CN109026235A - 一种用于液化天然气浮式存储再气化装置的冷能发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于液化天然气浮式存储再气化装置的冷能发电系统，包括通过管道依次连接的介质容器、增压泵、发动机冷却器、蒸汽冷凝器、透平膨胀机、交流发电机和天然气加热器。本发明通过回收利用船舶上发动机的废热、船舶泄放的多余蒸汽，并通过加热气化中间介质，通过气化介质驱动透平膨胀机使交流发电机进行发电，有效提高了全船的能量利用率；同时，透平膨胀机输出的高温低压气态介质也可加热液化天然气或低温天然气，降低船舶上LNG气化加热时的海水用量，减小LNG‑FSRU对周围环境的影响，提升环境友好性。

Description

一种用于液化天然气浮式存储再气化装置的冷能发电系统
技术领域
本发明涉及船舶工程装备技术领域，特别是涉及一种用于液化天然气浮式存储再气化装置的冷能发电系统。
背景技术
天然气以其清洁、方便、高热值的特性成为替代煤炭、石油的新型能源。天然气在全球能源消费结构中所占的比例越来越高。LNG-FSRU是一种带LNG存储及再气化功能的海上浮式接收站。LNG-FSRU通过可靠的锚泊固定后，接收其他LNG运输船运送的LNG并对其进行加热气化处理，然后通过管道输送上岸。可应用于广阔的沿海地区，建立LNG-FSRU可以有效地降低投资成本，节约大量土地资源，在国际市场上受到船东的青睐。
LNG-FSRU需要将大量的-163℃低温LNG加热气化至5℃左右的输送温度，目前主流的加热方式是采用中间介质的开式循环系统，就是利用海水加热中间介质丙烷液体，气化后的丙烷加热LNG，使LNG气化。在LNG加热和气化过程中，大量海水加热LNG后泄放回到海里，使得LNG冷能浪费并影响周围水域水温。与此同时，LNG-FSRU为满足全船日常和工作的电能所需，需要安装数台大容量发电机组，其发动机工作所产生的热量以及船舶多余蒸汽泄放所产生的热量，被海水冷却后直接排到外界，大量热能浪费。如何充分利用LNG的冷能和发动机及蒸汽泄放产生的热能，通过有机工质朗肯循环将其转化为电能为本发明专利所阐述的内容。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，设计出一种用于液化天然气浮式存储再气化装置的冷能发电系统。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种用于液化天然气浮式存储再气化装置的冷能发电系统,其特征在于，包括介质容器、增压泵、发动机冷却器、蒸汽冷凝器、透平膨胀机、交流发电机和天然气加热器，
所述介质容器，用以存储第一温度、第一压强的液态介质，其介质出口通过管道与增压泵的进口连通；所述介质采用的是甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、戊烷、异戊烷、新戊烷、乙烯、丙烯中的任一种，或至少两种的混合物；
所述增压泵，用以将介质容器输出的第一温度、第一压强的液态介质增压至第二压强并输送给发动机冷却器，增压泵的出口通过管道与发动机冷却器壳体上的介质进口连通；
所述发动机冷却器，用以使第一温度、第二压强的液态介质与其壳体内部换热管内的冷却淡水进行热交换，带走冷却淡水的热量从而从其介质出口输出第二温度、第二压强的气态介质，发动机冷却器壳体上的介质出口通过管道与蒸汽冷凝器壳体上的介质进口连通；
所述蒸汽冷凝器，用以使第二温度、第二压强的气态介质与其壳体内部换热管内的船舶泄放蒸汽进行热交换，带走蒸汽的热量，使蒸汽冷凝从而从其介质出口输出第三温度、第二压强的气态介质，蒸汽冷凝器壳体上的介质出口通过管道与透平膨胀机的进气口连通；
所述透平膨胀机，用于对第三温度、第二压强的气态介质进行膨胀作功，通过齿轮箱驱动交流发电机发电，并从其出气口输出第四温度、第一压强的气态介质；透平膨胀机的出气口通过管道与天然气加热器壳体上的介质进口连通；
所述天然气加热器，用以使第四温度、第一压强的气态介质与其壳体内部换热管内的液化天然气进行热交换，吸收LNG的冷能，并从其介质出口输出第一温度、第一压强的液态介质，天然气加热器壳体上的介质出口通过管道与介质容器相连通。
作为优选地，所述发动机冷却器设置为多台，多台发动机冷却器顺次串联连接在增压泵和蒸汽冷凝器之间的管路中。
作为优选地，所述增压泵可选用柱塞式高压增压泵或离心式低压增压泵。
