CN108331627B - 一种单循环双级lng冷能发电与制冰的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单循环双级LNG冷能发电与制冰的方法及系统，方法步骤如下：透平发电机组排出的低压有机工质蒸汽与LNG储罐输入的LNG换热回收低温段LNG冷能；从透平发电机组中抽出的中压有机工质蒸汽与初次换热后的LNG换热回收中温段LNG冷能；换热液化成的有机工质液体依次经工质‑冷媒换热器、蒸发器、过热器换热变成过热有机工质蒸汽，送入透平发电机组中做功发电；同时双级换热后的LNG再次换热以交换LNG剩余的高温段冷能，经过三次换热的LNG经NG加热器加热后送往天然气外输管网；且三次换热时的冷媒回送制冰装置用于制冰。本发明的方法流程简化、减少了投资和占地面积，能节省LNG气化所需要的热量和运行费用。

Description

一种单循环双级LNG冷能发电与制冰的方法及系统
技术领域
本发明涉及LNG（液化天然气）冷能梯级利用技术领域，具体地说是一种单循环双级LNG冷能发电与制冰的方法及系统，该方法依据LNG冷能品位，将朗肯发电与制冰相结合，建立起LNG冷能梯级利用系统。
背景技术
随着LNG贸易的迅猛发展，世界各国都在探索LNG冷能利用的途径和方法。日本对冷能的利用在世界上处于领先地位，除了与发电厂相配合使用外，还有20多套独立的LNG冷能利用设备，包括空气分离装置、制干冰装置、深度冷冻仓库、低温朗肯循环独立发电装置。现有的利用LNG冷能技术中，冷能发电是适用性最强的利用方式。发电的方式主要有两种：直接膨胀发电和利用中间介质的朗肯循环发电。对于LNG接收站，一般需要将LNG加压至4～10MPa后气化输送给下游用户。直接膨胀发电一般是在LNG被加热后输送给距离接收站较近的用户使用，用户不需要高压天然气，可采用高压天然气直接膨胀发电，主要回收天然气的压力能。朗肯循环发电更适合回收LNG从低温被加热气化释放的冷能。常规的LNG朗肯发电方式包括利用中间介质进行单级、两级甚至多级逐级换热发电利用，如美国专利US2975605、US3018634、US3068659、US4320303。
CN103075250A公开了一种LNG冷能梯级朗肯发电系统，包括天然气介质朗肯循环和冷媒介质朗肯循环两部分，通过控制天然气介质和冷媒介质的压力来实现LNG的多重梯级换热，整体提高了冷能的利用率，而且将烟气余热作为热源，减少环境热污染。但是，该系统气化100t/h LNG需66t/h天然气作为工质发电，浪费了宝贵的天然气能源，而且天然气介质朗肯循环效率仅为20.21%，效率低下。进入透平发电的天然气压力很高，冷凝后的天然气又通过高压泵升压至高压外输的压力，浪费了大量的冷能。除此以外，该发明系统复杂，设备很多，具体实施起来难度较大。
CN101806293A提出了一种提高液化天然气冷能发电效率的集成优化方法，包括天然气直接膨胀发电系统、冷媒朗肯循环发电系统和冰水系统三个步骤。该发明将燃气电厂的低温余热引入系统中，用来加热天然气和冷媒工质，提高天然气和冷媒工质进透平膨胀机的温度，以此提高了LNG冷能回收率。
以上LNG冷能利用方案存在的问题是，单级利用效率低下，许多LNG冷能没有得到充分利用；两级发电或多级发电系统庞大，设备较多，投资费用高，经济效益差。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种将朗肯发电与制冰相结合的单循环双级LNG冷能发电与制冰的方法及系统。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种单循环双级LNG冷能发电与制冰的方法，其特征在于：该方法步骤如下：
