最基本的蒸汽动力循环为朗肯循环,如图7-26所示。朗肯循环由锅炉、汽轮机、冷凝器和水泵组成。在过程4-1中,水在锅炉和过热器中定压吸热,由未饱和水变为过热蒸汽;在过程1-2中,过热蒸汽在汽轮机中膨胀,对外做功;在过程2-3中,做功后的乏气在冷凝器中定压放热,凝结为饱和水;在过程3-4中,水泵消耗外功,将凝结水压力提高,再次送入锅炉。

图7-26 朗肯循环

a)流程图 b)T-s图

朗肯循环的对外净功为汽轮机做功w_T与水泵耗功w_P之差,后者相对来说很小。

w=w_T-w_P=(h₁-h₂)-(h₄-h₃) (7-61)朗肯循环的效率为循环净功与从锅炉的吸热量之比。

通常,冷凝器采用冷却水作为冷源,这样,循环的最低温度就限制为环境温度。LNG的气化温度很低(-162℃),秋冬季由于海水本身温度较低,在海水气化器大量放热,有结冰的危险。另一方面,蒸汽轮机排出的水蒸气在冷凝器中由冷媒水冷却,这部分冷媒水吸收热量后,温度有了明显升高。因此,对于LNG气化来说,可以利用冷媒水气化LNG,既避免了结冰的危险,又降低了气化费用。对于朗肯循环来说,如果保持吸热过程不变而降低冷凝器放热温度,则w_T会显著增大。虽然w_P也会略有增大,但w_T的增加将远远大于w_P的增加。因此,循环净功和循环效率都将随着冷凝温度的降低而增加,如图7-27所示。这种方法虽容易实现,但冷量利用率很低,在冷凝温度正常变化范围内对功率、效率的提高程度贡献程度不足1%^[42,43]。或者,在冷凝温度显著降低的情况下,蒸发温度也可显著降低,从而有可能利用工业余热或海水这一类价值低甚至无须成本的热源。事实上,这一种低温朗肯循环是利用LNG冷量的朗肯循环的主要方式。在这种利用LNG冷量的低温朗肯循环中,LNG的气化与乏气的冷凝结合起来,LNG气化后进入锅炉燃烧(在低温朗肯循环中天然气则送到其他用户使用),而乏气在低温下冷凝。天然气直接膨胀是利用LNG的压力,而朗肯循环则利用了LNG的低温。在低温朗肯循环中,由于循环几乎不需要外界输入功和有效热量,因此很值得重视。

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图7-27 朗肯循环效率随冷凝压力的变化

要有效利用LNG的冷量,朗肯循环工质的选择十分重要。工质通常为甲烷、乙烷、丙烷等单组分,或者采用以液化天然气和液化石油气为原料的多组分混合工质。由于LNG是多组分混合物,沸点范围广,采用混合工质可以使LNG的气化曲线与工作媒体的冷凝曲线尽可能保持一致,从而提高LNG气化器的热效率。

图7-28给出了日本大阪煤气公司所属的泉北LNG基地低温发电厂的系统流程图,该流程综合采用了丙烷朗肯循环和天然气直接膨胀循环^[44]。

图7-28 日本泉北低温发电站流程

当然,以上两种朗肯循环还可以结合使用^[45]。图7-29所示的复合循环由两个朗肯循环组成,工作媒体分别为丙烷和甲烷。丙烷液体吸收蒸汽轮机排出蒸汽的废热而气化,高压蒸汽驱动透平膨胀机发电,随后在冷凝器中放热被甲烷冷凝。同时,高压液体甲烷吸热气化,驱动透平膨胀机发电,做功后的蒸汽气化LNG放出热量被冷凝。通过这样一个复合循环,有效地利用蒸汽废热气化LNG并发电,可以提高燃气轮机联合循环的热效率。

图7-29 复合朗肯循环发电装置