CN109098809A - 一种带回热循环的利用lng冷能和工业废热的orc发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带回热循环的利用LNG冷能和工业废热的ORC发电系统，该系统包括LNG气化回路，ORC发电回路和工业废热回路；ORC发电回路利用LNG气化回路中的冷能和工业废热回路中的热能；ORC发电回路中设置旁通回路以保证膨胀机安全高效运行。本发明基于现有的ORC循环，改进了LNG冷能回收的方法，通过三流体换热器和回热器充分利用LNG气化过程中释放的冷能，减小LNG冷能利用过程中的热应力问题，降低蒸发器的热负荷，有效提高ORC发电系统的效率。本发明可以广泛应用于LNG冷能发电和工业余热回收领域。

Description

一种带回热循环的利用LNG冷能和工业废热的ORC发电系统

技术领域：

本发明属于动力工程领域，涉及一种LNG冷能和工业废热利用系统，特别涉及一种基于三流体换热器和回热器的ORC发电系统。

背景技术：

液化天然气（Liquid Nature Gas，LNG）是清洁能源，符合国际和我国能源结构优化和低碳经济的发展方向。同时，全球气候变化和温室气体排放控制进一步促进了LNG的发展。LNG有利于储存和运输，但其在被利用之前必须要经过气化。LNG的储存温度为-162℃，而达到使用要求的气体温度为20℃。在整个气化过程中单位质量的LNG释放的冷量约为830 kJ。

有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）能够利用回收工业生产过程中产生的冷量和热量，将其转化成方便存储和传输的电能，这一技术符合可持续发展的政策要求。然而，单级冷能ORC发电系统中存在大温差传热、不可逆损失大、系统整体效率低等问题，这些是一直困扰LNG 冷能发电工程推广应用的主要因素。如何充分利用这部分高品位冷能，同时减少ORC发电系统的能量消耗，是本发明所要解决的问题。

申请公布号为CN 107605555A（申请公布日为2018.01.19）的专利文件中，公开了一种由两个ORC耦合而成的发电系统，其特征在于，两个ORC子系统通过回热器进行相互耦合，充分回收利用膨胀机的乏气余热，明显提升了整个系统的热效率。该系统中所涉及的热源是中低温工业废热，没用明确冷源性质，没有涉及LNG冷能利用。

授权专利号为US 7574856B2（授权公告日为2009.08.18）的专利文件中，公开了一种基于LNG冷能利用的二级ORC发电系统，包括LNG气化管路依次流经一级ORC循环回路和ORC二级循环回路，为ORC内工质的冷凝提供冷量，特别地，在一级ORC循环回路蒸发器前中设置回热器，充分利用膨胀机出口工质的热量。该系统考虑了能量的充分利用，但是二级ORC循环结构复杂，循环效率互相影响，没有考虑LNG与循环工质换热过程中大温差造成的热应力。

鉴于此，实有必要提供一种可以解决上述技术问题且适用于LNG冷能和工业废热利用的高效ORC发电系统。

发明内容：

针对以上技术问题，本发明提供一种带回热循环的适用于LNG冷能和工业废热利用的ORC发电系统，该系统能够有效回收LNG气化冷能，降低LNG冷能回收过程中的大温差传热造成的热应力，减小蒸发器的加热负荷，从而实现高效热电转换，具有显著的经济效益和社会效益，符合节能减排的基本国策。

本发明采用以下技术方案：

一种带回热循环的利用LNG冷能和工业废热的ORC发电系统，该系统包括LNG气化回路、ORC发电回路和工业废热回路；其中，所述的ORC发电回路通过三流体换热器和回热器利用所述的LNG气化回路释放的冷能，所述的ORC发电回路通过蒸发器利用所述的工业废热回路的热量。

所述的LNG气化回路包括依次连接的LNG储液罐、LNG循环泵、流量调节阀和三流体换热器；所述的LNG气化回路与所述的ORC发电回路通过三流体换热器进行热量交换；所述的LNG气化回路中的气体流量根据用户端负荷需求确定，通过流量调节阀实现控制。

所述的ORC发电回路包括依次连接并形成一个闭合循环的膨胀机、电动机、气液分离器、回热器、三流体换热器、工质循环泵、储液罐和蒸发器；膨胀机进出口均设置温度传感器和压力传感器；膨胀机的乏汽进入回热器内完成预冷，然后进入三流体换热器进行一次冷凝；经过一次冷凝的工质经工质循环泵加压后进入储液罐；工质依次进入三流体换热器、回热器和蒸发器变成高温高压的蒸汽，在膨胀机内做功，从而推动电动机将机械能转换成电能。