作为优选地，所述天然气加热器采用的是印刷电路板式热交换器。
作为优选地，所述介质容器上还设置有加注口、透气口和泄放口。
本发明的积极有益效果：本发明的用于液化天然气浮式存储再气化装置的冷能发电系统，通过回收利用船舶上发动机的废热、船舶泄放的多余蒸汽，并通过加热气化中间介质，通过气化介质驱动透平膨胀机使交流发电机进行发电，有效提高了全船的能量利用率；同时，透平膨胀机输出的高温低压气态介质也可加热液化天然气或低温天然气，降低船舶上LNG气化加热时的海水用量，减小LNG-FSRU对周围环境的影响，提升环境友好性。且本发明系统构造设计简单、可靠性强，日常维护成本极低，可以广泛应用于各尺度船舶。
附图说明
为了更清楚得说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的系统管路图。
图中标号的具体含义为：1为天然气加热器、2为介质容器、3为增压泵、4为发动机冷却器、5为蒸汽冷凝器、6为透平膨胀机、7为齿轮箱、8为交流发电机，A为冷却淡水，B为蒸汽，C为冷凝水，D为液化天然气，E为常温天然气。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
结合图1说明本实施方式，本发明的用于液化天然气浮式存储再气化装置的冷能发电系统，通过回收利用船舶上发动机的废热、船舶泄放的多余蒸汽，并通过加热气化中间介质，通过气化介质驱动透平膨胀机使交流发电机进行发电，有效提高了全船的能量利用率；同时，透平膨胀机输出的高温低压气态介质也可加热液化天然气或低温天然气，降低船舶上LNG气化加热时的海水用量，减小LNG-FSRU对周围环境的影响，提升环境友好性。
所述用于液化天然气浮式存储再气化装置的冷能发电系统包括介质容器、增压泵、发动机冷却器、蒸汽冷凝器、透平膨胀机、交流发电机和天然气加热器。
所述介质容器的介质出口通过管道与增压泵的进口连通，增压泵的出口通过管道与发动机冷却器壳体上的介质进口连通，发动机冷却器壳体上的介质出口通过管道与蒸汽冷凝器壳体上的介质进口连通，蒸汽冷凝器壳体上的介质出口通过管道与透平膨胀机的进气口连通，透平膨胀机的出气口通过管道与天然气加热器壳体上的介质进口连通，天然气加热器壳体上的介质出口通过管道与介质容器相连通。所述透平膨胀机通过齿轮箱与交流发电机相连接。
所述介质容器，用以存储第一温度、第一压强的低温低压液态介质，所述介质采用的是甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、戊烷、异戊烷、新戊烷、乙烯、丙烯中的任一种，或至少两种的混合物。介质容器上还设置有加注口、透气口和泄放口等常规必要接口。
所述增压泵，用以将介质容器输出的第一温度、第一压强的液态介质增压至第二压强的低温高压液体，并输送给发动机冷却器。所述增压泵可根据介质特性选择高压泵（20bar以上）或低压泵（20 bar以下），高压泵选用柱塞式高压增压泵，低压泵选用离心式低压增压泵。
所述发动机冷却器的换热管（即冷却侧）输入有60℃-70℃的冷却淡水。发动机冷却器用以使第一温度、第二压强的低温高压液态介质与其壳体内部换热管内60℃-70℃的冷却淡水进行热交换，使低温高压液态介质带走冷却淡水的热量，从而从其介质出口输出70℃、6bar的高温高压气态介质，经过冷却后的45℃冷却淡水从换热管出口输出。在本实施例中，所述发动机冷却器设置为多台，多台发动机冷却器顺次串联连接在增压泵和蒸汽冷凝器之间的管路中。
所述蒸汽冷凝器能够实现过量蒸汽泄放作用，替代了船舶上的大气冷凝器。蒸汽冷凝器的换热管（即冷却侧）内输入有船舶泄放多余蒸汽，该蒸汽的温度为167℃。蒸汽冷凝器用以使第二温度、第二压强的高温高压气态介质与其壳体内部换热管内167℃蒸汽进行热交换，使高温高压气体带走蒸汽的热量，使蒸汽冷凝从而从其介质出口输出第三温度、第二压强的高温高压气态介质，经过冷却后的80℃冷凝水从蒸汽冷凝器的换热管出口输出。
所述透平膨胀机，用于对第三温度、第二压强的高温高压气态介质进行膨胀作功，通过齿轮箱驱动交流发电机发电，并从其出气口输出第四温度、第一压强的高温低压气态介质。
所述天然气加热器，用以使第四温度、第一压强的气态介质与其壳体内部换热管内的-163℃的液化天然气进行热交换，吸收LNG的冷能，并从其介质出口输出第一温度、第一压强的低温低压液态介质，加热后的0℃常温天然气从天然气加热器的换热管出口输出。所述天然气加热器采用的是印刷电路板式热交换器，该种类型热交换器效率较高，同时通过中间介质丙烷避免了海水与LNG的直接接触，防止了热交换器内的管路被冻结和腐蚀的危险。
