CN103016084A - Lng冷能双透平发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稳定性更好的LNG冷能双透平发电系统，其包括由LNG源、LNG增压泵、一级换热器、NG透平和发电机依次连接形成的第一发电系统，NG透平设置有NG出口，还包括由CO2循环泵、第三换热器、CO2透平和发电机依次连接形成的第二发电系统，CO2透平的CO2出口经所述一级换热器后与CO2循环泵的进口连接，并在第一发电系统的一级换热器和NG透平之间设置有二级加热器，工质稳定，发电效率较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种将LNG的冷能转换为电能的发电系统，尤其是一种进一步利用环境热源的双透平发电系统。
背景技术
NG（natural gas）代表天然气，LNG是液化天然气（liquefied natural gas）的缩写，是在常压下将气态的天然气冷却至-162℃，使之凝结成液体，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，LNG的重量仅为同体积水的45%左右。是无色、无味、无毒且无腐蚀的清洁能源。
在LNG运输至接收站进行使用时，需重新转化为常温气体，温度由-162℃升至常温，大量的可用冷能释放出来，其值大约是837kJ/kg，1吨LNG经换热重新气化在理论上可利用的冷量约为232kW.h。对于一座年接收能力为300万吨的接收终端，年可利用冷能达6.9亿kW.h，冷能利用的产量非常可观。
目前LNG冷能发电主要有以下2种方式：直接膨胀法和低温朗肯循环。
直接膨胀法的原理为：经过压缩泵后的LNG接收来自海水等余热源的热量气化，成为具有一定压力的气态天然气，即NG后进入NG透平膨胀做功，输出电能。膨胀后的气体再依据尾端用户要求调整压力和温度，送至用户。这种方式只有一台透平机，可称为LNG冷能单透平发电系统。
直接膨胀如果由于冷能利用效率较低，系统发电功率较低，为提高冷能利用效率，又出现了以低温朗肯循环利用环境热源的双透平发电系统，低温朗肯循环的原理为：以LNG作为冷源，以环境中的低品位能源如海水、太阳能等作为热源，同时增设一个有机工质朗肯循环，组成闭式的循环系统，系统拥有2个透平膨胀机：有机工质透平和NG透平，可称为LNG冷能双透平发电系统。然而，有机物易燃、易爆易分解，其不稳定性会给系统带来安全隐患，系统中的有机工质在冷凝过程中将发生从过热气体到饱和液体的两相换热且压力发生改变，不利于一级换热器的设计和控制，并且密封性要求高，成本很高。
发明内容
为了克服现有有机工质循环的双透平发电系统稳定性较差的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种稳定性更好的LNG冷能双透平发电系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：LNG冷能双透平发电系统，包括由LNG源、LNG增压泵、一级换热器、NG透平和发电机依次连接形成的第一发电系统，NG透平设置有NG出口，还包括由CO2循环泵、第三换热器、CO2透平和发电机依次连接形成的第二发电系统，CO2透平的CO2出口经所述一级换热器后与CO2循环泵的进口连接，并在第一发电系统的一级换热器和NG透平之间设置有二级加热器。
进一步的是，在第二发电系统中，CO2经过CO2循环泵加压之后以超临界状态进入第三换热器。
本发明的有益效果是：工质稳定，发电效率较高，一级换热器设计和控制相对简单。
附图说明
图1是现有直接膨胀法的LNG冷能单透平发电系统的原理图。
图2是现有低温朗肯循环的LNG冷能双透平发电系统的原理图。
图3是本发明的LNG冷能双透平发电系统的原理图。
图中标记为，1-LNG源，2-LNG增压泵，3-一级换热器，4-NG透平，5-发电机，6-NG出口，7-有机工质循环泵，8-第二换热器，9-有机工质透平，10-发电机，11-CO2循环泵，12-第三换热器，13-CO2透平，14-发电机，15-二级加热器，16-工质出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，现有直接膨胀法的LNG冷能双透平发电系统由LNG源1、LNG增压泵2、一级换热器3、NG透平4和发电机5依次连接形成，液态的LNG经LNG增压泵2输入一级换热器3中，与海水或其他环境热源进行换热后，变为气态的NG，气态的NG在NG透平中膨胀做功后由工质出口即NG出口6流出，带动发电机5转动，从而将LNG的冷能转换为电能。
如图2所示，现有低温朗肯循环的LNG冷能双透平发电系统是在现有直接膨胀法的LNG冷能单透平发电系统基础上叠加了一个由有机工质循环泵7，换热器8，有机工质透平9，和发电机10依次连接组成的第二发电系统，系统拥有2个透平膨胀机：有机工质透平9和NG透平4，两套发电系统以一级换热器3作为结合点，一级换热器3的管程走LNG，壳程走有机工质，由有机工质透平9的工质出口出来的有机工质作为热源对LNG进行加热，LNG转变成NG进入NG透平4做功发电，有机工质冷凝后，由有机工质循环泵7泵至第二换热器8，与环境热源等发生热交换，再次被加热后进入有机工质透平9做功发电。
