CN107725129A - 一种利用lng冷能的组分可控型两级冷凝朗肯循环发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用LNG冷能的组分可控型两级冷凝朗肯循环发电系统，属于液化天然气冷能发电领域。该系统包括第一海水泵、第二海水泵、第一工质泵、第二工质泵、混合器、工质蒸发器、膜分离装置、第一膨胀机、第二膨胀机、LNG泵、第一级冷凝器、第二级冷凝器和再热器。本发明实现了对LNG冷能的逐级利用，其中增设的膜分离装置可对两个冷凝器中混合工质的配比做出调控，能够进一步提升换热过程的温度匹配程度，减少LNG冷能回收过程的不可逆损失，在提高了发电效率的同时还提高了系统在不同工况下的灵活适用性，可广泛应用于LNG冷能发电领域。

Description

一种利用LNG冷能的组分可控型两级冷凝朗肯循环发电系统

技术领域

本发明属于液化天然气LNG冷能发电领域，涉及一种利用LNG冷能的组分可控型两级冷凝朗肯循环发电系统。

背景技术

液化天然气LNG作为21世纪主要的能源之一，使用前需将其汽化，在其汽化过程中会释放出大量的冷能，其值约为830kJ/kg。LNG冷能是一种优质的清洁能源，若LNG具有的冷能以100％的效率转化为电能，那么1吨LNG的冷能相当于240kW·h的电能。在传统的汽化工艺中，LNG携带的冷量被海水或空气带走，造成了能源的极度浪费，因此有效的回收利用LNG冷能对我国节能减和可持续发展政策排有重大作用。

目前，关于利用LNG冷能发电的技术主要有：利用LNG压力能的直接膨胀法、利用LNG冷能的朗肯循环法以及综合这两种技术的联合法。其中朗肯循环法因其发电效率高，结构简单收到了广泛关注，其过程是LNG通过冷凝器把冷量转化到某一冷媒上，利用LNG与环境之间的温度差，推动冷媒进行蒸汽动力循环，从而对外做功发电。其中朗肯循环法发电存在单工质朗肯循环系统、混合工质的朗肯循环系统，通常以低沸点的乙烷、丙烷或者多组分烃类的混合物为工质，以海水为热源，以LNG为冷源，进行有机工质朗肯循环发电。

现有技术存在如下问题：

1.LNG变为NG的过程中温度滑移很大，传统朗肯循环中工质与LNG换热温差较大，导致不可逆损失较大，循环效率较低，发电效率不高。

2.使用乙烷、丙烷或者多组分烃类的混合物为工质虽然在一定程度缓解上述问题，但不同需求下最终NG的目标压力不同6bar～70bar，以及不同区域LNG的组成不同，甚至包括环境的影响，这些都使LNG的气化曲线发生变化，为了实现混合工质和LNG换热时的最佳温度匹配，需要调节混合工质的最佳配比，普遍适用性很低。

3.其他一些利用LNG冷能的发电循环中也存在分离装置如卡琳娜循环等，但大多为气液分离装置，而且由于膨胀机中不能存在液相，所分离出的液相只能与膨胀后的气相部分混合起到预冷作用，或者再次经过加热变为气相后膨胀做功，前者导致系统发电量较低，后者虽然发电量增加，但系统变得更为复杂，操作难度增加。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足之处，本发明提出一种利用LNG冷能的组分可控型两级冷凝朗肯循环发电系统。因LNG气化为NG的过程中温度滑移大，为降低工质与LNG换热的不可逆损失，采用烷烃混合物作为工质和两级冷凝的方式实现对LNG冷能的逐级利用，在系统中增设膜分离装置，通过膜的选择性实现对工质组分的调控，实现了不同工况下工质与LNG换热过程的温度匹配性，从而提高了发电效率。本发明是在现有的单级朗肯循环基础上做出的改进，该发电系统可以再不影响供气的情况下有较大的发电功率，同时对不同工况的适用性较强。

本发明的技术方案：

一种利用LNG冷能的组分可控型两级冷凝朗肯循环发电系统，该系统包括第一海水泵1、第二海水泵2、第一工质泵3、混合器4、第二工质泵5、工质蒸发器6、膜分离装置7、第一膨胀机8、第二膨胀机9、LNG泵10、第一级冷凝器11、第二级冷凝器12和再热器13；

