薛菲爾 陳 煜 巨永林
(1上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上?!?00240; 2 上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院熱能與動(dòng)力工程系 上?!?01620)
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基于LNG冷能的低溫動(dòng)力循環(huán)研究進(jìn)展
薛菲爾1陳 煜2巨永林1
(1上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所上海200240; 2 上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院熱能與動(dòng)力工程系上海201620)
液化天然氣(LNG)是一種應(yīng)用日趨廣泛的清潔能源,構(gòu)建LNG冷能低溫動(dòng)力循環(huán)成為回收冷能的重要途徑。本文首先討論了LNG側(cè)參數(shù)、循環(huán)工質(zhì)、設(shè)備進(jìn)出口參數(shù)等重要參數(shù)對(duì)基本LNG冷能動(dòng)力循環(huán)的影響;其次分析和總結(jié)了諸多LNG冷能動(dòng)力循環(huán)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)類型,包括朗肯循環(huán)、布雷頓循環(huán)、卡琳娜循環(huán)和復(fù)合循環(huán)。文章最后指出了參數(shù)研究的實(shí)際工程意義和循環(huán)結(jié)構(gòu)改進(jìn)的多樣性,并指出下一步研究應(yīng)圍繞有機(jī)混合工質(zhì)組分配比、模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合等方面展開。
液化天然氣;冷量回收;制冷劑;朗肯循環(huán)
液化天然氣(LNG)是天然氣經(jīng)過脫酸、脫水處理,通過低溫工藝?yán)鋬鲆夯傻牡蜏?-162 ℃)液體混合物[1],其主要成分是甲烷(90%以上)、乙烷、氮?dú)?0.5%~1%)及少量C3~C5烷烴。與常規(guī)能源煤炭和石油相比,LNG成分中不含硫,在氣化后燃燒不會(huì)產(chǎn)生二氧化硫等污染環(huán)境的氣體;同時(shí),其燃燒產(chǎn)生的溫室氣體也僅占同等數(shù)量煤炭的1/2,石油的2/3。當(dāng)前,我國正處于節(jié)能環(huán)保、低碳經(jīng)濟(jì)的大形勢(shì)下,能源結(jié)構(gòu)正從單一的煤炭向著以煤為主、多能互補(bǔ)的大方向邁進(jìn),LNG作為一種重要的清潔能源,未來使用量必將不斷增大,行業(yè)的發(fā)展前景十分看好。
在實(shí)際應(yīng)用中,LNG需氣化才能加以利用。然而,傳統(tǒng)利用海水或空氣等自然熱源的氣化方式將會(huì)造成LNG冷能的巨大浪費(fèi)。因此,構(gòu)建基于LNG冷能的動(dòng)力循環(huán),有效地將LNG冷能轉(zhuǎn)化為電能輸出,成為利用LNG冷能的重要途徑。
針對(duì)近年來LNG冷能低溫動(dòng)力循環(huán)的研究,本文首先介紹了基本循環(huán)的主要影響因素,其次分析和總結(jié)了諸多LNG冷能動(dòng)力循環(huán)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)類型,最后指出了LNG冷能動(dòng)力循環(huán)的進(jìn)一步研究方向。
基本LNG冷能動(dòng)力循環(huán)主要包括:LNG直接膨脹法、中間制冷劑的低溫朗肯循環(huán)和聯(lián)合法。后兩種循環(huán)是目前已經(jīng)投入使用且技術(shù)相對(duì)成熟的動(dòng)力循環(huán)。以日本Osaka Gas公司[2]為例,早在1979年和1982年,該公司就分別利用以丙烷為工質(zhì)的低溫朗肯循環(huán)和聯(lián)合法實(shí)現(xiàn)LNG的冷能發(fā)電,輸出功率分別為1450 kW和6000 kW。
鑒于中間制冷劑的低溫朗肯循環(huán)和聯(lián)合法的應(yīng)用廣泛性,對(duì)循環(huán)輸出功影響因素的研究也多以此為基礎(chǔ)展開,主要包括LNG側(cè)的運(yùn)行參數(shù)、循環(huán)工質(zhì)以及系統(tǒng)中主要設(shè)備進(jìn)出口參數(shù)等。
