CN103993920B - 一种利用冷能的海岛供能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用冷能的海岛供能系统，包括：LNG发电系统单元、可再生能源发电和储能单元、低温多效蒸馏海水淡化系统，是一种基于LNG发电机以及风能、太阳能、波浪能等不稳定的可再生能源发电和储能系统组成的联合海岛供能系统，系统余热作为海水淡化单元的热源。在储能过程中，贮存LNG经蓄冷气化转化为高压天然气NG，进入NG储罐和管网系统储存备用；其次，将空气压缩间冷经过蓄冷回收冷能并节流后液化储存。在用电过程中，高压天然气NG吸热升温后进入涡轮膨胀机做功，后进入小型燃气轮机燃烧室与压缩空气燃烧带动燃机涡轮做功；液态空气经过蓄冷和逐步吸热升温进入涡轮膨胀机做功。本供能系统可同时实现岛上电能和淡水供给，并将不稳定的可再生能源转化为稳定可控的发电输出，实现了系统效率提升和用电成本降低，与传统海岛供能系统相比具有巨大优势。

Description

一种利用冷能的海岛供能系统
技术领域
本发明属于可再生能源发电储能和智能能源系统技术领域，具体地是一种基于LNG(液化天然气)发电以及不稳定的可再生能源发电和储能系统组成的高效联合海岛供能系统。
背景技术
蕴含丰富可再生能源的海岛由于远离陆地，与大电网连接的成本和维护费用高昂，一直面临能源/电力短缺问题。近年来，利用可再生能源解决海岛供能短缺问题，促进海岛以及区域经济发展，保护海岛日益脆弱的生态环境，得到全世界工程领域的广泛关注。
现阶段，海岛已有的供能系统主要以常规发电设备为主，以我国战略位置险要、地理纬度最南端的三沙市为例，岛上电力总装机容量为2000kW，分别为岛上政府办公与居民生活用电的西沙水警区1000kW柴油发电机和驻岛部队拥有两台500kW柴油发电机。常规发电设备存在发电量小、成本居高不下、排放存在污染等问题，如果单纯增加发电装机势必影响海岛生态，严重制约海岛经济发展。所以，采用可再生能源发电系统对常规发电系统进行补充或者取代是海岛供能的大势所趋。但是可再生能源提供电力不稳定，随能流大小而变，岛上用户用电也不稳定，所以可再生能源发电系统与小型常规发电设备和储能设备相结合是解决该问题的主要方法，希腊的“克里特岛的可再生能源计划”、西班牙Elhierro岛可再生能源计划和我国担杆岛海岛独立能源系统均试图解决这一问题。
鉴于可再生能源供电系统的不稳定工况，储能已成为海岛供能系统不可或缺的环节。常规蓄电池由于其低能量密度、高维护成本、短使用寿命以及材料污染问题，给海岛供能系统的大规模推广带来了风险。与蓄电池、抽水蓄能、超级电容等蓄能手段相比较，压缩空气储能系统具有储存容量较大、储能周期长、效率高(50％-70％)和无污染的优点，可作为解决海岛可再生能源供电问题的新方向。
为此，本专利采用LNG(液化天然气)发电与可再生能源发电和储能耦合系统，首先天然气NG燃烧排放物的污染物含量很低，其次利用LNG汽化释放的冷能有助于压缩空气的液化，降低液化损失，空气压缩液化储能过程可以把不稳定的可再生能源发电转变为稳定可控电力输出，然后系统产生的余热正好符合海水淡化的余热温度需求，可以作为低温多效海水蒸馏系统的热源。引入可再生能源有利于降低化石燃料消耗，而当可再生能源发电功率较小时，LNG完全可以满足用电需求。最后，LNG相较于柴油有着更低的价格，每吨平均价格为其0.56倍，可最大幅度降低海岛居民用能成本。
