CN103547786B - 复合发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合发电系统，通过有效利用燃气发动机的排热而提高发电效率。其构成为，具有：将BOG作为燃料的燃气发动机（2）；通过燃气发动机而驱动的第一发电机（4）；将烃类的混合制冷剂作为工作流体的制冷剂涡轮机（3）；通过制冷剂涡轮机而驱动的第二发电机（5）；将冷却燃气发动机的冷却液作为热源来加热混合制冷剂的制冷剂加热器（31）；将燃气发动机的排气作为热源来进一步加热由制冷剂加热器加热后的混合制冷剂的热交换器（11）；和使从制冷剂涡轮机排出的混合制冷剂冷凝的冷凝器（22）。

Description

复合发电系统

技术领域

本发明涉及复合发电系统，尤其涉及利用燃气发动机的排热来进行发电的燃气发动机复合发电系统。

背景技术

以往，普及了利用内燃机发电的排热进行发电以提高发电效率的复合发电系统。例如，公知一种复合发电系统，具有通过可燃气体驱动的燃气涡轮机、和通过回收燃气涡轮机的排热而产生的蒸汽来驱动的蒸汽涡轮机，作为以蒸汽涡轮机侧的水蒸汽为工作流体的兰金循环（Rankinecycle）的加热源而利用燃气涡轮机的排气，由此提高发电效率（参照专利文献1）。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-207259号公报

然而，在使用燃气发动机的复合发电系统中，由于两个不同温度级别的排热（例如，400～500℃的发动机排气、和85℃的发动机水套冷却水的排热）在所有排热中占据较大比重，所以为了提高发电效率和削减二氧化碳排放量，必须有效利用这些排热。

但是，在将上述专利文献1记载的现有技术适用于燃气发动机复合发电系统的情况下，具有无法有效利用较低温的发动机套冷却水热能的问题。另外，在上述现有技术中，工作流体为蒸汽，由此，在工作流体的冷却过程中无法使用冰点以下的冷源（例如，LNG（LiquefiedNaturalGas；液化天然气）的冷能和制冷机的载冷剂冷能等），从而还具有难以有效利用低温的排热的问题。

发明内容

本发明是鉴于这种现有技术的课题而提出的，其主要目的在于，提供一种能够通过有效利用燃气发动机的排热来提高发电效率的复合发电系统。

在为了解决上述课题而提出的本发明的第一侧面中，其特征在于，具有：将可燃气体作为燃料的燃气发动机（2）；通过所述燃气发动机而驱动的第一发电机（4）；将烃类的制冷剂作为工作流体的制冷剂涡轮机（3）；通过所述制冷剂涡轮机而驱动的第二发电机（5）；将冷却所述燃气发动机的冷却液作为热源来加热所述制冷剂的第一加热器（31）；将所述燃气发动机的排气作为热源来对由所述第一加热器加热后的所述制冷剂进一步加热的第二加热器（11）；和使从所述制冷剂涡轮机排出的所述制冷剂冷凝的冷凝器（22）。

根据该情况，由于构成为，在将烃类的制冷剂作为工作流体的制冷剂涡轮机中，利用燃气发动机的排热（排气以及冷却液的热能），所以，能够提高燃气发动机的排热回收率，进而能够提高系统的发电效率。

另外，作为本发明的第二侧面，其特征在于，具有：将可燃气体作为燃料的燃气发动机（2）；通过所述燃气发动机而驱动的第一发电机（4）；将烃类的制冷剂作为工作流体的制冷剂涡轮机（3）；通过所述制冷剂涡轮机而驱动的第二发电机（5）；将所述燃气发动机的排气作为热源来加热所述燃气发动机的冷却液的第一加热器（11A）；将由所述第一加热器加热后的所述冷却液作为热源来加热所述制冷剂的第二加热器（31A）；和使从所述制冷剂涡轮机排出的所述制冷剂冷凝的冷凝器（22）。

根据该情况，由于构成为，在将烃类的制冷剂作为工作流体的制冷剂涡轮机中，利用燃气发动机的排热（排气以及冷却液的热能），所以，能够提高燃气发动机的排热回收率，进而能够提高系统的发电效率。另外，由于不使可燃性的烃类的制冷剂和燃气发动机的排气直接进行热交换，而将由燃气发动机的排气加热后的冷却液作为热源来加热制冷剂，所以还具有提高系统的安全性的优点。