1.1 LNG側(cè)參數(shù)的影響
上述研究結(jié)果表明,LNG與環(huán)境之間的大溫差和大壓差決定了LNG會(huì)具有較大冷能。在LNG側(cè)參數(shù)中,LNG溫度與壓力的改變直接影響其冷能與做功能力,而CH4作為LNG最主要的組分,其變化會(huì)帶來物質(zhì)屬性的變化,間接影響和環(huán)境間的溫差與壓差,進(jìn)而影響系統(tǒng)做功能力。因此,應(yīng)當(dāng)根據(jù)LNG自身的條件來選擇適當(dāng)?shù)难h(huán)方式,以實(shí)現(xiàn)輸出功的最大化。同時(shí),由于甲烷含量越高,系統(tǒng)輸出功的能力越強(qiáng),故對(duì)于實(shí)際的工程項(xiàng)目,可將甲烷含量區(qū)間的下限作為極端情況,上限作為最佳情況,以便全面分析實(shí)際參數(shù)下動(dòng)力循環(huán)的輸出功表現(xiàn)。
1.2 循環(huán)工質(zhì)
1) 單一工質(zhì)
低溫朗肯循環(huán)和聯(lián)合法中單一工質(zhì)的一般選擇原則應(yīng)包括:環(huán)境友好特性、汽化熱較大、化學(xué)和熱穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱系數(shù)高、氣體和液體動(dòng)力粘度小、液相飽和線盡可能垂直、無毒易制取、價(jià)格低廉等[5]。此外,工質(zhì)的三相點(diǎn)要低于運(yùn)行最低溫度,以保證流體不會(huì)在循環(huán)中任意位置發(fā)生固化而堵塞[4]。
鹿院衛(wèi)等[6]分別分析了以R152a (CH3CHF2)、R290 (C3H8)、R600 (C4H10)、R134a ( CH2FCF3)等為工質(zhì)的單級(jí)朗肯循環(huán),發(fā)現(xiàn)其發(fā)電量均隨蒸發(fā)溫度的升高先增后減,即工質(zhì)存在最佳蒸發(fā)溫度使得系統(tǒng)凈發(fā)電量最大,且輸出功率隨蒸發(fā)溫度升高而上升。同時(shí)對(duì)比透平等熵焓降、飽和壓力等方面因素,得到R290綜合性能最佳,當(dāng)熱源海水溫度為20 ℃時(shí),與R290相對(duì)應(yīng)的最佳蒸發(fā)溫度為11.08 ℃。
劉燕妮等[7]對(duì)以海水為熱源的丙烷朗肯循環(huán)和聯(lián)合法系統(tǒng)建立了LNG利用溫度-單位輸出功的評(píng)價(jià)體系,研究發(fā)現(xiàn)給定LNG氣化壓力下,隨著LNG利用溫度的升高,單位輸出功先增后減??紤]冷凝器傳熱溫差的限制,可以在LNG最佳利用溫度上獲得工質(zhì)最佳冷凝溫度,使得單位輸出功最大。
張磊等[8]首次采用基團(tuán)貢獻(xiàn)法進(jìn)行LNG-海水低溫朗肯循環(huán)的工質(zhì)選擇?;诨鶊F(tuán)貢獻(xiàn)法設(shè)定模型產(chǎn)生的工質(zhì)CHF3與傳統(tǒng)制冷劑R22、R134a和R410a相比,在物流成本、能耗、設(shè)備尺寸和循環(huán)效率等多方面都呈現(xiàn)出優(yōu)越性。
2) 混合工質(zhì)
對(duì)于制冷劑混合物,Kim C W等[9]的研究表明,相較于單一工質(zhì) R22和 R142b,這兩種制冷劑組成的混合工質(zhì)的循環(huán)特性有所提高,但隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),氟利昂漸漸被禁用。目前較多的是利用混合有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行的系統(tǒng)優(yōu)化。
朱鴻梅等[10]對(duì)LNG-空氣的低溫朗肯循環(huán)分別使用丙烷和混合工質(zhì)(摩爾分?jǐn)?shù)之比,丙烷∶乙烯∶異丁烷=0.39∶0.16∶0.45)進(jìn)行換熱過程和冷能利用率的比較,后者傳熱溫差明顯減小,冷能利用效率提高41.04%。
王弢[5]對(duì)LNG-廢煙氣的回?zé)岬蜏乩士涎h(huán)使用混合工質(zhì)實(shí)現(xiàn)變溫相變,并在配比(摩爾分?jǐn)?shù)之比,丙烷∶異丁烷=0.7∶0.3)下獲得等熵流體工質(zhì),使得透平出口壓力溫度可以很低,且透平入口處不用過熱,且循環(huán)效率最高,但其工作溫度區(qū)間受限。
