CN102795693A

CN102795693A - 基于lng冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统

Info

Publication number: CN102795693A
Application number: CN2012102771067A
Authority: CN
Inventors: 孙勍铉; 曹旭; 夏广辉; 俞亦钊; 王来升; 王江峰
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2012-08-06
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-08-06
Also published as: CN102795693B

Abstract

本发明公开了一种基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统，包括为整个海水淡化系统提供能量的太阳能集热循环系统、与太阳能集热循环系统连接的第一级有机朗肯循环系统、与第一级有机朗肯循环系统连接的第二级有机朗肯循环系统，以及海水淡化装置，其中，所述海水淡化装置的机械泵或电动泵被第一级有机朗肯循环系统和或第二级有机朗肯循环系统产生的机械能和或电能驱动，所述第二级有机朗肯循环系统的冷源由LNG系统提供。

Description

基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统

【技术领域】

本发明属于动力工程领域，特别涉及一种基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统。

【背景技术】

现今世界上的海水淡化系统主要有采用低温多效海水淡化技术和反渗透海水淡化技术。对于反渗透海水淡化技术通常采用太阳能作为能量输入，利用太阳能光伏发电或者光热发电所产生电能驱动海水淡化系统。这些系统受到太阳能辐射的影响，稳定性及连续运行能力不强。

随着经济、社会的发展，传统的一次能源的消耗越来越大，人们对于工业淡水和生活用淡水的需求日益增大。而一次能源的储量有限，因此，多范围、大深度开发挖掘利用可再生能源日益受到人们的关注。自然界中存在着丰富太阳能和风能等清洁能源，开发利用太阳能和风能对于缓解环境污染和减少化石燃料的消耗，具有重要现实意义和工程应用价值。更为重要的是，利用太阳能和风能等清洁能源还可以生产淡水，缓解淡水贫乏地区淡水供应不足的压力。

鉴于以上缺陷，实有必要提供一种可以解决上述技术问题的基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统。

【发明内容】

针对以上技术问题，本发明提供了一种基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统，有效地利用太阳能与风能，能源利用效率高，可以同时产出淡水供应，具有显著的经济效益和社会效益，符合节能降耗减排的基本国策。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统，包括为整个海水淡化系统提供能量的太阳能集热循环系统、与太阳能集热循环系统连接的第一级有机朗肯循环系统、与第一级有机朗肯循环系统连接的第二级有机朗肯循环系统，以及海水淡化装置，其中，所述海水淡化装置的机械泵或电动泵被第一级有机朗肯循环系统和或第二级有机朗肯循环系统产生的机械能和或电能驱动，所述第二级有机朗肯循环系统的冷源由LNG系统提供。

作为本发明的优选实施例，所述太阳能集热循环系统包括依次连接并形成一个闭合循环的抛物面槽式集热器、蒸汽发生器、预热器，以及太阳能集热系统循环泵，所述太阳能集热系统循环泵的输出与抛物面槽式集热器相连；

作为本发明的优选实施例，所述太阳能集热循环系统进一步包括连接在抛物面槽式集热器和蒸汽发生器之间的太阳能蓄热装置，所述太阳能蓄热装置与抛物面槽式集热器之间通过阀门连接；

作为本发明的优选实施例，所述第一级有机朗肯循环系统包括依次连接并形成闭合循环的所述蒸汽发生器、第一透平、第一冷凝器、第一循环泵，以及所述预热器，所述透平的乏汽进入到第一冷凝器被第二级有机朗肯循环的有机工质冷凝成液态，然后经过所述第一循环泵加压之后进入预热器；所述第一级有机朗肯循环系统与太阳能集热循环系统通过蒸汽发生器进行热交换；

作为本发明的优选实施例，所述第一级有机朗肯循环系统进一步包括连接在蒸汽发生器和第一透平之间的辅助加热器；

作为本发明的优选实施例，所述第二级有机朗肯循环系统包括依次连接并形成闭合循环的所述第一冷凝器、第二透平、回热器、第二冷凝器，以及第二循环泵，所述第二透平的乏汽进入回热器，经过回热器进入第二冷凝器，被冷凝成液态，接着经循环泵将液态的工质送到回热器中预热后再回到第一冷凝器；

