CN103486438A - 一种基于双热源热泵的lng气化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双热源热泵的LNG气化系统该系统，包括：LNG气化升温膨胀主回路、膨胀发电单元、双热源热泵单元、自动控制单元。本发明引入双热源热泵，以太阳能、空气能作为气化系统基荷热源供应LNG气化所需热量，实现了LNG的高效气化；利用LNG冷能发电，给系统内压缩机、工艺泵等耗电设备供能，并以冷气或冷冻水等形式向系统外部优选出的冷量用户端供冷，可灵活地实现LNG冷能的合理回收利用；依据天然气用户端和优选的冷量用户端的典型设计日的逐时用气需求及逐时供冷需求，采用蓄冷箱、变频压缩机、备用加热器以及各流量调节组件，通过控制系统实现多重调节，使系统在不同工况下仍能稳定运行。

Description

一种基于双热源热泵的LNG气化系统

技术领域

本发明涉及LNG的气化技术，具体涉及一种基于双热源热泵的LNG气化系统。

背景技术

随着国家对节能减排要求的日益提高，我国的能源消费结构将更加倚重天然气，在未来10～20年，LNG将成为中国天然气市场的主力军。LNG在供给用户使用前需通过气化系统将其升温气化，目前，常用的气化技术包括海水开架式气化器（ORV）、浸没燃烧式气化器（SCV）及中间介质气化器（IFV），以上气化技术成熟可靠，但均未对LNG的冷能加以利用，另外，ORV和IFV使用海水作为热源，SCV需要燃烧天然气制热，在免费海水使用受限、天然气燃烧制热成本高昂以及对LNG冷能利用成为趋势的情况下，这些成熟气化技术的应用将受到很大限制。近年来，世界各国提出了冷能发电、冷能空分、制取液态二氧化碳、建造冷冻库等LNG冷能利用气化技术，然而，基于以上气化技术设计出的气化系统往往只关注了如何提高LNG冷能利用率，而对实际过程中冷能供需端负荷的不匹配性、工况改变对系统的影响以及气化系统基荷热源的便利性关注较少，极大限制了其实际工程应用，开发更为环保、灵活、稳定、实用的气化系统将大大提升LNG的应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双热源热泵的LNG气化系统，该系统引入双热源热泵，以太阳能、空气能作为气化系统基荷热源供应LNG气化所需热量，可实现LNG的高效气化，并可拓宽气化站的选址范围；利用LNG冷能发电，给系统内压缩机、工艺泵等耗电设备供能，并以冷气或冷冻水等形式向系统外部优选出的冷量用户端供冷，可灵活地实现LNG冷能的合理回收利用；依据天然气用户端和优选的冷量用户端的典型设计日的逐时用气需求及逐时供冷需求，采用蓄冷箱、变频压缩机、备用加热器以及各流量调节组件，通过控制系统实现多重调节，可解决冷能供需端负荷的不匹配性，使系统在不同工况下仍能稳定运行。

本发明采用如下技术方案：

一种基于双热源热泵的LNG气化系统，该系统包括：

由LNG储罐、电动流量调节阀、LNG加压泵、冷凝器、膨胀透平机和换热器构成的LNG气化升温膨胀主回路，该主回路与天然气管网或用户连接；

由膨胀透平机和发电机构成的膨胀发电单元；

由冷凝器、过滤器、蓄冷箱、工质循环泵、第一蒸发器、第二蒸发器、用于储存系统内部的部分制冷剂防止压缩机吸入液体产生液击和制冷剂过多而稀释压缩机油的气液分离器、变频压缩机、备用加热器及电子膨胀阀、电动流量调节阀、呼吸阀、工质排出阀、止回阀阀组件构成的双热源热泵单元；