发明内容
本发明提出一种以LNG(液化天然气)冷能利用和发电系统为主，以配备压缩空气储能的可再生能源发电和储能系统为辅的海岛供能系统，并添加低温多效蒸馏淡化海水系统以利用燃气轮机尾气余热和压缩余热的低品位热能实现海水淡化。
为实现上述的目的，本发明提供的海岛供能系统的技术方案为：
一种利用冷能的海岛供能系统，包括：LNG发电系统单元、可再生能源发电与储能单元、低温多效蒸馏海水淡化系统，其特征在于，
--所述LNG发电系统单元，包括通过管路依次连接的LNG储罐、低温泵Ⅰ、蓄冷换热器、NG(天然气)储罐、回热器、NG膨胀机和燃气轮机，所述低温泵Ⅰ将LNG从所述LNG储罐引入所述蓄冷换热器，LNG在所述蓄冷换热器中吸收热量后转变为NG后进入所述NG储罐中；所述NG储罐中的NG穿过所述回热器的冷侧升温增压后进入所述NG膨胀机，在所述NG膨胀机中膨胀做功后进入所述燃气轮机的燃烧室并与压缩空气混合后燃烧推动所述燃气轮机做功，所述燃气轮机驱动发电机；
--所述可再生能源发电与储能单元，包括可再生能源发电装置、驱动装置、多级间冷压缩机组、蓄热器Ⅰ、节流阀、液态空气低温储罐、低温泵Ⅱ、蓄热器Ⅱ、空气膨胀机组，所述可再生能源发电装置通过驱动装置连接所述多级间冷压缩机组；所述多级间冷压缩机组中，每一级压缩机产生的压缩空气均通过所述蓄热器Ⅰ释放热量后进入下一级压缩机中进行进一步压缩，最后一级压缩机产生的压缩空气通过所述蓄热器Ⅰ释放热量后进入所述蓄冷换热器进行进一步降温后经节流阀导入所述液态空气低温储罐；所述液态空气低温储罐的底部设置液态空气排出口，所述液态空气排出口通过管线依次与所述低温泵Ⅱ、所述蓄冷换热器、蓄热器Ⅱ、空气膨胀机组连接，所述液态空气排出口处设置控制阀门，所述空气膨胀机组带动另一发电机工作；
--所述低温多效蒸馏海水淡化子系统，包括多级串联的闪蒸器、一冷凝器和淡水池，所述燃气轮机的尾气穿过所述回热器的热侧后通入所述蓄热器Ⅱ释放热量，之后经管路通入所述蓄热器Ⅰ吸收热量，之后通入所述多级串联的闪蒸器中的第一级闪蒸器的蒸发管释放热量后排入大气；所述多级串联的闪蒸器中，上一级产生的水蒸汽通入下一级的蒸发管中，最后一级闪蒸器产生的水蒸汽通入所述冷凝器的热侧后与通入该冷凝器冷侧的海水换热后通入所述淡水池，最后一级闪蒸器的蒸发管中的水蒸汽通入淡水闪蒸罐。
本发明的海岛供能系统包括储能和用电两个工作过程：在储能过程中，贮存LNG首先经过所述低温泵Ⅰ加压后进入蓄冷换热器释放冷量并气化成为高压天然气NG，进入NG储罐和管网系统储存备用；其次，利用所述可再生能源发电单元的多级间冷压缩机组将可再生能源发电装置产生的电力转化为高压空气，并通过所述蓄热器Ⅰ将压缩热存储，冷却后的高压空气经所述蓄冷换热器吸收LNG冷能和液态空气气化蓄冷的冷量，再经过节流阀将高压空气液化并在常压或带压液态空气储罐中储存。
优选地，所述可再生能源发电装置利用风能、太阳能、潮汐能或波浪能等不稳定的可再生能源发电。
进一步地，所述可再生能源发电单元同时配备容量比例较小的电池组以提高系统负荷适应能力，并优化系统投资成本。