a、透平发电机组排出的低压有机工质蒸汽与LNG储罐输入的LNG在第一冷凝器中换热，回收低温段LNG冷能形成低压有机工质液体；
b、从透平发电机组中抽出的中压有机工质蒸汽与初次换热后的LNG在第二冷凝器中换热，回收中温段LNG冷能形成中压有机工质液体；
c、步骤（a）中的低压有机工质液体和步骤（b）中的中压有机工质液体混合后依次经工质-冷媒换热器、蒸发器、过热器换热变成过热有机工质蒸汽，送入透平发电机组中做功发电；
d、步骤（b）中经过第二冷凝器再次换热后的LNG在NG-冷媒换热器中与来自制冰装置的冷媒换热以交换LNG剩余的高温段冷能，经过三次换热的LNG经NG加热器加热后送往天然气外输管网；
e、步骤（d）中的经NG-冷媒换热器换热后的冷媒送入制冰装置用于制冰。
所述步骤（a）中的LNG储罐输入的LNG需要经增压泵加压成4-10MPa的高压LNG。
所述步骤（c）中的低压有机工质液体和中压有机工质液体需要分别经对应的工质泵加压成相同压力后再混合，然后送入工质-冷媒换热器与冷媒换热，再依次进入蒸发器、过热器与热源换热变成过热有机工质蒸汽，送入透平发电机组中做功发电。
所述步骤（c）中的工质-冷媒换热器采用的冷媒来自于制冰装置，且换热后的冷媒与步骤（d）中的经NG-冷媒换热器换热后的冷媒汇合，经冷媒泵加压后送入制冰装置用于制冰。
所述的有机工质为乙烷、乙烯、三氟甲烷、六氟乙烷中的一种或两种以上的混合物。
所述步骤（c）中的蒸发器、过热器和所述步骤（d）中的NG加热器所采用的热源为低于40℃的低品位热源，且换热管采用如内波外螺纹管、内或外或内外槽道管等独特的高效特型管，以大大减少换热设备尺寸。
一种单循环双级LNG冷能发电与制冰的方法所采用的系统，其特征在于：所述的系统包括第一冷凝器、工质-冷媒换热器、蒸发器、过热器、透平发电机组、第二冷凝器、NG-冷媒换热器、NG加热器、制冰装置，所述第一冷凝器的LNG进口通过管路与LNG储罐相连接，第一冷凝器的LNG出口通过管路与第二冷凝器的LNG进口连接，第二冷凝器的LNG出口通过管路与NG-冷媒换热器的LNG进口连接，NG-冷媒换热器的LNG出口通过管路与NG加热器的LNG进口连接，NG加热器的出口通过管路与天然气外输管网相连接；所述的透平发电机组分别经低压有机工质气体管路、中压有机工质气体管路与第一冷凝器的低压有机工质进口、第二冷凝器的中压有机工质进口连接，第一冷凝器的低压有机工质出口、第二冷凝器的中压有机工质出口经连通管路连通后与工质-冷媒换热器的有机工质进口连接，工质-冷媒换热器的有机工质出口通过管路依次经蒸发器、过热器与透平发电机组的发电工质进口连接；所述NG-冷媒换热器和工质-冷媒换热器的冷媒进口分别通过管路与制冰装置的冷媒出口相连通，制冰装置的冷媒进口分别通过管路与NG-冷媒换热器和工质-冷媒换热器的冷媒出口相连通。
所述第一冷凝器的低压有机工质出口的管路上设有第一工质泵且第二冷凝器的中压有机工质出口的管路上设有第二工质泵，第一冷凝器输出的低压有机工质液体和第二冷凝器输出的中压有机工质液体分别经对应的第一工质泵和第二工质泵加压成相同的压力后混合，之后再通过连通管送入工质-冷媒换热器的有机工质进口与来自制冰装置的其中一股冷媒进行换热。
所述NG-冷媒换热器的冷媒出口和工质-冷媒换热器的冷媒出口分别通过对应的连接管与带有冷媒泵的混合管相连接，带有冷媒泵的混合管与制冰装置的冷媒进口相连通。
