CN105863762B - 一种利用液化天然气冷能发电的工艺系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用液化天然气冷能发电的工艺系统及方法，经透平膨胀机‑发电机组膨胀发电后的工质进入工质分离器中分成两股；液化天然气和第一股工质进入LNG‑工质换热器中换热，液化天然气吸收热量后成为天然气并进入天然气‑热源换热器中，第一股工质放热后以及第二股工质进入工质‑工质换热器中放热后均进入工质混合器中混合成为一股工质，并经工质输送泵输送到工质‑工质换热器中；工质在工质‑工质换热器中吸收热量后进入工质‑热源换热器中继续吸收热量，经二次吸热后的工质在透平膨胀机‑发电机组中膨胀做功并带动发电机发电；之后进入工质分离器中被分成两股，完成一次循环。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电系统及方法，特别是关于一种利用液化天然气冷能发电的工艺系统及方法。
背景技术
液化天然气(LNG)在常压下是一种温度约-162℃的低温液体。我国沿海地区已建成的LNG接收站和计划及在建的接收站将达二十多座。届时，每年进口数以千万吨的LNG将携带巨大的冷能。LNG在供应给下游用户之前需要气化加热(传统方法采用海水气化加热)，气化加热过程中LNG将释放大量冷能，其能量密度约为860～830kJ/kg。若将这部分冷能全部利用，则其理论可回收电量最大可以达到240KW·h/t左右。预计到2020年中国沿海LNG冷能可利用的能量约为三峡电站全年发电量的12.2％(以三峡电站2012年全年发电量计)。可见，若将冷能加以利用，其经济价值相当可观，且对燃料本身并没有消耗，也不会产生任何附加的污染。
随着原油和煤炭等一次能源价格的不断上涨，电力等基本生产要素成本将随之上涨，LNG冷能利用的经济价值将进一步提高。因此随着中国经济和社会的进一步发展，能源消费需求仍有较大增长量，提高能源综合利用效率，加强节能技术将是今后关注的重点。而冷能发电是将LNG在气化生产环节产生的废弃冷能转化为高级能源(电能)的技术，是提高能源利用率的有效手段，是一种可以大规模回收利用接收站冷能的循环经济方式。其基本原理一般是通过一种低温动力循环过程，以LNG为低温冷源，利用低温动力循环产生的机械功驱动发电机组产生电力。充分利用LNG高品质冷能，不仅对节能减排将有十分重要的理论和现实意义。在目前回收LNG冷能的诸多方法当中，LNG冷能发电是最可能大规模利用LNG冷能，且工业化应用最广泛，同时也是技术较为成熟的方法。一方面，LNG冷能用于发电系统，其产业链很短，基本不受其它外界因素干扰。另一方面，利用LNG的冷能进行发电，可以回收LNG大部分温度段的冷能。
现有的利用LNG冷能发电的方法中，发电的技术路线主要包括LNG直接膨胀发电和利用中间冷媒介质的朗肯循环发电，利用方式则分为压力发电和低温冷发电两类。直接膨胀发电是利用LNG本身作为发电工质，将LNG的压力能转化为机械能；朗肯循环则是通过冷媒介质利用LNG的低温冷能来发电。目前，日本是利用LNG冷能发电最多的国家之一，冷能发电装置的装机容量一般在400～9400kW之间，有直接膨胀发电系统、朗肯循环发电系统和直接膨胀与朗肯循环相结合的发电系统。而我国的LNG接收站与日本有所不同。中国的LNG接收站，基本都要求气化后的天然气可以直接进入高压天然气管网，压力在7Mpa～10Mpa之间，直接膨胀法发电方式只有在天然气的输送压力要求较低时才能被采用，我国气体外输距离远，LNG的外输压力比较高，而到冷能利用项目又不允许降压，导致冷能发电只能用LNG的低温冷而不能用压力发电。绝大多数情况下，为了保证管网压力而无法利用直接膨胀法。因此我国的LNG接收站可以适时地考虑使用低温朗肯循环发电系统。而目前，我国还没有在建设或投入运行的利用LNG冷能来发电的工业装置。国外绝大多数的LNG接收站即使是使用朗肯循环发电系统，也只是最简单的朗肯循环系统，使用的循环工质主要为单一的丙烷介质，系统循环中冷能回收效率很低。