进一步地，本发明的海岛供能系统在用电过程中，高压天然气NG经过所述回热器吸热升温后首先进入NG涡轮膨胀机做功，后进入所述燃气轮机燃烧室与压缩空气燃烧带动燃机涡轮做功，共同驱动发电机产生电能，回热器所排放燃气进入所述蓄热器Ⅱ继续释放热能；打开所述控制阀门，所述液态空气低温储罐中的液态空气经过所述低温泵Ⅱ加压后首先进入所述蓄冷换热器释放、储存冷量，然后经过所述蓄热器Ⅱ逐步吸热升温进入所述空气涡轮膨胀机做功，输出电力。
在储能与用电过程中，利用蓄热器Ⅰ所储存压缩热能和蓄热器Ⅱ所排低温燃气热能进入所述低温多效蒸馏海水淡化系统，实现岛上淡水补给。
优选地，所述燃气轮机为小型燃气轮机，可为带回热、分级压缩中间冷却形式的燃气轮机。
优选地，所述可再生发电装置是指风力发电、太阳能发电或潮汐发电的一种或多种装置的复合。
优选地，所述压缩、冷却过程中还包括空气的净化，除去空气中的固体物，其净化装置为过滤器。即所述多级间冷压缩机组的第一级压缩机的进气口处设置空气过滤器。
优选地，所述多级间冷压缩机组连接方式可为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；各级压缩机排气均经过蓄热器。
优选地，所述LNG发电系统单元的发电量调节可由调节高压天然气NG流量来实现，所述可再生能源发电单元的发电量调节可由调节液态空气流量来实现，满足海岛不稳定用电需求。
优选地，所述低温储罐中的液态空气亦可作为岛上应急制氧、制氮原料。
优选地，由低温泵Ⅱ所抽取的液态空气可作为中央空调的制冷剂，从而提供冷能，降低岛上用电负荷。
因此，本发明提供的一种利用冷能的海岛供能系统的解决方案，包括：
LNG储存；
NG储存；
贮存NG发电装置；
可再生能源发电装置；
利用该装置和LNG汽化生产液态空气；
储存所生产液态空气；
利用LNG发电产生高温燃气膨胀该液态空气；
回收并贮存该膨胀过程冷能；
使用该膨胀空气驱动涡轮机；
采用压缩余热和低温燃气余热进行海水淡化。
液化空气气化后是直接膨胀做功的，而不是进入燃气轮机燃烧室作为氧化剂。
根据本发明实施例，液态空气的生产也可利用现阶段技术成熟并被广泛用于工业的空气液化设备，实现在能源过剩时多生产液态空气以储能。
本发明提供了海岛供能系统，可由LNG发电系统和可再生可再生能源发电系统实现电能供给；利用压缩热和低温燃气可由低温多效蒸馏海水淡化系统实现淡水供给。
具体地，该海岛供能系统中可再生能源发电与储能装置。储能与释能(发电)过程可不同时运行。当用电低谷时，可由LNG发电系统单独供电，而可再生能源发电系统主要提供动力生产压缩空气，并吸收LNG释放冷能后制备液化空气；当用电高峰时，可再生能源发电系统中的液化空气可由低温泵加压进入蓄冷器释放冷能，并经过蓄热器2加热升温后进入空气膨胀机做功发电。
本发明海岛供能系统与现有常规发电供能系统相比具有以下的优点：本发明用于降低海岛供能成本与降低污染排放的利用技术和系统。本发明用于海岛淡水供给，冷能和热能的储存与供给的技术和系统。能源利用符合能量梯级利用原则。LNG冷能利用、压缩热能利用、液化空气冷能利用以及NG燃烧尾气热能利用，使该供能系统能量利用率达到最大。实现可再生能源的持续稳定发电。将受天气、环境所影响的可再生能源转化为稳定的液态空气以此实现电能的持续、稳定输出，并保证较高的转化效率，经济性好。低污染海岛供能系统。与传统柴油发电设备相比，LNG发电设备排放物无污染、低噪音、经济性能好等优点，在配合可再生能源发电系统，可实现供能系统对海岛环境的无伤害。本发明所述海岛供能系统，具有各启动与停止简单和可靠，各子系统独立性强，灵活性好，可便于安装、维护以及极端海洋恶略条件下的转移。