所述透平发电机组的低压有机工质蒸汽管路上设有与透平发电机组的发电工质进口处的过热有机工质蒸汽管路相连通的带有第一阀门的低压有机工质蒸汽回路；所述透平发电机组的中压有机工质蒸汽管路上设有与透平发电机组的发电工质进口处的过热有机工质蒸汽管路相连通的带有第二阀门的中压有机工质蒸汽回路。
本发明相比现有技术有如下优点：
本发明通过将常规的两级朗肯循环发电简化为单循环双级朗肯发电，从透平发电机组排出的低压有机工质蒸汽和从透平发电机组抽出的中压有机工质蒸汽分别与不同温度段LNG换热，既可降低进入工质-冷媒换热器的发电工质的温度，还可分两级回收LNG冷能，且换热管采用如内波外螺纹管、内或外或内外槽道管等独特的高效特型管，以大大减少换热设备尺寸；同时单循环双级朗肯发电系统仅仅用了一种发电工质，而常规的两级朗肯循环发电需要两种发电工质，从而用一套透平发电机组代替了传统的两套透平发电机组，简化了流程和设备组成，减少了投资和占地面积。
本发明的制冰装置包括两部分，一部分是回收LNG的第三段冷能、另一部分是回收冷凝后的发电有机工质携带的冷能，更加充分的利用LNG冷能，同时起到预冷发电工质的作用，可节省LNG气化所需要的热量和运行费用。
附图说明
附图1为本发明的单循环双级LNG冷能发电与制冰的方法流程图。
其中：1—第一冷凝器；2—第一工质泵；3—工质-冷媒换热器；4—蒸发器；5—过热器；6—透平发电机组；7—第二冷凝器；8—第二工质泵；9—NG-冷媒换热器；10—NG加热器；11—制冰装置；12—冷媒泵；13—第一阀门；14—第二阀门。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示：一种单循环双级LNG冷能发电与制冰的方法，该方法步骤如下：a、透平发电机组排出的低压有机工质蒸汽与LNG储罐输入的LNG在第一冷凝器中换热，回收低温段LNG冷能形成低压有机工质液体，其中LNG储罐输入的LNG需要经增压泵加压成4-10MPa的高压LNG；b、从透平发电机组中抽出的中压有机工质蒸汽与初次换热后的LNG在第二冷凝器中换热，回收中温段LNG冷能形成中压有机工质液体；c、步骤（a）中的低压有机工质液体和步骤（b）中的中压有机工质液体需要分别经对应的工质泵加压成相同压力后再混合，然后送入工质-冷媒换热器与冷媒换热，再依次进入蒸发器、过热器与热源换热变成过热有机工质蒸汽，送入透平发电机组中做功发电；d、步骤（b）中经过第二冷凝器再次换热后的LNG在NG-冷媒换热器中与来自制冰装置的冷媒换热以交换LNG剩余的高温段冷能，经过三次换热的LNG经NG加热器加热后送往天然气外输管网；e、步骤（d）中的经NG-冷媒换热器换热后的冷媒送入制冰装置用于制冰。
在上述方法中，步骤（c）中的工质-冷媒换热器采用的冷媒来自于制冰装置，且换热后的冷媒与步骤（d）中的经NG-冷媒换热器换热后的冷媒汇合，经冷媒泵加压后送入制冰装置用于制冰。步骤（c）中的蒸发器、过热器和所述步骤（d）中的NG加热器所采用的热源为低于40℃的低品位热源，该热源可选用海水，但并不仅限于海水，还可利用其它低品位热源如低于40℃的循环水、空气，还可以结合实际与太阳能利用、工业余热利用结合等；且换热管采用如内波外螺纹管、内或外或内外槽道管等独特的高效特型管，以大大减少换热设备尺寸。另外采用的有机工质为乙烷、乙烯、三氟甲烷、六氟乙烷中的一种或两种以上的混合物。
