技术领域
[0001] 本
发明涉及冷能回收领域，具体涉及一种基于热声技术的冷能梯级利用方法。
背景技术
[0002] 现有的近年来，以
液化天然气为主的
低温流体在我国的使用量大幅度提升，并广泛应用于化工、发电、医疗、交通运输、供暖等领域。在国际范围内，
液化天然气在各国的产能快速提升，据估计，到2030年天然气用量将跃至一次
能源第二位。2017年，我国液态天然气进口已达3800万吨，且仍保持上升趋势。依据国家能源战略规划，到2020年，天然气在我国一次能源中的占比将提高到10％以上。当前的天然气交易中，交易总量的近三分之一以液化天然气的形式进行运输，这部分天然气需在当地液化天然气
汽化站中经过再汽化才能投入使用或输送至用户端。在该过程中，液化天然气将释放约830-860kJ/kg的冷量。在传统液化天然气汽化站中，这部分冷量通常被
海水带走，造成极大浪费。
[0003] 液化天然气冷能的利用方式主要包括冷能发电、空气分离、冷库、
空调以及低温养殖、栽培等。在诸多的液化天然气冷能回收形式中，冷能发电是最有希望实现大规模工程应用的冷能回收方式。冷能发电技术根据其原理不同可分为两大类，一是将其用于改善现有动
力循环系统，提高效率以增加发电量，另一类是采用相对独立的低温动力循环。最早的冷能发电方式主要包括：直接膨胀法、低温
朗肯循环的二次冷媒法、
燃气轮机循环以及各类联合发电方法。
[0004] 部分
专利采用将液化天然气再汽化过程与接收站周边的燃气电站相结合，回收燃气轮机排气中低品位
热能的同时利用冷能降低燃气轮机循环的吸气
温度，提高燃气轮机效率的方法。值得注意的是，如ZL201010123728.5等专利中直接
抽取低温
蒸汽作为热源的方法能够有效回收冷能，却对原燃气轮机循环效率造成了影响。燃气轮机循环的吸气冷却可利用110-260K以下各温区冷能，对冷源品质要求较低。如美国专利US6367258B1等，将110K左右的冷能直接用于燃气轮机循环的进气冷却的方法容易造成冷量炯的极大浪费。
[0005] 我国的天然气输送距离较远，管网输送压力较高。中国专利200710027943.3和中国专利ZL201010123728.5等专利中，以直接膨胀法作为主要的冷能回收方式，同时利用了液化天然气中的冷量炯和压力炯，但经直接膨胀法处理的天然气不具备直接进入高压管网的条件，不符合现阶段我国的天然气接收站的应用背景。
[0006] 以朗肯循环及其联合循环为核心的冷能回收系统在国际范围内应用广泛。中国专利201810693128.9介绍了一种应用于大型液化天然气接收站的冷能发电系统，其本质为混合工质低温朗肯循环，通过实时监控和调整混合工质的成分以应对不同冷端温度工况。中国专利201710235556介绍了一种基于朗肯循环的冷能发电与剩余冷量输出系统，采用了三级不同的朗肯循环，其创新性体现在不同循环中多元混合工质的使用。在基于朗肯循环的梯级冷能回收方式中，若要充分利用各温区冷能，对工质的选用与控制提出了严苛的要求，且往往难以规避可燃工质的使用。这种回收方式流程复杂，初期投入大，投资回报周期过长，不适用于中小型液化天然气接收站。
[0007] 热声技术自其出现以来就因其高本征效率与高可靠性受到了广泛关注。
热声发动机通过在环路内建立声场维持气团微元的动力循环，消除了高、低温度的机械运动部件。目前广泛应用的热声发动机系统由冷端换热器、加热器、
回热器、热缓冲管、室温端换热器与谐振管等组件共同构成。热声发动机通过消耗冷、热炯在回热器中建立温度梯度产生声功，并以压力
波动的形式向发动机负载输出。同其他动力循环系统相比，热声
热机拥有更简单的结构，更低的制造成本与更高的
稳定性。当前的热声发动机装置通常由依在液化天然气冷能的梯级利用中，将热声设备与其他动力循环相结合的联合冷能利用方法能够充分发挥不同动力循环的优势而规避其
缺陷，在液化天然气冷能利用领域拥有广阔的应用前景。
发明内容
[0008] 为了解决现有的冷能回收系统方法在应用过程中存在的容易造成冷量炯的极大浪费；流程复杂，初期投入大，投资回报周期过长，不适用于中小型液化天然气接收站等等一系列问题，本发明提供了一种基于热声技术的冷能梯级利用方法，本方法以热声发动机为核心换能器，通过对冷能介质逐级节流，降低流体温度的方式提高各级热声发动机的热-声转化效率。充分利用了冷能介质的各级压力炯与冷量炯，具有结构紧凑，高效可靠，建设及维护成本低等优点。本发明方法包括以下步骤：
[0009] a、液态冷能介质如液化天然气、液
氧、液氮，进入首级热声发动机单元换热，冷能介质
蒸发至气态排出，对
潜热冷能进行利用；
[0010] b、来自首级热声发动机单元的气态冷能介质在首级节流单元中降压降温，随后进入次级热声发动机单元换热，对介质冷能进行进一步回收；
[0011] c、从次级热声发动机单元中排出的冷能介质在随后的节流单元与下一级声发动机单元中再经过至少一级的节流-换热过程，介质冷能被进一步回收，直至其压力达到排放要求；
