CN109356680A - 一种利用lng冷能的带有温差发电换热器的朗肯循环发电系统 - Google Patents

一种利用lng冷能的带有温差发电换热器的朗肯循环发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于液化天然气冷能发电领域，公开了一种利用LNG冷能的带有温差发电换热器的朗肯循环发电系统。该系统包括工质泵、蒸发器、膨胀机、冷凝器、第一海水泵、第二海水泵、LNG泵、温差发电换热器、外部负载和发电机组。本发明将LNG经过有级朗肯循环冷凝器的剩余冷量也进行了利用，在使用等量的LNG时，发电量相比传统朗肯循环发电系统更高，进一步提升了LNG冷能利用率，同时温差发电片的能量转化过程无化学反应，无机械移动部件，具有无噪声，污染，使用寿命长等优点，可广泛应用于LNG冷能发电领域。

Description

一种利用LNG冷能的带有温差发电换热器的朗肯循环发电 系统
技术领域
本发明涉及一种利用LNG冷能的带有温差发电换热器的朗肯循环发电系统，属于LNG冷能发电技术领域。
背景技术
天然气(NG)主要成分为甲烷，由于其碳氢元素比例很低，因此燃烧产物温室气体较少，是一种清洁，热值高的燃料，然而由于世界各地的天然气资源分布不均匀，需要进行贸易和运输来满足使用需求。天然气贸易主要包括路上管道运输和海上液化运输两种，其中以液化天然气(LNG)的方式进行的贸易量占比接近一半，而且还在逐年上升。在LNG产业链中，需要消耗大量电能将NG液化，然后在配送至用户之前需要进行再气化，在再气化过程中，LNG能够释放出约830kJ/kg的冷能，相当于240kW·h/t的电能，在传统气化工艺中，LNG携带的冷量往往直接被海水或空气带走，造成了能源的极度浪费，考虑到天然气液化时消耗的大量电能，合理利用LNG冷能具有重要意义。
对于LNG冷能利用，由于将其转化为高品位的电能具有持续、稳定、易储存等优点，因此LNG冷能发电时目前比较普及的一种方式。目前LNG冷能发电主要通过热力学循环来进行，如布雷顿循环，朗肯循环等，由于朗肯循环结构简单，在实际中更容易实现，因此有机朗肯循环利用LNG冷能是目前一种更为成熟和普及的技术，一些以有机朗肯循环为主体的发电系统被广泛应用在LNG接收站。
存在问题：有机朗肯循环对LNG冷能的利用并不完全，LNG在储罐中温度大约为-162℃，在一部分冷量通过有机朗肯循环发电后，温度仍然在-40℃左右，甚至更低，然而用户使用前NG需要被加热至接近常温，目前工艺中通常用海水将其加热，这意味着仍然有较大部分冷能被浪费掉了。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足之处，本发明提出一种利用LNG冷能的带有温差发电换热器的朗肯循环发电系统。该系统保持原有机朗肯循环不变，用温差发电换热器代替了后续的海水与LNG换热器，将LNG经朗肯循环冷凝器后剩余的冷量也加以利用。所用的温差发电换热器通过在传统管壳式换热器管内外壁之间填充温差发电片，将海水与LNG传递的部分热能转化为电能。本发明将LNG经过有级朗肯循环冷凝器的剩余冷量也进行了利用，在使用等量的LNG时，发电量相比传统朗肯循环发电系统更高，同时温差发电片的能量转化过程无化学反应，无机械移动部件，具有无噪声，污染，使用寿命长等优点。
本发明的技术方案：
一种利用LNG冷能的带有温差发电换热器的朗肯循环发电系统，包括工质泵1、蒸发器2、膨胀机3、冷凝器4、第一海水泵5、第二海水泵6、LNG泵7、温差发电换热器8、外部负载9和发电机组10；
工质泵1出口与蒸发器2冷端入口相连，蒸发器2冷端出口与膨胀机3相连，膨胀机3出口与冷凝器4热端入口相连，冷凝器4热端出口与工质泵1入口相连；第一海水泵5入口与外部海水管道相连，第一海水泵5出口与蒸发器2热端入口相连，第二海水泵6入口与外部海水相连，第二海水泵6出口与温差发电换热器8热端入口相连；LNG泵7入口与LNG储罐相连，LNG泵7出口与冷凝器4冷端入口相连，冷凝器4出口与温差发电换热器8冷端入口相连，温差发电换热器8冷端出口与NG配送管网相连，温差发电换热器8与外部负载9通过导线连接，膨胀机3的轴与发电机组10连接。
带有温差发电换热器的朗肯循环发电系统的运行方法如下：