由电动流量调节阀、流量指示与调节仪表、温度指示与调节仪表、电子膨胀阀、变频压缩机、备用加热器、控制器构成的自动控制单元；

在所述LNG气化升温膨胀主回路中，LNG储罐通过管路依次与电动流量调节阀、LNG加压泵、冷凝器、膨胀透平机、换热器连接；

在所述膨胀发电单元中，膨胀透平机通过联轴器与发电机连接；

在所述双热源热泵单元中，冷凝器首先通过管路与电子膨胀阀、过滤器相连，之后分为并联的第一支路和第二支路，第一支路由电动流量调节阀和管路连接而成，第二支路由电动流量调节阀、蓄冷箱、电动流量调节阀通过管路连接而成，蓄冷箱上连接有用于维持蓄冷箱气压平衡并减少工质挥发的呼吸阀，两支路汇合后通过工质循环泵、之后又分为并联的第三支路和第四支路，第三支路由电动流量调节阀、第一蒸发器、止回阀和管路连接而成，第四支路由电动流量调节阀、第二蒸发器、止回阀通过管路连接而成，第二蒸发器通过另一管路与系统外部优选出的冷量用户端连接，两支路汇合后依次与气液分离器（30）、变频压缩机、备用加热器连接并回到冷凝器构成封闭的循环回路，在该循环回路中充有冷媒工质，并设有用于检修时排出冷媒工质的工质排出阀；

在所述自动控制单元中，控制器与变频压缩机、备用加热器、电动流量调节阀及流量指示与调节仪表构成的流量调节组件、电子膨胀阀和温度指示与调节仪表通过电路进行连接；

冷量用户端可根据气化站所处地理位置进行优选，系统可满足不同冷量用户端的用冷需求，适用范围广。

进一步地，所述冷媒工质包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯、二氟甲烷、三氟甲烷、二氟乙烷、三氟乙烷、四氟乙烷和五氟乙烷中的一种或两种以上的混合物。

进一步地，所述第一蒸发器为集热蒸发器，冷媒工质直接在集热蒸发器中蒸发吸热，集热蒸发器类型可选用平板式、螺旋管翅式。

进一步地，所述蒸发器及冷凝器分别带有过热器和过冷器；

进一步地，所述备用加热器为电加热器、燃气加热器、燃油加热器或者燃煤加热器，且备用加热器只在依靠流量调节无法达到LNG气化要求时才开启。

所述基于双热源热泵的LNG气化系统的工作原理及过程如下：

依据天然气用户端和优选的冷量用户端典型设计日的逐时用气需求及逐时供冷需求对自动控制单元进行参数设置，气化系统在自动控制单元调节下按以下流程稳定运行；

在所述LNG气化升温膨胀主回路中，LNG储罐输出的LNG经LNG加压泵加压后送至冷凝器，在冷凝器中LNG吸收冷媒工质的热量气化成天然气，天然气继续升温后进入膨胀透平机膨胀做功并降温，经空气或水等介质回收冷量后进入管网；

在所述膨胀发电单元中，天然气在膨胀透平机中所做的功转化为机械能并通过机械轴驱动发电机发电；

在所述双热源热泵单元中，冷媒工质在冷凝器中与LNG交换热量后冷凝并具有一定的过冷度，再经电子膨胀阀释放压力，变为低温低压的液化状态，该低温低压液态冷媒工质经过滤器过滤后流经第一支路、第二支路，汇合后经工质循环泵泵送至第一蒸发器和第二蒸发器中吸热气化并具有一定的过热度，经气液分离器除去过多液体后进入压缩机增压升温变成高温高压气体，流经备用加热器后进入冷凝器再次冷凝为高压液态继续下一次循环；

在所述自动控制单元中，控制器根据设定的天然气用户端逐时用气需求量通过电动流量调节阀和流量指示与调节仪表构成的流量调节组件调节从LNG储罐流出的LNG流量，以适应天然气用户需求波动，根据设定的优选冷量用户端的逐时供冷需求，通过蓄冷箱的蓄冷和放冷，以及电动流量调节阀和流量指示与调节仪表构成的流量调节组件对第一支路、第二支路、第三支路、第四支路进行流量调节，使冷量供需端在负荷上相匹配，通过调节变频压缩机、备用加热器的功率及电子膨胀阀的开度，并对冷凝器入口工质温度及管网进气温度进行监测，确保冷凝器的热负荷满足LNG气化要求。