另外，作为本发明的第三侧面，其特征在于，所述冷凝器使用液化天然气来使所述制冷剂冷凝。

根据该情况，能够在工作流体的冷却过程中有效利用从LNG基地等输出的LNG的冷能。

另外，作为本发明的第四侧面，所述可燃气体为液化天然气的蒸发气体。

根据该情况，不需要像作为城市燃气来利用的情况那样根据LP气体等的混合而进行热量调整，能够有效利用从LNG基地等产生的蒸发气体。

另外，作为本发明的第五侧面，所述冷凝器使用载冷剂（brine）来使所述制冷剂冷凝。

根据该情况，使用从工厂等排出的较低压（例如，0.2～0.7MPaG）的蒸汽等来冷却载冷剂，由此，能够有效利用工厂等的排热。

另外，作为本发明的第六侧面，所述制冷剂为甲烷和丙烷的混合剂。

根据该情况，通过改变甲烷和丙烷的混合比例，能够容易且恰当地应对制冷剂涡轮机中的工作流体的兰金循环的低温以及高温级别。

发明的效果

这样，根据本发明，实现了如下的突出效果：通过有效利用燃气发动机的排热，能够提高发电效率。

附图说明

图1是表示第一实施方式的燃气发动机复合发电系统1的概略结构图。

图2是表示第二实施方式的燃气发动机复合发电系统1的概略结构图。

图3是表示第三实施方式的复合发电系统100的概略结构图。

图4是表示现有的使用了燃气涡轮机的复合发电系统201的概略结构图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

〈第一实施方式〉

图1是表示本发明的第一实施方式的燃气发动机复合发电系统1的概略结构图。复合发电系统1具有：以可燃气体为燃料的内燃机即燃气发动机2、和将在低温（比水低的温度）沸腾的烃类制冷剂作为工作流体的制冷剂涡轮机3，复合发电系统1通过分别由燃气发动机2以及制冷剂涡轮机3驱动的第一发电机4以及第二发电机5来进行发电，并与输出城市燃气用LNG的LNG基地6并列设置。

对燃气发动机2供给由LNG基地6产生的蒸发气体（以下，称为BOG。）来作为燃料（燃料的至少一部分），燃烧后较高温（在此为410℃）的燃气发动机排气向排热回收用的热交换器11排出。另外，在燃气发动机2中设有未图示的冷却用的发动机套，从该发动机套排出较低温（在此为88℃）的套冷却水。所排出的套冷却水沿图1中箭头所示的方向，在设有冷却水泵12的冷却水循环管线13中循环，并再次供给至发动机套。燃气发动机2的输出通过第一发电机4而转换成电力。

在制冷剂涡轮机3中，作为工作流体而使用甲烷和丙烷的混合制冷剂（在此，甲烷为50～55重量%，丙烷为45～50重量%）。该工作流体在导入制冷剂涡轮机3之前，在热交换器11中被燃气发动机排气加热。在热交换器11中设有由导热管组构成的多个加热单元，能够进行燃气发动机排气与工作流体之间的高效的热交换。由此，成为了规定温度以及压力（在此为103℃、4.9MPaG）的工作流体（气体）导入至制冷剂涡轮机3，通过该工作流体的动能使未图示的涡轮机叶片旋转，其输出通过第二发电机5而转换成电力。

从制冷剂涡轮机3排出的工作流体（在此是温度为﹣5℃且压力为0.4MPaG的气体）沿图1中箭头所示的方向，在制冷剂循环管线21中通过并被输送至冷凝器22。在冷凝器22上连接有来自LNG基地6的输出管23，所导入的LNG（在此，温度为﹣160℃，压力为7.0MPaG，流量为70t/hr）的冷能用于工作流体的冷却。另一方面，工作流体的热能用于将LNG气化。