附图说明
图1是本发明实施例的系统图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种利用冷能的海岛供能系统，包括：LNG发电系统单元、可再生能源发电与储能单元、低温多效蒸馏海水淡化系统。
所述LNG发电系统单元，包括通过管路依次连接的LNG储罐1、低温泵Ⅰ2、蓄冷换热器3、NG(天然气)储罐4、回热器5、NG膨胀机6和燃气轮机7，所述低温泵Ⅰ2将LNG从所述LNG储罐1引入所述蓄冷换热器3，LNG在所述蓄冷换热器3中吸收热量后转变为NG后进入所述NG储罐4中；所述NG储罐4中的NG穿过所述回热器5的冷侧升温增压后进入所述NG膨胀机6，在所述NG膨胀机6中膨胀做功后进入所述燃气轮机7的燃烧室71并与压缩空气混合后燃烧推动所述燃气轮机7做功，所述燃气轮机7驱动发电机8；
--所述可再生能源发电与储能单元，包括可再生能源发电装置11、驱动装置12、多级间冷压缩机组13、蓄热器Ⅰ14、节流阀15、液态空气低温储罐16、低温泵Ⅱ17、蓄热器Ⅱ18、空气膨胀机组19，所述可再生能源发电装置11通过驱动装置12连接所述多级间冷压缩机组13；所述多级间冷压缩机组13中，每一级压缩机产生的压缩空气均通过所述蓄热器Ⅰ14释放热量后进入下一级压缩机中进行进一步压缩，最后一级压缩机产生的压缩空气通过所述蓄热器Ⅰ14释放热量后进入所述蓄冷换热器3进行进一步降温后经节流阀15导入所述液态空气低温储罐16；所述液态空气低温储罐16的底部设置液态空气排出口，所述液态空气排出口通过管线依次与所述低温泵Ⅱ17、所述蓄冷换热器3、蓄热器Ⅱ18、空气膨胀机组19连接，所述液态空气排出口处设置控制阀门，所述空气膨胀机组19带动另一发电机工作；
--所述低温多效蒸馏海水淡化子系统，包括多级串联的闪蒸器21、一冷凝器22和淡水池23，所述燃气轮机7的尾气穿过所述回热器5的热侧后通入所述蓄热器Ⅱ18释放热量，之后经管路通入所述蓄热器Ⅰ14吸收热量，之后通入所述多级串联的闪蒸器21中的第一级闪蒸器的蒸发管释放热量后排入大气；所述多级串联的闪蒸器21中，上一级产生的水蒸汽通入下一级的蒸发管中，最后一级闪蒸器产生的水蒸汽通入所述冷凝器22的热侧后与通入该冷凝器22冷侧的海水换热后通入所述淡水池23，最后一级闪蒸器的蒸发管中的水蒸汽通入淡水闪蒸罐24。
本发明的海岛供能系统包括储能和用电两个工作过程：在储能过程中，贮存LNG首先经过所述低温泵Ⅰ2加压后进入蓄冷换热器3释放冷量并气化成为高压天然气NG，进入NG储罐4和管网系统储存备用；其次，利用所述可再生能源发电单元的多级间冷压缩机组13将可再生能源发电装置产生的电力转化为高压空气，并通过所述蓄热器Ⅰ14将压缩热存储，冷却后的高压空气经所述蓄冷换热器3吸收LNG冷能和液态空气的冷量，再经过节流阀15将高压空气液化并在常压或带压液态空气储罐16中储存。
优选地，所述可再生能源发电装置22利用风能、太阳能或波浪能等不稳定的可再生能源发电。
进一步地，所述可再生能源发电单元同时配备容量比例较小的电池组以提高系统负荷适应能力，并优化系统投资成本。