如图3所示，本发明的LNG冷能双透平发电系统包括由LNG源1、LNG增压泵2、一级换热器3、NG透平4和发电机5依次连接形成的第一发电系统，以及由CO2循环泵11、第三换热器12、CO2透平13和发电机14依次连接形成的第二发电系统，CO2透平13的工质出口16经所述一级换热器3后与CO2循环泵11的进口连接。该系统中，两套发电系统仍以一级换热器3作为结合点，一级换热器3的管程走LNG，壳程走CO2，由CO2透平13的工质出口16出来的CO2作为热源对LNG进行加热，LNG吸收经CO2透平做功后的CO2热量，LNG实现第一次受热，之后以在环境热量为热源的二级加热器15中被二次加热，达到要求后的气态NG进入NG透平膨胀做功，乏气作为尾端所需由NG出口6输出，CO2冷凝后，由CO2循环泵11泵至第三换热器12，与环境热源等发生热交换，再次被加热后进入CO2透平13做功发电。
第二发电系统以LNG作为系统冷源，低温热源作为系统热源，CO2的临界温度为33.1℃，工程上很容易实现超临界。优选在第二发电系统中，由一级换热器3出来的低压低温的CO2经过CO2循环泵11加压之后以超临界状态进入第三换热器12。
因为，提高透平进口的初参数即压力和温度是提高系统效率的有效措施，在环境热源不能使进入CO2透平的蒸气温度更大提高的时候，提高蒸气压力便成为提高系统效率的有效手段之一，且CO2的临界压力相对水蒸汽等常见无机物更低，工程上更易实现，第一发电系统中的受压元件强度要求也会降低。
热力学上，只要有温差有换热，系统就存在不可逆热损失，温差越大，不可逆损失越大。采用超临界使CO2和换热介质间变温特性较好的匹配，减少加热过程中由于冷热流体传热温差的不均衡性而引起的额外不可逆熵增，提高动力循环火用效率，从而形成含两台发电机的超临界CO2的LNG冷能双透平发电系统。超临界CO2蒸气在经过透平膨胀做功后，其压力、温度都降低很多，作为LNG过冷态液体的一级加热热源，其热量不足以将尾端所需的LNG由过冷态加热到适合进入NG透平做功的蒸气状态，且保证透平出口的乏气温度达到能直接进入输送管线的温度水平，因此必须增加二级加热器15，且充分利用环境空气热源，将经过一级加热后的LNG进一步气化，既能使进入NG透平4的蒸气具有更多热量，产生更多电能，同时也可保证NG出口6流出的乏气温度不会因为膨胀做功而成为零下温度，可直接进入天然气接收端。
同直接膨胀法相比，本发明的发电系统新增了一个超临界CO2的循环发电系统，以LNG作为CO2循环系统的冷端冷源，以环境热源作为CO2循环系统的热端热源，同样流量的LNG冷能，在系统中得到了二次利用，避免了在直接膨胀法中的大量冷能被环境热源消耗，其发电能力大于LNG直接膨胀发电。
按工质在T-S图（温熵图）上饱和蒸气线的斜率，流体可分为干流体、湿流体和绝热流体。
T-S图上，曲线经过饱和蒸气最高点后，斜率为正是干流体，斜率为负是湿流体，斜率无穷大为等熵流体。
对于湿流体，工质在透平中膨胀做功，理论上为绝热膨胀，熵不改变，所以透平末级的蒸气很有可能处于含液体的湿蒸气区域，将对膨胀机叶片产生冲蚀。因此对于湿流体来说，锅炉的过热器必须布置有足够的换热面积，以提高工质的过热度，保证乏气具有较高的干度。
对于干流体和等熵流体，工质在透平中绝热膨胀做功，末级乏气离饱和蒸气线越来越远，即所谓的“越做功越干燥”，此时系统在设计过程时可以依据热源温度考虑是否需要布置过热器，减少换热面的投资。
低温朗肯循环的LNG冷能双透平发电系统中，绝大多数适用于做LNG冷能利用的有机化合物都是干流体性质，在膨胀做功后，为更进一步的回收其能量，系统会根据实际参数增设回热器，但是经过回热器之后的有机工质依旧为过热状态，所以其系统中的有机工质在一级换热器3内发生的冷凝过程中将发生从过热气体到饱和液体的两相换热，且压力发生改变，不利于一级换热器3的设计和控制。与之相比，本发明发电系统是以CO2为工质，为无机工质，一级换热器3两端的工质参数如压力和温度均不相同，CO2的成本和非易燃易爆性质决定本发明发电系统在制造时的密封、焊接要求要低于低温朗肯循环的LNG冷能双透平发电系统，制造成本相对低；且CO2作为冷流体，经过透平做功后乏气为一定干度的湿蒸气，能保证在一级换热器3中的整个冷凝过程为等压状态，使其一级换热器3的设计可以避免由不等压和相变换热带来的控制问题。一级换热器3只对LNG进行预热，但不发生相变，由二级加热器15对预热后的LNG加热至设计所需参数。为充分利用热源，可控制由一级换热器3出来的LNG为热饱和液体。
Claims (2)
1.LNG冷能双透平发电系统，包括由LNG源（1）、LNG增压泵（2）、一级换热器（3）、NG透平（4）和发电机（5）依次连接形成的第一发电系统，其特征是：还包括由CO2循环泵（11）、第三换热器（12）、CO2透平（13）和发电机（14）依次连接形成的第二发电系统，CO2透平（13）的工质出口（16）经所述一级换热器（3）后与CO2循环泵（11）的进口连接，并在第一发电系统的一级换热器（3）和NG透平（4）之间设置有二级加热器（15）。
2.如权利要求1所述的LNG冷能双透平发电系统，其特征是：在第二发电系统中，CO2经过CO2循环泵（11）加压之后以超临界状态进入第三换热器（12）。
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