被冷凝的工作流体临时蓄留在设于制冷剂循环管线21上的循环制冷剂存储槽25中。然后，通过设在制冷剂循环管线21上的制冷剂泵26而升压，升压后的工作流体（在此为﹣128℃、5.0MPaG、99.4t/hr）被输送至制冷剂蒸发器27。在制冷剂蒸发器27上连接有用于导入海水（在此为15℃）的海水导入管28，工作流体通过与海水的热交换而被预加热至套冷却水不会冻结的温度（在此为5℃）。

来自制冷剂蒸发器27的工作流体被输送至制冷剂加热器31，在该制冷剂加热器31中通过与套冷却水（在此为88℃、270t/hr）的热交换而被加热（在此被加热到29℃）。另一方面，套冷却水在制冷剂加热器31中被冷却到能够冷却燃气发动机2的温度（在此为50～80℃）。来自制冷剂加热器31的工作流体被输送至热交换器11，再次被加热的工作流体（103℃、4.9MPaG）被供给至制冷剂涡轮机3。

另外，来自LNG基地6的LNG在从冷凝器22排出后，在输出管23中通过而被输送至LNG加热器32。在LNG加热器32上连接有用于导入海水（在此为15℃）的海水导入管33，工作流体通过与海水的热交换而升温（在此，成为5℃的气体。），被输送至城市燃气管线以作为城市燃气来使用。

在上述燃气发动机2中，BOG的供给量为1.94t/hr（消耗燃料为29600kw），燃气发动机排气的排出量为83.2t/hr。另外，通过第一发动机4所产生的发电量为13500kW，通过制冷剂涡轮机3所产生的发电量为4060kW。另外，复合发电系统1的整体发电效率为59.3%（将辅机电力消耗包括在内的有效发电效率为57.2%），与现有的使用了燃气涡轮机的复合发电系统相比，能够实现较高的发电效率。

在此，作为比较例，在图4中示出使用了燃气涡轮机的现有的复合发电系统201。在该复合发电系统201中，BOG（供给量为2.02t/hr、消耗燃料为30706kW、压力为0.02MPaG）通过可燃气体压缩机202被压缩至21MPaG后导入至燃气涡轮机发电机203中。所排出的燃气涡轮机排气（温度为504℃，流量为136.2t/hr）被导入至排热回收用的排气锅炉204。

在排气锅炉204中，在燃气涡轮机排气与蒸汽之间进行热交换，由此所产生的高压蒸汽（温度为482℃、压力为5.4MPaG、流量为14.6t/hr）被导入至蒸汽涡轮机发电机205。来自蒸汽涡轮机发电机205的排气蒸汽（温度为41℃、压力为0.093MPaG）在凝气器（condenser）206中被冷却，经由凝结水器207、除气器208、高压供水泵209而再次循环至排气锅炉204。此外，导入至凝气器206的冷却水经由空冷冷却塔210进行循环。

在上述现有的复合发电系统201中，通过燃气涡轮机发电机所产生的发电量为9754kW，通过蒸汽涡轮机发电机所产生的发电量为3656kW。另外，复合发电系统201的整体发电效率为47.3%（将辅机电力消耗包含在内的有效发电效率为41.1%）。

这样，在第一实施方式的复合发电系统1中，通过将甲烷和丙烷的混合制冷剂作为工作流体的制冷剂涡轮机3，将燃气发动机排气以及套冷却水作为高热源来利用，另一方面，将LNG气化时的冷能作为低热源来利用，从而通过这种双兰金循环（BinaryRankineCycle）方式来进行发电。由此，有效利用在燃气发动机2的排热中占据较大比重的燃气发动机排气以及套冷却水的热能，从而能够提高排热回收率，进而能够提高复合发电系统1的发电效率。此外，也可以使用水以外的公知的冷却液来代替套冷却水。另外，由于混合制冷剂具有可燃性，所以从系统的安全性观点出发而优选的是，热交换器11中的加热温度为较低温（例如，130℃以下）。

另外，由于构成为，在冷凝器22中使用LNG来将工作流体冷凝，所以，能够在制冷剂的冷却过程中有效利用从LNG基地6等输出的LNG的冷能。而且，由于作为燃气发动机2的可燃气体（或者可燃气体的一部分）而使用BOG，所以不需要如作为城市燃气来使用的情况那样根据LP气体等的混合而进行热量调整，能够有效利用从LNG基地6等产生的BOG，进而，能够在工作流体的冷却过程中有效利用LNG的冷能。

