气体动力循环有多种形式,按其工作方式的不同,可分为轮机型的燃气轮机循环、活塞型的往复内燃机循环和斯特林热气机循环,以及喷气式发动机等。本节介绍气体动力循环中利用LNG的一些基本方式。

1.燃气轮机循环

最简单的燃气轮机装置主要由压气机、燃烧室、燃气轮机组成,其循环近似简化为如图7-30所示的燃气轮机定压机热循环(布雷顿循环)。理想的布雷顿循环由定熵压缩过程1-2_i、定压加热过程2_i-3、定熵膨胀过程3-4_i和定压放热过程4_i-1组成。实际循环中,定熵过程实际上不可能达到,在图7-30中,点2_i和4_i分别变化为点2和4。

图7-30 燃气轮机定压加热循环

布雷顿循环的净功量为燃气轮机膨胀做功w_T与压气机消耗压缩功w_C之差。

式中,η_ri为燃气轮机相对内效率;η_c,s为压气机绝热效率。

如果燃气视为理想气体,则

布雷顿循环的效率,即

式中,π为循环增压比,π=p₂/p₁;τ为循环增温比,τ=T₃/T₁。

图7-31 循环净功、效率变化曲线

a)净功变化 b)效率变化

显然,在π和T₃确定的情况下,降低T₁(增大τ),即降低燃气轮机的吸气温度,将会显著提高循环做功和循环效率。图7-31示出了燃气轮机循环净功、效率随增温比和增压比变化的趋势。

既然燃气轮机入口的空气温度对燃气透平的工作效率有明显影响,则可以利用LNG冷量预冷空气,以提高机组效率,增加发电量。这是由于随着温度的降低,空气密度变大,相同体积下进入燃气轮机空压机的空气量随之增加,燃烧效果更佳。

可以估算,当入口空气温度从30℃降低到5℃时,输出电功率可增加大约20%,效率相对提高5%左右[46]。另外,根据文献[47]内布拉斯加州林肯市的MS7001B的燃气轮机电厂,以冷水通过换热器冷却进口空气降温34℃,可增大输出功率25%,相对提高效率约4%,数据与上述文献相近。文献[48]指出在利用LNG来冷却燃气轮机入口空气时,针对不同湿度的空气,其整个循环的输出功有不同程度的增加。对相对湿度小于30%的系统,其输出功率将会增加8%;而对相对湿度是60%的系统,其输出功率将增加6%。图7-32所示为利用LNG冷却燃气轮机进气的发电系统,采用了LNG直接与空气换热的方式。

图7-32 利用LNG冷却燃气轮机进气的发电系统

由于LNG的气化温度较低,空气的冷却是以LNG作为冷源,用一种易挥发的物质(乙二醇溶液)作为中间载冷剂,将冷量由LNG传递给空气,如图7-33所示。冷却温度必须严格控制在0℃以上,以防止水蒸气冻结在冷却器表面。在冷却装置以后,应设置气水分离装置,以防止水滴进入压缩机。如果直径大于40μm的水滴进入压缩机,对压缩机叶片有潜在的液体冲击腐蚀的可能,水滴冲击金属表面能导致金属表面微裂纹的发展,产生表面疤痕,并可能导致轴系振动加大。

图7-33 燃气轮机入口空气冷却装置(www.daowen.com)

以LNG为动力的燃气轮机当然还可以采取其他形式利用冷量。图7-34示出一个综合采用低温朗肯循环、两级天然气直接膨胀等冷量利用方式的燃气轮机系统。状态为-162℃、5.3MPa的LNG的低温冷量通过三级设备得到利用。第一级是用于丙烷朗肯循环的冷凝器,循环以海水作为热源。通过冷凝器后,LNG气化为-35℃、5.0MPa的天然气,先后通过两个膨胀机膨胀做功后,进入燃气轮机作为燃料,在膨胀机前后共有三个海水换热器来升高天然气温度。这样的设计充分利用了LNG的冷量,但设备增加较多,应按热经济学方式分析具体运用对象,以确定其合理性。

图7-34 LNG燃气轮机系统冷量的综合利用

假定一燃气轮机发电装置年产2000MW电力,年运行7000h,燃气轮机效率33.89%。在采用图7-34所示冷量利用系统后,燃气轮机工质做功能力增大4～8kW/kg(图7-35),年增产电力39MW,燃气轮机整体效率提高0.7%左右,年节省液化天然气62595t。

2.闭式气体膨胀循环

燃气轮机循环实际上是一个开式循环,燃料和空气从外部补充,燃烧废气排出系统。除了这种系统外,还有一种类似的闭式循环气体膨胀系统,如图7-36所示。

图7-35 燃气轮机系统采用冷量回收后做功的增量

图7-36 闭式循环气体膨胀系统

在这一系统中,工质气体(可以是氮气、空气、氢气、氦气等)经压缩后,吸收膨胀机排气和高温热源热量后进入膨胀机膨胀做功。膨胀后的气体向压缩机排气和低温热源放热后冷却,再进入压缩机。

实际上,这一系统除了以一外部高温热源代替燃烧室外,与燃气轮机系统没有本质区别。因此,循环做功和循环效率也可按式(7-64)、式(7-65)计算。这样,如果将这一系统的低温热源由冷却水改为LNG,压缩机进口温度可大大降低,从而显著地提高系统性能。

3.斯特林热气机循环

燃气轮机循环中,燃料在装置内燃烧,燃烧形成的高温高压产物膨胀做功。本节讨论的斯特林发动机则是一种外部加热的活塞式闭式循环热气发动机。它由气缸和位于气缸两端的两个活塞及三个换热器(加热器、回热器、冷却器)组成。图7-37示出这种热气机的理想循环。

斯特林循环由两个定温过程及两个定容回热过程组成。在理想气体极限回热的情况下,循环只在定温(T_H)膨胀过程3-4从热源吸热,在定温(T_L)压缩过程1-2对冷源放热。

循环的净功为吸热量与放热量之差,即

图7-37 斯特林循环

a)p-v图 b)T-s图

循环的热效率为

由于在斯特林热气机中,设备的某些表面始终处于循环最高温度下,因此循环最高温度受金属耐热性能的限制不能太高,这就限制了通过提高T_H来改善循环性能。如果以LNG为低温热源,则由于T_L的降低,循环净功和循环效率都会有所提高。这就使斯特林热气机利用液化天然气冷量成为可能。