工质经工质泵1加压后进入蒸发器2，吸收来自海水的热量后气化，然后进入膨胀机3膨胀，通过发电机组10发电，膨胀做功后的乏汽进入冷凝器4被LNG冷凝为液体，再次进入工质泵1，开始新的循环；第一部分海水经第一海水泵5加压后进入蒸发器2加热工质，之后排出系统；第二部分海水经第二海水泵6加压后进入温差发电换热器8提供热量；LNG经LNG泵7加压后依次进入冷凝器4和温差发电换热器8，分别吸收工质和海水的热量进行汽化，最终进入NG配送管网。
所述的温差发电换热器8由传统管壳式换热器改进得到，即在每跟管的内外壁之间填充若干温差发电片，并将其串联；或温差发电换热器(8)是其他具有热电转化能力的换热设备。
所述的温差发电换热器8中，对每一根换热管，内外壁之间的填充结构如下：由内壁至外壁依次为绝缘陶瓷、铜片、P N结、铜片、绝缘陶瓷，其中PN结的材料选择Be2Te3固溶体合金或其他具有热电性能的P型和N型材料，在换热管的横截面的圆周方向可以填充8～10对该PN结，在换热管的轴向1米填充150～250对PN结，填充数目由PN结体积大小和实际情况决定。
工质泵1中工质选用乙烷或是其他常温常压下沸点较低的有机工质。
本发明的有益效果：
(1)本发明由于采用朗肯循环利用LNG冷能进行发电，在不影响供气需求的前提下有效利用了LNG冷能，获得可观的电能。
(2)本发明采用朗肯循环利用LNG冷能，其结构简单，实际中易于实现。
(3)本发明采用温差发电换热器，将LNG为朗肯循环提供冷量后剩余的冷量也加以利用，进一步提升了系统对LNG冷能的利用率。
(4)本发明提出的温差发电换热器在传统管壳式换热器的基础上，在管的内外壁之间用温差发电片进行填充，温差发电片由绝缘陶瓷，铜片和PN结组成，其中PN结材料选用Be2Te3固溶体合金，该温差发电换热器的能量转化过程中无化学反应，无机械移动部件，具有无噪声，污染，使用寿命长等优点。
(5)本发明中，温差发电换热器热电转化效率的提升可以大幅提升发电系统的发电效率，可以仅通过改善温差发电换热器中热电材料的特性来增加系统发电量，相比传统通过改善系统构型，增加热集成度或优化工质的方法相比，更能节省成本。
(6)本发明采用乙烷作为工质，也可以是其他标况下沸点较低的有机工质，可以根据实际工况进行选用，这些正常沸点较低的有机工质可以减小极低的温度下导致的负压，从而节省成本。
附图说明
图1为利用LNG冷能的带有温差发电换热器的朗肯循环发电系统示意图。
图2为温差发电换热器管内外壁之间填充的温差发电片示意图。
图中：1工质泵；2蒸发器；3膨胀机；4冷凝器；5第一海水泵；6第二海水泵；7LNG泵；8温差发电换热器；9外部负载；10发电机组。
具体实施方式
以下实例结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例
本实例中液化天然气初始压力为0.1MPa，温度为-162℃，处理量为3600kg/h，处理后输送至配送管网的NG要求压力为1.6MPa(短距离输送)，温度为10℃，采用的液化天然气组成为(摩尔分数)：甲烷91.33％，乙烷5.36％，丙烷2.14％，正丁烷0.47％，异丁烷0.46％，正戊烷0.01％，异戊烷0.01％，氮气0.22％。循环过程所需的工质为乙烷，热源为海水，压力为0.1MPa，温度为15℃。
如图1所示，一种利用LNG冷能的带有温差发电换热器的朗肯循环发电系统，包括工质泵1、蒸发器2、膨胀机3、冷凝器4、第一海水泵5、第二海水泵6、LNG泵7、温差发电换热器8、外部负载9和发电机组10。
本实例中温差发电换热器管内外壁之间的结构如图2所示，由管内壁到管外壁依次为：绝缘陶瓷，铜片，PN结，铜片，绝缘陶瓷。PN结材料为Be2Te3固溶体合金，每根管圆周方向有10对PN结，管轴向每米有200对PN结，管长设计为10米，换热器中共70根管。
对于LNG管路，来自储罐的LNG原料液3600.0kg/h，温度-162.0℃，压力为100.0kPa，经LNG泵(7)加压至1600.0kPa，温度变为-161.3℃，然后进入冷凝器(4)被工质加热，温度上升为-97.9℃，压力为1600.0kPa，从冷凝器流出的两相状态的天然气进入温差发电换热器(8)中被海水加热至气体状态，温度上升为10.0℃，压力为1600.0kPa，来自温差发电换热器(8)的NG最终被输送至用户管网。
朗肯循环中，采用乙烷作为工质，工质进入工质泵(1)加压后，温度为-91.4℃，压力为2901.0kPa，之后工质进入蒸发器(2)被海水加热为饱和气体，温度为8.0℃，压力为2901.0kPa，工质从蒸发器(2)流出后进入膨胀机(3)膨胀做功，其出口乏汽温度为-92.9℃，压力为80.4kPa，膨胀机(3)流出的工质进入冷凝器(4)被LNG冷凝器为饱和液体，温度为-92.9℃，压力为80.4kPa，最后工质进入工质泵(1)开始新的循环。