如图1所示，一种单循环双级LNG冷能发电与制冰的系统，该系统包括第一冷凝器1、工质-冷媒换热器3、蒸发器4、过热器5、透平发电机组6、第二冷凝器7、NG-冷媒换热器9、NG加热器10、制冰装置11，其中第一冷凝器1的LNG进口通过管路与LNG储罐相连接，第一冷凝器1的LNG出口通过管路与第二冷凝器7的LNG进口连接，第二冷凝器7的LNG出口通过管路与NG-冷媒换热器9的LNG进口连接，NG-冷媒换热器9的LNG出口通过管路与NG加热器10的LNG进口连接，NG加热器10的出口通过管路与天然气外输管网相连接；透平发电机组6分别经低压有机工质气体管路、中压有机工质气体管路与第一冷凝器1的低压有机工质进口、第二冷凝器7的中压有机工质进口连接，第一冷凝器1的低压有机工质出口、第二冷凝器7的中压有机工质出口经连通管路连通后与工质-冷媒换热器3的有机工质进口连接，工质-冷媒换热器3的有机工质出口通过管路依次经蒸发器4、过热器5与透平发电机组6的发电工质进口连接； NG-冷媒换热器9和工质-冷媒换热器3的冷媒进口分别通过管路与制冰装置11的冷媒出口相连通，制冰装置11的冷媒进口分别通过管路与NG-冷媒换热器9和工质-冷媒换热器3的冷媒出口相连通。另外在第一冷凝器1的低压有机工质出口的管路上设有第一工质泵2且第二冷凝器7的中压有机工质出口的管路上设有第二工质泵8，第一冷凝器1输出的低压有机工质液体和第二冷凝器7输出的中压有机工质液体分别经对应的第一工质泵2和第二工质泵8加压成相同的压力后混合，之后再通过连通管送入工质-冷媒换热器3的有机工质进口与来自制冰装置11的其中一股冷媒进行换热。NG-冷媒换热器9的冷媒出口和工质-冷媒换热器3的冷媒出口分别通过对应的连接管与带有冷媒泵12的混合管相连接，带有冷媒泵12的混合管与制冰装置11的冷媒进口相连通。同时在透平发电机组6的低压有机工质蒸汽管路上设有与透平发电机组6的发电工质进口处的过热有机工质蒸汽管路相连通的带有第一阀门13的低压有机工质蒸汽回路；透平发电机组6的中压有机工质蒸汽管路上设有与透平发电机组6的发电工质进口处的过热有机工质蒸汽管路相连通的带有第二阀门14的中压有机工质蒸汽回路；带有第一阀门13的低压有机工质蒸汽回路和带有第二阀门14的中压有机工质蒸汽回路的设置是为了透平发电机组6出现故障的时候，保护机组，不影响生产为安全而设置。
本发明的单循环双级LNG冷能发电与制冰的方法，包括单循环双级朗肯发电和制冰两部分；其中单循环双级朗肯发电过程为：经增压泵加压至4-10MPa的高压LNG与透平发电机组6排出的低压有机工质蒸汽在第一冷凝器1中换热以回收低温段LNG冷能；换热后的LNG与从透平发电机组6中抽出的中压有机工质蒸汽在第二冷凝器7中换热以回收中温段LNG冷能；与LNG换热后冷凝成的低压有机工质液体、中压有机工质液体分别经第一工质泵2、第二工质泵8加压成相同压力后混合，首先进入工质-冷媒换热器3中与来自制冰装置11的其中一股冷媒换热，再依次进入蒸发器4、过热器5与热源换热变成过热有机工质蒸汽，进入透平发电机组6中做功发电。制冰过程为：经过第一冷凝器2、第二冷凝器7双级换热的LNG在NG-冷媒换热器9中与来自制冰装置11的其中一股冷媒换热(交换LNG剩余的高温段冷能)，最后被NG加热器10加热成1℃左右的天然气，进入天然气外输管网；经NG-冷媒换热器9换热后的冷媒与经过工质-冷媒换热器3换热后的冷媒汇合，经冷媒泵12加压后进入制冰装置11用于制冰。
实施例一
LNG接收站提供的LNG组分(摩尔分数)为：甲烷99.78%、乙烷0.1%、氮气0.12%；流量为200t/h，朗肯循环发电系统采用的有机工质选用乙烷。
