CN105114142B - 一种新型的lng冷能发电的成套设备 - Google Patents
一种新型的lng冷能发电的成套设备 Download PDFInfo
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Abstract
一种新型的LNG冷能发电的成套设备，属于发电设备技术领域。本发明为了解决现有发电设备的朗肯循环，透平中的降温过程发生在饱和区，且焓差很小，限制了发电量的增加，冷能利用率低，发电效率低且成本高的问题。调温器、蒸发器、过热器、预热器、凝结器之间均布置有连接管线，每个独立的设备两边设有管板，中间设有支撑板，整个系统由两个分系统构成：蒸发器、过热器、透平I、凝结器、加压泵、预热器及其连接管线构成了封闭的新型郎肯循环结构；调温器和透平II及其连接关系构成了开放式的直接膨胀结构。本发明主要用在LNG接收站及类似具有低温冷源并具有一定压力的工况，该系统即可在汽化时同时进行发电，也可只汽化，不发电。可广泛的应用于石油、石化等相关领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用冷能发电的成套设备，具体涉及一种利用低温的丙烷和天然气(NG)汽化膨胀去做功，驱动透平发电机进行膨胀发电的一套发电设备；属于化工设备与发电设备相结合的跨学科的新型技术领域。
背景技术
1、符合国家的产业政策：自2006年第一个LNG接收站建成投产，至今中国沿海已陆续建成十多个。国家能源局和发改委对这些LNG接收站均要求“深入研究LNG冷能利用问题，做好冷能利用规划，同步建设冷能利用项目，提高能源综合利用效率”。如何贯彻落实国家的冷能利用要求，是每个LNG接收站必须面对的问题。
2、提高LNG冷能利用率：LNG接收站每年进口数百万吨的液化天然气，其携带的冷能非常巨大，但在接收站部分冷能通常在天然气汽化器中随海水或空气被舍弃了，导致LNG冷能的利用效率大大降低。
3、解决了接收站的自身用电成本：
LNG接收站几乎全部建在沿海地区的并且为了安全都是远离市区。供电较为困难。利用接收站的气化设备发电，不仅可以缓解沿海地区存在的电力供应紧张的状态，还可以提高冷能利用率，降低LNG汽化成本。
4、广阔的市场：目前我国的冷能利用有：空分、粉碎橡胶、CO2液化、BOG回收、虽然在技术上已得到很好的解决，但在市场上遇到了很大的瓶颈，就是其产品很难找到市场。而冷能发电的目标是为接收站自用，因此很好的解决了市场问题。
现有的发电设备的朗肯循环，透平中的降温过程发生在饱和区，且焓差很小，限制了发电量的增加，冷能利用率低，发电效率低且成本高。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，根据本发明的一个方面，提供了一种新型的LNG冷能发电的成套设备，以至少解决现有的发电设备的朗肯循环，透平中的降温过程发生在饱和区，且焓差很小，限制了发电量的增加，冷能利用率低，发电效率低且成本高的问题。
本发明提出的一种新型的LNG冷能发电的成套设备，包括海水泵、调温器、蒸发器、过热器、预热器、加压泵、凝结器、透平I、发电机和透平II；
所述海水泵的出口分别连接调温器的管程进口和过热器的管程进口；
所述调温器的管程出口连接蒸发器的管程进口，调温器的壳程进口连接凝结器的管程出口，调温器的壳程出口连接透平II；
所述蒸发器的管程出口与外界管路连接，蒸发器的壳程进口连接预热器的壳程出口，蒸发器的壳程出口连接过热器的壳程进口；
所述过热器的管程出口连接预热器的管程进口，过热器的壳程出口连接透平I；
所述预热器的壳程入口通过加压泵与凝结器的壳程出口连接，预热器的管程出口与外界管路连接；
所述凝结器的壳程进口连接透平I；透平I和透平II与发电机连接；
所述调温器管程走海水，壳程走天然气；蒸发器管程走海水，壳程走丙烷；过热器管程走海水，壳程走气态丙烷；预热器管程走海水，壳程走丙烷液体；凝结器管程走天然气，壳程走丙烷蒸汽；