下面以17.4万立方LNG-FSRU的冷能发电系统为例具体说明本发明的实施方式。
介质容器中存储的是低温低压液态（约10～20 ℃、3 bar）有机介质R245fa，R245fa在闭路循环系统中被增压泵加压至6 bar，增压泵排量约为180 m3/h。
R245fa经增压泵增压后，进入发动机冷却器中与冷却淡水进行热交换。17.4万立方LNG-FSRU装有4台9000kW发电机组，每台柴油发动机冷却淡水换热量约为6000kW，按照正常工况3台发电机进行工作，共计18000kW热量计算。在换热过程中，会利用发动机废热，R245fa气化成70℃、6bar的高温高压气态介质。
气化后的70℃、6bar 的R245fa进入蒸汽冷凝器，与船舶泄放蒸汽进行热交换。17.4万立方LNG-FSRU装有4台废气经济器，每台废气经济器容量为1.8吨，按照5吨蒸汽计，即约3000kW热量计算。在换热过程中，R245fa气进一步加热成125℃、6bar的高温高压气态介质。
125℃、6bar的R245fa进入透平中，通过齿轮箱驱动交流发电机产生电能，电量约为850 kW, 100℃、3bar的高温低压R245fa气从透平中流出，然后进入天然气加热器中，加热液化天然气（-160℃），R245fa气吸收LNG冷能变为10℃、3bar的低温低压液态R245fa，然后流回到介质容器内。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (5)

1.一种用于液化天然气浮式存储再气化装置的冷能发电系统,其特征在于，包括介质容器（2）、增压泵（3）、发动机冷却器（4）、蒸汽冷凝器（5）、透平膨胀机（6）、交流发电机（8）和天然气加热器（1），
所述介质容器（2），用以存储第一温度、第一压强的液态介质，其介质出口通过管道与增压泵（3）的进口连通；所述介质采用的是甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、戊烷、异戊烷、新戊烷、乙烯、丙烯中的任一种，或至少两种的混合物；
所述增压泵（3），用以将介质容器输出的第一温度、第一压强的液态介质增压至第二压强并输送给发动机冷却器（4），增压泵（3）的出口通过管道与发动机冷却器（4）壳体上的介质进口连通；
所述发动机冷却器（4），用以使第一温度、第二压强的液态介质与其壳体内部换热管内的冷却淡水进行热交换，带走冷却淡水的热量从而从其介质出口输出第二温度、第二压强的气态介质，发动机冷却器（4）壳体上的介质出口通过管道与蒸汽冷凝器（5）壳体上的介质进口连通；
所述蒸汽冷凝器（5），用以使第二温度、第二压强的气态介质与其壳体内部换热管内的船舶泄放蒸汽进行热交换，带走蒸汽的热量，使蒸汽冷凝从而从其介质出口输出第三温度、第二压强的气态介质，蒸汽冷凝器（5）壳体上的介质出口通过管道与透平膨胀机（6）的进气口连通；
所述透平膨胀机（6），用于对第三温度、第二压强的气态介质进行膨胀作功，通过齿轮箱（7）驱动交流发电机（8）发电，并从其出气口输出第四温度、第一压强的气态介质；透平膨胀机（6）的出气口通过管道与天然气加热器（1）壳体上的介质进口连通；
所述天然气加热器（1），用以使第四温度、第一压强的气态介质与其壳体内部换热管内的液化天然气进行热交换，吸收LNG的冷能，并从其介质出口输出第一温度、第一压强的液态介质，天然气加热器（1）壳体上的介质出口通过管道与介质容器（2）相连通。
2.根据权利要求1所述的用于液化天然气浮式存储再气化装置的冷能发电系统，其特征在于，所述发动机冷却器（4）设置为多台，多台发动机冷却器顺次串联连接在增压泵和蒸汽冷凝器之间的管路中。
3.根据权利要求1所述的用于液化天然气浮式存储再气化装置的冷能发电系统，其特征在于，所述增压泵（3）可选用柱塞式高压增压泵或离心式低压增压泵。
4.根据权利要求1所述的用于液化天然气浮式存储再气化装置的冷能发电系统，其特征在于，所述天然气加热器（1）采用的是印刷电路板式热交换器。
5.根据权利要求1所述的用于液化天然气浮式存储再气化装置的冷能发电系统，其特征在于，所述介质容器（2）上还设置有加注口、透气口和泄放口。
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