〈第二实施方式〉

图2是表示本发明的第二实施方式的燃气发动机复合发电系统1的概略结构图。在图2中，对与上述第一实施方式同样的构成要素标注了相同的附图标记。另外，在第二实施方式中，除了以下特别说明的事项以外，其他与第一实施方式的情况相同因而省略具体说明。

第二实施方式在使燃气发动机排气与工作流体经由套冷却水而间接进行热交换这点上，与第一实施方式的情况不同。如图2所示，从燃气发动机2排出的套冷却水被输送至热交换器11A，通过与燃气发动机排气的热交换而被加热。然后，套冷却水（在此为150～160℃的加压热水）在冷却水循环管线13中通过而被输送至制冷剂加热器31A，用于工作流体的加热。在制冷剂加热器31A中被冷却的套冷却水通过冷却水泵12而再次被供给至发动机套。另一方面，在制冷剂加热器31A中被加热的工作流体（103℃、4.9MPaG）被供给至制冷剂涡轮机3。

这样，在第二实施方式的复合发电系统1中，成为不使燃气发动机排气与可燃性的工作流体直接进行热交换的结构，由此，具有使系统的安全性提高的优点。

〈第三实施方式〉

图3是表示本发明的第三实施方式的复合发电系统100的概略结构图。在图3中，对与上述第一实施方式相同的构成要素标注相同的附图标记。

复合发电系统100主要具有：将在低温沸腾的烃类制冷剂作为工作流体的制冷剂涡轮机3、和通过该制冷剂涡轮机3而被驱动的发电机4，该复合发电系统100与成为蒸汽和/或温水的排出源的未图示的工厂（例如，石油化工厂）并列设置。

在制冷剂涡轮机3中，作为工作流体使用丙烷单体、或者在丙烷中混合了少量的乙烷和/或丁烷的制冷剂。工作流体在向制冷剂涡轮机3导入之前，在制冷剂加热器131中通过与温水（在此为100℃、24.3Gcal/hr）进行热交换而被加热。作为该温水能够利用从工厂排出的温水（热水）和/或低压的蒸汽。由此，成为了规定的温度以及压力（在此为90℃、3MPaG）的工作流体被导入至制冷剂涡轮机3，通过该工作流体的动能而使未图示的涡轮机叶片旋转，其输出通过发电机4而被转换成电力。

从制冷剂涡轮机3排出的工作流体（在此为20℃、0.5MPaG的气体）沿图3中箭头所示的方向，在制冷剂循环管线121中通过而被输送至冷凝器122。在冷凝器122上连接有来自蒸汽吸收式制冷机41的载冷剂循环管线42，所导入的载冷剂（在此为﹣8℃、21.4Gcal/hr的乙二醇）的冷能用于工作流体的冷却中。在蒸汽吸收式制冷机41中，将工厂排出的低压的蒸汽（例如，0.5～0.7MPaG的饱和蒸汽）用作热源。

在冷凝器122中被冷却的工作流体（2℃）临时蓄留在制冷剂循环管线21上的循环制冷剂存储槽25中。然后，通过制冷剂泵26而升压了的工作流体被输送至制冷剂加热器131，在制冷剂加热器131中再次被加热了的工作流体（90℃、3MPaG）被供给至制冷剂涡轮机3。

在这样的第三实施方式的复合发电系统100中，将从工厂排出的温水作为高热源，并且将对从工厂排出的低压的蒸汽加以利用的载冷剂冷能作为低热源来进行发电，由此，具有不像上述第一、第二实施方式那样需要新燃料（LNG等）的优点。此外，在冷凝器122中，也能够利用工厂的冷水（chillerwater）来代替载冷剂。

