LNG冷能溫差發(fā)電技術(shù)概述目錄TOC\o"1-3"\h\u17909LNG冷能溫差發(fā)電技術(shù)概述 1228671．1課題研究背景意義 1141451．2空溫式LNG氣化器介紹 1267041．3傳統(tǒng)LNG冷能利用技術(shù) 2316921．4LNG冷能溫差發(fā)電技術(shù) 330671參考文獻(xiàn) 61．1課題研究背景意義考慮到化石燃料利用的增長，其存在著空氣污染等問題，因此使用天然氣(NG)和氫等燃料是非常重要的。由于天然氣的價格較低和污染較少，天然氣作為燃料的使用正在全球范圍內(nèi)擴大。天然氣在大自然中是氣態(tài)，液化后方便運輸使用。為了液化天然氣，它的溫度必須降低到大約-160℃以至于其體積減少了近600倍。在供給用戶使用時，液態(tài)天然氣將再轉(zhuǎn)成氣態(tài)，會產(chǎn)生大量冷能。在傳統(tǒng)氣化系統(tǒng)中，這種能量被海水和空氣耗盡。利用這種冷卻能量不但增加了效率，并且很綠色清潔。當(dāng)今利用LNG冷能的方法有：海水淡化、液化CO2、冷能發(fā)電等[1]，其中利用液化天然氣的冷能進行發(fā)電這一方法使用較多，且技術(shù)比較成熟[1]。目前，一些發(fā)達(dá)國家比如美、日等，在對LNG氣化產(chǎn)生的冷能使用方面研究較為深入，很多發(fā)展中國家也在加緊對其冷能使用技術(shù)的研發(fā)與投入，但LNG冷能發(fā)電技術(shù)在我國興起較遲[2]。如今，我國在廣東福建等地已建有LNG氣化站。1．2空溫式LNG氣化器介紹在LNG氣化站中，其將LNG氣化所用設(shè)備大多為氣化器，圖1-1展示了多種氣化器的類型及工作方式。圖1-1開架式(a)，空溫式(b)，浸沒燃燒式(c)，中間介質(zhì)式(d)，新型氣化器(e)空氣加熱的蒸發(fā)器[4]由附有一定距離的鋁制翅片管組成。它主要是依靠環(huán)境，并利用空氣的自然熱量，所以環(huán)境是熱源。液化天然氣在管子內(nèi)部流動。通過管道的外壁與空氣之間進行熱交換，空氣的熱量被吸收以進行氣化。氣化管的外壁可能會結(jié)霜并影響這種氣化的性能，因此必須經(jīng)常除霜。該氣化器的優(yōu)點有無噪聲，污染物排放少，且其冷凝水可作為生活用水[5]。翅片安裝在管子的外壁上，以增加管子在自然側(cè)即管子外側(cè)的傳熱面積，并增加管道外側(cè)的傳熱系數(shù)，從而提高傳熱性能，更好的傳遞熱量。最常用的是8翅片結(jié)構(gòu)，如圖1-2所示。圖1-28翅片管結(jié)構(gòu)圖1．3傳統(tǒng)LNG冷能利用技術(shù)1.3.1直接膨脹法發(fā)電過程見圖1-3[1]，LNG按流程輸出到泵機，泵機進行增壓，隨后進入蒸發(fā)器進行蒸發(fā)，變成高溫常壓氣體，之后進入透平進行膨脹，驅(qū)使發(fā)電機發(fā)電，最終進入加熱器然后輸出，優(yōu)點是其很簡單，但缺點是使用冷能的能力很小。圖1-3接膨脹法1.3.2二次媒體法發(fā)電過程見圖1-4[1]。冷凝器中，液化天然氣與冷卻的低壓蒸氣進行熱交換，并且在冷凝之后，制冷劑成為液體。通過泵使低壓制冷劑液體增壓，再經(jīng)過加熱器加熱，再經(jīng)過透平機膨脹做工，驅(qū)動發(fā)電機進行發(fā)電。冷凝溫度以上的天然氣冷能將被浪費且無法利用的，并且其過程復(fù)雜，但能源利用效率高。圖1-4二次媒體法1.3.3燃?xì)廨啓C利用方法發(fā)電過程見圖1-5[1]所示，液化天然氣氣化釋放的冷能直接或間接利用水等冷卻劑對汽輪機排氣進行冷卻，同時可以用來降低燃?xì)廨啓C進氣的溫度，利用液化天然氣氣化的冷能對壓縮機進口氣體實行降溫，使得設(shè)備的整體熱效率顯著提升，此方法主要用于大型的LNG氣化站。圖1-5燃?xì)廨啓C發(fā)電流程1．4LNG冷能溫差發(fā)電技術(shù)1.4.1溫差發(fā)電器原理及LNG冷能發(fā)電應(yīng)用兩種不同的金屬材料導(dǎo)體構(gòu)成閉合回路時，當(dāng)兩導(dǎo)體接觸點處溫度不同時，閉合回路中就會產(chǎn)生電流，這就是塞貝克效應(yīng)[6]。