作为本发明的优选实施例，所述海水淡化装置包括海水淡化装置电动泵、海水淡化装置机械泵、反渗透膜净化模块、海水循环泵，以及压力交换器；所述海水淡化装置电动泵和海水淡化装置机械泵均与反渗透膜净化模块相连以产生淡水和高压浓盐水，所述反渗透膜净化模块的一端与压力交换器相连，所述压力交换器的另一端与海水循环泵相连，所述海水经海水循环泵后与海水淡化装置机械泵和海水淡化装置电动泵加压后的海水混合后进入到反渗透膜净化模块中；

作为本发明的优选实施例，所述海水淡化装置包括海水淡化装置电动泵、海水淡化装置机械泵、反渗透膜净化模块、海水循环泵，以及水轮机；所述海水淡化装置电动泵和海水淡化装置机械泵均与反渗透膜净化模块相连以产生淡水和高压浓盐水，所述反渗透膜净化模块的一端与所述水轮机相连，所述水轮机同轴连接所述海水循环泵，从反渗透膜净化模块出来的高压浓盐水冲转水轮机产生机械能，带动海水循环泵，经海水循环泵加压后与海水淡化装置机械泵和海水淡化装置电动泵加压后的海水混合后进入到反渗透膜净化模块中；

作为本发明的优选实施例，所述LNG系统包括LNG储存罐和与LNG储存罐连接的LNG增压泵；所述海水淡化系统进一步包括有海水加热器和天然气透平；从所述LNG储存罐出来的LNG经LNG增压泵加压后进入第二级有机朗肯循环系统的第二冷凝器内，经冷凝后进入到海水加热器内，产生高压天燃气，该高压天燃气进入到天燃气透平内做功，带动第二发电机发电，所述经海水加热器加热后的海水分为两支，其中一支进入到所述海水淡化装置电动泵或和海水淡化装置机械泵，另一支进入到压力交换器或水轮机驱动的海水循环泵。

与现有技术相比，本发明基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统至少具有以下优点：利用如沿海地区等可再生资源丰富地区的充足的太阳能和风能，将太阳能与风能转化为电能和机械能，驱动反渗透海水淡化装置。另外，液化天然气（LNG）通常经过运输到达沿海港口，而LNG包含着大量的冷能，将LNG与太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统进行集成，可以提高整个系统的性能。由于太阳能和风能具有间歇性，如果没有蓄能系统，整个系统就不能连续运行，因此需要将多余的能量以相变储能和蓄电池的方式加以储存，来满足在能源的连续供应，淡水的不断产出。

【附图说明】

图1为本发明第一实施例基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统的结构框图；

图2为本发明第二实施例基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统的结构框图。其中，

1	抛物面槽式集热器	2	风力发电机组
				3	太阳能蓄热装置	4	太阳能集热系统循环泵
5	蒸气发生器	6	第一循环泵
				7	辅助加热器	8	蓄电池组
9	预热器	10	第一透平
				11	第一冷凝器	12	第二循环泵
13	回热器	14	第二冷凝器
				15	第二透平	16	海水循环泵
17	第一发电机	18	海水淡化装置电动泵
				19	海水淡化装置机械能驱动泵	20	压力交换器
21	反渗透膜净化模块	22	海水加热器
				23	天然气透平	24	第二发电机

