CN108252759A - 一种智能化的小型冷能发电装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能化的小型冷能发电装置及其控制方法，包括LNG储罐、第一截止阀、气化器、调压阀、流量计、LNG冷能传递系统、冷能发电系统和智能控制系统，所述的LNG冷能传递系统包括串接或旁接在所述主管路上第一换热器；所述的冷能发电系统包括低温泵、第二换热器、膨胀机、发电机，所述的智能控制系统包括通过电路相连接的PLC、第一温度压力变送器、第二温度压力变送器、第三温度压力变送器、温度变送器、甲烷在线监测仪和电磁阀。本发明结构简单，高度集成，既可以作为偏远无电缺电卫星站的电力支持，也可作为场站供电补充或主管道故障时的应急通道；安全自动化程度高，助力于能源产业升级，具有良好的社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及LNG冷能发电领域，尤其是一种智能化的小型冷能发电装置及其控制方法。
背景技术
作为低排放的清洁燃料，LNG 是当今世界增长最快的能源。据 Bp 公司统计，2015年在全球范围内，天然气占一次能源消费的 23.8%，中国全年消费总量较去年增长 4.7%，总消费197.3 亿 m³。我国的 LNG 冷能利用研究始于上世纪九十年代。陈国邦和朱建文先后提出了液化天然气冷能的概念，为日后我国的LNG 冷能利用研究提供了详尽的分析，LNG与周围环境介质（如海水、空气和其他相变材料）之间的温差和压力差趋于平衡态的过程中所获得的能量即称为LNG 冷能。而㶲是用来衡量冷能大小的重要指标。近年来，我国天然气缺口严重，进口 LNG 所占的比例越来越高。虽然我国进口 LNG 比世界晚了 30 年，LNG 冷能发电技术的研究晚于日本美国等发达国家，但随着我国集中大规模引进 LNG，我国的LNG 冷能发电利用技术也在大幅发展。
LNG 冷能主要用于冷能发电、空气分离、生产干冰、冷藏、海水淡化、制冰和低温粉碎，但除了冷能发电外其他应用对于冷能利用相对较低。国内外学者对 LNG 冷能发电技术进行深入的研究，用㶲作为评价方法，并取得了一定的应用成果。通过对国内外 LNG冷能发电技术文献和实际应用的调研，目前主流的六种 LNG 冷能发电技术：直接膨胀法、朗肯循环法、联合循环法、布雷顿循环法、卡琳娜循环法和多级复合循环法。目前对LNG冷能发电的研究有很多，冷能发电技术相对而言比较成熟，但对LNG冷能发电小型装置以及智能化控制的研究甚少。
专利CN105569752U公开了一种利用冷能发电的工艺及装置，汽化向下游管网供应天然气的过程中释放出大量的冷能，利用两个独立的循环将冷能回收用于发电，避免了冷能的损失，提升了企业的经济效益，在发电的同时避免了电厂发电带来的污染问题,符合节能环保的要求，但该装置并未涉及一种智能化的制方法。
专利CN104989459公开了一种智能化天然气管网压力能发电装置，实现了储电系统与发电系统的综合高效利用，还可实现站厂无人操作，节约大量人力，又保证厂站的安全，但发电利用的是LNG压力能不是LNG冷能。
发明内容
本发明的目的在于针对上面提出的目前已有的LNG研究的不足，公开了一种小型冷能发电装置及智能化的逻辑控制方法，使得在提高LNG冷能利用率，提高冷能发电量的同时，也简单容易实施，并且工质丙烷简单易得、安全。
本发明采用的技术方案具体为：
一种智能化的小型冷能发电装置，包括通过主管路依次连接至下游用户的LNG储罐、第一截止阀、气化器、调压阀、流量计，还包括LNG冷能传递系统、冷能发电系统和智能控制系统；
所述的LNG冷能传递系统包括串接或旁接在所述主管路上第一换热器；
所述的冷能发电系统包括低温泵、第二换热器、膨胀机、发电机，内设循环冷媒的所述低温泵、第二换热器、膨胀机通过管路依次连接第一换热器进行循环换热，所述膨胀机的输出端与发电机驱动连接；
所述的智能控制系统包括通过电路相连接的PLC、用于获取膨胀机入口处冷媒温度压力值的第一温度压力变送器、用于获取膨胀机出口处冷媒温度压力值的第二温度压力变送器、用于获取调压阀出口处LNG温度压力值的第三温度压力变送器、用于获取第一换热器的LNG输出口温度值的温度变送器、甲烷在线监测仪和设置在所述第一换热器的LNG输入口的电磁阀。
进一步地，所用膨胀机为气动马达，通过连轴与发电机驱动连接。
进一步地，所述的第一换热器采用盘管式换热器。
进一步地，所述的PLC10采用西门子S7-200系列PLC。
进一步地，所述的循环冷媒为丙烷。
进一步地，所述发电机为异步发电机，型号是YB3-205-2。
进一步地，所述的第二换热器与空气进行强制换热。
进一步地，所述的智能控制系统还包括与PLC电路连接的报警系统，用于当甲烷在线监测仪所检测的甲烷浓度大于或低于对应阈值时发出警报。
