollution get more focus. But the natural gas usually stored and transported as liquidness, it needs gasification before using it. So there is a lot of cold energy being released during the gasification process. If it can be used efficiently, it will not only bring considerable economic value, but also have fine energy-saving prospect. The paper designs a liquefied natural gas(LNG) cold energy recovery and using scheme according to LNG actual application，that is cooling the inlet temperature of air for the gas-turbine power unit.，following the local condition of Guangzhou such as climatic condition, and analyzes its feasibility.
Keywords LNG Cold energy Gas turbine inlet temperature Energy-saving
0 前言
LNG工业在近半个世纪内飞速地发展，世界LNG 产量以年均20％的速度增长，预计2010年产量将达到2400亿m3，而到2040年世界天然气供应量将超过石油和煤炭，跃居世界之首。

同时，我国正在大力调整能源结构，提倡走可持续发展之路，这样 必将大量引进和使用LNG这一绿色能源，广东则作 作者简介：王巍悦，（1984- ），男，在读研究生为LNG发电的全国试点，并且在深圳将建立大型LNG 接收站，同时，年接受能力为300万吨的上海洋山深水港液化天然气站一期部分也将于2009年建成。

[1]
近几年，液化天然气作为一种清洁、高效的新 型能源在燃气轮机电厂中得到了广泛地使用，但是LNG在气化成常温气体供气的过程中会释放出大量的冷能，若利用LNG的这部分冷能来降低燃气轮机压气机的进气温度，可以提高燃气轮机组的出力，
改善燃气蒸汽联合循环发电机组的技术经济性。

1 广东地区利用LNG冷能冷却燃气轮机进气温度的可行性分析
1.1 燃气轮机进口温度对燃气轮机出力的影响
燃气轮机是一种定容积的动力设备，压气机的空气流量直接影响到燃气轮机和联合循环机组的运行效率。

当环境温度升高﹑空气比容加大时，压气机的空气质量流量就会减少，导致燃气轮机和联合循环的出力下降。

分析表明，当空气温度每升高10℃，燃气轮机的出力下降约6.2%； 联合循环出力下降约4.5%；而当空气温度每降低1O℃，燃气轮机出力平均增加1O％，系统效率也可提高2%左右[2]
1.2 利用LNG冷能冷却燃气轮机进气
燃气轮机联合循环机组具有调峰性能好的特点，尤其在夏季高温用电高峰期效果特别好而被广泛地使用。

但在这一期间往往环境气温较高，导致进气温度太高而影响燃气轮机组的出力和发电效率，因此常常需要一个进气冷却的过程，而现在通常采用例如蒸发式制冷、压缩式制冷、吸收式制冷、蓄冰式制冷等传统的制冷方式，虽然这些技术已十分成熟，但都需要消耗大量的能量，因而在经济性上并不理想。

而本文设计的LNG冷量回收利用系统将LNG冷量通过中间载冷剂用于燃气轮机组的进气冷却则无需额外的制冷耗能，这样经济性优于现行的各种方法，同时被气化的天然气也可以直接为电厂所用，减少管道成本。

此外，这一技术是LNG冷能回收利用和燃气轮机进气冷却两项成熟技术的组合应用，既无理论创新也不是全新的工程技术，因此在国际上有成功应用的先例：由安然能源公司投资，柏克德工程公司设计，在印度Dabhol液化天然气/燃气电厂项目中运用了这一技术，经论证，回收冷能用于进气冷却后出力由715MW增加到815MW。

其次，在玻多黎各也有电厂使用这一技术。

1.3 对于广东的气象条件分析
根据有关的气象资料，广东的年平均气温为23℃，相对湿度为76%。

而气温最高发生在3-9月的春季和夏季。

这7个月的平均温度为30.2℃，平均相对湿度为85%。

根据这些数据，可以通过计算得到，如在广东燃气轮机电厂装4台GE公司的36万KW级机组，为了降低压气机进气温度，冷却空气所需的换热量计算结果见表1-1：
表1-1 进气冷却温度和换热量
冷却温度
(℃)
冷却后空气含湿
量(g/kg)
换热量
kW(台)
27 22.5 243.05
24 18.7 1041.68
23 17.3 1277.78
22 16.3 1527.78
20 15.0 1687.5
19 14.1 1965.28
17 12.2 2444.45
进气温度下降可导致的联合循环性能的变化见表1-2：
表1-2 进气冷却后各因素对燃气轮机组运行效果的影响 因素 出力增加 热耗减少 进气降温（10℃） 4.8% 0.12
含湿减少 1.4% 0.26
进气损失 -0.26% 0.04
从表1-2可以看出有效的降低压气机进口温度对于燃气轮机组的出力增加及热耗减少都有十分明显的影响，这样就有利于燃气轮机组运行效果的提高。