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种冷能利用效率高的利用液化天然气冷能发电的工艺系统及方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种利用液化天然气冷能发电的工艺系统，其特征在于：它包括LNG-工质换热器、天然气-热源换热器、工质分离器、工质混合器、工质-工质换热器、工质输送泵、工质-热源换热器和透平膨胀机-发电机组，所述LNG-工质换热器的第一入口与液化天然气管线连接，其第一出口与所述天然气-热源换热器连接，所述LNG-工质换热器的第二入口与所述工质分离器的第一出口连接，其第二出口与所述工质混合器的第一入口连接；所述工质分离器的第二出口与所述工质-工质换热器的第一入口连接，所述工质-工质换热器的第一出口与所述工质混合器的第二入口连接；所述工质混合器的出口与所述工质输送泵的入口连接，所述工质输送泵的出口与所述工质-工质换热器第二入口连接，所述工质-工质换热器第二出口经过所述工质-热源换热器与所述透平膨胀机-发电机组的入口连接，所述透平膨胀机-发电机组的出口与所述工质分离器的入口连接。
所述天然气-热源换热器和工质-热源换热器中的热源采用环境、海水、其它工业装置的循环水、工业废热、余热或冷媒。
所述LNG-工质换热器和工质-工质换热器均采用板翅式换热器。
所述天然气-热源换热器和工质-热源换热器均采用开架式换热器、浸没燃烧式气化器或带中间传热介质的管壳式气化器。
所述工质-热源换热器与透平膨胀机-发电机组之间增设一工质气液分离器，所述透平膨胀机-发电机组与工质分离器之间增设一工质气液混合器；所述工质气液分离器的入口与所述工质-热源换热器的出口连接，所述工质气液分离器的第一出口与所述透平膨胀机-发电机组的入口连接，所述工质气液分离器的第二出口与所述工质气液混合器的第一入口连接，所述透平膨胀机-发电机组出口与所述工质气液混合器的第二入口连接，所述工质气液混合器的出口与所述工质分离器的入口连接；从所述工质-热源换热器出来的工质进入所述工质气液分离器中，经所述工质气液分离器分离出的气态工质进入所述透平膨胀机-发电机组中膨胀做功，膨胀做功后的气态工质进入所述工质气液混合器中；经所述工质气液分离器分离出的液态工质也进入所述工质气液混合器中，膨胀做功后的气态工质与分离出的液态工质在所述工质气液混合器中混合后，进入所述工质分离器中，所述工质分离器将工质分成两股，进入下一个循环。
一种采用所述利用液化天然气冷能发电的工艺系统发电的方法，其包括以下内容：1)经过透平膨胀机-发电机组膨胀发电后的工质进入工质分离器中，工质分离器将工质分成两股；2)作为冷源的液化天然气和第一股工质进入LNG-工质换热器中换热，液化天然气吸收热量气化后成为天然气，天然气进入天然气-热源换热器中与热源换热，第一股工质放热降温后进入工质混合器中；第二股工质进入工质-工质换热器中放热降温后进入工质混合器中；3)两股放热降温后的工质在工质混合器中混合后成为一股工质，工质经工质输送泵输送到工质-工质换热器中；4)工质在工质-工质换热器中吸收热量升温后进入工质-热源换热器中继续吸收热量升温，经二次升温后的工质在透平膨胀机-发电机组中膨胀做功并带动发电机发电；5)膨胀做功后的工质进入工质分离器中，工质分离器将工质分成两股，完成一次循环。
所述步骤1)中，工质采用有机工质和无机工质中的一种或多种。
所述步骤2)中，进入天然气-热源换热器中的天然气吸收热源的热量后温度升高，天然气温度达到零度以上进入天然气管网。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于工质分离器将从透平膨胀机-发电机组出来的工质分成两股，第一股工质进入LNG-工质换热器中与作为冷源的液化天然气换热后进入工质混合器中，第二股工质进入工质-工质换热器中放热后进入工质混合器中，既能够有效地利用LNG的冷量，又能够减少从外界吸收的热量，充分利用系统中的可用能量，因此本发明在保证流程简单的同时能够使整个系统中液化天然气的冷能得到最大化应用，进一步提高整个系统的单位发电量。2、为适应不同液化天然气组分、压力及热源等需求，本发明可以灵活地调整工质的成分组成，从而尽量减少所使用换热器的换热损失，提高液化天然气的冷能利用效率。3、本发明由于液化天然气只采用一级制冷循环就能实现冷能的回收，因此本发明具有工艺流程简单、能量利用效率高的特点。4、本发明由于膨胀做功后进入工质分离器的工质的压力低，因此可以节省梯级利用项目的设备投资。5、本发明可以单独用来发电，也可以与其他冷能利用项目联合使用，或者与其他余热、废热项目联合应用。
