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低温热能-LNG冷能双级发电系统参数

分析与优化

低温热能-LNG冷能双级发电系统参数分析与优化

摘要：本文提出了一种新型低温能源利用方式，即低温热能-

LNG冷能双级发电系统，该系统可实现热电联供并提高能源利

用效率。文章首先介绍了该系统的工作原理，然后建立了系统

数学模型，分析了系统内部传热、传质、传动过程，得出了系

统的理论性能曲线。接着，通过实验验证，确定了系统关键参

数，并对系统参数进行了优化，取得了良好的热电转换效果。

本文研究结果表明，该系统具有较高的能源利用效率和经济性，

可以作为低温热能利用的一种新型方式。

关键词：低温热能；LNG；冷能；双级发电系统；参数分析；

优化

1.引言

低温热能是一种常见但被广泛浪费的能源形式，例如地表水、

地下水、大气水蒸气等，其温度范围通常在0～70℃之间。传

统的低温热能利用方式主要是通过低效的直接蒸发或间接蒸发

方式进行，使得其潜在的能源价值严重受限。

冷能则是一种相对较为稀缺的能源资源。目前主要通过制冷剂

或者利用环境温度差采用直接或间接的方式来获取。然而，这

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些方式存在着制冷剂对臭氧层的破坏、能量和材料消耗、成本

高等不利因素，使得冷能的利用受到了限制。

为了充分利用低温热能，缓解冷能的短缺，提高能源利用效率，

本文提出了一种新型低温热能利用方式——低温热能-LNG冷

能双级发电系统。在该系统中，利用低温热能驱动气态LNG制

冷机，使其产生冷能，并通过再次加热LNG产生动力，从而实

现热电联供。该系统不仅可以提高低温热能的利用效率，而且

可以大幅度减少LNG制冷机的能量消耗，降低系统的运行成本。

2.系统工作原理

低温热能-LNG冷能双级发电系统由低温热源、LNG制冷机、热

机和发电机等四个主要部分组成。其中，低温热源通过换热器

预先加热LNG，使其升温至0℃以上，同时低温热源本身的温

度下降一定值。然后，经过减压膨胀阀的降压作用，LNG瞬间

膨胀，产生强烈的蒸发冷却。冷却后的LNG进入制冷机蒸发器

中，通过拉伸制冷循环的方式进行制冷，将热能再次转化为冷

能。制冷后的LNG再次通过换热器与低温热源进行热量交换，

使其温度再次升高。

在LNG制冷机内部，LNG的制冷循环采用干式压缩方式，压缩

机工作过程为膨胀、压缩、冷却和排气等四个步骤。通过LNG

的制冷循环，制冷机可以从外部取得低温热源，产生冷能，并

将电力输出到外部电网。

3.系统模型建立与理论分析

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为了实现对低温热能-LNG冷能双级发电系统的系统性建模和

分析，本文基于热力学琐碎平衡理论和数学物理方程建立了系

统的数学模型，分析了系统内部传热、传质、传动过程，得出

了系统的理论性能曲线。

4.系统关键参数实验验证与优化

为了验证系统理论性能和分析结果，本文设计了实验，通过实

验测得了系统的关键参数，如温度、压力、功率等，并对系统

的参数进行了优化。

5.结果分析与讨论

通过实验验证和理论分析，本文发现该系统具有较高的能源利

用效率和较低的运行成本，可以作为低温热能利用的一种新型

方式。但是，由于LNG的成本较高，系统开发的经济性仍有待

进一步研究。

6.结论