液化天然气（LNG）冷能发电系统的优化研究

论文摘要

天然气以其高效、清洁的性能和广泛的用途,已成为本世纪主要的能源之一,并日益呈现增大的趋势。但是由于天然气地区分布的不均,推动了世界LNG市场的繁荣。从我国日益严峻的能源需求和长远的能源安全角度考虑,我国在沿海地区陆续建设了一批LNG接收站。由于LNG在利用的过程中,本身气化并释放大量的冷能,构建合理的循环电站是高效利用LNG冷能的最有效方式之一,本文据此对LNG低温朗肯循环发电系统展开研究,主要内容如下:查阅、研究并总结了大量的国内外文献,了解了国内外关于LNG冷能利用现状,针对冷能发电系统的循环方式和工质选择以及系统优化过程中遇到的一些问题展开研究,分析并总结出目前尚未解决的问题,并在此基础上确立主要的研究内容。在对LNG热物性进行计算的基础上,提出LNG液相区、近似常温潜热区、变温潜热区和气相区四段冷能利用分段模型,并以单级低温朗肯动力循环为基础展开分析。通过对不同循环方式进行分析表明,亚临界饱和循环发电方式是LNG冷能构建朗肯循环的最佳选择方式;通过对亚临界饱和循环发电系统参数进行分析表明,循环工质的冷凝温度基于LNG侧温度和压力参数来确定,对于不同工质,均存在最佳蒸发温度使得系统净发电量最大。利用LNG冷能构建亚临界饱和朗肯循环,其工质的选择除了要考虑工质的系统净发电量、安全性、GWP值等通用性原则外,还应考虑热源的温度应该低于工质的临界温度,以期能够构建亚临界朗肯循环;同时还应考虑工质在冷凝器中的饱和冷凝压力不应低于常压,以减少维持真空度而增加的额外投资和运行功耗,提高净发电量。基于以上原则,本文从文献中筛选出R152a、R407C、R600、R1270、R600a、R290、R134a、R143a、R404A、R410A、R507A、Kr、R50、R1150、R170等工质进行分析,以系统净发电量为评价指标,结果表明:当冷凝温度较低,小于-45℃时,可选择R1150、R170等作为备选工质;当冷凝温度较高,大于-25℃时,可选择R152a、R407C等作为备选工质;当冷凝温度介于二者之间时,可选择R1270、R290等作为备选工质。传统的分析方法能够指明循环流程及其每个设备的损失,并提出改善的重点环节,但它无法给出按照改进方向所建立的不同流程方案之间的优劣,而窄点分析法可以弥补分析法的不足,进而可以有方向有目的的对系统进行改进,并对不同的方案作出评价。本文将两种方法的优势相结合,提出T-?-H图的综合评价分析方法。在基本朗肯循环分析的基础上,结合LNG的冷能利用分段模型,提出了三种优化改进方案,并通过T-?-H图进行评价分析,最终确定了最优的两级带抽气LNG冷能发电方案。海水热源容易受到地域和季节的影响,通过对不同的海水温度对LNG冷能发电系统的影响分析表明,热源温度越高,循环系统最佳蒸发温度越高,系统的净发电量也越大;本文同时针对小型LNG气化卫星站提出以太阳能热水为热源构建的低温冷能发电及冷冻水制备的复合系统,分析综合考虑了冷源和热源的综合价值,结果表明系统效率得到了进一步提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 物理量名称及符号表
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 LNG 冷能发电研究现状
• 1.2.1 动力循环流程研究
• 1.2.2 工质选择研究
• 1.2.3 系统参数分析与优化研究
• 1.2.4 目前研究尚未解决的问题
• 1.3 本论文研究的内容和方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 系统优化分析的评价方法
• 1.3.3 本论文需要解决的关键问题及创新点
• 第2章 LNG 冷能利用模型及发电系统参数选择分析
• 2.1 LNG 热物性计算与分析
• 2.1.1 LNG 热物性计算模型
• 2.1.2 LNG 冷能和冷计算
• 2.1.3 中国LNG 冷能发电潜力分析
• 2.2 LNG 冷能利用分段模型
• 2.2.1 LNG 气化特性分析
• 2.2.2 冷能梯级利用模型
• 2.3 低温朗肯循环方式选择
• 2.3.1 循环系统基本流程
• 2.3.2 亚临界和超临界循环对比分析
• 2.4 亚临界朗肯循环系统参数选择
• 2.4.1 LNG 侧参数分析
• 2.4.2 工质冷凝温度选择
• 2.4.3 工质最佳蒸发温度选择
• 2.4.4 工质蒸发压力选择
• 2.4.5 循环过热度选择
• 2.4.6 干度影响分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 LNG 低温朗肯循环系统优化
• 3.1 系统循环工质优化
• 3.1.1 工质选择的一般原则
• 3.1.2 工质临界温度和冷凝压力影响分析
• 3.1.3 工质优选结果
• 3.2 系统流程优化评价方法
• 3.2.1 传统的评价方法
• 3.2.2 T-?-H 图评价分析法
• 3.3 系统可优化潜力分析
• 3.3.1 循环过程分析
• 3.3.2 设备计算
• 3.3.3 分析结果
• 3.3.4 可改善损失
• 3.4 系统流程优化方案
• 3.4.1 横向三级循环流程方案
• 3.4.2 纵向三级循环流程方案
• 3.4.3 两级抽气优化方案
• 3.5 本章小结
• 第4章 变热源LNG 冷能复合利用系统
• 4.1 海水源温度的影响分析
• 4.1.1 海水源温度随季节和地域的变化规律
• 4.1.2 系统仿真设计结果
• 4.2 太阳能热水源LNG 冷能利用系统
• 4.2.1 LNG 卫星站利用太阳能热源的潜力
• 4.2.2 太阳能热源复合冷能利用系统流程与计算
• 4.2.3 结果分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 本论文研究结论
• 5.2 对以后工作的展望
• 参考文献
• 附录1 2007 年LNG 世界贸易流向（单位：10 亿立方米）
• 附录2 中国已有、在建或规划的LNG 项目
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