第一级冷凝器11的热侧出口与第一工质泵3的进口相连，第一工质泵3的出口和第二级冷凝器12的热侧出口均与混合器4的进口相连，第一冷凝器11中与LNG换热后的工质先进入第一工质泵3进行加压升温，之后再进入混合器4，第二级冷凝器12中与LNG换热后的工质直接进入混合器4，两股工质在混合器4中进行混合；混合器4的出口与第二工质泵5的进口相连，第一海水泵1和第二工质泵5的出口均与工质蒸发器6的冷侧进口相连，混合后的工质经第二工质泵5加压后进入工质蒸发器6，在工质蒸发器6中吸收来自第一海水泵1输送海水的热量发生气化；工质蒸发器6的出口与膜分离装置7的进口相连，气化后的工质在膜分离装置7中经膜选择，分离为渗透侧工质和渗余侧工质；膜分离装置7的出口分别与第一膨胀机8的进口和第二膨胀机9的进口相连，第一透平膨胀机8的出口与第一级冷凝器11的冷侧进口相连，第二膨胀机9的出口与第二级冷凝器12的冷侧进口相连，渗透侧工质进入第一膨胀机8中做功，待温度和压力降低后进入第一级冷凝器11与LNG进行换热，渗余侧工质进入第二膨胀机9中做功，待温度和压力降低后进入第一级冷凝器11与LNG进行换热；

装有原料液LNG的LNG储存装置通过LNG管道依次与LNG泵10、第一级冷凝器11、第二级冷凝器12和再热器13相连；其中，LNG泵10的入口与LNG储存装置相连，LNG泵10用于提高原料液LNG的压力和温度；LNG泵10的出口与第一级冷凝器11的冷侧入口相连，升温加压后的LNG在第一级冷凝器11中吸收工质的热量，温度再次升高；第一级冷凝器11的冷侧出口与第二级冷凝器12的冷侧进口相连，加热后的LNG在第二级冷凝器12中吸收工质的热量，温度继续升高；第二级冷凝器12的冷侧出口与再热器13的冷侧进口相连，第二海水泵2的出口与再热器13的热侧进口相连，来自于第二级冷凝器12的LNG与来自第二海水泵2加压后的海水在再热器13中进行换热，换热后的LNG经再热器13的冷侧出口进入配送管网。

所述的第一膨胀机8和第二膨胀机9是其他热功动力转换机械，均与发电机组连接。

所述的膜分离装置7中的膜为聚二甲基硅氧烷。

所述的工质为丙烷和正戊烷的混合物或其他烷烃的混合物，其中，丙烷和正戊烷的摩尔比为1:1。

组分可控型两级冷凝朗肯循环发电系统的运行方法如下：

LNG经过泵压缩至所需压力，然后依次经过第一级冷凝器、第二级冷凝器和再热器，吸收来自工质和海水的热量，气化为NG。

在朗肯循环系统中，工质吸收来自海水一的热量蒸发为高压气体，然后进入膜分离装置，以两冷凝器中LNG与工质的温度匹配达到最佳为标准调控渗透侧和渗余侧工质组分的摩尔比。渗透侧和渗余侧的工质分别进入第一膨胀机和第二膨胀机膨胀做功，通过发电机组将机械能转化为电能，工质流出后分别进入第一级冷凝器和第二级冷凝器被LNG冷凝为饱和液相，之后，从第一级冷凝器流出的工质经过第一工质泵加压后，与第二级冷凝器流出的工质混合，进入第二工质泵再次加压，最后回到蒸发器开始新的循环。

本发明的有益效果：

1.本发明由于采用LNG冷能进行发电，在不影响供气需求的前提下有效利用了LNG的高品位冷能，获得可观的电能。

2.本发明采用两级冷凝系统，加压后的液化天然气依次经过一级冷凝循环发电系统和二级冷凝循环发电系统，实现了LNG冷能的逐级利用，改善了系统的性能，提高了LNG冷能的发电效率。

3.本发明采用烷烃混合物作为工质，其相变过程是变温过程，可以与LNG形成更好的温度匹配，减小换热温差，降低不可逆损失。可根据工程实际情况选择合适的工质，因而在工质选择上具有灵活方便等优点。

