CN107916961B - 一种太阳能与天然气冷能联合梯级利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能与天然气冷能联合梯级利用系统，包括超低温发电系统和低温太阳能热发电系统，超低温发电系统与为其工质提供冷能的液态天然气余冷换热系统连通，低温太阳能热发电系统与为其提供太阳能热的低温太阳能集热系统连通，超低温发电系统与低温太阳能热发电系统之间通过余冷余热换能系统耦合换热。利用天然气气化潜热冷却超低温发电的“乏汽”，经过多次加热输出冷量应用后，最终被太阳能低温热发电的“乏汽”中和的原理，使冷发电和热发电对环境的冷、热污染中和，环保效果好。

Description

一种太阳能与天然气冷能联合梯级利用系统

技术领域

本发明涉及可再生能源技术领域，具体涉及一种余能利用和太阳能利用系统。

背景技术

天然气运输船、部分天然气接收站中为低温液态天然气，但在输出使用前需要转换为气态，期间需要释放出大量的冷能，现在国内外最常用的方式是海水加热或者天然气燃烧加热(例如专利CN200610089587)，海水加热方式将会大大降低海水温度，对周边环境造成冷污染，对海洋生态造成影响；而天然气燃烧加热方式则会消耗燃料并释放烟气，经济性和环保性差。部分饱和液态甲烷气的参数如表1所示；也有提出使用太阳能对天然气冷进行加热或者作为发电热源，但是均为非水工质且不能调节冷、电输出，而在发电所用工质中考虑到比热等特性合适的温度区间内水是最为经济、高效的工质。

液态天然气的余冷利用的最优方式是直接制冷，将冷交换给需要用冷的用户和行业，例如制冰、制冷、某些气体材料液化、空气分离、淡化、某些液体材料凝固等等，但是在实际应用过程中，天然气接收站远离这些需要用冷的用户和行业，考虑到运输成本和环保节能效益，液态天然气直接用冷方案在很多情况下难以实施。

有直接使用天然气发电进行余冷发电的方式，虽然也有很大的经济和环保效益，但是其所能利用的冷能比率不高，仍然有绝大部分冷能排放产生污染，环保问题仍然存在。

现在的太阳能热发电系统均采用聚光集热器进行集热，跟踪传动动力要求高，中高温对材料、安全的要求高，成本、占地、运维等也都较非聚光低温太阳能集热器高，因此推广利用受限。产业上，非聚光集热器商业化、产业化程度高，相关原料、生产、安装、监测等方面都制定了对应的国标，其生产、安装、运维的人员、相关企业非常多；相对而言，聚光集热器在国内外都没有相关的标准，专业从业人员少。

单独的太阳能热发电利用会对环境产生热污染，且因为较高的冷凝温度导致发电效率低，对集热温度要求高。

发明专利内容

本发明针对上述问题，提出一种太阳能与天然气冷能联合梯级利用系统，通过可再生能源和余能耦合联动生产和余热余冷中和以及智能输出控制，实现能源提质以及经济环保多重效益。

其主要原理为天然气气化潜热冷却超低温发电的“乏汽”，经过多次加热输出冷量应用后，最终被太阳能低温热发电的“乏汽”中和。

为实现上述目标，本发明提供如下技术方案：

一种太阳能与天然气冷能联合梯级利用系统，包括超低温发电系统和低温太阳能热发电系统，所述超低温发电系统与为其工质提供冷能的液态天然气余冷换热系统连通，所述低温太阳能热发电系统与为其工质提供太阳能热的低温太阳能集热系统连通，所述超低温发电系统与所述低温太阳能热发电系统之间通过余冷余热换能系统耦合换热，还包括控制系统，所述控制系统控制所述超低温发电系统、所述低温太阳能热发电系统及余冷余热换能系统工作。

所述余冷余热换能系统包括设置于其中的换热器组，及设置于其另一端的调参换热器。

所述换热器组根据不同的温度、冷量需求，由并联后再串联的一个或多个换热器构成，所述换热器的入口端与所述液态天然气余冷换热系统的末端连通，所述换热器之间设置有相互并联、且阀门开合互异可切换的流通管道。

所述低温太阳能热发电系统包括太阳能中间换热系统，所述太阳能中间换热系统与所述低温太阳能集热系统及所述余冷余热换能系统分别连通，所述低温太阳能热发电系统内部的乏汽通过余冷余热换能系统进行冷凝，可通过监测所述换热器的表面温度、结冰状态进行流通管道的切换，以预防换热器中的冷凝冰的产生。

