CN106150579A - 一种横向两级利用lng跨临界冷能朗肯循环发电系统 - Google Patents

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张磊
高为
余黎明
胡钰
王玉川
夏永强
陈毅敏
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CNOOC Energy Technology and Services Ltd
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Abstract

本发明涉及一种横向两级利用LNG跨临界冷能朗肯循环发电系统，其特征在于：它包括两个单级朗肯循环系统，第一单级朗肯循环系统包括蒸发器、汽轮机、冷凝器、工质泵、发电机和在系统中循环的发电工质；其中，蒸发器、汽轮机、冷凝器和工质泵依次通过管道连接构成闭环结构，发电机通过管道与汽轮机连接；蒸发器两端还分别设置有供海水进出的热源输入端和热源输出端；冷凝器两端也分别设置有供跨临界状态LNG进出的冷源输入端和冷源输出端；第二单级朗肯循环系统的结构与第一单级朗肯循环系统相同，且第二单级朗肯循环系统中冷凝器的冷源输入端与第一单级朗肯循环系统中冷凝器的冷源输出端连接，构成串联结构。本发明结构简单，使用方便，可以广泛应用于LNG冷能发电领域。

Description

一种横向两级利用LNG跨临界冷能朗肯循环发电系统
技术领域
本发明涉及LNG(液化天然气)冷能发电技术领域，特别是关于一种横向两级利用LNG跨临界冷能朗肯循环发电系统。
背景技术
根据我国能源中长期发展规划，天然气将成为我国能源发展战略的一个亮点和绿色能源支柱之一。在未来的时间内，我国将会大量进口天然气，其中大部分天然气将以LNG(液化天然气)的方式输送到中国。大量进口的LNG，同时携带着大量的冷能，如果不能有效地利用这些冷能，将会造成巨大的能源浪费。因此，如何有效地利用这些冷能，就变得极为重要与必要。利用动力循环将冷能转化为功是对LNG的一种综合利用形式，这种循环是目前研究尚少的LNG冷能发电低温动力循环。利用LNG冷能发电，可以回收LNG大部分温度段的冷能，而其它的冷能利用方式主要针对某区段温度梯度的LNG部分少量冷能进行回收。然而单级冷能发电系统存在效率低、初投资较大，系统运行不稳定的问题，这些是一直困扰LNG冷能发电大规模推广的主要因素。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种运行稳定、安全可靠、高效的横向两级利用LNG跨临界冷能朗肯循环发电系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种横向两级利用LNG跨临界冷能朗肯循环发电系统，其特征在于：它包括两个单级朗肯循环系统，第一单级朗肯循环系统包括蒸发器、汽轮机、冷凝器、工质泵、发电机和在该级系统中循环的发电工质；所述蒸发器两端分别设置有供海水进出的热源输入端和热源输出端；所述冷凝器两端也分别设置有供跨临界状态LNG进出的冷源输入端和冷源输出端；所述工质泵内液态的所述发电工质经管道进入所述蒸发器，在所述蒸发器内与经所述热源输入端进入的海水进行热量交换后，变为气态进入所述汽轮机内带动所述发电机发电；所述发电工质在所述汽轮机内膨胀做功后的乏气由所述汽轮机流出后进入所述冷凝器，在所述冷凝器内与经所述冷源输入端进入的跨临界状态的LNG进行热量交换；从所述冷凝器流出的所述发电工质经管道进入所述工质泵升压后，重新进入所述蒸发器循环发电；第二单级朗肯循环系统的结构与所述第一单级朗肯循环系统相同，且所述第二单级朗肯循环系统中冷凝器的冷源输入端与所述第一单级朗肯循环系统中冷凝器的冷源输出端连接构成串联结构，所述第一单级朗肯循环系统中冷凝器输出的LNG进入所述第二单级朗肯循环系统再次进行热量交换。
