1、外文翻譯一作者：Ireneusz Szczygiel, Wojciech Stanek, Jan Szargut出處：Silesian University of Technology, Gliwice, Konarskiego 22, Poland由液化天然氣的低溫驅動的發電用斯特林發動機文章歷史：于2015年3月24日收到初稿于2015年8月25日收到修改稿于2015年8月31日采納發布于xxx網摘 要船運的液化天然氣在引入管道系統之前是經過壓縮和再氣化的。有人已對液化天然氣未燃盡部分的低溫用于發電的應用作出分析。對于將液化天然氣低溫轉化成電能，曾提出的斯特林發動機可有望實現。斯特林發動機

2、的熱力學模型已經得到應用。該模型是用于探究換熱器的夾點溫度、發動機壓縮比、死區體積對斯特林發動機的熱力學參數的影響。模擬結果顯示輸入數據，該數據可用于研究特定系統的熱力學性能。我們已采用分析來評估特定過程的熱力學性能。對于每個特定的系統配置，效率、設計的影響及損的運行參數是確定的。所得結論代表了包括熱生態成本在內的先進的分析的背景。第1章 引言船運的液化天然氣在引入管道系統之前是經過壓縮和再氣化的。有人已對液化天然氣未燃盡部分的低溫用于發電的應用作出了分析。針對將液化天然氣轉化成電能，斯特林發動機被提出。船運的液化天然氣蘊含極大的低溫，這些低溫經過再氣化后送入管道系統之前可以用于發電。天然氣的

3、液化需要消耗很大一部分能量。當我們采用環境熱來實現再氣化時，已完全損失。通過利用液化天然氣低溫的熱裝置，天然氣的部分可以恢復。這種利用中最簡單的方法是基于朗肯冷循環原理的，從環境中吸收再氣化熱并將釋放冷凝熱用于預熱從而是液化天然氣蒸發。這種方案是由Szargut 和Szczygie提出的，魯等人也作過同樣的嘗試，他們研究的是氨水動力系統。Tsatsaronis 和Morosouk表明由液化天然氣低溫驅動的熱電聯供系統的分析。氨水基礎循環被王等人以新的形式呈現出來。朗肯循環的技術實現就技術角度而言是一個挑戰。事實上，要解決這一問題需要花費昂貴的代價。在文章中提出了一個更為簡單的循環：斯特林發動機

4、。董等人展示了對采用斯特林發動機以回收液化天然氣的簡要分析。本文中還研究了理想的斯特林循環。斯特林發動機是1816年羅伯特.斯特林發明的。斯特林循環是由封閉系統的四個熱力學過程組成：兩個等溫過程和兩個等熵過程（圖1）。斯特林循環發動機很重要的部分是熱量回收，這便使得斯特林循環接近于卡諾循環。當回熱器正常工作時，即qR1 =qR2（圖1），斯特林循環的效率等于卡諾循環的效率：S=1-TCTH， （1） 其中Tc和Th分別表示低溫熱源和高溫熱源的溫度。專業術語b 比, kJkgCv 等容熱容積, kJ(kg.k)B ,kJh 比焓, kJkgH 焓,kJk 相對死區容積L 功, kJm 質量, k

5、gp 壓力, kPaq 比熱, kJkgQ 熱量, kJR 個別氣體常數,kJ(kg.k)T 溫度, K 比容, m3kgV 體積, m3希臘字母 效率 等熵指數 壓縮比圖1：斯特林循環的溫-熵圖當考慮到實際的回熱器時，斯特林循環的效率是降低的，且效率的高低取決于壓縮機的壓比和回熱器的效率: （2） 回熱器的能效的定義是實際回熱(qR)與等容過程的總熱量(圖1中的或)之比。第2章 斯特林發動機綜述與朗肯循環相比，斯特林發動機的原理與其構造一樣的簡單，這樣可使初投資降低。與斯特林發動機運行的原理相應的T-S圖（圖1）由圖2所示。實際循環與理論循環是有區別的。差異來源于所有的不可逆過程，包括：膨脹

6、過程、壓縮過程以及等容過程。此外，循環過程的物理實現與膨脹過程的死區容積、壓縮氣缸和帶死區容積的回熱器有密切關系。這些死區容積極大地降低了發動機的理論效率。實際循環的例子由圖3所示。斯特林的諸多優點如下所示：l 輔助熱源l 無相變l 可持續（無聲）燃燒l 低噪聲l 冷端密封軸承l 無閥門l 易啟動缺點如下：l 高尺寸/功率比l 昂貴且大型的換熱器l 啟動緩慢斯特林發動機的應用領域十分廣泛。如今，在冷卻與加熱過程、熱電聯供系統的廢熱回收、太陽能應用、潛艇傳動、電子設備的冷卻以及低溫等領域都能夠發現斯特林發動機。因為論文的觀點，值得注意的是斯特林冷卻器應用于天然氣的液化和再液化過程。第3章 斯特林