[0012] d、离开末级热声发动机单元的冷能介质可直接排放或继续对其剩余冷量进行回收。
[0013] 优选地，所述的基于热声技术的冷能梯级利用方法中的步骤a中当进入系统的原料冷能介质压力未达到要求时，冷能介质先进入
低温泵增压再输送至步骤b所述的首级热声发动机单元。
[0014] 优选地，所述的基于热声技术的冷能梯级利用方法中的热声发动机为
驻波、行波或驻波-行波混合型热声发动机，所述热声发动机可为单级或多级环路型热声发动机，此处的多级热声发动机一般为3-5级。
[0015] 优选地，所述的基于热声技术的冷能梯级利用方法中各级热声发动机单元为各自独立的热声发动机环路，或共同构成同一多级热声发动机环路。
[0016] 优选地，所述的基于热声技术的冷能梯级利用方法中的节流单元可为膨胀透平、节流
阀及其他节流装置；
[0017] 优选地，所述的基于热声技术的冷能梯级利用方法中的热声发动机单元以工业废热为热源，也可以
太阳能、
地热能、
海水和空气等其他形式热能为热源；
[0018] 优选地，所述的基于热声技术的冷能梯级利用方法步骤d中，所述离开末级热声发动机单元的冷能介质直接排放或进入燃气轮机循环、蒸汽动力循环等燃烧动力循环系统燃烧做功。
[0019] 优选地，所述的基于热声技术的冷能梯级利用方法中的步骤d中，对所述离开末级热声发动机单元的冷能介质结合低温
粉碎、液化二氧化
碳制备与低温贮存等冷能利用方式回收其剩余冷量。
[0020] 根据上述技术方案，本发明的有益效果是：提出一种基于热声技术的冷能梯级利用方法，以热声发动机为核心换能器，结合其他动力循环及冷能回收方法实现冷能的高效梯级利用。该方法安全可靠，转化效率高，变工况适应性好且实施中结构紧凑，初投资及维护成本较低。
附图说明
[0021] 为了更清楚地说明本发明
实施例或
现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022] 图1是本发明基于热声技术的冷能梯级利用方法各部件连接示意图。
[0023] 图2是本发明基于热声技术的梯级冷能回收方法具体实施例1示意图。
[0024] 图3是本发明基于热声技术的梯级冷能回收方法具体实施例2示意图。
[0025] 物流图示如下：
[0027] 天然气流道：
[0028] 空气流道：
[0029] 标号说明：1、首级热声发动机；2、次级热声发动机；3、末级热声发动机；4、直线发
电机组；5、首级膨胀透平；6、次级膨胀透平；7、燃烧动力装置；8、排气
风机；9、室温端换热器；10、室温端
循环泵；11、首级末端冷能回收换热器；12、次级末端冷能回收换热器；13、液化天然气储罐；14、
低温泵；15、吸气冷却器；16、
压气机；17、
燃烧室；18、燃气透平。
具体实施方式
[0030] 下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
[0031] 实施例1：
[0032] 本实施例中对液化天然气冷能进行梯级利用。如附图2所示，热声发电单元由首级热声发动机1、次级热声发动机2、末级热声发动机3及分别与之相连的直线电机组4构成。各级热声发动机为独立热声发动机系统。
[0033] 本实施例中，节流单元以膨胀透平为节流装置，包括首级膨胀透平5和次级膨胀透平6。
[0034] 本实施例中，所述梯级冷能利用方法与燃气轮机循环结合，步骤e中，末级热声发动机出口处部分天然气进入燃气轮机循环。
[0035] 本实施例中，首级冷能回收换热器11应用于低温粉碎，次级末端冷能回收换热器12应用于
低温贮藏。
[0036] 本实施例中，液化天然气储罐初始温度130K，储存压力为0.4MPa，储存在储罐中的液化天然气经过低温泵14增压至3.5MPa并输送至首级热声发动机1，在冷端
相变换热器中换热蒸发至饱和天然气蒸汽并输送到次级热声发动机2。次级热声发动机2的冷端换热器出口同首级膨胀透平5相连，
过热蒸汽在透平中膨胀做功后压力降低至1.9MPa，温度降低至170K，随后进入末级热声发动机3进一步换热。热声发动机的
能量转化效率与其冷、热端温差成正相关，在次、末级间设置膨胀透平6有利于降低末级热声发动机3的冷端温度，提高转化效率。末端热声发动机3出口处
过热蒸汽再次进入次级膨胀透平6做功，
蒸汽压力进一步降低至1MPa。
[0037] 来自次级膨胀透平6出口的天然气仍然具有约170K的低温，其中大部分天然气先后进入低温粉碎室和低温冷库进行换热，分别对中温段170-220K和末端220-293K温区的冷能进行回收后进入天然气管网并输送至用户端。管网入口处液化天然气温度为293K，输送压力1MPa。来自膨胀透平6出口的天然气还有部分进入支路的燃气轮机子系统，首先在吸气冷却器15中换热以降低燃气轮机吸气温度，提高循环效率，随后进入燃烧室17中燃烧释放