依據(jù)此效應(yīng)，熱能通過溫差發(fā)電器被轉(zhuǎn)化為電能，其結(jié)構(gòu)見圖1-6。將數(shù)個熱電模塊進行串聯(lián)即構(gòu)成了溫差發(fā)電器，當(dāng)其兩端溫度不同即存在溫差時，就會產(chǎn)生電壓，從而為外接電阻供電。其無噪聲污染、清潔、占用空間小、使用時間較久，并已廣泛用于廢余熱能回收和發(fā)電[7]。依靠溫差發(fā)電器對液化天然氣氣化產(chǎn)生的冷能進行再用，用其發(fā)電可以彌補冷能發(fā)電循環(huán)發(fā)電的不足，使其冷能得到最大程度利用，避免了浪費，且讓原本操作系統(tǒng)不會遭受干擾。圖1-6溫差發(fā)電器原理圖1.4.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀賈磊[8]結(jié)合了LNG冷能溫差發(fā)電和電解氫制水，熱電效率在0.51%~0.77%之間，他研究了另外兩個冷能液化天然氣的開發(fā)方案，改進的聯(lián)合發(fā)電方式可以將LNG冷能利用率提高到55％，通過熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)，他發(fā)現(xiàn)液化天然氣冷能的回收效率可以達(dá)到28％，孫煒[10]等提出了溫差發(fā)電器與動力裝置聯(lián)合的回收系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)LNG中甲烷摩爾含量對做功將會有較大作用，于整體的循環(huán)效率沒有太大影響，LNG冷能最高利用效率可達(dá)29%，唐栩宸[11]設(shè)計了溫差發(fā)電的穩(wěn)定電壓系統(tǒng)和溫度自動控制系統(tǒng)，將熱端的溫度控制在最佳工作范圍內(nèi)。張寧[12]發(fā)明了使用溫差發(fā)電器的朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)利用LNG冷能，系統(tǒng)凈發(fā)電量為145.6kw，相比傳統(tǒng)的循環(huán)增加13.5%，時國華[13]等發(fā)明了利用太陽光壁和溫差發(fā)電的LNG空溫氣化裝置，緩解了表面結(jié)霜的問題，提高了其性能。圖1-7聯(lián)合動力裝置溫差發(fā)電利用LNG冷能系統(tǒng)圖陳則韶[14]等對低溫下的Bi-Te-Sb-Se半導(dǎo)體材料的塞貝克系數(shù)進行實驗研究，發(fā)現(xiàn)傳到熱量與溫差發(fā)電器的效率有密切關(guān)系，傳導(dǎo)熱量與溫差發(fā)電器效率成反比關(guān)系。觀察在低溫下，溫度改變時，Bi-Te-Sb-Se半導(dǎo)體材料的塞貝克系數(shù)如何變化。結(jié)果顯示，溫度和其塞貝克系數(shù)成正比關(guān)系。因此該材料并不適合于低溫區(qū)的溫差發(fā)電。嚴(yán)樂[15]等利用FORTRAN分別模擬集成冷能溫差發(fā)電裝置的空溫式換熱器和傳統(tǒng)空溫式換熱器換熱過程，得出熱交換翅片外表面的結(jié)霜將會影響發(fā)電效率，及時除霜，可以增加新型翅片管的發(fā)電量，極大增強新型翅片管發(fā)電能力。1.4.3國外研究現(xiàn)狀Musharavati[16]等人提出利用溫差發(fā)電器將LNG作為冷源提高制氫效率。通過在不同位置增加溫差發(fā)電器，提高發(fā)電功率，如圖1-11所示。結(jié)果表明，在海水和LNG管線之間增設(shè)溫差發(fā)電器，如果從海水中輸出80%的熱量進入溫差發(fā)電器，熱效率將變成6.876%(提高10.2%)。Khanmohammadi等人[17]構(gòu)造一個綜合系統(tǒng)研究了溫差發(fā)電器在液化天然氣生產(chǎn)過程中的位置對熱力學(xué)和經(jīng)濟標(biāo)準(zhǔn)的影響。結(jié)果表明在冷凝器和蒸發(fā)器之間添加溫差發(fā)電器，系統(tǒng)性能急劇下降，外部不可逆性使組合系統(tǒng)的冷卻功率和整體系統(tǒng)效率分別降低了36.49%和16.9%。在更高的溫度下將熱量從冷凝器轉(zhuǎn)移到環(huán)境中，可以提高溫差發(fā)電器的效率和系統(tǒng)的性能。