7、循環的數學模型斯特林循環的運行參數可用兩種方法評估：熱力學分析和CFD（計算流體力學）的建模。很多的論文為不同概念的斯特林循環的熱力學分析作出了貢獻。2003年班查等人對太陽能驅動的斯特林發動機和低溫差斯特林發動機技術作出了文獻回顧。在這項工作中他們討論了一些研究論文。2005年班查等人對伽馬配置的斯特林發動機的輸出功率作出了熱力學分析，2006年他們已將冷熱的死區容積、回熱器的空間及不完全回熱列入分析，2008年Thembare等人對斯特林循環發動機的技術發展進行了廣泛的研究，這項工作包括了涉及循環熱力學分析的一部分，同年，Tavakolpour等人分析了兩缸的太陽能斯特林發動機，2010年

8、Zmuda討論了與液化天然氣應用接近的問題，關于斯特林發動機在液化天然氣載波功率系統中的應用，但是這項工作沒有解決在液化天然氣再氣化過程中低溫的回收問題。2011年Puech等人對斯特林循環作出了熱力學分析，包括回熱器死區容積和不完全回熱，此項工作與Bancha等人作出的嘗試稍有不同。如前所述，斯特林理論循環由四個熱力學過程組成：兩個等容過程與兩個等溫過程。這四個過程可以在雙缸工作的理論發動機（圖2）上實現：加熱（左側）及冷卻（右側），兩者之間安裝有蓄熱式熱交換器。氣缸具有相同的位移容積Vd，這是由循環過程引起的。因此，工作介質的體積隨最小壓縮容積的變化而變化。 （3）最大值為： （4）這些特

9、征量由圖3所示。我們可以注意到，在理想循環中蓄熱器的體積可假定是零。與理想循環相反，由于所謂的死區容積，工作介質的體積變得更大。死區容積是由技術原因造成的。在氣缸中，從活塞的動力學原理看來，由于最低要求的限制，死區容積可視為最小的非零容積。蓄熱式換熱器一般用多孔介質的形式建造，流經蓄熱室的工質總與換熱器內剩余的一定量的工作介質相通，這些體積構成了蓄熱式換熱器的死區容積。當然，冷熱氣缸的死區容積比蓄熱器的要小一些。死區容積的出現極大地降低了整個發動機的熱效率，因此應該將它們減少至經濟合理水平。整體的死區容積是由冷熱氣缸和蓄熱室組成： （5）其中，Vxh是指熱氣缸的死區容積，Vxr是指蓄熱室的死區

10、容積，Vxc代表著冷汽缸的死區容積。每個死區容積的相對大小可用比率來表示： , （6）其中分別是熱氣缸、蓄熱室、冷汽缸的死區容積。整個死區容積顯示為工作介質的最大容積的函數： （7）其中是整個死區容積的比率。當考慮到理想的蓄熱器時，等容過程1-4釋放出的熱量全部返回到等容壓縮過程2-3。然而，由于蓄熱器的不完全熱交換，只有過程4-1的部分熱留在了循環中。剩下的熱由外部熱源供給，這使得和效率極大地降低。文中，蓄熱器的熱效率定義如下： （8）因此，熱量進入循環、被釋放出循環及留在循環內可表示為： qR1=qR2=HEq2-3=HEq4-1qout=q1a-1+q1-2=1-HEq4-1+q1-2

11、(9)蓄熱器的中間溫度近似為進出口溫度的對數平均值： (10)其中，（如圖1所示）。封閉在發動機中的流體的量被分為四個部分：三個死區容積（熱空間、冷空間以及回熱器）和一個在冷熱缸體之間的實際容積。因此： (11)其中m表示質量，下標xc,xh和xR對應于冷缸、熱缸以及熱交換器各自的死區容積的。下標act代表冷熱缸里實際流體的質量。運用理想氣體狀態方程我們能夠得到： （12）其中，R是工質中各單一氣體的氣體常數，其他的下表符號與方程(11)含義相同。容易看出，方程（12）括號中的前三個參數是恒定的，其只取決于發動機死區容積的尺寸。于是有： （13）流體壓力可表示為： （14）利用以上表達式我們可