所述调参换热器与所述超低温发电系统的透平发电机连通，所述调参换热器还与所述低温太阳能集热系统的太阳能蓄热容器连通，连通管道上设置有调节阀与水泵。

所述低温太阳能热发电系统采用水作为循环工质。

所述超低温发电系统采用熔点低于-100℃，临界温度不低于-100℃的低熔点工质作为循环工质。

所述超低温发电系统采用R23，R41等作为循环工质。

本发明的有益效果为：

本发明太阳能与天然气冷能联合梯级利用系统，其工作原理为利用天然气气化潜热冷却超低温发电的“乏汽”，经过多次输出冷量应用后被加热，最终被太阳能低温热发电的“乏汽”中和。通过换热器的智能转换和控制调节实现冷量输出的调节以及乏汽凝结清理。利用水工质比热、潜热大、安全环保经济性高的优点，通过智能控制换热器流道切换降低水工质乏汽温度提高发电量的同时安全除冰。通过耦合太阳能发电和梯级利用的方式，保留了天然气冷能利用和太阳能热发电的优势同时，开发出新的优势：

1、太阳能热发电的冷凝温度大大降低，发电效率高，集热温度要求不高，可以使用经济性、稳定性更好的非聚光集热器；

2、变用冷情况下的稳定的冷发电输出；

3、冷发电和热发电对环境的冷、热污染中和，环保效果好；

4、可调动态热中和保证热发电和冷发电的稳定性，系统输出和稳定性更好。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构原理示意图。

图2为余冷余热换能系统工作原理图。

图3为本发明实施例二的结构原理示意图。

附图标记：

10-低温太阳能集热系统；20-超低温发电系统；30-液态天然气输送管道；40-液态天然气余冷换热系统；50-超低温气态天然气制冷系统；60-余冷余热换能系统；70-低温太阳能热发电系统；71-太阳能中间换热系统；21-超低温发电工质第一级冷输出利用换热器；22-超低温发电工质第二级冷输出利用换热器；23-调参换热器；24-第一流量调节阀；25-第二流量调节阀；231-第三流量调节阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例一：

如图1所示，一种太阳能与天然气冷能联合梯级利用系统，包括低温太阳能集热系统10、低温太阳能热发电系统70、余冷余热换能系统60、超低温发电系统20、液态天然气余冷换热系统40、超低温气态天然气制冷系统50、控制系统(未图示)七个主要部分。

超低温发电系统20与液态天然气余冷换热系统40连通，低温太阳能热发电系统70与低温太阳能集热系统10连通，超低温发电系统20与低温太阳能热发电系统40之间通过余冷余热换能系统60耦合换热。

超低温气态天然气制冷系统50设置于液态天然气余冷换热系统40末端，天然气管道30内的天然气通过液态天然气余冷换热系统40后，进入超低温气态天然气制冷系统50，被加热升温。接收站等得到的液态天然气先经过液态天然气余冷换热系统40进行换热进而冷却超低温发电系统20中的工质，液态天然气吸热变为低温气态天然气后再经过超低温气态天然气制冷系统50进行制冰、制冷、液化等应用。

太阳能集热系统10的容量配合天然气发电和相关梯级利用的余冷，其发电后的乏汽容量与余冷容量相当。

余冷余热换能系统60设置有换热器组与调参换热器23，调参换热器23与超低温发电系统20的透平发电机相连，调参换热器23还与低温太阳能集热系统10的太阳能蓄热容器11连通，连通管道上设置有第三调节阀231与泵。

如图2所示，换热器组根据温度、冷量需求，由先并联后串联的第一换热器21与第二换热器22组成，第一换热器21与第二换热器22分别与液态天然气余冷换热系统40的末端通过流通管道连通，流通管道上分别对应设置有第一流量调节阀24与第二流量调节阀25。流通管道相互并联、且调节阀门开合互异可切换。

低温太阳能热发电系统70包括太阳能中间换热系统71，太阳能中间换热系统71与低温太阳能集热系统10及余冷余热换能系统60分别连通，太阳能中间换热系统71与余冷余热换能系统60之间的管道上设置有泵。

低温太阳能热发电系统内部的乏汽通过余冷余热换能系统进行冷凝，余冷余热换能系统内部设置有换热器，所述换热器中设置有两组流通管道，所述流通管道为并联可切换流道，通过监测所述换热器的表面温度、结冰状态进行流道转换，预防换热器中的冷凝冰的产生；