25	水轮机	26	LNG储存罐
				27	LNG增压泵

【具体实施方式】

本发明采用太阳能集热器（抛物面槽式集热器1）吸收太阳辐射并联合风力发电机组2作为整个系统的能量输入，第一级有机朗肯循环系统对外输出机械能，驱动反渗透海水淡化装置机械泵19，第二级有机朗肯循环系统和风力发电机组2联合输出电能，驱动反渗透海水淡化装置电动泵18。本发明在两级有机朗肯循环系统中采用不同工质来提高效率。为了保证系统能够连续稳定运行，在整个系统中加入了蓄能装置，其中，太阳能蓄热采用季戊四醇（PER）的相变来储能，而风能蓄电方面则使用蓄电池8来储能，这样可以在太阳能和风能不充足的情况下实现二者互补来保证系统的连续运行，从而保证淡水的稳定输出。另外，采用以天然气作为燃料的辅助加热器7作为备用热源，在太阳辐射及风能长时间不足时保证系统的稳定运行。太阳能集热循环系统的工质为导热油，其收集的热量来加热太阳能蓄热装置3中的季戊四醇（集热系统不和储热装置直接接触）使其发生相变，利用其潜热储能，潜热储能方式的特点是储热密度高，占空间小且其应用温度可保持恒定。第一级有机朗肯循环系统中的工质选为R245fa或R600，第二级有机朗肯循环系统的工质采用丙烷或丙烯。采用液化天然气（LNG）作为第二级有机朗肯循环系统的冷源，来回收LNG的所含有的大量的冷能，然后LNG经过海水加热蒸发形成气态的天然气，进入天然气透平23做功，驱动发电机产生电能，所得电能进入蓄电池8储存。该系统由抛物面槽式集热器1，风力发电机组2，太阳能蓄热装置3，太阳能集热系统循环泵4，蒸气发生器5，第一循环泵6，辅助加热器7，蓄电池8，预热器9，第一透平10，第一冷凝器11（第二级蒸发器），第二循环泵12，回热器13，第二冷凝器14，第二透平15，海水循环泵16，第一发电机17，海水淡化装置电动泵18，海水淡化装置机械泵19，压力交换器20，反渗透膜净化模块21，海水加热器22，天然气透平23，第二发电机24，水轮机25，LNG储存罐26，LNG增压泵27等组成。

太阳能集热器加热导热油，并在太阳能辐射充裕的条件下加热季戊四醇（PE），产生相变，储存太阳热能。导热油与第一级有机朗肯循环系统工质在蒸汽发生器中换热，产生高温高压蒸汽进入第一透平膨胀做功驱动海水淡化机械泵19。在第一冷凝器11中，第一级有机朗肯循环系统的工质（R245fa或R600）加热第二级有机朗肯循环系统的工质（丙烷或丙烯）产生蒸气，进入第二透平15膨胀做功，驱动第一发电机17发电。LNG通过LNG增压泵27加压后，进入第二级有机朗肯循环系统的第二冷凝器14中冷凝第二级有机朗肯循环系统的工质（丙烷或丙烯），然后进入海水加热器22中吸收海水热量，产生高压的天然气，然后进入天然气透平23膨胀做功，驱动第二发电机24发电。风力发电机组2、第一发电机17、第二发电机24产生的电能用来驱动海水淡化装置电动泵18，多余的电能储存在蓄电池8中。海水淡化装置电动泵18和海水淡化装置机械泵19同时提供高压海水，高压海水进入反渗透膜海水净化模块21被分离成淡水和浓盐水。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明提出一种基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统，共有两种方案，分别参见图1和图2。图1所示，太阳能集热系统采用导热油作为工质，蓄热系统使用季戊四醇（以下简称PER）进行相变储能，第一级有机朗肯循环采用R245fa或R600a作为工质，第二级有机朗肯循环系统采用丙烷或者丙烯作为工质。