进一步地，本发明的海岛供能系统在用电过程中，高压天然气NG经过所述回热器5吸热升温后首先进入NG涡轮膨胀机6做功，后进入所述燃气轮机燃烧室71与压缩空气燃烧带动燃机涡轮7做功，共同驱动发电机8产生电能，回热器5所排放燃气进入所述蓄热器Ⅱ18继续释放热能；打开所述控制阀门，所述液态空气低温储罐16中的液态空气经过所述低温泵Ⅱ17加压后首先进入所述蓄冷换热器3释放、储存冷量，然后经过所述蓄热器Ⅱ18逐步吸热升温进入所述空气涡轮膨胀机19做功，输出电力。
在储能与用电过程中，利用蓄热器Ⅰ14所储存压缩热能和蓄热器Ⅱ18所排低温燃气热能进入所述低温多效蒸馏海水淡化系统，实现岛上淡水补给。
优选地，所述燃气轮机7为小型燃气轮机，可为带回热、分级压缩中间冷却形式的燃气轮机。
优选地，所述可再生发电装置11是指风力发电、太阳能发电或潮汐发电的一种或多种装置的复合。
优选地，所述压缩、冷却过程中还包括空气的净化，除去空气中的固体物，其净化装置为过滤器。即所述多级间冷压缩机组的第一级压缩机的进气口处设置空气过滤器。
优选地，所述多级间冷压缩机组连接方式可为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；各级压缩机排气均经过蓄热器1。
优选地，所述LNG发电系统单元的发电量调节可由调节高压天然气NG流量来实现，所述可再生能源发电单元的发电量调节可由调节液态空气流量来实现，满足海岛不稳定用电需求。
优选地，所述低温储罐中的液态空气亦可作为岛上应急制氧、制氮原料。
优选地，由低温泵Ⅱ所抽取的液态空气可作为中央空调的制冷剂，从而提供冷能，降低岛上用电负荷。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种海岛供能系统，包括：LNG发电系统单元、可再生能源发电与储能单元、低温多效蒸馏海水淡化系统，其特征在于，
--所述LNG发电系统单元，包括通过管路依次连接的LNG储罐、低温泵Ⅰ、蓄冷换热器、NG储罐、回热器、NG膨胀机和燃气轮机，所述低温泵Ⅰ将LNG从所述LNG储罐引入所述蓄冷换热器，LNG在所述蓄冷换热器中吸收热量后转变为NG后进入所述NG储罐中；所述NG储罐中的NG穿过所述回热器的冷侧升温增压后进入所述NG膨胀机，在所述NG膨胀机中膨胀做功后进入所述燃气轮机的燃烧室并与压缩空气混合后燃烧推动所述燃气轮机做功，所述燃气轮机驱动发电机；
--所述可再生能源发电与储能单元，包括可再生能源发电装置、驱动装置、多级间冷压缩机组、蓄热器Ⅰ、节流阀、液态空气低温储罐、低温泵Ⅱ、蓄热器Ⅱ、空气膨胀机组，所述可再生能源发电装置通过驱动装置连接所述多级间冷压缩机组；所述多级间冷压缩机组中，每一级压缩机产生的压缩空气均通过所述蓄热器Ⅰ释放热量后进入下一级压缩机中进行进一步压缩，最后一级压缩机产生的压缩空气通过所述蓄热器Ⅰ释放热量后进入所述蓄冷换热器进行进一步降温后经节流阀导入所述液态空气低温储罐；所述液态空气低温储罐的底部设置液态空气排出口，所述液态空气排出口通过管线依次与所述低温泵Ⅱ、所述蓄冷换热器、蓄热器Ⅱ、空气膨胀机组连接，所述液态空气排出口处设置控制阀门，所述空气膨胀机组带动另一发电机工作；