4.在系统中增设膜分离装置，工况发生变化时，传统朗肯循环采用混合工质需要根据实际情况调整组分配比，而本发明只需调整膜分离装置例如改变渗透侧压力，改变膜面积或更换其他种类的膜即可实现对冷凝器中混合工质组分配比的调控，进一步提高了工质与LNG换热过程的温度匹配程度，从而提高了发电效率，也一定程度上增强了系统面对不同工况的灵活适用性。

5.膜分离装置不涉及相变，能耗低，且分离条件温和，相比于其他发电系统中的分离装置，可以在不增加系统复杂度的前提下调控混合工质在冷凝过程中的组分，操作方便，结构紧凑、维修成本低、使整个系统易于自动化。

附图说明

图1是本发明利用LNG冷能的两级冷凝朗肯循环发电系统的示意图。

图中：1第一海水泵；2第二海水泵；3第一工质泵；4混合器；5第二工质泵；6工质蒸发器；7膜分离装置；8第一膨胀机；9第二膨胀机；10 LNG泵；11第一级冷凝器；12第二级冷凝器；13再热器；

具体实施方式

以下实例结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式，但并不作为对本发明限制的依据。

本实例中液化天然气初始压力为0.1MPa，温度为-162℃，处理量为3600kg/h，其摩尔组成为：甲烷91.33％，乙烷5.36％，丙烷2.14％，正丁烷0.47％，异丁烷0.46％，正戊烷0.01％，异戊烷0.01％，氮气0.22％。循环过程所需的工质为R290和R601混合物，摩尔比1:1，热源为海水，压力为0.1MPa，温度为15℃。

如图1所示，本发明利用LNG冷能的两级冷凝循环发电系统包括：1第一海水泵；2第二海水泵；3第一工质泵；4混合器；5第二工质泵；6工质蒸发器；7膜分离装置；8第一膨胀机及发电机组；9第二膨胀机及发电机组；10LNG泵；11第一级冷凝器；12第二级冷凝器；13再热器。

一液化天然气气化系统

原料液LNG 3600kg/h通过LNG增压泵10将压力提高到70MPa，温度由-162℃变为-158.8℃，LNG增压泵10消耗功率为18.82KW。加压后的LNG首先进入第一级冷凝器11，在所述第一冷凝器11中吸收工质的热量，温度升高至-158.7℃，压力不变70MPa。加热后的LNG进入第二级冷凝器12，在第二冷凝器12中再次吸收工质的热量，温度升高至-63.78℃，压力不变70MPa。之后，LNG进入再热器13与经第二海水泵2加压后的海水压力0.3MPa，温度15.01℃换热，使NG温度达到10℃，压力不变70MPa，最后进入输送管网，其中第二海水泵2消耗功率为4.33KW。

二朗肯循环发电系统

在第一冷凝器11中与LNG换热后的工质压力2.16x10^-3kPa，温度-155.0℃，摩尔组成为73％的R290和27％的R601进入第一工质泵3加压至0.98kPa，温度变为-152.8℃，第一工质泵耗功1.2x10^-6kW，然后该股工质进入混合器。在第二级冷凝器12中与LNG换热后的工质压力0.98kPa，温度-105.4℃，摩尔组成为49％的R290和51％的R601直接进入混合器与另一股工质混合，混合后的工质压力为0.98kPa，温度-105.5℃，摩尔组成为40％的R290和50％的R601。然后工质经第二工质泵5加压至72.10kPa，温度变为-105.4℃，第二工质泵耗功0.15kW，然后工质进入工质蒸发器6吸收来自海水1的热量气化，过热度为3℃时，压力不变72.10kPa，其温度变为13℃。海水1经第一海水泵耗功5.509kW加压至0.3Mpa后为工质提供热量，温度降至10℃，流量7.92x10⁴kg/h。气化后的工质进入膜分离装置7经膜选择分为组分不同的两股，渗透侧工质(温度12.85℃，压力23.46kPa，摩尔组成为73％的R290和27％的R601)进入第一膨胀机8做功0.11kW，温度降至-121.8℃，压力降至2.16x10^-3kPa，然后进入第一级冷凝器11与LNG换热；渗余侧工质(温度12.85℃，压力72.10kPa，摩尔组成为49％的R290和51％的R601)进入第二膨胀机9做功87.40kW，温度降至-63.68℃，压力降至0.98kPa，然后进入第二级冷凝器12与LNG换热。