12、以簡單評估循環中所有具體的工作參數和發動機進出的熱值。圖2.斯特林發動機的運行原理圖3.斯特林發動機實際與理論；循環中的點分別對應于圖23.1流體的等溫壓縮壓縮過程如圖1和圖3所示。在這一過程中，實際流體體積從變化到即從到。壓縮過程中消耗的功等價于： (15)由,我們可得： (16)在等溫壓縮過程中的熱量，大小等于外界所作的功，這些熱量是由流體帶走的，于是有： (17)3.2.工作流體的等溫膨脹膨脹過程由圖1和圖3的曲線3-4所示。在這一過程中，實際氣體的體積由變化到，即從到。流體在膨脹過程中所作的功等于： (18)由于，可以得到： (19)等溫膨脹中的熱量等于對流體所作的功，于是有： (20

13、)3.3回熱在斯特林循環的回熱過程中，熱量是從等容冷卻過程4-1a到等容加熱過程2-3a（圖3所示）通過回熱器的。交換的熱量可以如此評定： （21） 其中，表示理想工質的等容比熱容。3.4進出循環的額外熱由于蓄熱式換熱器的不足之處，在等容冷卻中離開工質的部分熱釋放到環境中。同時還應該從外熱源補充額外的熱量來加熱工質使其達到要求的溫度。釋放的熱量與補充的熱量應相等，大小取決于蓄熱式換熱器的熱效率（8）： （22）其中和分別表示從循環中放出的熱量和外界補充的熱量。3.5斯特林循環的能量平衡斯特林循環的凈功可由循環的能量平衡推出： （23）其中是向循環提供的總熱量，表示從發動機中釋放的全部熱。向循環

14、提供的總熱量由等溫膨脹熱（18）和等容過程的補充熱（22）：Qt,out=Q3-4+Qsup （24）循環釋放出的總熱量由等溫壓縮放熱Q1-2（15）和另外的等容放熱Qrjc（22）等兩部分組成： （25）利用上述表達式，在考慮到死區容積的影響和換熱器的不完善的情況下，斯特林循環的效率可表示為： （26）若是對冷發動機： （27）第4章 斯特林發動機在LNG再氣化過程中的應用給LNG預熱和再氣化的熱量是發動機驅動的能量。因此假定斯特林發動機是以冷發動機的形式工作的，即從環境中吸熱，這與熱發動機像環境排出廢熱恰恰相反。因此，冷發動機的能量效率的定義與熱發動機是不同的： （28）這是理想回熱下的結

15、果，而對于 （29）是在回熱效率的情況下。我們可以注意到，理想與非理想的回熱效率都可以達到更大的數值。因此，在允許提出的LNG回收系統方案有所不同的情況下，更理想的數值效率可以定義為： （30）其中，是斯特林發動機的耗功（23），而液化天然氣的低溫。關于如何回收天然氣的低溫存在著一系列不同的方案。等壓線由三部分組成：A-B，B-C，C-E（圖4）。斯特林循環擬合整個等壓線的質量直接轉換成整個系統的損失。在這些變量中我們可以發現：在整個熵變過程中斯特林發動機膨脹的變量，更多數量的發動機等壓過程每一部分的變量，取代能量來自等壓過程的C-E部分以及其他部分的管殼式換熱器的回熱器的變量。在文中，我們研

16、究斯特林發動機的一個最簡單的例子。其熱力學過程由圖5所示。船運的LNG壓力很高（0.13-0.14MPa）。在被再氣化和導入管網之前，LNG被加壓至3MPa（管網的工作壓力）。經過壓縮后的LNG飽和溫度是177K，假定環境溫度是288K。LNG的物理熵和焓的符號是相反的，因此，便于列出以下形式的方程： bfT=T0s0-sB-(h0-hB) （31）3MPa甲烷的等壓線如圖4所示。圖4所示的LNG熵和焓的數值對應的點是摘錄自NIST14發表的統計表，該報表認為LNG成分中只含有甲烷。圖4.液化天然氣的等壓過程壓縮液體的焓hB可用115K的LNG飽和液的焓來計算：hB-hA=1A(PB-PA （

17、32）其中：表示泵的內效率，A液體的比容。假定=0.75，A=0.0385m3kmol，可得hB-hA=153.28kJ/kmol，hB=382.9kJ/kmol。因此，壓縮液體的熵是由于吸收了液壓的摩擦熱產生的: SB=SA+qfTA=hB-hA1-1TA=2.33kJ/(kmol.k) （33）從（31）可得LNG低溫部分的溫度：bfT=6.8MJ/kmol，LNG的這部分的低溫可在圖4的等壓線B-E和等溫線T0所圍成的區域中看到。第5章 熱力學分析的結果基于所提出的熱力學模型，我們來進行該系統效率的多元計算。也就是所研究的如下例子：（圖5）上限溫差T2對效率的影響下限溫差T1對效率的影響