所述蒸发器、过热器、透平I、凝结器、加压泵、预热器及其连接管线构成了封闭的新型郎肯循环结构；调温器和透平II及其连接关系构成了开放式的直接膨胀结构。
进一步地：所述调温器为折流板式管壳换热器。所述调温器中两边为管板、中间穿有管束、管束穿过多个折流板和支撑板、管束外有壳体。管束与管板之间为胀焊连接，壳体与管板之间为焊接连接。
进一步地：所述蒸发器为管板式管壳换热器。所述蒸发器中两边为管板、中间穿有管束、管束穿过多个支撑板、管束外有壳体。管束与管板之间为胀焊连接，壳体与管板之间为焊接连接。
进一步地：所述过热器为折流板式管壳换热器。所述过热器中两边为管板、中间穿有管束、管束穿过多个折流板和支撑板、管束外有壳体。管束与管板之间为胀焊连接，壳体与管板之间为焊接连接。
进一步地：所述预热器为折流板式管壳换热器。所述预热器中两边为管板、中间穿有管束、管束穿过多个折流板和支撑板、管束外有壳体。管束与管板之间为胀焊连接，壳体与管板之间为焊接连接。
进一步地：所述凝结器为U型管式管壳换热器。所述凝结器中一边为管板、同一端的外侧为管箱、管箱内有分程隔板、管板中间穿有管束、管束穿过多个支撑板、管束外有壳体，管束与管板之间为胀焊连接，壳体与管板之间为焊接连接。
进一步地：所述加压泵为垂直潜液泵。
本发明所达到的效果为：
1.本发明有效的利用了低温丙烷和天然气膨胀进行发电，无需其它外加能源。
2.本发明利用了丙烷的新型朗肯循环系统与天然气的直接发电，其中应用的过热原理和预热原理，大大提高了冷能的利用率。
3.解决了接收站用电成本高、输送困难的问题。
具体是将中间介质汽化器与过热器、预热器、透平发电设备有机的结合到一起，构成了两个系统，第一个是：利用了气化器中蒸发器内部的低温中间介质汽化、膨胀来做功，推动透平发电机进行膨胀发电；在另一个系统中，利用了天然气直接膨胀做功，两个系统共同作用，驱动发电机进行发电。新型的结构与过去应用的朗肯循环相比，利用了过热、预热的原理大大提高了发电效率，同时利用天然气直接膨胀，使得发电量大大增加。由于该发明是利用了低温丙烷和的天然气汽化过程发电而不需要其他能源，因此，可大大降低成本，同时又没有任何的污染，可谓是真正的绿色能源。同时很好的解决了远离城市中心的天然气接收站自身的用电问题。
本发明主要用在LNG接收站及类似具有低温冷源并具有一定压力的工况，该系统即可在汽化时同时进行发电，也可只汽化，不发电，并可广泛的应用于石油、石化等相关领域。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是现有的发电设备的朗肯循环的T-S图；
图3是本发明的朗肯循环的T-S图。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
如附图1所示本发明的实施例提供了一种新型的LNG冷能发电的成套设备，包括海水泵1、调温器2、蒸发器3、预热器4、过热器5、加压泵6、凝结器7、透平I8、发电机9和透平II10；所述海水泵1的出口分别连接调温器2的管程进口和过热器5的管程进口；所述调温器2的管程出口连接蒸发器3的管程进口，调温器2的壳程进口连接凝结器7的管程出口，调温器2的壳程出口连接透平II10；所述蒸发器3的管程出口与外界管路连接，蒸发器3的壳程进口连接预热器4的壳程出口，蒸发器3的壳程出口连接过热器5的壳程进口；所述过热器5的管程出口连接预热器4的管程进口，过热器5的壳程出口连接透平I8；所述预热器4的壳程入口通过加压泵6与凝结器7的壳程出口连接，预热器4的管程出口与外界管路连接；所述凝结器7的壳程进口连接透平I8；透平I8和透平II10与发电机9连接；所述调温器2管程走海水，壳程走天然气；蒸发器3管程走海水，壳程走丙烷；过热器5管程走海水，壳程走气态丙烷；预热器4管程走海水，壳程走丙烷液体；凝结器7管程走天然气，壳程走丙烷蒸汽；所述蒸发器3、过热器5、透平I8、凝结器7、加压泵6、预热器4及其连接管线构成了封闭的新型郎肯循环结构；调温器2和透平II10及其连接关系构成了开放式的直接膨胀结构。在管路上安装多个控制阀。