[2]
2 LNG冷能回收利用系统
2.1 LNG可回收冷量计算
本文以GE公司的燃气轮机组为例，其额定发电功率为36万kW，发电效率为55.24%.假定机组全年运行约为4000h，这样每套机组年消耗LNG为19.1万t，质量流量M为：
M=19.1×10000000/(4000×3600)=13.26kg/s
一个大气压下，LNG的汽化潜热为515.43KJ/kg，假设汽化后复温到2℃，则回收的冷量包括潜热和显热，根据上述冷量火用的分析可得，理论上每千克液化天然气可回收的LNG最大冷量为：
max p
q=r+C T
×Δ=515.43+2.14×(275-111)=866.4kJ 则所能回收的LNG最大冷量为：
Q=M×
max
q=13.26×866.4=11488kw
2.2 可行性分析
在本论文中所要设计的LNG冷量回收系统中，冷量主要是用于降低燃气轮机组的进气温度，根据上文表1-2进气冷却温度和换热量，我们可以通过计算得出一台燃气轮机组所需的空气量约为59.84kg/s，假设我们将燃气轮机进气温度冷却至7℃，根据湿空气焓湿图可知，空气进出口焓值分别为86kJ/kg(30℃ 80%)和22Kj/kg(7℃ 100%),这样冷却空气所需的冷量约为：
Q=59.84×(86-22)=3829.4kw
由以上理论分析可以看出，LNG的冷量完全可以满足将进气温度冷却到7℃所需的冷量，并且仍然有富余，同时也可以用于冷却燃气轮机的排气温度和循环水温度及厂房的制冷等。

2.3 LNG冷能回收系统的理论分析
由于LNG的温度为111K，天然气被使用前必须被气化并升温至常温(假设为2℃)，如果直接进行换热的话，温差将会达到165℃左右，如此大的传热温差是不允许的，因为此种大温差换热对工质的要求非常高，换热器的火用损失非常大，且换热器的设计与选用将会很困难。

通过分析回收的冷量特性，为了最大限度的回收冷量，并能满足燃气轮机组进气冷却温度的要求，考虑使用中间换热进行两级换热，将传热的温差系统化的缩小，使传热温差控制在100℃以内，这样有利于保证系统的可行性并便于设计计算。

基于以上的构想，提出如图2-1的LNG冷量回收系统。

在图2-1中，为了从LNG的低温温度到常温，并且尽量的减小冷量损失，本冷量回收系统采用了两个循环，一个是天然气多次自增压、自加热气化循环；另一个是乙二醇载冷、蓄冷循环。

这两个循环通过板翅式换热器(乙二醇与天然气侧)联系起来，其作用就是使天然气冷量传给乙二醇，实现了低温循环向制冷循环的转换，把低温下的LNG冷量用于降低燃气轮机组的进气温度。

红色为天然气管道 蓝色为LNG管道 绿色为乙二醇管道 黄色为空气管道
1液化天然气杜瓦 2板翅式换热器(LNG与天然气侧) 3.板翅式换热器(乙二醇与天然气侧) 4表冷器 5乙二醇储存罐 6.乙二醇蓄冷箱 7.风机 8.空气干燥器 9.燃气轮机机组
图2-1 LNG冷量回收系统
在天然气的多次自加热气化循环中，天然气既是输出冷量的工质，也是传递冷量的载体，循环流动的天然气对于低温罐内的液态天然气来说是一种气体载冷剂。

这样避免了低温液态天然气与液体载冷剂乙二醇的直接换热。

因为乙二醇与饱和液态天然气换热有极大的换热温差，这会增加换热的火用损失，且饱和天然气的沸腾换热会使载冷剂乙二醇由于温度过低而被冻结，堵塞换热器流道，使得整个回收系统不能正常运转。

在乙二醇载冷蓄冷循环中，天然气的冷量通过主换热器4传递给了乙二醇溶液，乙二醇溶液是一种无色﹑无味﹑不腐蚀﹑化学性质稳定﹑无污染且价格便宜的“绿色”载冷剂，采用浓度为60%的乙二醇溶液，其凝固点低于-30℃，且具有较大的比热容，因而是一种比较理想的载冷剂。

乙二醇蓄冷箱6具有蓄冷的作用，可以将富余的冷量储存起来，这样就可以解决当冷量需求和液化天然气消耗量不平衡时，所带来的冷量不足或是冷量过多的问题，同时也可以向其他冷量需求处供应冷量，提高LNG 冷量的回收利用效率。

[3]
为了提高换热器换热效率，需要尽量使得冷量回收系统的温度分布最佳，并且换热器中工质流量较大，为了控制其流速在许可的范围内，达到良好的换热效果，所设计的三个换热器中前两者均采用板翅式换热器。