所述的ORC发电回路中设置与膨胀机管路平行的旁通管路，由旁通阀控制流经膨胀机的工质流量。

所述的工业废热回路包括依次连接的蒸发器和冷却液循环泵。

所述的三流体换热器是ORC发电回路的冷凝器，其形式为绕管式三流体换热器；所述的三流体换热器第一流体为LNG，第二流体和第三流体均为ORC循环工质，ORC循环工质两次流经三流体换热器。

所述的回热器和蒸发器是板式换热器；所述的回热器中，高温低压的ORC循环工质与低温高压的ORC循环工质进行热交换；所述的蒸发器中，工业废热回路的冷却液与来自于回热器的低温高压的ORC循环工质进行热交换。

所述的ORC发电回路的热源采用工业废热，其温度范围是50℃~80℃。

所述的ORC发电回路采用的循环工质是甲烷、乙烷和丙烷的混合物。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1. 本发明充分利用LNG气化过程中释放的高品位冷能和工业废热，通过ORC循环将冷热能转换成方便存储和输送的电能，减少了热污染，提高了能源利用率，降低了LNG的运行成本。2. 本发明采用回热器，利用膨胀机出口循环工质的热量对进入蒸发器的循环工质进行预热，既提高了ORC循环的蒸发温度，又减小了蒸发器的负荷，提高了ORC发电系统的整体效率。3. 本发明特别采用三流体换热器作为ORC发电系统的冷凝器，其中LNG流经三流体换热器与ORC循环工质进行热量交换；在此过程中，LNG吸收热量变成适用于用户需求的天然气，ORC循环工质释放热量冷凝成液体；特别地，ORC循环工质两次流经三流体换热器，在该过程中三流体换热器各横截面上的温度一致，消除了由于大温差造成的热应力，保证了换热器的运行安全性，同时，减少了ORC循环回路中蒸发器的负荷，进一步提高了ORC发电系统的效率。4. 本发明采用甲烷、乙烷和丙烷的混合物作为ORC循环工质，通过调整各组分比例，可以保证ORC循环工质冷凝-气化曲线与LNG气化曲线匹配，进而减少冷热交换过程中的热损失，提高ORC发电效率。5. 本发明在膨胀机前后设置温度和压力传感器，所测信号可以及时传递给中央控制器，实现ORC发电系统的智能控制；与膨胀机管路平行的旁通回路保证系统的运行可靠，安全稳定，便于工程实施。本发明结构简单，使用方便，可以广泛应用于LNG 冷能发电领域。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

其中，101代表LNG储液罐，102代表LNG循环泵，103代表LNG流量调节阀；201代表膨胀机，202代表电动机，203代表气液分离器，204代表回热器，205代表三流体换热器，206代表工质循环泵，207代表储液罐，208代表蒸发器，209代表旁通阀；301代表冷却液循环泵。

图2为ORC回热循环温焓t-h原理图。

其中，a 代表LNG进气口，b 代表LNG出气口，c代表循环工质一次入口，d代表循环工质一次出口，e代表循环工质二次入口，f代表循环工质二次出口，g代表蒸发器循环工质入口，h代表蒸发器循环工质出口，g’ 代表无回热器时蒸发器循环工质入口，h’ 代表无回热器时蒸发器循环工质出口。

具体实施方式：

以下结合优选实施例和附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，一种带回热循环的利用LNG冷能和工业废热的ORC发电系统，该系统包括LNG气化回路、ORC发电回路和工业废热回路；其中，所述的ORC发电回路的冷源由所述的LNG气化回路释放的冷能提供，所述的ORC发电回路的热源由所述的工业废热回路提供。

作为本发明的优选实施例，所述的LNG气化回路包括依次连接的LNG储液罐101、LNG循环泵102、LNG流量调节阀103和三流体换热器205；所述的LNG气化回路与所述的ORC发电回路通过三流体换热器205进行热量交换；所述的LNG气化回路中的气体流量由用户端负荷需求确定，通过流量调节阀103实现控制。