另外，根据一种实现方式，所述调温器2为折流板式管壳换热器。所述调温器2中两边为管板、中间穿有管束、管束穿过多个折流板和支撑板、管束外有壳体。管束与管板之间为胀焊连接，壳体与管板之间为焊接连接。
另外，根据一种实现方式，所述蒸发器3为管板式管壳换热器。所述蒸发器3中两边为管板、中间穿有管束、管束穿过多个支撑板、管束外有壳体。管束与管板之间为胀焊连接，壳体与管板之间为焊接连接。
另外，根据一种实现方式，所述过热器5为折流板式管壳换热器。所述过热器5中两边为管板、中间穿有管束、管束穿过多个折流板和支撑板、管束外有壳体。管束与管板之间为胀焊连接，壳体与管板之间为焊接连接。
另外，根据一种实现方式，所述预热器4为折流板式管壳换热器。所述预热器4中两边为管板、中间穿有管束、管束穿过多个折流板和支撑板、管束外有壳体。管束与管板之间为胀焊连接，壳体与管板之间为焊接连接。
另外，根据一种实现方式，所述凝结器7为U型管式管壳换热器。所述凝结器7中一边为管板、同一端的外侧为管箱、管箱内有分程隔板、管板中间穿有管束、管束穿过多个支撑板、管束外有壳体，管束与管板之间为胀焊连接，壳体与管板之间为焊接连接。
另外，根据一种实现方式，所述加压泵6为垂直潜液泵。
本发明的工作原理：
本发明的新型的LNG冷能发电的成套设备是一种新型的以海水为热源的发电系统。从海水吸收的热量主要应用于液化天然气(LNG)的气化，以丙烷作为海水和LNG之间传输热量的中间介质。在蒸发器3中，丙烷液体从海水中吸收热量，蒸发成饱和蒸汽，产生的蒸汽在凝结器7中，将热量传给LNG，使其气化，同时丙烷在蒸汽凝7结成液体，再返回蒸发器3中，继续从海水至LNG之间的相变循环过程。
冷能发电是利用中间介质丙烷在循环过程中的压差推动透平而发电的过程。冷能发电的热力学过程可以用朗肯循环来表示，现有的发电设备的朗肯循环的T-S图，如图2所示：
图中：1′-2′：中间介质的蒸发过程；2′-3′：透平中的降温降压过程；3′-4′：在凝结器中的凝结过程；4′-5′：增压泵中的增压过程；5′-1′：液态介质的升温过程。
其中，5′-1′和1′-2′两个过程在设计中往往发生在同一个蒸发器中。此外，过程2′-3′发生在饱和区，且焓差很小，限制了发电量的增加。
为了增加发电热负荷，本发明改进了朗肯循环，本发明的朗肯循环的T-S图，如图3所示：
图中：1″-2″：中间介质的蒸发过程；2″-3″：过热器的过热过程；3″-4″：透平中的降温降压过程；4″-5″：凝结器中的凝结过程；5″-6″：增压泵中的增压过程；6″-1″：预热器的升温过程。
将饱和温度2″增至过热温度3″，即将2″点的饱和蒸汽继续加热，变成过热蒸汽，这样，透平中的热膨胀过程就具有较大的焓差，发电量可以大幅提高。
为了进一步提高发电量，该新型高效冷能发电系统是将原有蒸发器改造成为以海水为热源的特殊形式的发电锅炉，该锅炉不但具有蒸发器，而且具有过热器和回液预热器(相当于省煤气)。
发电工况：
海水循环：海水由海水泵1泵入管道，然后分为两个支路，第一个支路为：从调温器2的进口进入管程，在管内与管外的天然气进行了强制对流换热，将部分热量交换给天然气；然后进入蒸发器3的管程，与管外的丙烷进行强制对流换热，经过蒸发器3的出口流回大海。海水的第二个支路为：海水由海水泵1泵入管道经第一控制阀11进入过热器5入口进入管程，经过强制对流与管外丙烷进行换热后进入预热器4的管程再次进行强制对流换热后由出口流回大海。
丙烷循环：丙烷在蒸发器3中吸收管内的海水热量发生池沸腾换热后气化成为丙烷的饱和蒸汽，经过第二控制阀12进入过热器5的壳程(第三控制阀13关断)，与管内的海水进行了折流板换热，吸收了管内海水的热量变为过热的蒸汽，进入透平I8，进行膨胀发电。经透平I8后由于膨胀做功，丙烷温度和压力都有所下降，然后经第七控制阀17进入凝结器7的壳程(第六控制阀16关断)。在凝结器7的U型管的表面发生膜凝结换热，放出气化潜热，同时温度也变得更低。凝结为液体，在重力的作用下落到凝结器7内的下部，经第四控制阀14进入加压泵6加压(第五控制阀15关断)后进入预热器4的壳程，与管内海水进行折流板换热，温度被提高到与蒸发器3中的温度相同，流回到蒸发器3中。
