一种回收液化天然气冷能的多级膨胀发电系统 |
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| 申请号 | CN201710011763.X | 申请日 | 2017-01-09 | 公开(公告)号 | CN106593553A | 公开(公告)日 | 2017-04-26 |
| 申请人 | 大连理工大学; | 发明人 | 鲍军江; 林岩; 张瑞祥; 贺高红; | ||||
| 摘要 | 一种回收 液化 天然气 冷能的多级膨胀发电系统，属于LNG冷能发电领域。由LNG 增压 泵 、第一 冷凝器 、第二冷凝器、第三冷凝器和第一加热器构成的LNG 汽化 升温主回路；由第一工质泵、混合器、 蒸发 器 、分离器、第一膨胀机、第一发 电机 和第一冷凝器构成第一膨胀发电系统；由第二工质泵、混合器、 蒸发器 、分离器、第二膨胀机、第二发电机和第二冷凝器构成第二膨胀发电系统；由第三工质泵、混合器、蒸发器、分离器、第三膨胀机、第三发电机和第三冷凝器构成第三膨胀发电系统，整个发电过程通过多级膨胀发电从而实现了LNG冷能的逐级利用，减少LNG冷能回收过程的有效能损失，提高了LNG冷能的发电效率。本 发明 可广泛应用于LNG冷能发电领域。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种回收液化天然气冷能的多级膨胀发电系统，其特征在于， |
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| 说明书全文 | 一种回收液化天然气冷能的多级膨胀发电系统技术领域背景技术[0002] 为满足经济和社会发展需要，优化能源结构，促进经济和社会可持续发展，解决能源利用和生态环境保护的双重问题，作为清洁的能源，液化天然气(LNG)冷能的开发与应用越来越受到重视。随着我国大量进口LNG，LNG携带大量的低温冷能，其经济价值已不能被忽视，如果不能有效地利用这部分冷能，将会造成巨大的能源浪费和环境危害。合理有效地利用LNG的高品位冷能，在获得巨大的经济效益的同时，可以减少LNG气化过程中的环境污染。目前回收LNG冷能的诸多方法当中，由于LNG冷能发电系统，产业链很短，基本不受其它外界因素干扰，并且可以回收LNG大部分温度段的冷能，而其它的冷能利用方式主要针对某区段温度梯度的LNG部分冷能进行回收，因此，LNG冷能发电最具有实际可行性。 [0003] CN103362579A公开了一种回收液化天然气冷能的两级膨胀发电装置及方法，LNG经过LNG泵增压后进入多股流低温换热器第一流道汽化升温；高压工质气体进入第一级透平膨胀机膨胀做功，工质气体分成两部分，一部分进入板翅式多股流低温换热器的第二流道与LNG换热后用泵加压；另一部分经第二换热器后进入第二级透平膨胀机膨胀，并在板翅式多股流低温换热器的第三流道冷凝为液体，用泵加压后进入第四流道，然后与第一部分工质汇合，汇合后与冷媒换热，再与环境换热及/或吸收工业余热后回到第一级透平膨胀机入口，完成循环。本发明通过回收LNG冷能及余热进行发电，可以广泛应用于利用液化天然气冷能发电中。该系统存在的问题是只有一级循环，冷能回收换热器温差相对较大，有效能损失相对会大一些。 [0004] CN106150579A公开了一种横向两级利用LNG跨临界冷能朗肯循环发电系统，它包括两个单级朗肯循环发电系统，第一单级朗肯循环系统包括蒸发器、汽轮机、冷凝器、工质泵、发电机以及发电工质；工质泵内工质进入蒸发器与海水换热后变为气态，进入汽轮机带动发电机发电，发电工质在膨胀机做功后的乏汽进入冷凝器与临界状态的LNG进行热量交换，冷凝器流出的发电工质经管道进入工质泵升压后，重新进入蒸发器循环发电；第二单级朗肯循环系统结构与第一单级朗肯循环系统相同，且第二单级朗肯循环系统中冷凝器的冷源输入端与第一单级朗肯循环系统中冷凝器的冷源输出端连接构成串联结构，第一单级朗肯循环系统中冷凝器输出的LNG进入第二单级朗肯循环系统再次进行热量交换。