如图1所示，一种单循环双级LNG冷能发电与制冰的方法：-155℃的 LNG经增压泵加压至9.8MPa，在第一冷凝器1中与透平机发电组6出来的低压有机工质蒸汽换热，回收低温段（-155℃～-102℃）的LNG冷能得到低压有机工质液体；换热后的LNG与从透平机发电组6中抽出的中压有机工质蒸汽在第二冷凝器7中换热，回收中温段（-102℃～-47℃）的LNG温度冷能得到中压有机工质液体；与LNG换热后冷凝成的低压有机工质液体、中压有机工质液体分别经第一工质泵2、第二工质泵8加压成相同压力后混合，进入工质-冷媒换热器3与来自制冰装置11的其中一股冷媒换热，再依次进入蒸发器4、过热器5与海水换热得到过热有机工质蒸汽，进入透平机发电组6中做功发电。LNG剩余的高温段（-47℃～-15℃）冷能在NG-冷媒换热器9中与来自制冰装置11的另一股冷媒换热后，最后被NG加热器10加热成1℃左右的天然气，进入天然气外输管网；经过NG-冷媒换热器9换热后的冷媒与经过工质-冷媒换热器3换热后的冷媒汇合，经冷媒泵12加压后进入制冰装置11用于制冰。
在本实例一中，200t/h的LNG从-155℃加热气化至-15℃可释放冷能35350kW，在所述的冷能梯级利用系统中，透平机输出轴功5166kW，第一工质泵2、第二工质泵8的功耗分别为104.2kW、132.8kW，制冰吸收冷能15707kW，整个系统的LNG冷能有效利用率为58.38%，冷能利用率得到了很大的提高。
本发明通过将常规的两级朗肯循环发电简化为单循环双级朗肯发电，从透平发电机组排出的低压有机工质蒸汽和从透平发电机组抽出的中压有机工质蒸汽分别与不同温度段LNG换热，既可降低进入工质-冷媒换热器的发电工质的温度，还可分两级回收LNG冷能，且换热管采用如内波外螺纹管、内或外或内外槽道管等独特的高效特型管，以大大减少换热设备尺寸；同时单循环双级朗肯发电系统仅仅用了一种发电工质，而常规的两级朗肯循环发电需要两种发电工质，从而用一套透平发电机组代替了传统的两套透平发电机组，简化了流程和设备组成，减少了投资和占地面积；同时制冰装置能够回收LNG的第三段冷能和冷凝后的发电有机工质携带的冷能，更加充分的利用LNG冷能，同时起到预冷发电工质的作用，可节省LNG气化所需要的热量和运行费用。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动、修饰、替代、组合、简化，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种单循环双级LNG冷能发电与制冰的方法，其特征在于：该方法步骤如下：
a、透平发电机组排出的低压有机工质蒸汽与LNG储罐输入的LNG在第一冷凝器中换热，回收低温段LNG冷能形成低压有机工质液体；
b、从透平发电机组中抽出的中压有机工质蒸汽与初次换热后的LNG在第二冷凝器中换热，回收中温段LNG冷能形成中压有机工质液体；
c、步骤（a）中的低压有机工质液体和步骤（b）中的中压有机工质液体混合后依次经工质-冷媒换热器、蒸发器、过热器换热变成过热有机工质蒸汽，送入透平发电机组中做功发电；
d、步骤（b）中经过第二冷凝器再次换热后的LNG在NG-冷媒换热器中与来自制冰装置的冷媒换热以交换LNG剩余的高温段冷能，经过三次换热的LNG经NG加热器加热后送往天然气外输管网；
e、步骤（d）中的经NG-冷媒换热器换热后的冷媒送入制冰装置用于制冰。
2.根据权利要求1所述的单循环双级LNG冷能发电与制冰的方法，其特征在于：所述步骤（a）中的LNG储罐输入的LNG需要经增压泵加压成4-10MPa的高压LNG。
3.根据权利要求1所述的单循环双级LNG冷能发电与制冰的方法，其特征在于：所述步骤（c）中的低压有机工质液体和中压有机工质液体需要分别经对应的工质泵加压成相同压力后再混合，然后送入工质-冷媒换热器与冷媒换热，再依次进入蒸发器、过热器与热源换热变成过热有机工质蒸汽，送入透平发电机组中做功发电。