所述第一单级朗肯循环系统中循环的发电工质采用R170。
所述第二单级朗肯循环系统中循环的发电工质采用R290。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用LNG冷能进行发电，不但有效的利用了LNG的高品位冷能，而且减少企业在LNG气化过程的能源、水源消耗，为企业节能减排、提高国家天然气能源综合效益做出贡献。2、本发明由于采用LNG介质为冷源朗肯循环、以海水作为系统热源、以R170、R290作为发电介质，通过调节控制LNG和冷媒介质的压力实现LNG冷能的两级换热，有效的提高了LNG冷能朗肯循环发电系统效率，气化单位质量LNG的冷能利用率大于等于17.5％。3、本发明由于横向两级利用LNG跨临界冷能朗肯循环发电系统实现了LNG的梯级利用，从而减少系统的损失，提高冷能利用率和发电效率。4、本发明由于采用R170、R290作为冷媒介质，使得系统运行稳定，安全可靠，便于工程实施。本发明结构简单，使用方便，可以广泛应用于LNG冷能发电领域。
附图说明
图1是本发明结构示意图
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，本发明包括两个单级朗肯循环系统1、2，第一单级朗肯循环系统1包括蒸发器11、汽轮机12、冷凝器13、工质泵14、发电机15和在该级系统中循环的发电工质。其中，蒸发器11、汽轮机12、冷凝器13和工质泵14依次通过管道连接构成闭环结构，发电机15通过管道与汽轮机12连接。蒸发器11两端还分别设置有供海水进出的热源输入端和热源输出端；冷凝器13两端也分别设置有供跨临界状态LNG进出的冷源输入端和冷源输出端。第二单级朗肯循环系统2也包括蒸发器21、汽轮机22、冷凝器23、工质泵24、发电机25和在该级系统中循环的发电工质，其结构与第一单级朗肯循环系统1相同，且第一单级朗肯循环系统1中冷凝器13的冷源输出端与第二单级朗肯循环系统2中冷凝器23的冷源输入端连接，构成串联结构。
第一单级朗肯循环系统1中，工质泵14内液态的发电工质经管道进入蒸发器11，在蒸发器11内与经热源输入端进入的海水进行热量交换后，变为气态进入汽轮机12内膨胀做功带动发电机15发电。发电工质在汽轮机12内做功后的乏气由汽轮机12流出后进入冷凝器13，在冷凝器13内与由冷源输入端进入的跨临界状态的LNG进行热量交换。从冷凝器13流出的发电工质经管道进入工质泵14内升压后，重新进入蒸发器11循环发电。从冷凝器13输出的LNG再次进入第二单级朗肯循环系统2进行热量交换，第二单级朗肯循环系统2原理与第一单级朗肯循环系统1相同。
上述实施例中，第一单级朗肯循环系统1中的发电工质采用R170，其在常压下的沸点为-88.6℃。
上述实施例中，第二单级朗肯循环系统2中的发电工质采用R290，其在常温下的沸点为-42.1℃。
本发明的工作原理为：
第一单级朗肯循环系统1中，高压低温(3.2MPa，-88℃)的液态发电工质R170由工质泵14流出，通过管道进入蒸发器11，在蒸发器11内经定压升温，即与由热源输入端进入的海水进行热量交换后流出蒸发器11。此时，发电工质R170由液态的高压低温(3.2MPa，-88℃)状态变为气态的高压常温(3.2MPa，13℃)状态。然后，高压常温的气态发电工质R170经管道进入汽轮机12，在汽轮机12内经绝热膨胀做功，同时汽轮机12带动发电机15转子发电。此时，发电工质R170由气态的高压常温(3.2MPa，13℃)状态变为气态的低压低温(0.12MPa，-85.39℃)状态。