板翅式换热器具有传热效率高﹑紧凑﹑轻巧﹑适应性大等优点[4]，而空气与乙二醇侧考虑到在换热过程中会有大量的冷凝水，因此用表冷器。

板翅式换热器(LNG与天然气侧)主要作用是利用常温天然气将从低温罐出来的LNG气化，并使其升温至板翅式换热器(乙二醇与天然气侧)所要求的进气温度。

而表冷器则是乙二醇将从LNG得到的冷量传递给燃气轮机组的进气，达到降低其温度的目的。

2.4 LNG回收系统的特点
对于本系统，它主要有三大特点：1)使用天然气多次循环自加热方案，使LNG在不同温区的换热问题分段解决，有效防止由于传热初始温度低而造成的载冷剂冻结问题。

2)本系统采用乙二醇作为冷媒的二级载冷和蓄冷系统，不仅实现冷量从低温循
到制冷循环的过渡，解决大温差换热的问题，也实现了冷量的蓄存，达到冷量可调的目的。

3)对于不同的换热温度区间选择不同型式的换热器，如对于低温多股流换热采用紧凑高效的板翅式换热器，对于空气冷却则应用表冷器，解决空气冷却过程中大量冷凝水回收的问题，提高系统的稳定性。

3 冷量回收系统的换热器设计计算
3.1 换热器负荷设计计算
整个冷量回收实验系统由两个板翅换热器和一个表冷器组成.现在对这三个换热器的进出口温度进行分析.如果不考虑冷量损失，LNG 气化和复温的所有冷量都在板翅换热器内与乙二醇进行交换.假定天然气复温后为280K ，LNG 的温度为111K ，气化潜热r 为515.43kJ/kg ，且天然气的Cp 随温度变化不大，因此在计算中取恒值2.14kJ/kg ，则在换热器(LNG 与天然气侧)中由热平衡原理有：
515.43+Cp ×(T 2-T 1)=n ×Cp ×(T 3-T 2) （3-1）
式中：Cp ——天然气定压比热容； T 1——液态天然气进气温度；
T 2——天然气出气温度； T 3——天然气进气温度；
n ——系数，必须为自然数。

所以通过计算我们得知，当T 2＝140k ，n=2时，等式成立，所以天然气中间温度为143k.即在换热器1中，LNG 侧进口温度为111k ，出口温度为140k ，天然气侧进口温度为275k ，出口温度为140k 。

由于两者的质量流量相同，所以系数n 则说明将LNG 从液态111k 气化并升温至140k 需要的热量有两股复温后的天然气共同提供。

对于乙二醇与天然气侧板翅式换热器，天然气侧进口温度为140k ，出口温度为275k ；乙二醇冷量将通过表冷器传递给空气，考虑到乙二醇的性质等因素，初步设定乙二醇进口温度为277k ，出口温度为260k ，乙二醇的定压比热为3.14kJ/kg ，根据热平衡原理可以算出乙二醇的质量流量：
p(NG)NG
P M c T 13.26 2.14135
m =71.76kg/s
c T
3.1417
××Δ××=
=
×Δ× 对于表冷器，空气进口温度为303k ，出口温度
为280k ，乙二醇进口温度为260k ，出口温度为277k ，根据上文的计算，空气侧所需冷量为3830kw ，而乙二醇侧提供的冷量为：
p Q=m c ΔT=71.74 3.1415=3830kw
××××
与空气侧所需量相当。

3.2 换热器设计计算方法
图3-1和3-2分别为板翅式换热器和表冷器设计计算的框图:
图
3-1 板翅式换热器设计计算的框图
图3-1 表冷器设计计算的框图
由于篇幅有限，本文只给出各换热器的最终尺寸计算结果，见表3-1
表3-1 换热器实际尺寸
换热器实际尺寸 板翅式换热器(LNG 侧) 板翅式换热器(乙二醇侧) 表冷器
长度(m) 1.30 1.6 3.3 宽度(m) 1.25 1.25 2.8*3=8.4 高度(m)
2.07
1.32
2.75
通过尺寸可以明显地看出，采用板翅式换热器的结构尺寸明显小于表冷器，这样就使制造成本便大大地降低，但由于空气在被冷却的过程中会有大量的冷凝水析出，这就给采用板翅式换热器带来了问题，是否可以将这些冷凝水带出换热器，相反如果采用表冷器的话，虽然在制造成本及换热效率上不如板翅式换热器，但却便于回收冷凝水，性能稳定。

当然若板翅式换热器能够解决冷凝水回收的问题，则
应优先考虑板翅式换热器，毕竟其在制造成本和换热效率方面大大的优于表冷器。

4 结论
LNG蕴藏着大量的冷能，将LNG冷能用于燃气轮机发电系统的进气温度冷却充分回收利用了LNG的气化冷能，并且在相同的条件下提高了系统的出力和效率。

对于夏季高温和我国南方地区的燃气电厂具有重要的意义。

此外，可将富余的冷量用于厂区制冷等，可最大限度地回收利用LNG冷能，提高了利用的效率，也有效避免传统制冷对于大气的污染，具有重要的环保意义。

参 考 文 献
[1] 乔国发, 李玉星, 张孔明. "et al" 我国液化天然气工
业的现状及发展前景. 油气储运. 2005年第3期 [2] 暨穗璘, 彭艳. 液化天然气(LNG)冷能用于冷却发电
燃气轮机进气的分析. 能源技术. 2005年第26期 [3] 陈曦. LNG液化天然气冷量回收汽车空调. 西安. 西安
交通大学硕士论文. 2003
[4] 陈长青,沈裕浩编著.《低温换热器》.机械工业出版社。