一种如所述装置的控制方法，包括步骤：
开启系统，电磁阀打开LNG冷能传递系统，LNG进入LNG冷能传递系统，所述的冷能发电系统与LNG冷能传递系统换热后进行发电；
PLC10实时获取第一温度压力变送器、第二温度压力变送器、第三温度压力传感器和温度变送器的示数；
当温度变送器的示数大于-132℃时，电磁阀关闭，切断LNG冷能传递，停止发电，保证主管路的正常运行。
进一步地，在系统运行过程中，通过控制所述低温泵、第二换热器调节第一温度压力变送器处的温度、压力实现所述发电机发电量的变化，所述发电量的变化范围为15-25%。
本发明与现有技术和现状相比具有以下的有益效果：
1、本发明在冷媒工况条件不变的前提或者LNG能够满足冷能所需冷量的前提下，本系统允许LNG温度可以有30℃左右的波动，而且只取部分气化量的LNG进行冷能发电，有利于该冷能利用项目的持续平稳进行，冷能发电项目可以实现随时启停，通过自控方法随时监测各储罐及管路的工作情况，任意系统关停后，通过对上游LNG流量的及时调整，保证不会对其他系统形成干扰；
2、本发明可以实现智能化操作，利用PLC系统进行实时监控仪表数据，并与报警器连接，保证厂站的安全环境，及时处理数据反馈，可以做到无人操作，极大地减少生产和人力成本，提高厂站收益；
3、实现与原有工艺的无缝衔接：在运行和随时中断时（即使无电、无人看守时），做到无缝切换，保证原有体系正常运行，并且在电力使用、占地面积等方面，做到对原有场站有益补充；
4、本发明对LNG气化产生的冷能进行回收用于发电，节能环保，缓解了冷污染，同时产生一定的经济效益；发出的电力可进行上网，解决场站自身的用电问题的同时也可给周边居民和工业用户供电，停电时也可作为新的供电方式，有利于用电行业的分布式能源的发展；后期进行进一步的冷能优化设计时，可新增冷能用于空调、制冰的项目，从而彻底解决冷雾、冷污染问题，将冷能的利用率提升至更高，贯彻落实节能环保的方针政策。
附图说明
图1为本发明实施例一的智能化的小型冷能发电装置原理示意图。
图中：1-LNG储罐；2-气化器；3-甲烷在线监测仪；4-第一换热器；5-低温泵；6-第二换热器；7-第一温度压力变送器；8-膨胀机；9-发电机；10-PLC；11-电磁阀；12-温度变送器；13-第一截止阀；14-第二温度压力变送器；15-调压阀；16-第三温度压力变送器；17-第二截止阀。
具体实施方式
为更好地理解本发明,下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
实施例一
下面以某LNG卫星站为例，该LNG供气能力为50000m³/d，供气压力为0.4MPa。
如图1所示，一种智能化的小型冷能发电装置，包括通过主管路依次连接至下游用户的LNG储罐1、第一截止阀13、气化器2、调压阀15、流量计，还包括LNG冷能传递系统、冷能发电系统和智能控制系统；
所述的LNG冷能传递系统包括串接或旁接在所述主管路上第一换热器4，所述的第一换热器4采用盘管式换热器；
所述的冷能发电系统包括低温泵5、第二换热器6、膨胀机8、发电机9，内设循环冷媒的所述低温泵5、第二换热器6、膨胀机8通过管路依次连接第一换热器4进行循环换热，所述的第二换热器6与空气进行强制换热。所述的循环冷媒为丙烷。所述膨胀机8的输出端与发电机9驱动连接，所述发电机9为异步发电机，型号是YB3-205-2；所用膨胀机8为气动马达，通过连轴与发电机驱动连接；
所述的智能控制系统包括通过电路相连接的PLC10、用于获取膨胀机8入口处冷媒温度压力值的第一温度压力变送器7、用于获取膨胀机8出口处冷媒温度压力值的第二温度压力变送器14、用于获取调压阀15出口处LNG温度压力值的第三温度压力变送器16、用于获取第一换热器4的LNG输出口温度值的温度变送器12、甲烷在线监测仪3和设置在所述第一换热器4的LNG输入口的电磁阀11。
所述的智能控制系统还包括与PLC10电路连接的报警系统，当甲烷在线监测仪3所检测的甲烷浓度大于或低于对应阈值时，PLC10发出控制指令使报警系统发出警报。
所述调压阀15不仅有截止阀的功能，还可以调节并网后的压力，实现管网无缝衔接。
本实施例的一种智能化的小型冷能发电装置高度集成，衔接紧密，涵盖了所需要的设备，方便安装和维修，适用于小型低压的工艺条件。
实施例二
一种如所述智能化的小型冷能发电装置的控制方法，包括步骤：
S1、开启系统，电磁阀11打开LNG冷能传递系统，LNG进入LNG冷能传递系统，所述的冷能发电系统与LNG冷能传递系统换热后进行发电；
S2、PLC10实时获取第一温度压力变送器7、第二温度压力变送器14、第三温度压力传感器16和温度变送器12的示数；