液态天然气循环：液态天然气由凝结器7进入到管程，与管外的丙烷进行超临界的换热，吸热后变为气态，然后进入调温器2壳程，与管程海水进行折流板换热，温度被加热到预期的温度从调温器2出口流出。由于整个天然气管路的压力降很小，因此天然气的压力几乎不变，保持了比较高的压力，继续进入透平II10(第八控制阀18关断)，进行直接膨胀发电，然后进入管网。
不发电的工况：
海水由海水泵1泵入管道，从调温器2的进口进入管程，在管内与管外的天然气进行了强制对流换热，将部分热量交换给天然气；然后进入蒸发器3的管程，与管外的丙烷进行强制对流换热，经过蒸发器3的出口流回大海。海水的第二个支路中第一控制阀11关断。
丙烷循环：丙烷在蒸发器3中吸收管内的海水热量发生池沸腾换热后气化成为丙烷的饱和蒸汽，经过第三控制阀13、第六控制阀16(第二控制阀12关闭)进入凝结器7的壳程。在凝结器7的U型管的表面发生膜凝结换热，放出气化潜热，同时温度也变低，凝结为液体，在重力的作用下落到,凝结器7内的下部(第四控制阀14关断)，经第五控制阀15流回到蒸发器3中。
液态天然气循环：液态天然气由凝结器7进入到管程，与管外的丙烷进行超临界的换热，吸热后变为气态，然后进入调温器2壳程，与管程海水进行折流板换热，温度被加热到预期的温度从调温器2出口流出。经过第八控制阀18进入管网(第九控制阀阀19关断)。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。
Claims (7)
1.一种新型的LNG冷能发电的成套设备，包括海水泵(1)、调温器(2)、蒸发器(3)、预热器(4)、过热器(5)、加压泵(6)、凝结器(7)、透平I(8)、发电机(9)和透平II(10)；其特征在于：
所述海水泵(1)的出口分别连接调温器(2)的管程进口和过热器(5)的管程进口；
所述调温器(2)的管程出口连接蒸发器(3)的管程进口，调温器(2)的壳程进口连接凝结器(7)的管程出口，调温器(2)的壳程出口连接透平II(10)；
所述蒸发器(3)的管程出口与外界管路连接，蒸发器(3)的壳程进口连接预热器(4)的壳程出口，蒸发器(3)的壳程出口连接过热器(5)的壳程进口；
所述过热器(5)的管程出口连接预热器(4)的管程进口，过热器(5)的壳程出口连接透平I(8)；
所述预热器(4)的壳程入口通过加压泵(6)与凝结器(7)的壳程出口连接，预热器(4)的管程出口与外界管路连接；
所述凝结器(7)的壳程进口连接透平I(8)；透平I(8)和透平II(10)与发电机(9)连接；
所述调温器(2)管程走海水，壳程走天然气；蒸发器(3)管程走海水，壳程走丙烷；过热器(5)管程走海水，壳程走气态丙烷；预热器(4)管程走海水，壳程走丙烷液体；凝结器(7)管程走天然气，壳程走丙烷蒸汽；
所述蒸发器(3)、过热器(5)、透平I(8)、凝结器(7)、加压泵(6)、预热器(4)及其连接管线构成了封闭的新型朗肯循环结构；调温器(2)和透平II(10)及其连接关系构成了开放式的直接膨胀结构。
2.根据权利要求1所述的一种新型的LNG冷能发电的成套设备，其特征在于：所述调温器(2)为折流板式管壳换热器。
3.根据权利要求1所述的一种新型的LNG冷能发电的成套设备，其特征在于：所述蒸发器(3)为管板式管壳换热器。
4.根据权利要求1所述的一种新型的LNG冷能发电的成套设备，其特征在于：所述过热器(4)为折流板式管壳换热器。
5.根据权利要求1所述的一种新型的LNG冷能发电的成套设备，其特征在于：所述预热器(5)为折流板式管壳换热器。
6.根据权利要求1所述的一种新型的LNG冷能发电的成套设备，其特征在于：所述凝结器(7)为U型管式管壳换热器。
7.根据权利要求1所述的一种新型的LNG冷能发电的成套设备，其特征在于：所述加压泵(6)为垂直潜液泵。
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