CN104728063A - 一种太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统及其方法，系统包括太阳能单元、液化天然气单元和有机朗肯循环发电单元，所述太阳能单元通过第一换热器与所述有机朗肯循环发电单元耦合，所述液化天然气单元通过第二换热器、第三换热器与所述有机朗肯循环发电单元耦合。本发明通过将太阳能、液化天然气与有机郎肯循环发电相结合，充分利用了可再生能源、液化天然气的冷能及其气化过程中产生的压能，节省了为气化液化天然气所需要消耗的能量，同时有效回收利用了天然气燃烧后废气中的余热，具有高效、节能的优点。

Description

一种太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统及其方法

技术领域

本发明涉及能源利用领域，具体涉及一种太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统及其方法。

背景技术

随着全球经济的快速发展，一方面人们对能源的需求容量越来越大，另一方面对环境改善的要求也越来越迫切。如何在保证满足需求容量的前提下高效利用化石能源，尽可能地提高可再生能源的利用率，以及在此前提下如何尽量节约能源，是全球范围内的焦点之一。

中国每年都需要进口大量的液化天然气，尤其近年来对天然气进口的依赖程度越来越高，而液化天然气中蕴含的巨大冷能、天然气汽化过程中存在大量的余压、燃气燃烧发电过程中烟气携带有大量余热，即使在依赖进口的前提下，上述余压、余热和冷能目前主要是利用冷能进行空气分离、制造干冰、制冷及低温粉碎，并没有得到人们的足够重视，此外太阳能作为一种持久的我国普遍存在且可开发储量非常大的可再生能源，其利用程度还有很可观的提高空间。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统及其方法，旨在有效提高一次能源的利用率。

本发明采用的技术方案具体为：

一种太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统，包括太阳能单元、液化天然气单元和有机朗肯循环发电单元，所述太阳能单元通过第一换热器与所述有机朗肯循环发电单元耦合，所述液化天然气单元通过第二换热器、第三换热器与所述有机朗肯循环发电单元耦合。

在上述太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统中，所述太阳能单元包括储热罐、第一阀门组件、太阳能集热器和第一换热器，所述储热罐通过所述第一阀门组件与所述太阳能集热器相连接，所述太阳能集热器通过所述第一换热器连接至所述储热罐。

在上述太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统中，所述第一阀门组件包括第一阀门、第一阀门组和第三阀门，所述第一阀门组包括第四阀门和第二阀门，所述储热罐与所述第一阀门相连接，所述第一阀门经所述第一阀门组、所述第三阀门分别与所述太阳能集热器相连接；还包括循环泵，所述储热罐经循环泵与所述第四阀门和所述第二阀门分别相连接。

在上述太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统中，所述液化天然气单元包括液化天然气罐、液化天然气泵、第一膨胀机、冷水机组、增压式燃气透平、第二阀门组件、第一换热器组件和余热回收装置；其中：所述第二阀门组件包括稳压阀和第五阀门；所述第一换热器组件包括第二换热器、第三换热器和第四换热器；所述液化天然气罐经所述液化天然气泵与所述第二换热器相连接，所述第二换热器通过稳压阀连接至所述液化天然气罐，所述第二换热器与所述第一膨胀机相连接；所述第一膨胀机通过所述第五阀门与所述冷水机组相连接，所述冷水机组经所述第三换热器与所述增压式燃气透平相连接；所述增压式燃气透平经所述第四换热器与所述余热回收装置相连接。

在上述太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统中，还包括第六阀门，所述第六阀门的第一端设于所述第一膨胀机和所述第五阀门之间，所述第六阀门的第二端设于所述冷水机组和所述第三换热器之间。

在上述太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统中，所述有机朗肯循环发电单元包括第二换热器组件、第二膨胀机以及工质泵，所述第二换热器组件包括第一换热器、第二换热器和第四换热器，所述第一换热器、所述第四换热器、所述第二膨胀机、所述、第二换热器和工质泵依次形成回路。

一种太阳能辅助的液化天然气电热冷联供方法，包括太阳能单元的储热步骤、液化天然气单元的发电步骤以及有机朗肯循环发电单元的换热步骤，所述储热步骤通过第一换热器与所述换热步骤耦合，所述发电步骤通过第二换热器、第三换热器分别与所述换热步骤耦合。