1.3 設(shè)備進(jìn)出口參數(shù)研究
白芳芳[4]改變LNG-海水的丙烷聯(lián)合法循環(huán)中工質(zhì)透平入口溫度,通過調(diào)節(jié)壓力變化使透平出口丙烷狀態(tài)不變,得到系統(tǒng)發(fā)電量隨工質(zhì)透平入口溫度上升而明顯上升。提高NG透平入口溫度同樣可以使系統(tǒng)發(fā)電量上升。
饒文姬等[15]針對(duì)LNG-工業(yè)余熱的乙烷朗肯循環(huán),分析了循環(huán)熱效率及做功量隨蒸發(fā)器出口溫度和壓比(工質(zhì)蒸發(fā)器出口壓力/冷凝器出口壓力)的變化,得到結(jié)論:循環(huán)熱效率和做功量隨壓比的增加而增加,隨蒸發(fā)器出口溫度變化并不明顯。
Xue X等[16]建立了LNG-煙氣廢熱的兩級(jí)朗肯循環(huán),指出兩級(jí)工質(zhì)透平入口的壓力越高,各自質(zhì)量流量越大,能獲得更高的指標(biāo)CPP值(cost per net power output),整個(gè)循環(huán)的熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)性能會(huì)得到顯著提高。
單純針對(duì)LNG直接膨脹環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究[17-18]并不多見,LNG冷能動(dòng)力循環(huán)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要在朗肯循環(huán)和布雷頓循環(huán)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。同時(shí),針對(duì)非共沸工質(zhì)對(duì)的特性提出了以吸收器和分離器為主要部件的卡琳娜循環(huán)。結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的復(fù)合循環(huán)在朗肯循環(huán)、布雷頓循環(huán)和卡琳娜循環(huán)的基礎(chǔ)上建立。
2.1 朗肯循環(huán)改進(jìn)
現(xiàn)有的朗肯循環(huán)研究中,循環(huán)工質(zhì)不局限于應(yīng)用最廣泛的丙烷,還包括乙烷、氨水混合物、有機(jī)混合工質(zhì)和CO2等;熱源也從海水?dāng)U展到工業(yè)廢熱、煙氣、地?zé)岷吞柲艿取?/p>
朗肯循環(huán)多級(jí)化是結(jié)構(gòu)改進(jìn)的另一重要方向,主要原理是根據(jù)LNG氣化曲線實(shí)現(xiàn)冷能的梯級(jí)利用。
圖1 具有回?zé)峤Y(jié)構(gòu)的聯(lián)合法Fig.1 Regenerative Rankine cycle with direct expansion of LNG
圖2 跨臨界CO2回?zé)崂士涎h(huán)Fig.2 Transcritical CO2 regenerative Rankine cycle
圖3 橫向兩級(jí)朗肯循環(huán)Fig.3 2-stage Rankine cycle of horizontal
圖4 縱向三級(jí)朗肯循環(huán)Fig.4 3-stage Rankine cycle of vertical
圖5 縱向三級(jí)朗肯循環(huán)Fig.5 3-stage cascade Rankine cycle
Choi I H等[22]考慮到冷凝器出口的LNG溫度仍較低,為繼續(xù)利用這部分冷量,建立了三級(jí)內(nèi)嵌套的朗肯循環(huán),如圖5所示。外層冷凝器中,LNG提供冷量而外層工質(zhì)提供熱量;中層冷凝器中,LNG與外層工質(zhì)供冷,中層工質(zhì)供熱;內(nèi)層冷凝器中,LNG、外層工質(zhì)、中層供冷,僅內(nèi)層工質(zhì)供熱。這種循環(huán)結(jié)構(gòu)相較于一般朗肯循環(huán)熱效率顯著提升;但是采用多個(gè)多流道換熱器使得循環(huán)的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性上升。
朗肯循環(huán)主要結(jié)構(gòu)改進(jìn)[5,21,23-28]見表1。
2.2 布雷頓循環(huán)改進(jìn)