附图说明
图1是本发明利用液化天然气冷能发电的工艺系统的结构示意图；
图2是本发明利用液化天然气冷能发电的工艺系统增设工质气液分离器和工质气液混合器后的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明利用液化天然气冷能发电的工艺系统包括LNG-工质换热器1、天然气-热源换热器2、工质分离器3、工质混合器4、工质-工质换热器5、工质输送泵6、工质-热源换热器7和透平膨胀机-发电机组8。LNG-工质换热器1的第一入口与液化天然气管线连接，其第一出口与天然气-热源换热器2连接，LNG-工质换热器1的第二入口与工质分离器3的第一出口连接，其第二出口与工质混合器4的第一入口连接。工质分离器3的第二出口与工质-工质换热器5的第一入口连接，工质-工质换热器5的第一出口与工质混合器4的第二入口连接。工质混合器4的出口与工质输送泵6的入口连接，工质输送泵6的出口与工质-工质换热器5第二入口连接，工质-工质换热器5第二出口经过工质-热源换热器7与透平膨胀机-发电机组8的入口连接，透平膨胀机-发电机组8的出口与工质分离器3的入口连接。
本发明利用液化天然气冷能发电的工艺系统的发电过程为：
经过透平膨胀机-发电机组8膨胀发电后的工质进入工质分离器3中，工质分离器3将工质分成两股。第一股工质进入LNG-工质换热器1中，作为冷源的液化天然气通过液化天然气管线持续输入LNG-工质换热器1中，第一股工质和液化天然气在LNG-工质换热器1中换热，第一股工质放热降温后进入工质混合器4中，液化天然气吸收热量气化后成为天然气；天然气进入天然气-热源换热器2中与热源换热。第二股工质进入工质-工质换热器5中放热降温后进入工质混合器4中。两股放热降温后的工质在工质混合器4中混合后成为一股工质，这股工质经工质输送泵6输送到工质-工质换热器5中。工质在工质-工质换热器5中吸收热量升温后进入工质-热源换热器7，工质在工质-热源换热器7中继续吸收热量升温后进入透平膨胀机-发电机组8中，经二次升温后的工质在透平膨胀机-发电机组8中膨胀做功并带动发电机发电。膨胀做功后的工质进入工质分离器3中，工质分离器3将工质分成两股，完成一次循环。
上述实施例中，进入天然气-热源换热器2中的天然气吸收热源的热量后温度升高，天然气温度达到零度以上进入天然气管网。
上述实施例中，为便于进一步梯级利用液化天然气的冷能，天然气-热源换热器2和工质-热源换热器7中的热源可以采用环境、海水、其它工业装置的循环水、工业废热、余热或冷媒等。
上述实施例中，工质可以采用有机工质和无机工质中的一种或多种，但不仅限定于此。为适应不同液化天然气组分、压力及热源等需求，可以灵活调整工质的成分组成，从而尽量减少LNG-工质换热器1、天然气-热源换热器2、工质-工质换热器5和工质-热源换热器7的换热损失，提高液化天然气的冷能利用效率。
上述实施例中，LNG-工质换热器1和工质-工质换热器5可以采用板翅式换热器，但不限定于此。
上述实施例中，天然气-热源换热器2和工质-热源换热器7可以采用开架式换热器ORV、浸没燃烧式气化器SCV或带中间传热介质的管壳式气化器IFV，但不限定于此。
如图2所示，为防止从工质-热源换热器7出来的经二次升温后的工质气化不完全，在工质-热源换热器7与透平膨胀机-发电机组8之间增设一工质气液分离器9，在透平膨胀机-发电机组8与工质分离器3之间增设一工质气液混合器10。其中，工质气液分离器9的入口与工质-热源换热器7的出口连接，工质气液分离器9的第一出口与透平膨胀机-发电机组8的入口连接，工质气液分离器9的第二出口与工质气液混合器10的第一入口连接，透平膨胀机-发电机组8出口与工质气液混合器10的第二入口连接，工质气液混合器10的出口与工质分离器3的入口连接。
从工质-热源换热器7出来的工质进入工质气液分离器9中，经工质气液分离器9分离出的气态工质进入透平膨胀机-发电机组8中膨胀做功，膨胀做功后的气态工质进入工质气液混合器10中；经工质气液分离器9分离出的液态工质也进入工质气液混合器10中，膨胀做功后的气态工质与分离出的液态工质在工质气液混合器10中混合后，进入工质分离器3中，工质分离器3将工质分成两股，进入下一个循环。