在上述太阳能辅助的液化天然气电热冷联供方法中，所述储热步骤为：

当太阳能集热器输出的热量大于等于第一换热器所需要的热量时，关闭第四阀门、开启第二阀门、第三阀门，通过调节第一阀门的开度使循环泵抽取储热罐中的传热工质，抽取的传热工质经过第二阀门进入太阳能集热器，进入太阳能集热器的传热工质被加热至设定值后，经第三阀门分为两路返回储热罐：一路经第一换热器返回储热罐，另一路经第一阀门直接返回储热罐；当太阳能集热器输出的热量小于第一换热器所需要的热量时，关闭第一阀门、第二阀门和第三阀门，开启第四阀门，循环泵抽取储热罐中的传热工质经第四阀门送入第一换热器中进行换热，换热后的传热工质返回储热罐。

在上述太阳能辅助的液化天然气电热冷联供方法中，所述发电步骤为：液化天然气储罐内的液化天然气经液化天然气泵升压后送入第二换热器，在第二换热器内汽化为高压气态天然气，汽化后的高压气态天然气分为两路：一路进入第一膨胀机组进行膨胀发电，另一路通过稳压阀返回至液化天然气罐；进行膨胀发电的高压气态天然气从第一膨胀机组出来后进入第三换热器与空气换热，换热后的气态天然气以及冷却空气分别进入增压式燃气透平进行燃烧发电，发电后产生的高温烟气经第三换热器进行换热降温后进入余热回收装置；其中：进行膨胀发电的高压气态天然气从第一膨胀机组出来后进入第三换热器的方式包括：

在用冷量大于等于设定值的情况下，开启第五阀门、关闭第六阀门，高压气态天然气依次经第五阀门、冷水机组进入第三换热器与空气换热；在用冷量小于设定值的情况下，开启第六阀门、关闭第五阀门，高压气态天然气经第六阀门直接进入第三换热器与空气换热。

在上述太阳能辅助的液化天然气电热冷联供方法中，所述换热步骤为：

液态有机工质经工质泵升压后进入第一换热器，在第一换热器中进行换热，液态有机工质被加热至饱和气态后进入第三换热器中进行换热进一步被加热成过热蒸汽，过热蒸汽进入第二膨胀机中用于膨胀发电，发电之后转化为低压过热蒸汽，低压过热蒸汽进入第二换热器中进行换热后冷凝为液态有机工质，液态有机工质返回至工质泵，形成连续的上述发电循环。

本发明产生的有益效果是：

本发明的太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统通过高效利用太阳能、液化天然气的冷能、气化压能、燃烧热能，进行发电、供冷和供热，有效提高了一次能源的利用率；

首先将太阳能与储热罐相结合形成连续的太阳能加热系统，然后将液化天然气气化系统与太阳能利用系统和有机朗肯循环发电系统结合起来，利用液化天然气气化冷却有机朗肯循环发电系统的冷凝器，利用气化余压驱动膨胀机组发电，利用膨胀后的天然气携带的冷能生产冷冻水驱动制冷空调系统、冷却增压式燃气透平进口的空气提高发电效率，利用燃气燃烧发电产生的烟气进一步加热有机朗肯循环发电系统的气态工质提高过热度，剩余烟气余热驱动余热回收装置(如使余热锅炉生产热水)，回收烟气的显热和潜热；

本发明的联供系统不仅提高了太阳能利用率，也充分利用了液化天然气的冷能及利用过程中产生的余压和余热，实现了高效的电、热、冷的三联供，很大程度地节约了化石能源；此外该联供系统操作方便，制造成本低，尤其适用于具有太阳能资源相对丰富前提的液化天然气接收站。

附图说明

当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一种太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统的结构示意图。

图中：

1、储热罐  2、第一阀门  3、循环泵  4、第二阀门  5、太阳能集热器  6、第三阀门  7、第一换热器  8、第四阀门  9、液化天然气罐  10、液化天然气泵  11、第二换热器  12、第一膨胀机  13、冷水机组  14、第三换热器  15、增压式燃气透平  16、第四换热器17、余热锅炉  18、第二膨胀机  19、工质泵  20、稳压阀  21、第五阀门  22、第六阀门。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

如图1所示的一种太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统，包括太阳能单元、液化天然气单元和有机朗肯循环发电单元，所述太阳能单元通过第一换热器7与所述有机朗肯循环发电单元耦合，所述液化天然气单元通过第二换热器11、第三换热器16与所述有机朗肯循环发电单元耦合；其中：

太阳能单元包括储热罐1、阀门(2、4、6、8)、循环泵3、太阳能集热器5、第一换热器7、以及相应的管道；太阳能单元的工作流程为：

当太阳能集热器5输出的热量大于等于第一换热器7所需要的热量时，关闭第四阀门8、开启阀门(4、6)，通过调节第一阀门2的开度使循环泵3抽取储热罐1中的传热工质，抽取的传热工质经过第二阀门4进入太阳能集热器5，进入太阳能集热器5的传热工质被加热到200-350℃后，经第三阀门6分为两部分：一部分传热工质进入第一换热器7进行换热降温后返回储热罐1，另一部分传热工质经第一阀门2直接返回储热罐1；