另外，在复合发电系统100中，构成为，使用载冷剂来使从制冷剂涡轮机排出的上述制冷剂冷凝，由此，能够实现高效率的发电量。在此，例如考虑如下情况：使导入至制冷剂加热器131的温水以及导入至制冷剂涡轮机3的工作流体为与上述情况相同的条件，而向冷凝器122导入冷却水（25℃、22.6Gcal/hr）来代替载冷剂的情况（现有技术）。该情况下，从制冷剂涡轮机3排出的工作流体的温度为50℃、压力为1.2MPaG，在冷凝器122中被冷却水冷却。被冷却的工作流体（35℃）临时蓄留在制冷剂循环管线21上的循环制冷剂存储槽125中。而且，通过发电机4所产生的发电量与使用本申请发明的载冷剂冷能而冷凝的情况（4000kW）相比，成为较低的值（2500kW）。

基于特定的实施方式说明了本发明，但是，这些实施方式只是例示，本发明并不受这些实施方式限定。例如，在第一、第二实施方式中，示出了作为低热源而利用LNG冷能的示例，但并不限于此，也可以与第三实施方式的情况同样地利用载冷剂冷能等。另外，作为制冷剂涡轮机的工作流体，并不限于上述内容，也能够使用分子量比较小的甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等单体或者由它们中两种以上的混合物构成的烃类制冷剂。在使用混合制冷剂的情况下，烃成分的重量比能够根据所适用的复合发电系统中的高热源以及低热源的温度级别等来设定。此外，上述实施方式所示的本发明的复合发电系统的各构成要素并非全部都是必须的，至少只要不脱离本发明的范围，就能够适当地取舍选择。

附图标记说明

1复合发电系统

2燃气发动机

3制冷剂涡轮机

4第一发电机

5第二发电机

6LNG基地

11热交换器（第二加热器）

11A热交换器（第一加热器）

22冷凝器

31制冷剂加热器（第一加热器）

31A制冷剂加热器（第二加热器）

100复合发电系统

122冷凝器

131制冷剂加热器

Claims (6)

1.一种复合发电系统，其特征在于，具有：

将可燃气体作为燃料的燃气发动机；

通过所述燃气发动机而驱动的第一发电机；

将烃类的制冷剂作为工作流体的制冷剂涡轮机；

通过所述制冷剂涡轮机而驱动的第二发电机；

使用冰点以下的冷源使从所述制冷剂涡轮机排出的所述制冷剂冷凝的冷凝器；

将冷却所述燃气发动机的冷却液作为热源来加热由所述冷凝器冷凝后的所述制冷剂的第一加热器；

将所述燃气发动机的排气作为热源来对由所述第一加热器加热后的所述制冷剂进一步加热的第二加热器；和

预加热装置，在将由所述冷凝器冷凝后的所述制冷剂作为热源来加热所述冷却液之前，所述预加热装置将所述制冷剂加热至不会使所述冷却液冻结的温度，

所述制冷剂涡轮机通过由所述第二加热器加热后的所述制冷剂而驱动。

2.一种复合发电系统，其特征在于，具有：

将可燃气体作为燃料的燃气发动机；

通过所述燃气发动机而驱动的第一发电机；

将烃类的制冷剂作为工作流体的制冷剂涡轮机；

通过所述制冷剂涡轮机而驱动的第二发电机；

使用冰点以下的冷源使从所述制冷剂涡轮机排出的所述制冷剂冷凝的冷凝器；

将所述燃气发动机的排气作为热源来加热所述燃气发动机的冷却液的第一加热器；

将由所述第一加热器加热后的所述冷却液作为热源来加热由所述冷凝器冷凝后的所述制冷剂的第二加热器；和

预加热装置，在将由所述冷凝器冷凝后的所述制冷剂作为热源来加热所述冷却液之前，所述预加热装置将所述制冷剂加热至不会使所述冷却液冻结的温度，

所述制冷剂涡轮机通过由所述第二加热器加热后的所述制冷剂而驱动。

3.根据权利要求1或2所述的复合发电系统，其特征在于，所述冷凝器作为所述冰点以下的冷源而使用液化天然气来使所述制冷剂冷凝。

4.根据权利要求1或2所述的复合发电系统，其特征在于，所述可燃气体为液化天然气的蒸发气体。

5.根据权利要求1或2所述的复合发电系统，其特征在于，所述冷凝器作为所述冰点以下的冷源而使用载冷剂来使所述制冷剂冷凝。

6.根据权利要求1或2所述的复合发电系统，其特征在于，所述制冷剂为甲烷和丙烷的混合剂。