对于海水管路，来自外部海水管道的一部分海水(流量1.3×105kg/h，温度15℃，压力100kPa)由第一海水泵(5)加压至300kPa，后进入蒸发器(2)与工质换热，换热后的海水(温度为10.8℃，压力为300kPa)被排出系统，另一部分海水(流量6.0×104kg/h，温度15℃，压力100kPa)由第二海水泵(6)加压至300kPa后进入温差发电换热器(8)与冷凝器(4)中流出的两相天然气换热，换热后温度为10℃，压力为300kPa。
系统中，膨胀机(3)的轴功通过发电机组(10)转化为电能，发电功率为152.7kW，温差发电换热器(8)通过导线与外部负载(9)连接，发电功率为17.6kW，工质泵(1)耗功为7.4kW，第一海水泵(5)耗功9.0kW，第二海水泵(6)耗功4.2kW，LNG泵(7)耗功为4.1kW。
本实例经Aspen Hysys软件模拟计算，净发电功率145.6kW，相比与传统朗肯循环，相同工况下净发电功率增加了约13.5％，因为这里LNG原料液的始末温度固定，流量不变，因此LNG总冷量相同，净发电功率明显提升意味着LNG冷能利用率得到明显提升。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用LNG冷能的带有温差发电换热器的朗肯循环发电系统，其特征在于，所述的利用LNG冷能的带有温差发电换热器的朗肯循环发电系统包括工质泵(1)、蒸发器(2)、膨胀机(3)、冷凝器(4)、第一海水泵(5)、第二海水泵(6)、LNG泵(7)、温差发电换热器(8)、外部负载(9)和发电机组(10)；
工质泵(1)出口与蒸发器(2)冷端入口相连，蒸发器(2)冷端出口与膨胀机(3)相连，膨胀机(3)出口与冷凝器(4)热端入口相连，冷凝器(4)热端出口与工质泵(1)入口相连；第一海水泵(5)入口与外部海水管道相连，第一海水泵(5)出口与蒸发器(2)热端入口相连，第二海水泵(6)入口与外部海水相连，第二海水泵(6)出口与温差发电换热器(8)热端入口相连；LNG泵(7)入口与LNG储罐相连，LNG泵(7)出口与冷凝器(4)冷端入口相连，冷凝器(4)出口与温差发电换热器(8)冷端入口相连，温差发电换热器(8)冷端出口与NG配送管网相连，温差发电换热器(8)与外部负载(9)通过导线连接，膨胀机(3)的轴与发电机组(10)连接；
运行方法如下：
工质经工质泵(1)加压后进入蒸发器(2)，吸收来自海水的热量后气化，然后进入膨胀机(3)膨胀，通过发电机组(10)发电，膨胀做功后的乏汽进入冷凝器(4)被LNG冷凝为液体，再次进入工质泵(1)，开始新的循环；第一部分海水经第一海水泵(5)加压后进入蒸发器(2)加热工质，之后排出系统；第二部分海水经第二海水泵(6)加压后进入温差发电换热器(8)提供热量；LNG经LNG泵(7)加压后依次进入冷凝器(4)和温差发电换热器(8)，分别吸收工质和海水的热量进行汽化，最终进入NG配送管网。
2.根据权利要求1所述的利用LNG冷能的带有温差发电换热器的朗肯循环发电系统，其特征在于，所述的温差发电换热器(8)由传统管壳式换热器改进得到，即在每跟管的内外壁之间填充若干温差发电片，并将其串联；或温差发电换热器(8)是其他具有热电转化能力的换热设备。
3.根据权利要求1或2所述的利用LNG冷能的带有温差发电换热器的朗肯循环发电系统，其特征在于，所述的温差发电换热器(8)中，对每一根换热管，内外壁之间的填充结构如下：由内壁至外壁依次为绝缘陶瓷、铜片、P N结、铜片、绝缘陶瓷，其中PN结的材料选择Be2Te3固溶体合金或其他具有热电性能的P型和N型材料，在换热管的横截面的圆周方向可以填充8～10对该PN结，在换热管的轴向1米填充150～250对PN结，填充数目由PN结体积大小和实际情况决定。
4.根据权利要求1或2所述的利用LNG冷能的带有温差发电换热器的朗肯循环发电系统，其特征在于，工质泵(1)中工质选用乙烷或是其他常温常压下沸点较低的有机工质。
5.根据权利要求3所述的利用LNG冷能的带有温差发电换热器的朗肯循环发电系统，其特征在于，工质泵(1)中工质选用乙烷或是其他常温常压下沸点较低的有机工质。
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