当太阳能集热器5输出的热量低于第一换热器7所需要的热量时，关闭阀门(2、4、6)，开启第四阀门8，循环泵3抽取储热罐1中的传热工质，经第四阀门8送入第一换热器7中进行换热，经第一换热器7换热降温后的传热工质返回储热罐1。

液化天然气单元包括液化天然气罐9、液化天然气泵10、第二换热器(11、14、16)、第一膨胀机12、冷水机组13、增压式燃气透平15、余热锅炉17、稳压阀、阀门(20、21、22)以及相应的管道；液化天然气单元的工作流程为：

液化天然气泵10从液化天然气储罐9中抽出液化天然气，将液化天然气的压力提高至1-8MPa后送入第二换热器11汽化为高压气态天然气，将液化天然气汽化为高压气态天然气的过程中，第二换热器11中的高温、高压有机工质蒸汽凝结为液体并过冷至0℃以下，汽化后的高压气态天然气分为两路：

大部分的气态天然气进入第一膨胀机组12进行膨胀发电、降温以及降压，另一部分则通过稳压阀20返回至液化天然气罐9，用于维持罐内压力；

其中对于用于进行膨胀发电、降温以及降压的这部分天然气而言，从第一膨胀机组12出来后经第五阀门21和第六阀门22分别进入冷水机组13产生1-10℃的冷冻水，该气态天然气进一步进入第三换热器14与空气换热，换热后的气态天然气自身温度升高，并将空气温度降低至0℃以下，温度升高后的气态天然气以及冷却空气分别进入增压式燃气透平15进行燃烧发电，发电后产生的高温烟气进入第三换热器16进行换热，加热第三换热器16内的有机工质后烟气的温度降低，温度降低的烟气进入余热回收装置，如：余热锅炉17用于加热生产供热回水，直至使烟气温度降低至40℃后排入大气环境。

关于第一膨胀机组12出来后经第五阀门21和第六阀门22分别进入冷水机组13的结构中：

在需要较大量空调用冷的情况下(如夏季)，第五阀门21全开、第六阀门22完全切断，在冬季空调系统不需要冷量的情况下，第六阀门22全开、第五阀门21完全切断。

有机朗肯循环发电单元包括第二换热器组件、第二膨胀机18以及工质泵19，所述第二换热器组件包括第一换热器7、第二换热器11和第四换热器16，所述第一换热器7、所述第四换热器16、所述第二膨胀机18、所述、第二换热器11和工质泵19依次形成回路。

有机朗肯循环发电单元包括第一换热器7、第二换热器11、第四换热器16、第二膨胀机18、工质泵19以及相应的管道；有机朗肯循环发电子系统的工作流程为：

液态有机工质经工质泵19升压后进入第一换热器7，在第一换热器7中进行换热，被加热至饱和气态后进入第三换热器16中进行换热，进一步被加热成过热蒸汽，过热蒸汽进入第二膨胀机18中用于膨胀发电，发电之后的气态有机工质进入第二换热器11中进行换热，冷凝为液态有机工质，液态有机工质返回至工质泵19，形成连续的上述发电循环。

作为一种优选，第二换热器11采用板式换热器，作为冷凝器的第一膨胀机组12则采用离心式透平膨胀机，第一换热器7采用板式换热器，作为蒸发器的第三换热器16采用板式换热器，作为过热器的太阳能集热器5采用低倍聚光线性菲涅尔太阳能集热器，传热工质采用导热油。采用按照上述配置形成的联供系统，对于液化天然气潜能的利用率最高可以达到99％，而且太阳能可实现全天加热，有机朗肯循环发电单元的发电效率可达20％左右。

以上结合附图对本发明的实施例进行了详细地说明，此处的附图是用来提供对本发明的进一步理解。显然，以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何对本领域的技术人员来说是可轻易想到的、实质上没有脱离本发明的变化或替换，也均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统，其特征在于，包括太阳能单元、液化天然气单元和有机朗肯循环发电单元，所述太阳能单元通过第一换热器与所述有机朗肯循环发电单元耦合，所述液化天然气单元通过第二换热器、第三换热器与所述有机朗肯循环发电单元耦合。

2.根据权利要求1所述的太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统，其特征在于，所述太阳能单元包括储热罐、第一阀门组件、太阳能集热器和第一换热器，所述储热罐通过所述第一阀门组件与所述太阳能集热器相连接，所述太阳能集热器通过所述第一换热器连接至所述储热罐。