Li等人[18]提出了一種利用太陽能和LNG發(fā)電梯級有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)，液化天然氣是循環(huán)的冷源。通過研究工質(zhì)對系統(tǒng)性能的影響發(fā)現(xiàn)，使用異戊烷/R125可獲得5.99%的最大等效效率。Hisazumi等人提出了一種利用LNG汽化系統(tǒng)的高效發(fā)電方式[19]，他們的工作結(jié)果表明，在整個系統(tǒng)中，通過蒸發(fā)1噸LNG可以產(chǎn)生約400KWH能量。Marquez等人[20]以液化天然氣再氣化冷態(tài)回收為例，提出了一種冷熱聯(lián)產(chǎn)裝置，液化天然氣(LNG)火用以梯級方式利用，用于三個不同溫度水平的區(qū)域冷卻網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電，熱效率為34.7%。圖1-8利用LNG冷能、溫差發(fā)電機和PEM電解的朗肯循環(huán)1.4.4存在的問題與發(fā)展方向利用LNG冷能發(fā)電將會有如下優(yōu)勢：(1)產(chǎn)業(yè)鏈短，不受外部市場供需影響；(2)相對而言，回收液化天然氣冷能并利用其進行發(fā)電，其效率可觀。但受限于發(fā)電技術(shù)和能效，且應(yīng)用還不夠廣泛。對于液化天然氣冷能發(fā)電循環(huán)而言，只使用單個的循環(huán)很難適應(yīng)整個液化天然氣循環(huán)過程中溫度變化的能量變化需求。因此，可以對發(fā)電周期進行優(yōu)化、對其發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成重組，分級循環(huán)等來提高整體能量轉(zhuǎn)換效率。然而，只有多級系統(tǒng)的聯(lián)合運行才能實現(xiàn)多級發(fā)電循環(huán)，且在實際的操作和組裝過程中很復(fù)雜。未來，LNG冷能用于發(fā)電將朝著多級膨脹和多技術(shù)聯(lián)合發(fā)電的方向發(fā)展。參考文獻(xiàn)[1]李靜，李志紅，華賁.LNG冷能利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].天然氣工業(yè)，2005，25(05):103-105.[2]顧安忠，魯雪生，汪榮順等.液化天然氣技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社，2015.1-2.[3]BarisBurakKanbur，LimingXiang，SwapnilDubey，F(xiàn)ookHoongChoo，F(xiàn)eiDuan.ColdutilizationsystemsofLNG:Areview[J].RenewableandSustainableEnergyReviews，2017，79.[4]梅鵬程，鄧春鋒，鄧欣.LNG氣化器的分類及選型設(shè)計[J].化學(xué)工程與裝備，2016(05):65-70.[5]劉珊珊.空溫式液化天然氣氣化器傳熱性能研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.[6]HeW，ZhangG，ZhangXX，etal.Recentdevelopmentandapplicationofthermoelectricgeneratorandcooler[J].AppliedEnergy，2015，143:1-25.[7]梁昭軍.LNG冷能溫差發(fā)電的實驗研究[D].天津大學(xué)，2018.[8]賈磊，江斌，陳則韶，胡芃.利用低溫冷能溫差發(fā)電及電解水制氫氧的實驗研究[J].工程熱物理學(xué)報，2006(S1):53-56.[9]賈磊.LNG冷能利用與低溫半導(dǎo)體溫差發(fā)電研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.[10]孫煒，胡芃，陳則韶，賈磊.溫差發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