本发明具有如下有益效果：

该系统引入双热源热泵，以太阳能、空气能作为气化系统基荷热源供应LNG气化所需热量，可实现LNG的高效气化，并可拓宽气化站的选址范围；利用LNG冷能发电，给系统内压缩机、工艺泵等耗电设备供能，并以冷气或冷冻水等形式向系统外部优选出的冷量用户端供冷，可灵活地实现LNG冷能的合理回收利用；依据天然气用户端和优选的冷量用户端的典型设计日的逐时用气需求及逐时供冷需求，采用蓄冷箱、变频压缩机、备用加热器以及各流量调节组件，通过控制系统实现多重调节，可解决冷能供需端负荷的不匹配性，使系统在不同工况下仍能稳定运行。

附图说明

图1为本发明的基于双热源热泵的LNG气化系统的示意图；

图中所示为：1-LNG储罐，2-电动流量调节阀，3-流量指示与调节仪表，4-LNG加压泵，5-冷凝器，6-膨胀透平机，7-发电机，8-换热器，9-温度指示与调节仪表，10-电子膨胀阀，11-过滤器，12-电动流量调节阀，13-流量指示与调节仪表，14-电动流量调节阀，15-流量指示与调节仪表，16-蓄冷箱，17-呼吸阀，18-电动流量调节阀，19-流量指示与调节仪表，20-工质循环泵，21-电动流量调节阀，22-流量指示与调节仪表，23-工质排出阀，24-第一蒸发器，25-止回阀，26-电动流量调节阀，27-流量指示与调节仪表，28-第二蒸发器，29-止回阀，30-气液分离器，31-变频压缩机，32-备用加热器，33-温度指示与调节仪表，34-控制器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的发明内容作进一步描述。

实施例1

如图1所示，本发明提供的基于双热源热泵的LNG气化系统，该系统包括：

由LNG储罐1、电动流量调节阀2、LNG加压泵4、冷凝器5、膨胀透平机6和换热器（8）构成的LNG气化升温膨胀主回路，该主回路与天然气管网或用户连接；

由膨胀透平机6和发电机7构成的膨胀发电单元；

由冷凝器5、过滤器11、蓄冷箱16、工质循环泵20、第一蒸发器24、第二蒸发器28、用于储存系统内部的部分制冷剂，防止压缩机吸入液体产生液击和制冷剂过多而稀释压缩机油的气液分离器30、变频压缩机31、备用加热器32及电子膨胀阀10、电动流量调节阀12、14、18、21、26、呼吸阀17、工质排出阀23、止回阀25、29阀组件构成的双热源热泵单元；

由电动流量调节阀2、12、14、18、21、26、流量指示与调节仪表3、13、15、19、22、27、温度指示与调节仪表9、33、电子膨胀阀10、变频压缩机31、备用加热器32、控制器34构成的自动控制单元；