S3、当温度变送器12的示数大于-132℃时，电磁阀11关闭，切断LNG冷能传递，停止发电，保证主管路的正常运行。
具体而言，在系统运行过程中，通过控制所述低温泵5、第二换热器6调节第一温度压力变送器7处的温度、压力实现所述发电机9发电量的变化，如通过改变低温泵5的转速调节循环冷媒的压力，通过改变第二换热器6与空气的强制换热率调整循环冷媒的温度，所述发电量的变化范围为15-25%。
上述实施例采用朗肯循环-直接膨胀联合法，LNG从LNG储罐1出来进入第一换热器4中换热气化，将朗肯循环的冷媒冷却冷凝，然后LNG汇入总管，经调压阀15和流量计调压计量后输送给下游用户；循环冷媒在第二换热器6中空气强制换热后进入膨胀机8，带动发电机9发电，再回到第一换热器4进行循环，实现冷能的传递。上述实施例选用丙烷作为循环工质，其蒸发压力为0.11MPa，蒸发温度为5℃；冷凝压力为0.7MPa，冷凝温度为-20℃。所以LNG进入第一换热器的压力为4MPa，进口温度约为-162℃，出口温度控制为-132℃左右，设计LNG的质量流量为15000kg/hr，循环冷媒的质量流量是3000kg/hr。LNG蒸发器热负荷为400KW，朗肯循环蒸发器热负荷为430KW。
上述实施例的净发电外输的电力20KW，夜间也可运行，在夏季发电效果达到最佳，寒冬季节可考虑关停或采用其他措施维持发电。一年按照8500小时计算，其中7000小时可进行完全输出，电力总输出为14万kWh，按照0.8元/kWh普通工业用电价格计算收益可达11.2万元。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种智能化的小型冷能发电装置，包括通过主管路依次连接至下游用户的LNG储罐（1）、第一截止阀（13）、气化器（2）、调压阀（15）、流量计，其特征在于：还包括LNG冷能传递系统、冷能发电系统和智能控制系统；
所述的LNG冷能传递系统包括串接或旁接在所述主管路上第一换热器（4）；
所述的冷能发电系统包括低温泵（5）、第二换热器（6）、膨胀机（8）、发电机（9），内设循环冷媒的所述低温泵（5）、第二换热器（6）、膨胀机（8）通过管路依次连接第一换热器（4）进行循环换热，所述膨胀机（8）的输出端与发电机（9）驱动连接；
所述的智能控制系统包括通过电路相连接的PLC（10）、用于获取膨胀机（8）入口处冷媒温度压力值的第一温度压力变送器（7）、用于获取膨胀机（8）出口处冷媒温度压力值的第二温度压力变送器（14）、用于获取调压阀（15）出口处LNG温度压力值的第三温度压力变送器（16）、用于获取第一换热器（4）的LNG输出口温度值的温度变送器（12）、甲烷在线监测仪（3）和设置在所述第一换热器（4）的LNG输入口的电磁阀（11）。
2.根据权利要求1所述的一种智能化的小型冷能发电装置，其特征在于：所用膨胀机（8）为气动马达，通过连轴与发电机驱动连接。
3.根据权利要求1所述的一种智能化的小型冷能发电装置，其特征在于：所述的第一换热器（4）采用盘管式换热器。
4.根据权利要求1所述的一种智能化的小型冷能发电装置，其特征在于：所述的PLC（10）采用西门子S7-200系列PLC。
5.根据权利要求（1）所述的一种智能化的小型冷能发电装置，其特征在于：所述的循环冷媒为丙烷。
6.根据权利要求1所述的一种智能化的小型冷能发电装置，其特征在于：所述发电机（9）为异步发电机，型号是YB3-205-2。
7.根据权利要求1所述的一种智能化的小型冷能发电装置，其特征在于：所述的第二换热器（6）与空气进行强制换热。
8.根据权利要求1所述的一种智能化的小型冷能发电装置，其特征在于：所述的智能控制系统还包括与PLC电路连接的报警系统，用于当甲烷在线监测仪（3）所检测的甲烷浓度大于或低于对应阈值时发出警报。
9.一种如权利要求1至8中任一项所述装置的控制方法，其特征在于，包括步骤：
开启系统，电磁阀（11）打开LNG冷能传递系统，LNG进入LNG冷能传递系统，所述的冷能发电系统与LNG冷能传递系统换热后进行发电；
PLC（10）实时获取第一温度压力变送器（7）、第二温度压力变送器（14）、第三温度压力传感器（16）和温度变送器（12）的示数；
当温度变送器（12）的示数大于-132℃时，电磁阀（11）关闭，切断LNG冷能传递，停止发电，保证主管路的正常运行。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，在系统运行过程中，通过控制所述低温泵（5）、第二换热器（6）调节第一温度压力变送器（7）处的温度、压力实现所述发电机（9）发电量的变化，所述发电量的变化范围为15-25%。
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