通过不同工质或者流体的独立循环对系统原理进行描述；

对于天然气流动，液态天然气首先经过液态天然气余冷换热系统40后被加热变成气态，然后经过超低温气态天然气制冷系统50后被加热升温。

对于超低温发电循环20：工质经过液态天然气余冷换热系统40后被冷却成液体然后经过工质泵被加压，然后被第一换热器21与第二换热器22进行换热输出不同温度和数量的冷量加以利用后，再经过余冷余热换能系统60和调参换热器23加热成过热或者饱和气态推动透平发电，经过透平的乏汽再次经过换热系统40，实现一个发电循环。

对于太阳能低温热发电系统70：乏汽经过余冷余热换能系统60被冷却成液体，然后被水泵加压后经过太阳能中间换热系统71后被加热成饱和蒸汽，经过透平发电后变为低压乏汽，再次经过余冷余热换能系统60完成一个循环。

太阳能中间换热系统71包括可变换换热器、气液分离设备等。

太阳能集热系统10：采用强制循环的太阳能平板或者真空管集热器对水进行循环加热。

余冷余热换能系统60：超低温发电系统20的工质进入两两并联，且第一调节阀24与第二调节阀25阀门开合互异(如果一个开，则另外一个关)的换热流道，通过测量第一换热器21或第二换热器22表面温度或者其他参数，监测内部换热单元表面结冰情况进而控制换热流道的切换，实现余冷梯级利用的冷源供给。

控制系统是实现能量匹配、冷热中和零污染排放的核心，冷量使用量波动时通过对流量调节阀门的开度和泵流量的调节实现热发电和冷发电的调节，最终实现无冷热污染排放、大量电力输出、大量用冷输出的综合效益。在需要深冷量输出减少时，通过控制减少调节阀24的开度，在需要浅冷量输出增加时，通过控制增大调节阀25的开度，而通过测量流过余冷余热换能系统60后的超低温发电工质温度调节阀门231的开度和工质循环泵流量(通过变频或者增加阀门开度方式)实现进入超低温发电汽轮机进气参数的稳定，从而实现变冷量输出情况下的电稳定输出。

实施例二：

与实施例1基本相同，区别仅仅是调参换热器23的加热源由太阳能蓄热容器11变为低温发电循环热源的回路，如图3所示。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (6)

1.一种太阳能与天然气冷能联合梯级利用系统，其特征在于：包括超低温发电系统和低温太阳能热发电系统，所述超低温发电系统与为其工质提供冷能的液态天然气余冷换热系统连通，所述低温太阳能热发电系统与为其工质提供太阳能热的低温太阳能集热系统连通，所述超低温发电系统与所述低温太阳能热发电系统之间通过余冷余热换能系统耦合换热，还包括控制系统，所述控制系统控制所述超低温发电系统、所述低温太阳能热发电系统及余冷余热换能系统工作；所述余冷余热换能系统包括设置于其中的换热器组，及与所述换热器组连接的调参换热器；所述换热器组根据不同的温度、冷量需求，由串联可切换的一个或多个换热器构成，所述换热器的入口端与所述液态天然气余冷换热系统的末端连通，所述换热器之间设置有相互串联、且阀门开合互异可切换的流通管道。

2.根据权利要求1所述的太阳能与天然气冷能联合梯级利用系统，其特征在于：所述低温太阳能热发电系统包括太阳能中间换热系统，所述太阳能中间换热系统与所述低温太阳能集热系统及所述余冷余热换能系统分别连通，所述低温太阳能热发电系统内部的乏汽通过余冷余热换能系统进行冷凝，可通过监测所述换热器的表面温度、结冰状态进行所述流通管道的切换，以预防换热器中的冷凝冰的产生。

3.根据权利要求1所述的太阳能与天然气冷能联合梯级利用系统，其特征在于：所述调参换热器与所述超低温发电系统的透平发电机连通，所述调参换热器还与所述低温太阳能集热系统的太阳能蓄热容器连通，连通管道上设置有调节阀与水泵。

4.根据权利要求1所述的太阳能与天然气冷能联合梯级利用系统，其特征在于：所述低温太阳能热发电系统采用水作为循环工质。

5.根据权利要求1所述的太阳能与天然气冷能联合梯级利用系统，其特征在于：所述超低温发电系统采用熔点低于-100℃，临界温度不低于-100℃的低熔点工质作为循环工质。

6.根据权利要求5所述的太阳能与天然气冷能联合梯级利用系统，其特征在于：所述超低温发电系统采用R23、R41作为循环工质。

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