18、發動機的壓縮對效率的影響死區容積的大小對效率的影響圖5.提出的斯特林循環應用于LNG再氣化5.1.較高溫度窄點T1以及較低溫度窄點T2對效率的影響較高的溫度窄點T1和T2對效率的影響如圖6所示。參照不同熱效率HE的回熱器的窄點溫度值，我們繪制出了效率的圖像。冷熱源的溫度窄點的影響比發動機與環境之間的溫度窄點影響大。我們可以注意到，當回熱器熱效率下降時，效率對窄點溫度數值的影響靈敏度下降了。我們對死區值的大小進行了計算，得到kxT=0.1。5.2.發動機壓比對效率的影響發動機壓比對效率的影響如圖7和圖8所示。參照不同熱效率HE的回熱器的壓比，我們繪制了效率的圖像。我們對以下兩種情形進行了計算：有

19、死區容積與無死區容積（kxT=0.0和kxT=0.1）。易于注意，對于理想回熱器效率不是取決于壓比。斯特林發動機是以廣義卡諾循環工作的，在另一方面，低熱效率的回熱器需要一個相對高的壓比。在所述例子中LNG所有的低溫是從根據LNG等壓線的B-D部分（圖4）繪制而成的。這是由發動機工作介質的溫度分布和LNG的蒸發引起的。由于蓄熱式換熱器的不完善，額外的熱應該從發動機循環的等容過程1a-1（圖3）移出，這就減少了發動機工作介質的蒸汽量（每1kg的再氣化LNG），因此是凈功和發動機的效率下降。在對發動機進行重建之后，等容熱1a-1可被釋放到沿著D-E路徑的部分等壓蒸發的甲烷（圖4）。由于發動機仍是以卡

20、諾發動機的效率（當然無死區容積）工作的，盡管回熱器的效率小于1（HE1）。5.3.死區容積大小對效率的影響死區容積對效率的影響如圖9所示。參照不同熱效率HE的回熱器的死區容積kxT系數，我們繪制了效率的圖像。易于發現，隨死區容積增加，值急劇地下降。這便意味著，在優化過程中死區容積是應該要考慮的主要因素。 圖6. 較高溫度窄點T1以及較低溫度窄點T2對效率的影響 圖7.發動機壓比在無死區容積時對效率的影響 圖8. 發動機壓比在死區容積為10%時對效率的影響 圖9. 死區容積對效率的影響第6章 結論本文中我們研究的是在熱力學方面的基于斯特林發動機的天然氣再氣化系統，且我們對系統工作參數的不同數值的

21、效率進行評估，可發現所得的效率的數值比基于朗肯循環的系統所得的效率更小。但是對斯特林發動機的利用可從經濟的角度進行評估：斯特林發動機的構造比朗肯循環發電廠的發動機更為簡單，此外，該發動機的構造可以被簡化通過用管殼式換熱器來替換回熱器，同時利用LNG再氣化的補充熱量。這種改進使得發動機的循環更家接近卡諾循環。但是，提出的相關假設應通過額外的經濟分析加以評估。所作出的熱力學分析表明，從效率方面考慮最重要的參數是發動機死區容積的大小。當死區容積增大時，效率則急劇下降。溫度窄點的影響則相對較小。也表明，壓比應相對較大，尤其當回熱器的熱效率很低的時候。從所提出的效率中可得，對效率產生最大的影響是死區容積

22、大小的改變。壓比的影響是較小的，但仍然比熱交換器的窄點溫度的影響大。當前安裝的利用LNG的低溫的絕大多數發電裝置是基于朗肯循環，或者是直接在LNG再氣化后直接膨脹的15。也有已規劃的裝置，在傳統的蒸汽電站利用LNG的低溫作為較低溫度的熱源，或者用于燃氣輪機發電廠壓縮機前空氣的冷卻15。在本文中，斯特林發動機應用的提出是一個十分新穎的方式。為此，它需要不同層面的詳細信息如：直接熱力學分析，高等熱力學分析以及系統或經濟分析。所提出的論文涵蓋了第一次提到的調查。一方面當對主要運行參數對效率的影響進行了分析、介紹和討論時，它提出了進一步改進的一般準則和優化方案；另一方面，從直接分析所得的結果反映了這樣

23、的背景：更先進的分析如直接損失和誘導損失或者熱生態成本及經濟分析。參考文獻1 Szargut J, Szczygiel I. Utilization of the cryogenic exergy of liquid natural gas(LNG) for the production of electricity. Energy 2009;34:827e37.2 Lu T, Wang K. Analysis and optimization of a cascading power cycle withliquefied natural gas (LNG) cold energy reco

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