该系统虽然实现LNG冷能分段利用，提高LNG冷能发电效率，但独立循环数目增加，控制难度相对增加。 发明内容[0005] 为了解决上述提到的一级循环系统，冷能回收换热器温差相对较大，LNG冷能不能充分利用以及横向两级发电系统，独立循环数目增加，控制难度相对增加的问题。本发明的首要目的在于提供一种回收液化天然气冷能的多级膨胀发电系统。该系统可以在不影响供气需求的前提下，利用LNG的冷能获得可观的电能。解决了单级冷凝循环工质与LNG换热温差大的，实现了LNG冷能的逐级利用，减少LNG冷能回收过程的有效能损失，提高了LNG冷能的发电效率；该系统易于控制，避免了独立循环回路多控制难的问题。 [0006] 本发明的技术方案： [0007] 一种回收液化天然气冷能的多级膨胀发电系统， [0008] 由LNG增压泵15、第一冷凝器16、第二冷凝器17、第三冷凝器18和第一加热器19构成的LNG汽化升温主回路，LNG增压泵15依次与第一冷凝器16、第二冷凝器17、第三冷凝器18和第一加热器19连接，使LNG完全汽化，与天然气管网或用户连接； [0009] 由第一工质泵3、混合器6、蒸发器7、分离器8、第一膨胀机9、第一发电机12和第一冷凝器16构成第一膨胀发电系统，第一冷凝器16依次与第一工质泵3、混合器6、蒸发器7、分离器8和第一膨胀机9连接构成闭合回路，在闭合回路中充有循环工质；第一膨胀机9与第一发电机10连接，带动第一发电机10发电，蒸发器7通过另一管路与第一海水泵1连接，与加压后的海水进行换热； [0010] 由第二工质泵4、混合器6、蒸发器7、分离器8、第二膨胀机10、第二发电机13和第二冷凝器17构成第二膨胀发电系统，第二冷凝器17依次与第二工质泵4、混合器6、蒸发器7、分离器8和第二膨胀机10连接构成闭合回路，在闭合回路中充有循环工质，第二膨胀机10与第二发电机13连接，带动第二发电机13发电；蒸发器7通过另一管路与第一海水泵1连接，与加压后的海水进行换热； [0011] 由第三工质泵5、混合器6、蒸发器7、分离器8、第三膨胀机11、第三发电机14和第三冷凝器18构成第三膨胀发电系统，第三冷凝器18依次与第三工质泵5、混合器6、蒸发器7、分离器8和第三膨胀机11连接构成闭合回路，在闭合回路中充有循环工质，第三膨胀机11与第三发电机14连接，带动第三发电机14发电，蒸发器7通过另一管路与第一海水泵1连接，与加压后的海水进行换热； [0012] 由第一加热器19与第二海水泵2连接构成再汽化单元。 [0013] 本发明的有益效果： [0014] 1.本发明由于采用LNG冷能进行发电，在不影响供气需求的前提下有效利用了LNG的高品位冷能，获得可观的电能，而且减少LNG在汽化过程中能源消耗，为节能减排、提高天然气能源综合利用效益做出贡献。 [0015] 2.液化天然气在汽化过程中会释放冷量，这是一个变温过程，本发明采用多级膨胀，使系统中循环工质与不同温度段的冷能进行换热，实现了LNG冷能的逐级利用，改善了系统的性能。 [0016] 3.本发明在工质选择上具有灵活方便，可根据工程实际情况选择合适的工质，从而提高循环工质与LNG换热过程匹配度，降低换热过程不可逆损失，提高了LNG冷能的发电效率。 [0017] 4.本发明的主要目的是利用LNG冷能发电，也可同时利用LNG冷能和余热，适用性广。 [0018] 5.本发明该系统易于控制，避免了独立循环回路多控制难，使用方便，可广泛应用于LNG冷能发电领域。 [0019] 综上所述，本发明以海水作为热源，丙烷作为工质，采用多级膨胀发电系统，可以获得很高的发电效率，系统使用方便灵活性好。