布雷頓循環(huán)(Brayton cycle)主要利用LNG冷能降低壓縮機(jī)入口氣體溫度,在相同壓比的條件下顯著減小壓縮機(jī)功耗,提升循環(huán)凈功;同時(shí)LNG與氣體工質(zhì)之間的換熱曲線相較于單一工質(zhì)的朗肯循環(huán)換熱曲線更為匹配,因此能有效提升循環(huán)效率。典型的氮?dú)獠祭最D循環(huán)與LNG直接膨脹相結(jié)合的結(jié)構(gòu)如圖6所示,LNG經(jīng)泵加壓,在LNG-氮?dú)鈸Q熱器中將冷量傳遞給氮?dú)?,?jīng)加熱器升溫后進(jìn)入NG透平做功;氮?dú)猥@得冷量,以較低溫度進(jìn)入壓縮機(jī),與熱源換熱后,以高溫高壓的狀態(tài)進(jìn)入透平做功,再次回到LNG-氮?dú)鈸Q熱器。
圖6 布雷頓循環(huán)與LNG直接膨脹Fig.6 Brayton cycle with direct expansion of LNG
Agazzani A等[29]對(duì)典型布雷頓循環(huán)進(jìn)行改進(jìn),增加回?zé)岘h(huán)節(jié)以提高工質(zhì)氦氣的透平入口溫度,熱源采用燃燒熱,如圖7所示,廢熱得到有效利用。Morosuk T等[30]構(gòu)建了如圖8所示的布雷頓循環(huán),空氣經(jīng)帶有中間冷卻的兩級(jí)壓縮后與燃料在燃燒室燃燒,燃燒氣進(jìn)入透平做功,再為工質(zhì)氦氣供熱。Dispenza C等[31]構(gòu)建的布雷頓循環(huán)中,熱源為開式NG燃燒兩級(jí)膨脹出口的廢氣,整體循環(huán)的功率輸出來自NG膨脹做功與氦氣膨脹做功,NG兩級(jí)膨脹提高了整體循環(huán)的做功能力。其他學(xué)者[32-33]也提出了類似的循環(huán)結(jié)構(gòu)。
考慮到透平輸出功中的大部分被用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī),使得整個(gè)系統(tǒng)輸出凈功有限,故壓縮和膨脹的多級(jí)化成為布雷頓循環(huán)改進(jìn)的方向之一。Tomków等[34]提出了兩級(jí)壓縮-兩級(jí)膨脹的布雷頓循環(huán)結(jié)構(gòu),如圖9所示。此外,復(fù)雜的MGT循環(huán)結(jié)構(gòu)[35]也是循環(huán)改進(jìn)之一。
表1 朗肯循環(huán)主要結(jié)構(gòu)改進(jìn)
注:1)RC-朗肯循環(huán);DEC-直接膨脹
2.3 卡琳娜循環(huán)
近年來,卡琳娜循環(huán)工質(zhì)在氨水混合物的基礎(chǔ)上擴(kuò)展到乙烯-丙烷和四氟化碳-丙烷等,循環(huán)內(nèi)部采用回?zé)?、兩?jí)膨脹環(huán)節(jié)或與LNG的直接膨脹相復(fù)合以提高循環(huán)效率,其主要結(jié)構(gòu)[4,36-39]見表2。
圖10為以氨水混合物為工質(zhì)、具有LNG直接膨脹的卡琳娜循環(huán)[36]:具有一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨水基液,經(jīng)過蒸發(fā)器吸收熱源的熱量,變?yōu)楦邷厝芤?高溫溶液在分離器被分離成富氨蒸氣和富水溶液;分離出的富氨蒸氣進(jìn)入透平做功,透平乏汽進(jìn)入冷凝器與LNG換熱,經(jīng)泵加壓進(jìn)入混合器;它與從高溫回?zé)崞鞒隹诘慕?jīng)節(jié)流降壓后的富水溶液在混合器中混合成一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨水混合物,同時(shí)被LNG冷凝,經(jīng)工質(zhì)泵加壓后回到蒸發(fā)器;LNG先后獲得透平乏汽和回?zé)崞鳠崃亢筮M(jìn)入透平做功,再進(jìn)入混合器冷凝氨水混合物,完成一個(gè)循環(huán)。該循環(huán)中,分離器出口的富氨蒸氣做功能力強(qiáng),提升整體循環(huán)的輸出功;富水溶液能為LNG氣化提供熱量,部分熱得到回收利用。
表2 卡琳娜循環(huán)主要結(jié)構(gòu)
注:1)Kalina-卡琳娜循環(huán);DEC-直接膨脹
圖7 回?zé)岵祭最D循環(huán)與LNG直接膨脹Fig.7 Regenerative Brayton cycle with direct expansion of LNG
圖8 改進(jìn)布雷頓循環(huán)與LNG直接膨脹Fig.8 Improved Brayton cycle with direct expansion of LNG
