集成LNG冷能利用的超临界压缩空气储能系统研究探索

A new system with Liquefied Natural Gas (LNG) cold energy utilization, Integrated LNG Cold Energy Utilization and Supercritical Compressed Air Energy Storage system (ILGNCEU-SCAES), is proposed in the project. We focus on the current problem of LNG cold energy utilization`s temperature un-matching and low efficiency, the ideas of temperature matching system in the low temperature zone is presented, the research field of cryogenic thermodynamic cycle is extended. Through this project research, the basic theory of ILGNCEU-SCAES will be founded, and revealing the cryogenic supercritical compressor performance characteristic and internal flow loss mechanism, establishing the cryogenic supercritical heat exchanger design model, building the first ILGNCEU-SCAES test rig in the worldwide. The understanding about the mechanism of cold energy utilization, supercritical compression, supercritical fluid flow and heat transfer, and the supercritical compressed air energy storage theory, will be enriched. The research will open up a new area for generalized cold energy utilization, and provide theoretical basis for ILGNCEU-SCAES.

本项目提出一种新的液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）冷能利用系统- - 集成LNG冷能利用的超临界压缩空气储能系统。它针对当前LNG冷能利用温度不对口、利用效率低的问题，提出低温区温度匹配的系统集成思路，拓宽了热力循环向低温区延伸的研究领域。通过本项目研究，将提出LNG冷能利用与超临界压缩空气储能系统集成的基础理论，揭示低温超临界压缩机的耗功规律和内部流动损失机理，建立低温超临界换热器的设计模型，建成国际首个集成LNG冷能利用的超临界压缩空气储能系统实验台，丰富对冷能利用机理、超临界压缩过程机理、超临界流体流动与传热机理、超临界压缩空气储能理论的认识。该研究将为广义冷能利用开辟新的领域，为LNG冷能利用和超临界压缩空气储能系统集成应用提供理论依据。

LNG冷能产量巨大，与压缩空气储能系统高效耦合利用具有重要的理论意义和实用价值。本项目提出一种新的液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）冷能利用系统—集成LNG冷能利用的超临界压缩空气储能系统，研究了系统在热端和冷端的耦合特性、LNG冷能利用的温度匹配特性、系统关键设备的节能特性，提出了三个效率的对比分析指标，发明了新型耦合系统。研究表明：（1）压缩空气储能系统在同样总压比下选择更多级数有利于通过吸收低温余热获取较高效率；集成系统随着总压比的增大，等效系统效率η2的峰值向吸热温度增大的方向移动，对应不同总压比和级数存在一个最优吸热温度使得η2最大，可达到0.85~0.95，显著高于普通压缩空气储能系统0.7左右的效率，最优吸热温度均位于600~700K，并随级数增多而下降。（2）压缩机进气温度降低将带来压缩耗功的显著减小，通过常规制冷方式冷却进气的耗电量小于耗功减少量，在具有LNG的地方如果利用冷能可显著降低压缩机耗功，其耗功减小量与冷能利用量相比的等效效率基本在43~44%之间，可以替代制冷耗功。在一定压力和吸热温度下，LNG直接膨胀发电做功量要明显多于同等质量LNG冷量冷却压缩机进气后带来的耗功减少量，表明直接膨胀发电具有更高的效率。（3）对于同一涡轮入口压力，入口温度提升可线性提升系统输出功率和换热功率；而对于同一涡轮入口温度，入口压力的提升会使系统输出功和换热量增加，但增幅随压力提升而不断变小。涡轮末级出口压力的提升，可使系统输出功率大幅度降低；涡轮级数的增加会提高系统输出功率和换热功率。对于同一涡轮入口压力，入口温度的升高会提高系统冷能利用率，但会降低系统热能利用率；对同一涡轮入口温度，入口压力的提升，会提高系统热能利用率，而对系统冷能利用率的提升有限。（4）流程优化分析表明，氮气压缩机参数选定为出口压力8MPa，入口温度189K时，LNG冷能可以得到较合理利用，考虑LNG冷能在内的系统等效能耗最低。新流程的单位液体产品能耗为0.3209KWh/kg，比已有文献流程低约23%，新流程的LNG冷能利用效率比已有文献显著提高，LNG出口温度达到261K，LNG冷能基本被完整利用。