CN104595707A - 一种液化天然气冷量的增益回收利用系统 - Google Patents

一种液化天然气冷量的增益回收利用系统 Download PDF

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Abstract

一种液化天然气冷量的增益回收利用系统，从制冷空间吸收热量用于汽化低温LNG，并在制冷温度与LNG温度间构建动力循环，输出功用于驱动压缩制冷系统，并产生冷量；通过压缩制冷系统中低压低温制冷剂蒸汽的三次液化、三次蒸发，实现LNG冷量的增益输出，这三部分的冷量分别来自于LNG的汽化过程释放冷量；低温天然气再复温过程释放的冷量；LNG与制冷空间温差驱动的动力循环带动的压缩制冷循环输出冷量，本发明适用于LNG消耗规模较小且流量波动、不适宜于动力和冷量综合回收利用的应用场合，仅以冷量作为唯一回收能量的输出形式，具有很强的可行性和较高的效率，有很好的产业化推广的潜力。

Description

一种液化天然气冷量的增益回收利用系统
技术领域
本发明属于制冷节能技术领域，涉及一种液化天然气冷量的增益回收利用系统。
背景技术
液化天然气(LNG)是一种常压贮存于-162℃的低温燃料，其密度是标况下天然气的600多倍，储能密度大大提高，使远距离天然气贸易(如远洋贸易)运输成本大大降低；此外，由于在LNG生产过程中已经对原料天然气进行了除尘、净化、脱硫、脱酸等预处理，因此其燃烧排放性能大大优于煤炭和石油。
LNG是低温燃料，在被燃烧之前都需要被汽化复温到常温，期间大约会释放890kJ/kg的冷量，将这部分冷量回收利用用于空气产品的低温液化、低温橡胶粉碎、制取干冰、或者冷冻冷藏甚至用于空调制冷，将节省传统主动制冷所需要消耗的功；另一方面，如果在LNG与环境之间建立一理想卡诺热机，通过从环境吸热、向低温LNG放热使之汽化复温，可驱动热机输出功量约1040kJ/kg，该输出功即为热力学所谓的冷量火用。实际上可以在LNG与环境之间构建一个实际热力循环，如Rankine循环，用以回收低温LNG所具备的做功能力。目前LNG冷能的回收利用方案多种多样，但通过文献调研发现，现有的方案可分为以下三类：(1)冷量的利用——利用LNG冷能去冷却其它介质，如用于空气液化、低温粉碎、制干冰、冷冻冷藏；(2)冷量火用的利用——LNG的冷能用于驱动热机做功，即动力回收，如有Rankine循环、Brayton循环、联合循环或者LNG的直接膨胀等；(3)冷量与冷量火用的综合回收利用，LNG的冷能部分地用于驱动热机或者膨胀做功，还有一部分被用于冷却其它介质。
上述三类LNG冷能利用方案存在以下问题：(1)第一类，由于只是简单的基于热力学第一定律，通过热量传递进行冷量利用，技术上最简单、可行，但它使LNG所具备的做功能力白白损失；(2)第二类，从热力学角度分析，它回收了LNG的做功能力，因为功的品质比热量要高，所以可以提高系统的热力完善度。然而由于功的回收效率仍比较低，将其作为大型天然气燃气电站的辅助功量尚可，若单独建设LNG冷能动力回收电站，其经济性差；(3)第三类，系统较前两类更为复杂，需要分别配置冷量传输系统和功量驱动发电系统，工程可行性较差。此外，最重要的，由于LNG的冷能利用跟LNG的消耗量密切相关，只有在长期稳定消耗LNG的场合，其冷量利用系统方可稳定地运行，虽然系统相对复杂，但能量利用效率也相对较高。然而，实际情况是，LNG消耗量的大幅度波动(如LNG调峰站、LNG的卫星站、以LNG为燃料的汽车、船舶等等)、LNG汽化站周边安全性的考虑，很难将高效的冷能综合回收利用方案付诸实践；另一方面，对于LNG消耗量相对较小的场合，更不宜于做动力回收。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种液化天然气冷量的增益回收利用系统，可以显著增加系统回收的冷量，对于LNG消耗量低或变负荷工况有很好的适应性。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种液化天然气冷量的增益回收利用系统，包括LNG燃料罐1，LNG燃料罐1的出口经高真空绝热管与流量控制阀V1的入口连接，流量控制阀V1的出口再经高真空绝热管与LNG汽化器HX1的冷流体入口连接，LNG汽化器HX1的冷流体出口和低温天然气复温换热器HX6的冷流体入口连接，低温天然气复温换热器HX6的冷流体出口经燃气复温管道与下游天然气供气管道进口连接；
LNG汽化器HX1的热流体出口经管道与有机工质加压泵P入口连接，有机工质加压泵P出口和回热器HX2的冷流体入口连接，回热器HX2的冷流体出口和低温蒸汽发生器HX3的冷流体入口连接，低温蒸汽发生器HX3的冷流体出口与膨胀机T的入口连接，膨胀机T的出口与回热器HX2的热流体入口连接，回热器HX2的热流体出口和LNG汽化器HX1的热流体入口连接；
膨胀机T通过联轴器与制冷压缩机C连接，制冷压缩机C排气口经管道与冷凝器HX4的热流体入口连接，冷凝器HX4的热流体出口经管道与节流阀V2的入口连接，节流阀V2的出口与第一蒸发器HX5的冷流体入口连接，第一蒸发器HX5的冷流体出口与低温天然气复温换热器HX6的热流体入口连接，低温天然气复温换热器HX6的热流体出口与第二蒸发器HX7的冷流体入口连接，第二蒸发器HX7的冷流体出口经管道与低温蒸汽发生器HX3的热流体入口连接，低温蒸汽发生器HX3热流体出口经管道与第三蒸发器HX8的冷流体入口连接，第三蒸发器HX8的冷流体出口与制冷压缩机C入口连接；
所述冷凝器HX4冷流体入口经管道与风机排气口连接，风机进气口与大气环境连接，冷凝器HX4冷流体出口与大气环境连接；
所述第一蒸发器HX5、第二蒸发器HX7和第三蒸发器HX8的热流体入口和出口分别与制冷空间的循环空气连通；制冷空间的循环空气在风机驱动下流经蒸发器被降温后再送入制冷空间释放冷量。