--所述低温多效蒸馏海水淡化系统，包括多级串联的闪蒸器、冷凝器、淡水闪蒸罐、浓盐水收集器、淡水泵和淡水池，所述燃气轮机的尾气穿过所述回热器的热侧后通入所述蓄热器Ⅱ进一步释放高温热量，之后经管路直接通入或先通入所述蓄热器Ⅰ吸收热量后再通入所述多级串联的闪蒸器中的第一级闪蒸器的蒸发管释放热量后排入大气；所述多级串联的闪蒸器中，低压海水闪蒸生成淡水蒸气进入下一级闪蒸器的蒸发管作为热源，使该下一级闪蒸器中压力更低的海水闪蒸，同时蒸发管内水蒸气放热凝结进入淡水闪蒸罐汇集淡水，闪蒸的淡水蒸气汇合进入下下一级闪蒸器的蒸发管，海水闪蒸后的浓盐水进入浓盐水收集器汇集；所述多级串联的闪蒸器中，上一级产生的水蒸汽通入下一级的蒸发管中，最后一级闪蒸器产生的水蒸汽通入所述冷凝器的热侧后与通入该冷凝器冷侧的海水换热后通入所述淡水池，最后一级闪蒸器的蒸发管中的水蒸汽通入淡水闪蒸罐，经淡水泵汇合后进入淡水池；
所述可再生能源发电与储能单元同时配备容量比例较小的电池组以提高系统负荷适应能力，并优化系统投资成本。
2.根据权利要求1所述的海岛供能系统，其特征在于，所述可再生能源发电装置利用风能、太阳能、波浪能或潮汐能发电。
3.根据权利要求1所述的海岛供能系统，其特征在于，所述海岛供能系统包括储能和用电两个工作过程：在储能过程中，贮存LNG首先经过所述低温泵Ⅰ加压后进入蓄冷换热器释放冷量并气化成为高压NG，进入NG储罐和管网系统储存备用；其次，利用所述可再生能源发电与储能单元的多级间冷压缩机组将可再生能源发电装置产生的电力转化为高压空气，并通过所述蓄热器Ⅰ将压缩热存储，冷却后的高压空气经所述蓄冷换热器吸收LNG冷能和液态空气的冷量，再经过节流阀将高压空气液化并在常压或带压液态空气低温储罐中储存。
4.根据权利要求1所述的海岛供能系统，其特征在于，所述海岛供能系统在用电过程中，高压NG经过所述回热器吸热升温后首先进入NG膨胀机做功，后进入所述燃气轮机燃烧室与压缩空气燃烧带动燃气轮机做功，共同驱动发电机产生电能，回热器所排放燃气进入所述蓄热器Ⅱ继续释放热能；打开所述控制阀门，所述液态空气低温储罐中的液态空气经过所述低温泵Ⅱ加压后首先进入所述蓄冷换热器释放所储存的冷量，然后经过所述蓄热器Ⅱ逐步吸热升温进入所述空气膨胀机组做功，输出电力。
5.根据权利要求1所述的海岛供能系统，其特征在于，所述燃气轮机为小型燃气轮机，为带回热和分级压缩中间冷却形式的燃气轮机。
6.根据权利要求1所述的海岛供能系统，其特征在于，所述多级间冷压缩机组的第一级压缩机的进气口处设置空气过滤器。
7.根据权利要求1所述的海岛供能系统，其特征在于，所述多级间冷压缩机组连接方式可为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；各级压缩机排气均经过蓄热器Ⅰ。
8.根据权利要求1所述的海岛供能系统，其特征在于，所述LNG发电系统单元的发电量调节可由调节高压NG流量来实现，所述可再生能源发电与储能单元的发电量调节可由调节液态空气流量来实现。
9.根据权利要求1所述的海岛供能系统，其特征在于，所述液态空气低温储罐中的液态空气亦可作为岛上应急制氧或制氮原料，由低温泵Ⅱ所抽取的液态空气可作为中央空调的制冷剂，从而提供冷能，降低岛上空调用电负荷。
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