理论上，处理相同质量的LNG，当系统分别达到最优时，采用本发明的系统LNG冷能发电系统比现有LNG冷能朗肯循环发电系统净输出功提高了128.77％，热效率提高了114.28％，可广泛应用于LNG冷能发电系统。附图说明 [0020] 图1是现有技术中利用LNG冷能朗肯循环法发电示意图。 [0021] 图2是本发明回收液化天然气冷能的多级膨胀发电系统的示意图。 [0022] 图中：1第一海水泵；2第二海水泵；3第一工质泵；4第二工质泵；5第三工质泵；6混合器；7蒸发器；8分离器；9第一膨胀机；10第二膨胀机；11第三膨胀机；12第一发电机；13第二发电机；14第三发电机；15 LNG增压泵；16第一冷凝器；17第二冷凝器；18第三冷凝器；19第一加热器。 具体实施方式[0023] 以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。 [0024] 实施例1 [0025] 本实施例采用压力为0.1MPa，温度为-162℃的液化天然气，处理量为3600kg/h，获得所需压力为70bar的天然气，其摩尔组成为：甲烷91.33％，乙烷5.36％，丙烷2.14％，正丁烷0.47％，异丁烷0.46％，正戊烷0.01％，异戊烷0.01％，氮气0.22％。循环过程所需的工质为丙烷，热源为海水，压力为0.1MPa，温度为15℃。 [0026] 如图1所示，现有技术中利用LNG冷能的朗肯循环法发电系统由第一海水泵1、第二海水泵2、LNG增压泵4、第一工质泵3、蒸发器7、第一加热器19、第一冷凝器16、第一膨胀机9、第一发电机12组成。具体工艺步骤和工艺条件如下： [0027] (一)LNG汽化系统 [0028] 原料液LNG 3600kg/h通过LNG增压泵15将压力提高到7MPa，温度由-162℃变为-158.8℃，LNG增压泵15消耗功率为18.82kW。加压后的LNG进入第一冷凝器16，与第一膨胀机 9中做功后的的低压工质气体进行换热，吸收来自冷媒的热量，LNG被汽化，温度升高为- 55.76℃，压力不变(7MPa)，工质气体分别被冷凝成液体，温度降至-52℃，压力为64.56kPa。 汽化后的LNG进入第一加热器19与经第二海水泵2加压后的海水(压力为0.3MPa，温度变为 15.01℃，第二海水泵2消耗功率为3.53kW)换热，使NG温度达到10℃，压力不变(7MPa)，最后进入输送管网。 [0029] (二)单级朗肯循环发电系统 [0030] 将所得工质液体(温度-52℃，压力64.56kPa)经第一工质泵3加压成高压冷媒工质液体，压力为594.3kPa，温度为-51.67℃，第一工质泵3消耗功率为1.19KW。将高压冷媒工质液体与经第一海水泵1加压后的海水(压力为0.3MPa，温度变为15.01℃，第一海水泵1消耗功率为6.12kW)在蒸发器7内进行热量交换，使高压工质汽化，温度变为13℃，压力不变(压力为594.3kPa)，完全汽化的工质进入第一膨胀机9做功，带动第一发电机12发电，发电功率为72.82kW。做功后的工质压力降低至64.56kPa，温度变为-44.93℃，得到低压工质气体。 [0031] 经计算在此过程中净输出功为43.16kW，热效率为5.32％。 [0032] 如图2所示，本发明利用LNG冷能的两级冷凝循环发电系统由1第一海水泵；2第二海水泵；3第一工质泵；4第二工质泵；5第三工质泵；6混合器；7蒸发器；8分离器；9第一膨胀机；10第二膨胀机；11第三膨胀机；12第一发电机；13第二发电机；14第三发电机；15 LNG增压泵；16第一冷凝器；17第二冷凝器；18第三冷凝器；19第一加热器组成。 [0033] (一)G汽化系统 [0034] 原料液LNG 3600kg/h通过LNG增压泵15将压力提高到7MPa，温度由-162℃变为-158.8℃，LNG增压泵15消耗功率为18.82kW。加压后的LNG首先进入第一膨胀发电系统，在第一冷凝器16中与第一膨胀机9中做功后的的低压工质气体进行换热，吸收来自冷媒的热量，提升LNG的温度，温度升高至-118.13℃，压力不变(7MPa)，循环工质气体分别被冷凝成工质液体，温度降至-113.13℃，压力为0.93kPa。接着加热后的LNG进入第二膨胀发电系统，在第二冷凝器17中与第二膨胀机10中做功后的的低压工质气体进行换热，吸收来自冷媒的热量，温度升高至-74.85℃，压力不变(7MPa)，循环工质气体分别被冷凝成液体，温度降至- 69.85℃，压力为25.08kPa。换热后LNG又进入第三膨胀发电系统，在第三冷凝器18中与第二膨胀机11中做功后的低压工质气体进行换热，吸收来自冷媒的热量，温度升高至-39.42℃，压力不变(7MPa)，工质气体分别被冷凝成液体，温度降至-34.87℃，压力为138.1kPa；最后LNG进入第一加热器19与经第二海水泵2加压后的海水(压力为0.3MPa，温度变为15.01℃，第二海水泵2消耗功率为2.07KW)换热，使NG温度达到10℃，压力不变(7MPa)，最后进入输送管网。 [0035] (二)多级膨胀发电系统 [0036] 将所得第一膨胀发电系统中工质液体(温度-113.13℃，压力0.93kPa)经第一工质泵3加压成高压工质液体，压力为653.9kPa，温度为-112.9℃，第一工质泵3消耗功率为0.37kW；同时将第二膨胀发电系统所得循环中工质液体(温度-69.85℃，压力25.08kPa)经第二工质泵6加压至相同压力653.9kPa，温度变为-69.53℃，第二工质泵4消耗功率为 0.52kW；将第三膨胀发电系统所得循环中工质液体(温度-34.87℃，压力138.1kPa)经第二工质泵5加压至相同压力653.9kPa，温度变为-34.52℃，第三工质泵5消耗功率为0.73kW将三股压力相同的冷媒工质液体经混合器6混合，温度变为-61.67℃。然后将混合后的高压工质液体与经第一海水泵1加压的海水(压力为0.3MPa，温度变为15.01℃，第一海水泵1消耗功率为8.25kW)在蒸发器7内进行热量交换，使高压工质气化，温度升高至11℃，压力不变(压力为653.9kPa)。接着高压工质气体进入分流器8分流：一股流量为1065kg/h，进入第一膨胀发电系统的第一膨胀机9做功，带动第一发电机12发电，发电功率为54.86kW，做功后的工质压力降低至0.93kPa，温度降低至-113.1℃；一股流量为1145kg/h进入第二膨胀发电系统的第二膨胀机10做功，带动第二发电机13发电，发电功率为43.11kW，做功后的工质压力降低至25.08kPa，温度降低至-69.85℃；另一股流量为2195kg/h进入第三膨胀发电系统的第三膨胀机11做功，带动第二发电机14发电，发电功率为31.53kW，做功后的工质压力降低至138.1kPa，温度降低至-32.18℃；做功后的气体分别进入第一冷凝器、第二冷凝器和第三冷凝器完成整个循环 [0037] 经计算在此过程中净输出功为98.74kW，热效率为11.4％。 [0038] 通过上述具体实施方式，本发明相对于现有的LNG冷能朗肯循环法发电系统无论是净输出功还是效率都有显著提高。在相同条件下，与相对较优的现有联合法相比，净输出功提高了128.77％，热效率提高了114.28％。 [0039] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。 |
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