首先，太阳能集热器-抛物面槽式集热器1收集太阳辐射，吸收太阳辐射的热量加热抛物面槽式集热器中1的导热油，导热油在太阳能集热系统内流动循环，当太阳能集热器所收集热量过多时，经由阀门控制，导热油流过太阳能蓄热装置3，将盈余的热量通过管道传热加热蓄热装置中的储能材料---季戊四醇（PER），利用储能材料进行相变储能，并在太阳能条件不足时释放其相变潜热，以此达到整个系统连续稳定运行的目的。导热油经过太阳能蓄热装置3之后进入蒸汽发生器5中，把热量传给第一级有机朗肯循环系统的有机工质（R245fa或R600a），使有机工质（R245fa或R600a）形成高温高压蒸汽。经蒸汽发生器5出来的导热油进入预热器9中预热第一级有机朗肯循环系统的有机工质，之后再经过太阳能集热系统循环泵4使导热油返回抛物面槽式集热器1，完成太阳能集热系统的循环过程。导热油的最高温度应控制在188摄氏度到200摄氏度之间。利用PER进行储热的优点是不生成气体和液体，体积变化小，物过冷、相分离、传热性好，稳定，寿命长。从蒸气发生器5出来的高温高压蒸汽进入第一透平10，在其内部膨胀做功，输出机械能，驱动海水淡化装置机械能驱动泵19进行海水淡化，经第一透平10做完功后的乏汽进入第一冷凝器11被第二级有机朗肯循环系统的有机工质（丙烷或丙烯）冷凝成液态，然后经过第一循环泵6加压之后进入预热器9中预热，然后进入蒸气发生器5完成第一级有机朗肯循环过程。当风能和太阳能不能保证系统连续正常运行时，由其他形式能源（LNG）驱动的辅助加热器7加热第一级有机朗肯循环系统的工质（R245fa或R600a），保证系统正常运行。第二级有机朗肯循环系统的工质在第一冷凝器11中被第一透平10的乏汽的加热后，产生高温高压蒸气，进入第二透平15膨胀做功，带动同轴连接的第一发电机17发电，联合风力发电机组2产生的电能，储存至铅蓄电池8中，用来驱动海水淡化装置电动泵18，第二透平15的有机工质乏汽进入回热器13，在回热器13有效地利用了乏汽的热量，预热经过第二冷凝器14冷却后的工质，提高循环效率。经过回热器13的工质进入第二冷凝器14，将热量传给LNG，被LNG冷凝成液态，第二循环泵12然后将液态的工质送到回热器13中预热后再进入第一冷凝器11，完成第二级有机朗肯循环过程。从LNG储存罐出来的LNG经过LNG增压泵27加压后进入第二冷凝器14中，作为第二级有机朗肯循环系统的冷源吸收从回热器13出来的工质的热量，之后LNG进入海水加热器22，吸收海水的热量产生高压天然气，高压天然气LNG进入天然气透平23膨胀做功，带动第二发电机24发电，并将所得电能储存至蓄电池8中，同时做功后的天然气被送到用户端。风力发电机组2将风能转化为电能储存在蓄电池8中。蓄电池8中的电能有三种来源：（1）风力发电机组8所发电能；（2）第二级有机朗肯循环系统中第一发电机17所产生的电能；（3）天然气透平23膨胀做功驱动第二发电机24所产生的电能。海水经海水加热器22之后分为两股：一股海水进入海水淡化装置机械能驱动泵19或海水淡化装置电动泵18进行加压后，与海水循环泵16送来的海水进行混合，然后进入反渗透膜净化模块21，产生淡水供应和高压浓盐水，高压浓盐水进入压力交换器20中降压之后排出；另一股海水进入压力交换器20，由反渗透膜净化模块21淡化后的高压浓盐水进行加压，然后再通过海水循环泵16加压后，与海水淡化装置机械能驱动泵19或海水淡化装置电动泵18加压后的海水混合，然后进入反渗透膜净化模块21。

图2为另外一种基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统方案。与图1不同之处在于：从反渗透膜净化模块21出来的高压浓盐水冲转水轮机25产生机械能，带动共轴的海水循环泵16，经海水循环泵16加压后的与海水淡化装置机械能驱动泵19或海水淡化装置电动泵18加压后的海水混合，然后进入反渗透膜净化模块21，产生淡水。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统，其特征在于：包括为整个海水淡化系统提供能量的太阳能集热循环系统、与太阳能集热循环系统连接的第一级有机朗肯循环系统、与第一级有机朗肯循环系统连接的第二级有机朗肯循环系统，以及海水淡化装置，其中，所述海水淡化装置的机械泵或电动泵被第一级有机朗肯循环系统和或第二级有机朗肯循环系统产生的机械能和或电能驱动，所述第二级有机朗肯循环系统的冷源由LNG系统提供。