之后，低压低温的气态发电工质R170由汽轮机12流出经管道进入冷凝器13，在冷凝器13内经等压放热，即与由冷能输入端进入的跨临界状态的LNG进行热量交换后流出冷凝器13。此时，发电工质R170由气态的低压低温(0.12MPa，-85.39℃)状态变为液态的低压低温(0.12MPa，-88℃)状态。同时，冷凝器13内的LNG由-151℃加热到-90℃，利用温差为61℃，其工况压力为跨临界状态8MPa。最后，液态的低压低温发电工质R170由冷凝器13流出经管道进入工质泵14，在工质泵14内经定温增压后流出工质泵14再次进入蒸发器11进行循环发电。此时，发电工质R170由液态的低压低温(0.12MPa，-88℃)状态变为液态的高压低温(3.2MPa，-88℃)状态。
同理，在第二单级朗肯循环系统2中，高压低温(0.6763MPa，-41℃)的液态发电工质R290由工质泵24流出，通过管道进入蒸发器21，在蒸发器21内经定压升温后流出蒸发器21。此时，发电工质R290由液态的高压低温(0.6763MPa，-41℃)状态变为气态的高压常温(0.6763MPa，13℃)状态。然后，高压常温的气态发电工质R290经管道进入汽轮机22，在汽轮机22内经绝热膨胀后流出汽轮机22，同时汽轮机22带动发电机25转子发电。此时，发电工质R290由气态的高压常温(0.6763MPa，13℃)状态变为气态的低压低温(0.13MPa，-36.3℃)状态。之后，低压低温的气态发电工质R290由汽轮机22流出经管道进入冷凝器23，在冷凝器23内经等压放热后流出冷凝器23。此时，发电工质R290由气态的低压低温(0.13MPa，-36.3℃)状态变为液态的低压低温(0.13MPa，-41℃)状态。同时，冷凝器23内的LNG由-90℃加热到-38℃，利用温差为52℃，其工况压力为临界状态8MPa。最后，液态的低压低温发电工质R290由冷凝器23流出经管道进入工质泵24，在工质泵24内经定温增压后流出工质泵24再次进入蒸发器21进行循环。此时，发电工质R290由液态的低压低温(0.13MPa，-41℃)状态变为液态的高压低温(0.6763MPa，-41℃)状态。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种横向两级利用LNG跨临界冷能朗肯循环发电系统，其特征在于：它包括两个单级朗肯循环系统，第一单级朗肯循环系统包括蒸发器、汽轮机、冷凝器、工质泵、发电机和在该级系统中循环的发电工质；所述蒸发器两端分别设置有供海水进出的热源输入端和热源输出端；所述冷凝器两端也分别设置有供跨临界状态LNG进出的冷源输入端和冷源输出端；所述工质泵内液态的所述发电工质经管道进入所述蒸发器，在所述蒸发器内与经所述热源输入端进入的海水进行热量交换后，变为气态进入所述汽轮机内带动所述发电机发电；所述发电工质在所述汽轮机内膨胀做功后的乏气由所述汽轮机流出后进入所述冷凝器，在所述冷凝器内与经所述冷源输入端进入的跨临界状态的LNG进行热量交换；从所述冷凝器流出的所述发电工质经管道进入所述工质泵升压后，重新进入所述蒸发器循环发电；第二单级朗肯循环系统的结构与所述第一单级朗肯循环系统相同，且所述第二单级朗肯循环系统中冷凝器的冷源输入端与所述第一单级朗肯循环系统中冷凝器的冷源输出端连接构成串联结构，所述第一单级朗肯循环系统中冷凝器输出的LNG进入所述第二单级朗肯循环系统再次进行热量交换。
2.如权利要求1所述的一种横向两级利用LNG跨临界冷能朗肯循环发电系统，其特征在于：所述第一单级朗肯循环系统中循环的发电工质采用R170。
3.如权利要求1或2所述的一种横向两级利用LNG跨临界冷能朗肯循环发电系统，其特征在于：所述第二单级朗肯循环系统中循环的发电工质采用R290。
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