应该指出，本发明不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明的宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多变通，例如在工艺流程的原理下，工质组分的选取可以变化，可以改变组分或增减组分；在热源的选择方面也不仅仅限于本发明所提到的，也可以选择某种可利用的冷媒来进行换热，以便于进一步梯级利用系统冷能，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种利用液化天然气冷能发电的工艺系统，其特征在于：它包括LNG-工质换热器、天然气-热源换热器、工质分离器、工质混合器、工质-工质换热器、工质输送泵、工质-热源换热器和透平膨胀机-发电机组，所述LNG-工质换热器的第一入口与液化天然气管线连接，其第一出口与所述天然气-热源换热器连接，所述LNG-工质换热器的第二入口与所述工质分离器的第一出口连接，其第二出口与所述工质混合器的第一入口连接；所述工质分离器的第二出口与所述工质-工质换热器的第一入口连接，所述工质-工质换热器的第一出口与所述工质混合器的第二入口连接；所述工质混合器的出口与所述工质输送泵的入口连接，所述工质输送泵的出口与所述工质-工质换热器第二入口连接，所述工质-工质换热器第二出口经过所述工质-热源换热器与所述透平膨胀机-发电机组的入口连接，所述透平膨胀机-发电机组的出口与所述工质分离器的入口连接。
2.如权利要求1所述的一种利用液化天然气冷能发电的工艺系统，其特征在于：所述LNG-工质换热器和工质-工质换热器均采用板翅式换热器。
3.如权利要求1或2所述的一种利用液化天然气冷能发电的工艺系统，其特征在于：所述天然气-热源换热器和工质-热源换热器均采用开架式换热器、浸没燃烧式气化器或带中间传热介质的管壳式气化器。
4.如权利要求1或2所述的一种利用液化天然气冷能发电的工艺系统，其特征在于：所述工质-热源换热器与透平膨胀机-发电机组之间增设一工质气液分离器，所述透平膨胀机-发电机组与工质分离器之间增设一工质气液混合器；所述工质气液分离器的入口与所述工质-热源换热器的出口连接，所述工质气液分离器的第一出口与所述透平膨胀机-发电机组的入口连接，所述工质气液分离器的第二出口与所述工质气液混合器的第一入口连接，所述透平膨胀机-发电机组出口与所述工质气液混合器的第二入口连接，所述工质气液混合器的出口与所述工质分离器的入口连接；
从所述工质-热源换热器出来的工质进入所述工质气液分离器中，经所述工质气液分离器分离出的气态工质进入所述透平膨胀机-发电机组中膨胀做功，膨胀做功后的气态工质进入所述工质气液混合器中；经所述工质气液分离器分离出的液态工质也进入所述工质气液混合器中，膨胀做功后的气态工质与分离出的液态工质在所述工质气液混合器中混合后，进入所述工质分离器中，所述工质分离器将混合工质分成两股，进入下一个循环。
5.一种采用如权利要求1～4任一项所述系统的利用液化天然气冷能发电的方法，其包括以下内容：
1)经过透平膨胀机-发电机组膨胀发电后的工质进入工质分离器中，工质分离器将工质分成两股；
2)作为冷源的液化天然气和第一股工质进入LNG-工质换热器中换热，液化天然气吸收热量气化后成为天然气，天然气进入天然气-热源换热器中与热源换热，第一股工质放热降温后进入工质混合器中；第二股工质进入工质-工质换热器中放热降温后进入工质混合器中；
3)两股放热降温后的工质在工质混合器中混合后成为一股工质，工质经工质输送泵输送到工质-工质换热器中；
4)工质在工质-工质换热器中吸收热量升温后进入工质-热源换热器中继续吸收热量升温，经二次升温后的工质在透平膨胀机-发电机组中膨胀做功并带动发电机发电；
5)膨胀做功后的工质进入工质分离器中，工质分离器将工质分成两股，完成一次循环。
6.如权利要求5所述的一种利用液化天然气冷能发电的方法，其特征在于：所述步骤1)中，工质采用有机工质和无机工质中的一种或多种。
7.如权利要求5所述的一种利用液化天然气冷能发电的方法，其特征在于：所述步骤2)中，进入天然气-热源换热器中的天然气吸收热源的热量后温度升高，天然气温度达到零度以上进入天然气管网。
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