化学能。
[0038] 来自燃气轮机的高温乏汽依次进入三级热声发动机的加热器作为热源，在回热器两端建立温度梯度产生声功，并以压力波动的形式从热声发动机支路引出，最终通过直线电机组转化为电功输出。实际应用中，与循环水回路进行热交换的海水等热源往往伴随有季节性的温度变化，但同其他的动力循环相比，热声发动机在工作中对于室温端温度的变化具有较强的适应性，其性能不会受到较大影响。
[0039] 下面对所述实施例进行
热力学计算，各子系统
压缩机与透平等熵效率取0.8，机械效率0.9。除液氮供应子系统中，低温泵14功耗较高外，其他子循环风机功耗不计。
[0040] 对各状态点进行定义：(a)液化天然气储罐13，(b)低温泵14出口，(c)首级热声发动机1冷端相变换热器出口，(d)次级热声发动机2冷端换热器出口，(e)首级膨胀透平5出口，(f)末级热声发动机3冷端换热器出口，(g)次级膨胀透平6出口，(h)中温段冷能利用换热器11出口，(i)天然气管网入口。
[0041] 系统中各状态点所对应的最大可用能Wmax＝(h-T0s)-(h-T0s)i，所述系统中冷能利用流程对应的液化天然气可用能变化过程如下表所示。
[0042] 系统各主要状态点液化天然气物性表
[0043]
[0044]
[0045] 在DeltaEc
软件中对不同温度区间下工作的三台热声发动机进行建模计算，结果如下表所示，系统中单位液化天然气
气化量所对应的热声发动机输出功声功总计1001.69kJ，冷量消耗共计618.33kJ。
[0046] 热声发动机主要运行参数
[0047]
[0048] 输出比r的定义为：进入天然气管网的天然气占系统天然气总气化量之比，取r＝0.95。即每有1kg天然气被汽化，向管网输出0.95kg天然气，其余部分进入燃烧室中燃烧供能。天然气
燃烧热值为47.7MJ/kg，对应燃气轮机循环吸气量6kg，燃烧动力子系统及系统内其他部件能耗与输出功见下表。
[0049] 系统内各主要部件的能耗与输出功
[0050]
[0051] 计算可得，该基于热声技术的梯级冷能回收系统中，单位液化天然气气化量对应净输出功约1700kJ/kg，实际天然气输出量为0.95kg。
[0052] 实施例2
[0053] 本实施例中以液化天然气作为冷能介质，对其冷能进行梯级利用。
[0054] 如附图3所示，热声发电单元由首级热声发动机1、次级热声发动机2、末级热声发动机3及分别与之相连的直线电机组4构成。其中，首级、次级、末级热声发动机共同构成一环路型行波热声发动机系统。
[0055] 本实施例中，节流单元以膨胀透平为节流装置，包括首级膨胀透平5。
[0056] 本实施例中，热声发动机以海水为热源，利用海水与冷能介质间温差，在各级热声发动机回热器两端建立温度梯度，产生声功。
[0057] 本实施例中，所述梯级冷能利用方法的步骤e中，离开末级热声发动机的天然气剩余冷量在末端冷能回收换热器12中回收，并应用于低温粉碎。
[0058] 本实施例中，储存在储罐中的液化天然气经过低温泵14增压并输送至首级热声发动机1，在冷端相变换热器中换热蒸发至饱和天然气蒸汽并输送到次级热声发动机2。次级热声发动机2的冷端换热器出口同首级膨胀透平5相连，过热蒸汽在透平中膨胀做功后压力降低、温度降低，随后进入末级热声发动机3进一步换热。热声发动机的能量转化效率与其冷、热端温差成正相关，在次、末级间设置膨胀透平6有利于降低末级热声发动机3的冷端温度，提高热-声转化效率，同时压力进一步降低至管网压力。
[0059] 来自末级热声发动机3出口的天然气温度仍然较低，可进入低温粉碎室进行换热，对其剩余冷量进行回收冷能进行回收后进入天然气管网并输送至用户端。
[0060] 实际应用中，与循环水回路进行热交换的海水等热源往往伴随有季节性的温度变化，但同其他的动力循环相比，热声发动机在工作中对于室温端温度的变化具有较强的适应性，其性能不会受到较大影响。
[0061] 本实施例所述梯级LNG冷能利用系统同实施例1相比，冷能利用效率相对降低，却大大降低了系统复杂度。在系统中仅保留了最
基础的冷能介质供应系统，一台多级环路行波热声发电系统、两级节流装置以及相应的室温端循环回路。同时，由于热端温度改变至近室温端，热声发动机的内部结构进一步简化。此实施例属于所述一种基于热声技术的冷能梯级利用方法的简化实施形式，在保证高转化效率的同时进一步降低了初投资与维护
费用，具有高度的可靠性与紧凑性。
[0062] 此外，需要说明的是，本
说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的
修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本
权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