3.根据权利要求2所述的太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统，其特征在于，所述第一阀门组件包括第一阀门、第一阀门组和第三阀门，所述第一阀门组包括第四阀门和第二阀门，所述储热罐与所述第一阀门相连接，所述第一阀门经所述第一阀门组、所述第三阀门分别与所述太阳能集热器相连接；还包括循环泵，所述储热罐经循环泵与所述第四阀门和所述第二阀门分别相连接。

4.根据权利要求1所述的太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统，其特征在于，所述液化天然气单元包括液化天然气罐、液化天然气泵、第一膨胀机、冷水机组、增压式燃气透平、第二阀门组件、第一换热器组件和余热回收装置；其中：

所述第二阀门组件包括稳压阀和第五阀门；

所述第一换热器组件包括第二换热器、第三换热器和第四换热器；

所述液化天然气罐经所述液化天然气泵与所述第二换热器相连接，所述第二换热器通过稳压阀连接至所述液化天然气罐，所述第二换热器与所述第一膨胀机相连接；

所述第一膨胀机通过所述第五阀门与所述冷水机组相连接，所述冷水机组经所述第三换热器与所述增压式燃气透平相连接；

所述增压式燃气透平经所述第四换热器与所述余热回收装置相连接。

5.根据权利要求1所述的太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统，其特征在于，还包括第六阀门，所述第六阀门的第一端设于所述第一膨胀机和所述第五阀门之间，所述第六阀门的第二端设于所述冷水机组和所述第三换热器之间。

6.根据权利要求1所述的太阳能辅助的液化天然气电热冷联供系统，其特征在于，所述有机朗肯循环发电单元包括第二换热器组件、第二膨胀机以及工质泵，所述第二换热器组件包括第一换热器、第二换热器和第四换热器，所述第一换热器、所述第四换热器、所述第二膨胀机、所述、第二换热器和工质泵依次形成回路。

7.一种太阳能辅助的液化天然气电热冷联供方法，其特征在于，包括太阳能单元的储热步骤、液化天然气单元的发电步骤以及有机朗肯循环发电单元的换热步骤，所述储热步骤通过第一换热器与所述换热步骤耦合，所述发电步骤通过第二换热器、第三换热器分别与所述换热步骤耦合。

8.根据权利要求7所述的太阳能辅助的液化天然气电热冷联供方法，其特征在于，所述储热步骤为：

当太阳能集热器输出的热量大于等于第一换热器所需要的热量时，关闭第四阀门、开启第二阀门、第三阀门，通过调节第一阀门的开度使循环泵抽取储热罐中的传热工质，抽取的传热工质经过第二阀门进入太阳能集热器，进入太阳能集热器的传热工质被加热至设定值后，经第三阀门分为两路返回储热罐：一路经第一换热器返回储热罐，另一路经第一阀门直接返回储热罐；

当太阳能集热器输出的热量小于第一换热器所需要的热量时，关闭第一阀门、第二阀门和第三阀门，开启第四阀门，循环泵抽取储热罐中的传热工质经第四阀门送入第一换热器中进行换热，换热后的传热工质返回储热罐。

9.根据权利要求7所述的太阳能辅助的液化天然气电热冷联供方法，其特征在于，所述发电步骤为：

液化天然气储罐内的液化天然气经液化天然气泵升压后送入第二换热器，在第二换热器内汽化为高压气态天然气，汽化后的高压气态天然气分为两路：一路进入第一膨胀机组进行膨胀发电，另一路通过稳压阀返回至液化天然气罐；进行膨胀发电的高压气态天然气从第一膨胀机组出来后进入第三换热器与空气换热，换热后的气态天然气以及冷却空气分别进入增压式燃气透平进行燃烧发电，发电后产生的高温烟气经第三换热器进行换热降温后进入余热回收装置；其中：

进行膨胀发电的高压气态天然气从第一膨胀机组出来后进入第三换热器的方式包括：

在用冷量大于等于设定值的情况下，开启第五阀门、关闭第六阀门，高压气态天然气依次经第五阀门、冷水机组进入第三换热器与空气换热；

在用冷量小于设定值的情况下，开启第六阀门、关闭第五阀门，高压气态天然气经第六阀门直接进入第三换热器与空气换热。

10.根据权利要求7所述的太阳能辅助的液化天然气电热冷联供方法，其特征在于，所述换热步骤为：

液态有机工质经工质泵升压后进入第一换热器，在第一换热器中进行换热，液态有机工质被加热至饱和气态后进入第三换热器中进行换热进一步被加热成过热蒸汽，过热蒸汽进入第二膨胀机中用于膨胀发电，发电之后转化为低压过热蒸汽，低压过热蒸汽进入第二换热器中进行换热后冷凝为液态有机工质，液态有机工质返回至工质泵，形成连续的上述发电循环。