4.根据权利要求1或3所述的单循环双级LNG冷能发电与制冰的方法，其特征在于：所述步骤（c）中的工质-冷媒换热器采用的冷媒来自于制冰装置，且换热后的冷媒与步骤（d）中的经NG-冷媒换热器换热后的冷媒汇合，经冷媒泵加压后送入制冰装置用于制冰。
5.根据权利要求1所述的单循环双级LNG冷能发电与制冰的方法，其特征在于：所述的有机工质为乙烷、乙烯、三氟甲烷、六氟乙烷中的一种或两种以上的混合物。
6.根据权利要求1所述的单循环双级LNG冷能发电与制冰的方法，其特征在于：所述步骤（c）中的蒸发器、过热器和所述步骤（d）中的NG加热器所采用的热源为低于40℃的低品位热源。
7.根据权利要求1-6任一所述的单循环双级LNG冷能发电与制冰的方法所采用的系统，其特征在于：所述的系统包括第一冷凝器（1）、工质-冷媒换热器（3）、蒸发器（4）、过热器（5）、透平发电机组（6）、第二冷凝器（7）、NG-冷媒换热器（9）、NG加热器（10）、制冰装置（11），所述第一冷凝器（1）的LNG进口通过管路与LNG储罐相连接，第一冷凝器（1）的LNG出口通过管路与第二冷凝器（7）的LNG进口连接，第二冷凝器（7）的LNG出口通过管路与NG-冷媒换热器（9）的LNG进口连接，NG-冷媒换热器（9）的LNG出口通过管路与NG加热器（10）的LNG进口连接，NG加热器（10）的出口通过管路与天然气外输管网相连接；所述的透平发电机组（6）分别经低压有机工质气体管路、中压有机工质气体管路与第一冷凝器（1）的低压有机工质进口、第二冷凝器（7）的中压有机工质进口连接，第一冷凝器（1）的低压有机工质出口、第二冷凝器（7）的中压有机工质出口经连通管路连通后与工质-冷媒换热器（3）的有机工质进口连接，工质-冷媒换热器（3）的有机工质出口通过管路依次经蒸发器（4）、过热器（5）与透平发电机组（6）的发电工质进口连接；所述NG-冷媒换热器（9）和工质-冷媒换热器（3）的冷媒进口分别通过管路与制冰装置（11）的冷媒出口相连通，制冰装置（11）的冷媒进口分别通过管路与NG-冷媒换热器（9）和工质-冷媒换热器（3）的冷媒出口相连通。
8.根据权利要求7所述的单循环双级LNG冷能发电与制冰的系统，其特征在于：所述第一冷凝器（1）的低压有机工质出口的管路上设有第一工质泵（2）且第二冷凝器（7）的中压有机工质出口的管路上设有第二工质泵（8），第一冷凝器（1）输出的低压有机工质液体和第二冷凝器（7）输出的中压有机工质液体分别经对应的第一工质泵（2）和第二工质泵（8）加压成相同的压力后混合，之后再通过连通管送入工质-冷媒换热器（3）的有机工质进口与来自制冰装置（11）的其中一股冷媒进行换热。
9.根据权利要求7所述的单循环双级LNG冷能发电与制冰的系统，其特征在于：所述NG-冷媒换热器（9）的冷媒出口和工质-冷媒换热器（3）的冷媒出口分别通过对应的连接管与带有冷媒泵（12）的混合管相连接，带有冷媒泵（12）的混合管与制冰装置（11）的冷媒进口相连通。
10.根据权利要求7所述的单循环双级LNG冷能发电与制冰的系统，其特征在于：所述透平发电机组（6）的低压有机工质蒸汽管路上设有与透平发电机组（6）的发电工质进口处的过热有机工质蒸汽管路相连通的带有第一阀门（13）的低压有机工质蒸汽回路；所述透平发电机组（6）的中压有机工质蒸汽管路上设有与透平发电机组（6）的发电工质进口处的过热有机工质蒸汽管路相连通的带有第二阀门（14）的中压有机工质蒸汽回路。
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