本发明将冷量作为LNG冷能回收系统的唯一能量输出形式，该冷量包括两部分：一部分是LNG自身汽化复温释放的冷量；另一部分是利用LNG的低温与制冷温度之间的大温差构建动力回收子系统并驱动制冷系统，将回收功量转换成冷量。通过本申请人提出的LNG冷能回收利用系统，可以实现LNG冷量的增益。利用LNG的低温汽化潜热作为低温热源、将制冷空间作为高温热源驱动动力循环做功，并将这部分功用于驱动制冷循环的压缩机，从而将所回收功量转化成制冷量；制冷剂在前述压缩机作用下增压、冷凝、节流后进入蒸发器释放冷量并被汽化，之后再与释放完汽化潜热的低温天然气换热，并被再次在低温下冷凝，然后再进入制冷空间释放冷量并被汽化，最后制冷剂再与动力循环的高压低温液体换热，自身再次被低温冷凝下来，之后再进入制冷空间释放冷量并被汽化，最后汽化的制冷剂被压缩机吸入，进入下一次循环。本发明用于回收LNG的低温冷能用于冷却其它物质，比如用于冷冻冷藏、制干冰等，与以往的LNG冷量利用系统相比，由于增加了由LNG冷能驱动的动力回收系统，并由该回收的动力驱动压缩机制冷，低温LNG的做功能力被回收，并被转化成冷量，因此实现了LNG冷量的增益回收。采用本发明所提出的LNG冷量增益回收利用系统，可显著提高LNG冷量回收系统的冷量输出能力，并且对LNG流量剧烈变化的情况具有较好的适应能力，是一种很具发展前景的冷量回收利用技术。
附图说明
附图为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
参见附图，一种液化天然气冷量的增益回收利用系统，包括LNG燃料罐1，LNG燃料罐1的出口经高真空绝热管与流量控制阀V1的入口连接，流量控制阀V1的出口再经高真空绝热管与LNG汽化器HX1的冷流体入口连接，LNG汽化器HX1的冷流体出口和低温天然气复温换热器HX6的冷流体入口连接，低温天然气复温换热器HX6的冷流体出口经燃气复温管道与下游天然气供气管道进口连接；
LNG汽化器HX1的热流体出口经管道与有机工质加压泵P入口连接，有机工质加压泵P出口和回热器HX2的冷流体入口连接，回热器HX2的冷流体出口和低温蒸汽发生器HX3的冷流体入口连接，低温蒸汽发生器HX3的冷流体出口与膨胀机T的入口连接，膨胀机T的出口与回热器HX2的热流体入口连接，回热器HX2的热流体出口和LNG汽化器HX1的热流体入口连接；
膨胀机T通过联轴器与制冷压缩机C连接，制冷压缩机C排气口经管道与冷凝器HX4的热流体入口连接，冷凝器HX4的热流体出口经管道与节流阀V2的入口连接，节流阀V2的出口与第一蒸发器HX5的冷流体入口连接，第一蒸发器HX5的冷流体出口与低温天然气复温换热器HX6的热流体入口连接，低温天然气复温换热器HX6的热流体出口与第二蒸发器HX7的冷流体入口连接，第二蒸发器HX7的冷流体出口经管道与低温蒸汽发生器HX3的热流体入口连接，低温蒸汽发生器HX3热流体出口经管道与第三蒸发器HX8的冷流体入口连接，第三蒸发器HX8的冷流体出口与制冷压缩机C入口连接；
所述冷凝器HX4冷流体入口经管道与风机排气口连接，风机进气口与大气环境连接，冷凝器HX4冷流体出口与大气环境连接；
所述第一蒸发器HX5、第二蒸发器HX7和第三蒸发器HX8的热流体入口和出口分别与制冷空间的循环空气连通；制冷空间的循环空气在风机驱动下流经蒸发器被降温后再送入制冷空间释放冷量。
本发明的工作原理为：
LNG经流量控制阀V1控制流量后，进入LNG汽化器HX1中被有机工质加热汽化，吸收大量的汽化潜热，之后被汽化的低温天然气再进入低温天然气复温换热器HX6中被从第一蒸发器HX5中排出的制冷剂蒸汽继续加热复温到-20℃，之后在燃气输送管道中进一步升温到环境温度，并被送入下游天然气管道中。
有机工质蒸汽在LNG汽化器HX1中被冷凝成过冷液体后，经有机工质加压泵P增压为高压过冷液体，先进入回热器HX2中被膨胀机排气预热，之后再进入低温蒸汽发生器HX3中吸收从第二蒸发器HX7中排出的制冷剂蒸汽的热量，并被气化成为高压低温蒸汽，随后高压低温蒸汽进入膨胀机T膨胀做功；膨胀机T的排出乏汽进入回热器HX2中放热降温，后进入LNG汽化器HX1中与LNG换热，并被冷却直至完全冷凝成过冷液体，进入下一次循环。
制冷剂被与膨胀机T通过联轴器连接的制冷压缩机C增压到高压，后进入冷凝器HX4中被环境空气冷却并完全冷凝成高压过冷液体，随后再在节流阀V2中降压降温，得到-20℃的低温低压汽液两相混合物，之后再进入第一蒸发器HX5中与被冷却空间的循环空气换热，并被加热汽化成低压蒸汽，同时释放大量冷量；低压气态制冷剂再进入低温天然气复温换热器HX6中被低温天然气冷却直至冷凝成低压液体后，再进入第二蒸发器HX7中与被冷却空间的循环空气换热，并被加热汽化成低压蒸汽，释放冷量后再一次进入低温蒸汽发生器HX3中将低温高压的液态有机工质汽化，而自身被再次冷凝成低压液体，随后进入第三蒸发器HX8中与与被冷却空间的循环空气换热，并被加热汽化成低压蒸汽，释放冷量；最后低压的制冷剂蒸气进入压缩机开始下一次循环。
综上所述，LNG的低温冷能分为做功的能力——火用，和冷却其它介质的能力——冷量两方面。针对于LNG消耗量较小、且流量波动比较大，不适宜于进行动力和冷量综合回收的场合，将冷量作为LNG冷能回收利用系统唯一的能量输出形式，该冷量包括了LNG汽化、复温过程所释放的冷量之外，还有一部分由动力循环驱动制冷系统所产生的冷量，实现了LNG冷量的增益回收。针对不同工况，本系统可以进行多种运行模式，在LNG流量过小时，可以选择单独冷量回收模式；在LNG流量较小时，可以实现冷量的增益输出，提高LNG冷量利用系统的冷量输出能力；在LNG流量较大时，冷量增益效果更明显，冷量输出能力更大。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，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，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (1)