作为本发明的优选实施例，所述的ORC发电回路包括依次连接并形成一个闭合循环的膨胀机201、电动机202、气液分离器203、回热器204、三流体换热器205、工质循环泵206、储液罐207和蒸发器208。膨胀机201进出口均设置温度传感器T-1，T-2和压力传感器P-1，P-2；膨胀机201的乏汽进入回热器204内完成预冷，然后进入三流体换热器205进行一次冷凝；经过一次冷凝的工质经工质循环泵206加压后进入储液罐207；工质依次进入三流体换热器205、回热器204和蒸发器208变成高温高压的蒸汽，在膨胀机201内做功，从而推动电动机202将机械能转换成电能。

作为本发明的优选实施例，所述的ORC发电回路中设置与膨胀机管路平行的旁通管路，由旁通阀209控制流经膨胀机201的工质流量。

作为本发明的优选实施例，所述的工业废热回路包括依次连接蒸发器208和冷却液循环泵301。

作为本发明的优选实施例，所述的三流体换热器205是ORC发电回路的冷凝器，其形式为绕管式三流体换热器；所述的三流体换热器205第一流体为LNG，第二流体和第三流体均为ORC循环工质，ORC循环工质两次流经三流体换热器205。

作为本发明的优选实施例，所述的回热器204和蒸发器208是板式换热器；所述的回热器204中，高温低压的ORC循环工质与低温高压的ORC循环工质进行热交换；所述的蒸发器208中，工业废热回路的冷却液与来自于回热器204的低温高压的ORC循环工质进行热交换。

作为本发明的优选实施例，所述的ORC发电回路的热源采用工业废热，其温度范围是50℃~80℃。

作为本发明的优选实施例，所述的ORC发电回路采用的循环工质是甲烷、乙烷和丙烷的混合物。

如图2（a）所示，本发明的三流体换热器内工质分别为LNG，ORC循环工质和ORC循环工质。如图2（b）所示，采用三流体换热器和回热器的ORC发电系统，所需蒸发器加热量为q，膨胀机做功为w，ORC发电系统的效率为w/q。如图2（c）所示，不采用回热循环的的ORC发电系统，所需蒸发器加热量为q’，膨胀机做功为w，ORC发电系统的效率为w/q’。膨胀机做功w不变的前提下，带回热循环的蒸发器加热量q比无回热循环的蒸发器加热量q’小。由此可见，回热循环能够显著提高ORC发电系统的效率。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种带回热循环的利用LNG冷能和工业废热的ORC发电系统，其特征在于：包括LNG气化回路、ORC发电回路和工业废热回路；其中，所述的ORC发电回路通过三流体换热器和回热器利用所述的LNG气化回路释放的冷能，所述的ORC发电回路通过蒸发器利用所述的工业废热回路的热量。

2.如权利要求1所述的一种带回热循环的利用LNG冷能和工业废热的ORC发电系统，其特征在于：所述的LNG气化回路包括依次连接的LNG储液罐、LNG循环泵、LNG流量调节阀和三流体换热器。

3.如权利要求1所述的一种带回热循环的利用LNG冷能和工业废热的ORC发电系统，其特征在于：所述的ORC发电回路包括依次连接并形成一个闭合循环的膨胀机、电动机、气液分离器、回热器、三流体换热器、工质循环泵、储液罐和蒸发器；膨胀机进出口均设置温度传感器和压力传感器；膨胀机的乏汽进入回热器内完成预冷，然后进入三流体换热器进行一次冷凝；经过一次冷凝的工质经工质循环泵加压后进入储液罐；工质依次进入三流体换热器、回热器和蒸发器变成高温高压的蒸汽，在膨胀机内做功，从而推动电动机将机械能转换成电能；所述的ORC发电回路中设置与膨胀机管路平行的旁通管路，由旁通阀控制流经膨胀机的工质流量。

4.如权利要求1所述的一种带回热循环的利用LNG冷能和工业废热的ORC发电系统，其特征在于：所述的工业废热回路包括依次连接的蒸发器和冷却液循环泵。

5.如权利要求1或2或3所述的一种带回热循环的利用LNG冷能和工业废热的ORC发电系统，其特征在于：所述的三流体换热器是ORC发电回路的冷凝器，其形式为绕管式三流体换热器，第一流体为LNG，第二流体和第三流体均为ORC循环工质。

6.如权利要求1或3所述的一种带回热循环的利用LNG冷能和工业废热的ORC发电系统，其特征在于：所述的回热器和蒸发器是板式换热器；所述的回热器中，高温低压的ORC循环工质与低温高压的ORC循环工质进行热交换；所述的蒸发器中，工业废热回路的冷却液与来自于回热器的低温高压的ORC循环工质进行热交换。