圖9 兩級(jí)布雷頓循環(huán)Fig.9 2-stage Brayton cycle
圖10 卡琳娜循環(huán)與直接膨脹的復(fù)合Fig.10 Kalina cycle with direct expansion of LNG
2.4 復(fù)合循環(huán)
復(fù)合循環(huán)主要將朗肯循環(huán)、布雷頓循環(huán)、卡琳娜循環(huán)、LNG直接膨脹進(jìn)行結(jié)合;一些學(xué)者也建立了與燃?xì)廨啓C(jī)相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)。主要復(fù)合循環(huán)[2,34,40-44]見表3。以Zhang N等[42]和Tomków等[34]建立的復(fù)合循環(huán)為例,進(jìn)行說明。
Zhang N等[42]建立的CO2近零排放循環(huán)中,將超臨界CO2的朗肯循環(huán)和CO2的布雷頓循環(huán)進(jìn)行結(jié)合。如圖11所示,空氣產(chǎn)物氧氣和LNG氣化產(chǎn)物甲烷在燃燒室中燃燒,燃燒氣膨脹做功,作為熱流體先后通過三通道和兩通道CO2蒸發(fā)器,經(jīng)分離器分離出產(chǎn)物水和CO2;CO2由LNG冷卻后進(jìn)入低級(jí)壓縮機(jī),低級(jí)壓縮機(jī)出口CO2分為兩股,一股經(jīng)加壓加熱回到燃燒室,另一股完成超臨界CO2循環(huán)。該復(fù)合循環(huán)中,LNG冷能先后用于冷卻壓縮機(jī)入口氣體和冷凝工質(zhì),循環(huán)輸出功由朗肯循環(huán)和燃燒氣做功共同實(shí)現(xiàn)。燃燒產(chǎn)物CO2通過冷凝、分離轉(zhuǎn)化為液態(tài),部分被收集,剩余進(jìn)行朗肯循環(huán),因此整個(gè)循環(huán)接近CO2零排放。
表3 復(fù)合循環(huán)主要結(jié)構(gòu)
注:1)RC-朗肯循環(huán);BC-布雷頓循環(huán);Kalina-卡琳娜循環(huán);DEC-直接膨脹
圖11 朗肯循環(huán)與布雷頓循環(huán)的復(fù)合Fig.11 Integration of Rankine cycle and Brayton cycle
圖12 卡琳娜循環(huán)與朗肯循環(huán)的復(fù)合Fig.12 Integration of Kalina cycle and Rankine cycle
本文主要將LNG冷能利用動(dòng)力循環(huán)的研究分為基本循環(huán)的參數(shù)研究和循環(huán)結(jié)構(gòu)改進(jìn)兩方面。由于基本循環(huán)已經(jīng)具有一定的實(shí)際工程應(yīng)用,因此參數(shù)研究具有十分重要的工程價(jià)值,能夠有效指導(dǎo)實(shí)際工程以實(shí)現(xiàn)LNG冷能輸出功的最優(yōu)化。循環(huán)改進(jìn)類型較為豐富,為LNG冷能動(dòng)力循環(huán)進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化開拓了思路。
然而,就LNG冷能利用動(dòng)力循環(huán)的研究現(xiàn)狀而言,還有一些方面值得進(jìn)一步深化,主要包括:
1) 低溫朗肯循環(huán)和聯(lián)合法有機(jī)混合工質(zhì)的組分研究。現(xiàn)有的研究多直接給定循環(huán)混合工質(zhì)的組分而展開參數(shù)分析,對(duì)于組分如何選擇和如何配比并未做出詳細(xì)解釋說明。針對(duì)不同來源的LNG,以何種標(biāo)準(zhǔn)選擇混合工質(zhì)、并確定使循環(huán)性能最佳的組分比例,將會(huì)是很有意義的一項(xiàng)工作。
2) 循環(huán)模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的研究?,F(xiàn)有的循環(huán)結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要依托流程模擬軟件實(shí)現(xiàn),而模擬軟件的設(shè)定中多將設(shè)備條件及循環(huán)系統(tǒng)過于理想化。因此,建立實(shí)驗(yàn)研究,使得實(shí)驗(yàn)與模擬相互促進(jìn)會(huì)是未來該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