1.一种液化天然气冷量的增益回收利用系统，包括LNG燃料罐(1)，其特征在于：LNG燃料罐(1)的出口经高真空绝热管与流量控制阀(V1)的入口连接，流量控制阀(V1)的出口再经高真空绝热管与LNG汽化器(HX1)的冷流体入口连接，LNG汽化器(HX1)的冷流体出口和低温天然气复温换热器(HX6)的冷流体入口连接，低温天然气复温换热器(HX6)的冷流体出口经燃气复温管道与下游天然气供气管道进口连接；
LNG汽化器(HX1)的热流体出口经管道与有机工质加压泵(P)入口连接，有机工质加压泵(P)出口和回热器(HX2)的冷流体入口连接，回热器(HX2)的冷流体出口和低温蒸汽发生器(HX3)的冷流体入口连接，低温蒸汽发生器(HX3)的冷流体出口与膨胀机(T)的入口连接，膨胀机(T)的出口与回热器(HX2)的热流体入口连接，回热器(HX2)的热流体出口和LNG汽化器(HX1)的热流体入口连接；
膨胀机(T)通过联轴器与制冷压缩机(C)连接，制冷压缩机(C)排气口经管道与冷凝器(HX4)的热流体入口连接，冷凝器(HX4)的热流体出口经管道与节流阀(V2)的入口连接，节流阀(V2)的出口与第一蒸发器(HX5)的冷流体入口连接，第一蒸发器(HX5)的冷流体出口与低温天然气复温换热器(HX6)的热流体入口连接，低温天然气复温换热器(HX6)的热流体出口与第二蒸发器(HX7)的冷流体入口连接，第二蒸发器(HX7)的冷流体出口经管道与低温蒸汽发生器(HX3)的热流体入口连接，低温蒸汽发生器(HX3)热流体出口经管道与第三蒸发器(HX8)的冷流体入口连接，第三蒸发器(HX8)的冷流体出口与制冷压缩机(C)入口连接；
所述冷凝器(HX4)冷流体入口经管道与风机排气口连接，风机进气口与大气环境连接，冷凝器(HX4)冷流体出口与大气环境连接；
所述第一蒸发器(HX5)、第二蒸发器(HX7)和第三蒸发器(HX8)的热流体入口和出口分别与制冷空间的循环空气连通；制冷空间的循环空气在风机驱动下流经蒸发器被降温后再送入制冷空间释放冷量。
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