在所述LNG气化升温膨胀主回路中，LNG储罐1通过管路依次与电动流量调节阀2、LNG加压泵4、冷凝器5、膨胀透平机6、换热器8连接；

在所述膨胀发电单元中，膨胀透平机6通过联轴器与发电机7连接；

在所述双热源热泵单元中，冷凝器5首先通过管路与电子膨胀阀10、过滤器11相连，之后分为并联的第一支路和第二支路，第一支路由电动流量调节阀12和管路连接而成，第二支路由电动流量调节阀14、蓄冷箱16、电动流量调节阀18通过管路连接而成，蓄冷箱16上连接有用于维持蓄冷箱16气压平衡并减少工质挥发的呼吸阀17，两支路汇合后通过工质循环泵20、之后又分为并联的第三支路和第四支路，第三支路由电动流量调节阀22、第一蒸发器24、止回阀25和管路连接而成，第四支路由电动流量调节阀26、第二蒸发器28、止回阀29通过管路连接而成，第二蒸发器通过另一管路与系统外部优选出的冷量用户端连接，两支路汇合后依次与气液分离器30、变频压缩机31、备用加热器32连接并回到冷凝器5构成封闭的循环回路，在该循环回路中充有冷媒工质，并设有用于检修时排出冷媒工质的工质排出阀23；

在所述自动控制单元中，控制器34与变频压缩机31、备用加热器32、电动流量调节阀2、12、14、18、21、26及流量指示与调节仪表3、13、15、19、22、27构成的流量调节组件、电子膨胀阀10和温度指示与调节仪表9、33通过电路进行连接；

冷量用户端可根据气化站所处地理位置进行优选，系统可满足不同冷量用户端的用冷需求，适用范围广。

所述冷媒工质包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯、二氟甲烷、三氟甲烷、二氟乙烷、三氟乙烷、四氟乙烷和五氟乙烷中的一种或两种以上的混合物。

所述第一蒸发器24为集热蒸发器，冷媒工质直接在集热蒸发器中蒸发吸热，集热蒸发器类型可选用平板式、螺旋管翅式。

所述蒸发器24、28及冷凝器5分别带有过热器和过冷器；

所述备用加热器32为电加热器、燃气加热器、燃油加热器或者燃煤加热器。且备用加热器只在依靠流量调节无法达到LNG气化要求时才开启。

本实施例的提供的基于双热源热泵的LNG气化系统的工作原理及过程如下：

依据天然气用户端和优选的冷量用户端典型设计日的逐时用气需求及逐时供冷需求对自动控制单元进行参数设置，气化系统在自动控制单元调节下按以下流程稳定运行；

在所述LNG气化升温膨胀主回路中，LNG储罐1输出的LNG经LNG加压泵加压后送至冷凝器5，在冷凝器5中LNG吸收冷媒工质的热量气化成天然气，天然气继续升温后进入膨胀透平机6膨胀做功并降温，经空气或水等介质回收冷量后进入管网；

在所述膨胀发电单元中，天然气在膨胀透平机6中所做的功转化为机械能并通过机械轴驱动发电机7发电；

在所述双热源热泵单元中，冷媒工质在冷凝器5中与LNG交换热量后冷凝并具有一定的过冷度，再经电子膨胀阀10释放压力，变为低温低压的液化状态，该低温低压液态冷媒工质经过滤器11过滤后流经第一支路、第二支路，汇合后经工质循环泵20泵送至第一蒸发器24和第二蒸发器28中吸热气化并具有一定的过热度，经气液分离器30除去过多液体后进入压缩机31增压升温变成高温高压气体，流经备用加热器32后进入冷凝器5再次冷凝为高压液态继续下一次循环；

在所述自动控制单元中，控制器34根据设定的天然气用户端逐时用气需求量通过电动流量调节阀2和流量指示与调节仪表3构成的流量调节组件调节从LNG储罐流出的LNG流量，以适应天然气用户需求波动，根据设定的优选冷量用户端的逐时供冷需求，通过蓄冷箱16的蓄冷和放冷，以及电动流量调节阀12、14、18、21、26和流量指示与调节仪表13、15、19、22、27构成的流量调节组件对第一支路、第二支路、第三支路、第四支路进行流量调节，使冷量供需端在负荷上相匹配，通过调节变频压缩机31、备用加热器32的功率及电子膨胀阀10的开度，并对冷凝器5入口工质温度及管网进气温度进行监测，确保冷凝器5的热负荷满足LNG气化要求。

应当理解，以上借助优化实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，都应当视为属于本发明提交的权利要求书确定的专利保护范围。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于双热源热泵的LNG气化系统，其特征在于，该系统包括：