本实例经Aspen Hysys软件模拟计算在此过程中净输出功为58.69kW，热效率为12.69％。相比与传统朗肯循环，相同工况下输出功增加了约25％，热效率增加了约30％，因此发电效率得到了明显的提升。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用LNG冷能的组分可控型两级冷凝朗肯循环发电系统，其特征在于，该系统包括第一海水泵(1)、第二海水泵(2)、第一工质泵(3)、混合器(4)、第二工质泵(5)、工质蒸发器(6)、膜分离装置(7)、第一膨胀机(8)、第二膨胀机(9)、LNG泵(10)、第一级冷凝器(11)、第二级冷凝器(12)和再热器(13)；

第一级冷凝器(11)的热侧出口与第一工质泵(3)的进口相连，第一工质泵(3)的出口和第二级冷凝器(12)的热侧出口均与混合器(4)的进口相连，第一冷凝器(11)中与LNG换热后的工质先进入第一工质泵(3)进行加压升温，之后再进入混合器(4)，第二级冷凝器(12)中与LNG换热后的工质直接进入混合器(4)，两股工质在混合器(4)中进行混合；混合器(4)的出口与第二工质泵(5)的进口相连，第一海水泵(1)和第二工质泵(5)的出口均与工质蒸发器(6)的冷侧进口相连，混合后的工质经第二工质泵(5)加压后进入工质蒸发器(6)，在工质蒸发器(6)中吸收来自第一海水泵(1)输送海水的热量发生气化；工质蒸发器(6)的出口与膜分离装置(7)的进口相连，气化后的工质在膜分离装置(7)中经膜选择，分离为渗透侧工质和渗余侧工质；膜分离装置(7)的出口分别与第一膨胀机(8)的进口和第二膨胀机(9)的进口相连，第一透平膨胀机(8)的出口与第一级冷凝器(11)的冷侧进口相连，第二膨胀机(9)的出口与第二级冷凝器(12)的冷侧进口相连，渗透侧工质进入第一膨胀机(8)中做功，待温度和压力降低后进入第一级冷凝器(11)与LNG进行换热，渗余侧工质进入第二膨胀机(9)中做功，待温度和压力降低后进入第一级冷凝器(11)与LNG进行换热；

装有原料液LNG的LNG储存装置通过LNG管道依次与LNG泵(10)、第一级冷凝器(11)、第二级冷凝器(12)和再热器(13)相连；其中，LNG泵(10)的入口与LNG储存装置相连，LNG泵(10)用于提高原料液LNG的压力和温度；LNG泵(10)的出口与第一级冷凝器(11)的冷侧入口相连，升温加压后的LNG在第一级冷凝器(11)中吸收工质的热量，温度再次升高；第一级冷凝器(11)的冷侧出口与第二级冷凝器(12)的冷侧进口相连，加热后的LNG在第二级冷凝器(12)中吸收工质的热量，温度继续升高；第二级冷凝器(12)的冷侧出口与再热器(13)的冷侧进口相连，第二海水泵(2)的出口与再热器(13)的热侧进口相连，来自于第二级冷凝器(12)的LNG与来自第二海水泵(2)加压后的海水在再热器(13)中进行换热，换热后的LNG经再热器(13)的冷侧出口进入配送管网。

2.根据权利要求1所述的一种利用LNG冷能的组分可控型两级冷凝朗肯循环发电系统，其特征在于：所述的第一膨胀机(8)和第二膨胀机(9)是其他热功动力转换机械，均与发电机组连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用LNG冷能的组分可控型两级冷凝朗肯循环发电系统，其特征在于，所述的膜分离装置(7)中的膜为聚二甲基硅氧烷。

4.根据权利要求1或2所述的一种利用LNG冷能的组分可控型两级冷凝朗肯循环发电系统，其特征在于，所述的工质为丙烷和正戊烷的混合物或其他烷烃的混合物，其中，丙烷和正戊烷的摩尔比为1:1。

5.根据权利要求3所述的一种利用LNG冷能的组分可控型两级冷凝朗肯循环发电系统，其特征在于，所述的工质为丙烷和正戊烷的混合物或其他烷烃的混合物，其中，丙烷和正戊烷的摩尔比为1:1。