2.如权利要求1所述的一种基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统，其特征在于：所述太阳能集热循环系统包括依次连接并形成一个闭合循环的抛物面槽式集热器（1）、蒸汽发生器（5）、预热器（9），以及太阳能集热系统循环泵（4），所述太阳能集热系统循环泵（4）的输出与抛物面槽式集热器（1）相连。

3.如权利要求2所述的一种基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统，其特征在于：所述太阳能集热循环系统进一步包括连接在抛物面槽式集热器和蒸汽发生器之间的太阳能蓄热装置（3），所述太阳能蓄热装置与抛物面槽式集热器之间通过阀门连接。

4.如权利要求2或3所述的一种基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统，其特征在于：所述第一级有机朗肯循环系统包括依次连接并形成闭合循环的所述蒸汽发生器（5）、第一透平（10）、第一冷凝器（11）、第一循环泵（6），以及所述预热器（9），所述透平的乏汽进入到第一冷凝器（11）被第二级有机朗肯循环的有机工质冷凝成液态，然后经过所述第一循环泵（6）加压之后进入预热器（9）；所述第一级有机朗肯循环系统与太阳能集热循环系统通过蒸汽发生器（5）进行热交换。

5.如权利要求4所述的一种基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统，其特征在于：所述第一级有机朗肯循环系统进一步包括连接在蒸汽发生器和第一透平之间的辅助加热器（7）。

6.如权利要求4所述的一种基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统，其特征在于：所述第二级有机朗肯循环系统包括依次连接并形成闭合循环的所述第一冷凝器（11）、第二透平（15）、回热器（13）、第二冷凝器（14），以及第二循环泵（12），所述第二透平（15）的乏汽进入回热器（13），经过回热器（13）进入第二冷凝器（14），被冷凝成液态，接着经循环泵（12）将液态的工质送到回热器（13）中预热后再回到第一冷凝器（11）。

7.如权利要求1所述的一种基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统，其特征在于：所述海水淡化装置包括海水淡化装置电动泵（18）、海水淡化装置机械泵（19）、反渗透膜净化模块（21）、海水循环泵（16），以及压力交换器（20）；所述海水淡化装置电动泵和海水淡化装置机械泵均与反渗透膜净化模块相连以产生淡水和高压浓盐水，所述反渗透膜净化模块的一端与压力交换器相连，所述压力交换器的另一端与海水循环泵相连，所述海水经海水淡化装置机械泵和海水淡化装置电动泵加压后的海水混合后进入到反渗透膜净化模块中。

8.如权利要求1所述的一种基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统，其特征在于：所述海水淡化装置包括海水淡化装置电动泵（18）、海水淡化装置机械泵（19）、反渗透膜净化模块（21）、海水循环泵（16），以及水轮机（25）；所述海水淡化装置电动泵和海水淡化装置机械泵均与反渗透膜净化模块相连以产生淡水和高压浓盐水，所述反渗透膜净化模块的一端与所述水轮机（25）相连，所述水轮机同轴连接所述海水循环泵，从反渗透膜净化模块出来的高压浓盐水冲转水轮机产生机械能，带动海水循环泵，经海水循环泵加压后与海水淡化装置机械泵和海水淡化装置电动泵加压后的海水混合后进入到反渗透膜净化模块中。

9.如权利要求7或8所述的一种基于LNG冷能利用的太阳能和风能联合驱动的海水淡化系统，其特征在于：所述LNG系统包括LNG储存罐（26）和与LNG储存罐（26）连接的LNG增压泵（27）；所述海水淡化系统进一步包括有海水加热器（22）和天然气透平（23）；从所述LNG储存罐出来的LNG经LNG增压泵加压后进入第二级有机朗肯循环系统的第二冷凝器内，经冷凝后进入到海水加热器内，产生高压天燃气，该高压天燃气进入到天燃气透平内做功，带动第二发电机发电，所述经海水加热器加热后的海水分为两支，其中一支进入到所述海水淡化装置电动泵或和海水淡化装置机械泵，另一支进入到压力交换器或水轮机驱动的海水循环泵。