由LNG储罐（1）、电动流量调节阀（2）、LNG加压泵（4）、冷凝器（5）、膨胀透平机（6）和换热器（8）构成的LNG气化升温膨胀主回路，该主回路与天然气管网或用户连接；

由膨胀透平机（6）和发电机（7）构成的膨胀发电单元；

由冷凝器（5）、过滤器（11）、蓄冷箱（16）、工质循环泵（20）、第一蒸发器（24）、第二蒸发器（28）、用于储存系统内部的部分制冷剂，防止压缩机吸入液体产生液击和制冷剂过多而稀释压缩机油的气液分离器（30）、变频压缩机（31）、备用加热器（32）及电子膨胀阀（10）、电动流量调节阀（12、14、18、21、26）、呼吸阀（17）、工质排出阀（23）、止回阀（25、29）阀组件构成的双热源热泵单元；

由电动流量调节阀（2、12、14、18、21、26）、流量指示与调节仪表（3、13、15、19、22、27）、温度指示与调节仪表（9、33）、电子膨胀阀（10）、变频压缩机（31）、备用加热器（32）、控制器（34）构成的自动控制单元；

在所述LNG气化升温膨胀主回路中，LNG储罐（1）通过管路依次与电动流量调节阀（2）、LNG加压泵（4）、冷凝器（5）、膨胀透平机（6）、换热器（8）连接；

在所述膨胀发电单元中，膨胀透平机（6）通过联轴器与发电机（7）连接；

在所述双热源热泵单元中，冷凝器（5）首先通过管路与电子膨胀阀（10）、过滤器（11）相连，之后分为并联的第一支路和第二支路，第一支路由电动流量调节阀（12）和管路连接而成，第二支路由电动流量调节阀（14）、蓄冷箱（16）、电动流量调节阀（18）通过管路连接而成，蓄冷箱（16）上连接有用于维持蓄冷箱（16）气压平衡并减少工质挥发的呼吸阀（17），两支路汇合后通过工质循环泵（20）、之后又分为并联的第三支路和第四支路，第三支路由电动流量调节阀（22）、第一蒸发器（24）、止回阀（25）和管路连接而成，第四支路由电动流量调节阀（26）、第二蒸发器（28）、止回阀（29）通过管路连接而成，第二蒸发器通过另一管路与系统外部优选出的冷量用户端连接，两支路汇合后依次与气液分离器（30）、变频压缩机（31）、备用加热器（32）连接并回到冷凝器（5）构成封闭的循环回路，在该循环回路中充有冷媒工质，并设有用于检修时排出冷媒工质的工质排出阀（23）；

在所述自动控制单元中，控制器（34）与变频压缩机（31）、备用加热器（32）、电动流量调节阀（2、12、14、18、21、26）及流量指示与调节仪表（3、13、15、19、22、27）构成的流量调节组件、电子膨胀阀（10）和温度指示与调节仪表（9、33）通过电路进行连接。

2.根据权利要求1所述的基于双热源热泵的LNG气化系统，其特征在于，所述冷媒工质包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯、二氟甲烷、三氟甲烷、二氟乙烷、三氟乙烷、四氟乙烷和五氟乙烷中的一种或两种以上的混合物。

3.根据权利要求1所述的基于双热源热泵的LNG气化系统，其特征在于，所述第一蒸发器（24）为集热蒸发器，冷媒工质直接在集热蒸发器中蒸发吸热，集热蒸发器类型可选用平板式、螺旋管翅式。

4.根据权利要求1所述的基于双热源热泵的LNG气化系统，其特征在于，所述蒸发器（24、28）及冷凝器（5）分别带有过热器和过冷器。

5.根据权利要求1所述的基于双热源热泵的LNG气化系统，其特征在于，所述备用加热器（32）为电加热器、燃气加热器、燃油加热器或者燃煤加热器。

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