3) 可行性和經(jīng)濟(jì)性分析。對(duì)于一些理論研究相對(duì)成熟的循環(huán),可以在理論分析的基礎(chǔ)上補(bǔ)充實(shí)際應(yīng)用的可行性和經(jīng)濟(jì)性分析,包括重要設(shè)備的選型、循環(huán)管路搭建、設(shè)備成本、年發(fā)電量收益、回本年限等。
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About the corresponding author
Ju Yonglin, male, professor, Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, +86 21-34206532, E-mail:yju@sjtu.edu.cn. Research fields: low power cryocoolers ( Pulse tube and G-M ), liquefied natural gas (LNG) and its cold energy utilization.
Development of Cryogenic Power Generation Cycles with LNG Cold Energy Utilization
Xue Feier1Chen Yu2Ju Yonglin1
(1. Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China;2.College of Mechanical Engineering ,Shanghai University of Engineering Science, Shanghai, 201620, China)
Liquefied natural gas is an increasingly widely used clean energy. Establishing cryogenic power generation cycles using LNG cold energy is an important way of cold energy recovery. In the present paper, the key factors affecting the basic LNG power generation cycles are discussed, including LNG-side parameters, working fluids and equipment inlet and outlet parameters. Cycle structural enhancement is also summarized, including Rankine cycle, Brayton cycle, Kalina cycle and the compound cycles. The practical significance of parametric study and diversity of cycle structural enhancement are indicated. It is also pointed out that further research should be based on the selection and the component matching of organic mixed working fluids, and the combination of simulation and experiment, etc.
liquefied natural gas; cold recovery; refrigerant; Rankine cycle
0253- 4339(2016) 03- 0060- 10
10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.03.060
2015年9月18日
TB61+1; TB61+2
A
簡介
巨永林,男,教授,博士生導(dǎo)師,上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所,021-34206532,E-mail: yju@sjtu.edu.cn。研究方向:小型低溫制冷機(jī)技術(shù)(脈管制冷機(jī)、G-M制冷機(jī)),液化天然氣技術(shù)(海洋油田伴生氣、煤層氣)及其冷能綜合利用技術(shù)。