CN109386333B - 一种lng冷能利用系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种LNG冷能利用系统及方法，该系统包括N级开式朗肯循环单元，其中，第K级开式朗肯循环单元包括K级混合器和K级加压泵，1＜K＜N；所述K级混合器的输入端与K‑1级加压泵的输出端连接，所述K级混合器的输出端与所述K级加压泵的输入端连接，所述混合器用于将LNG与天然气进行接触换热，以使所述天然气冷却为LNG；所述K级加压泵的输出端分别与所述K级混合器的输入端以及K+1级混合器的输入端连接。通过采用LNG的气态形式天然气作为朗肯循环的循环介质，使LNG和天然气在混合器中进行接触换热，能有效提高冷能利用效率和发电效率，并与采用冷媒介质的系统相比，减少了循环介质的泄露。

Description

一种LNG冷能利用系统及方法
技术领域
本发明涉及能量利用领域，具体涉及一种LNG冷能利用系统及方法。
背景技术
LNG(液化天然气)是常压下-162℃的低温液体混合物，LNG接收站是为了接受海运的LNG而建设在海边的LNG汽化工厂。LNG接收站用于将通过远洋运输船输送来的LNG进行卸船和储存，然后将液态的LNG进行汽化，将汽化得到的天然气通过管道输出以供用户使用。每吨LNG汽化成天然气时可产生约240kWh的冷能，合理利用这部分冷能能够产生可观的经济效益，例如，将冷能用于发电、低温冷库和冰蓄冷等领域。
目前利用LNG冷能发电的工艺有直接膨胀法、朗肯循环法、布雷顿循环法以及上述多种工艺组合的联合方法。例如，一种采用朗肯循环回收LNG冷能的系统。其中，朗肯循环包括冷凝器、压缩机、蒸发器、膨胀透平机和发电机。在该朗肯循环中，冷凝器通过管路依次与压缩机、蒸发器和膨胀透平机连接并回到冷凝器构成封闭的循环回路，在该循环回路中充有冷媒工质，膨胀透平机通过机械轴与发电机连接，蒸发器通过另一管路与低温供冷管路连接。其中，工质通常选择采用单一的烃类或氟利昂为冷媒介质来回收冷能。
但是，由于现有技术采用冷媒介质与LNG进行换热，而冷媒介质的液化曲线与LNG的汽化曲线相差较多，导致冷能回收过程中有效能损失较大，使得发电效率较低，LNG的冷能不能得到充分利用。
发明内容
针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种LNG冷能利用系统及方法。
本发明的一方面提供一种LNG冷能利用系统，包括N级开式朗肯循环单元，其中，第K级开式朗肯循环单元包括K级混合器和K级加压泵，1＜K＜N；所述K级混合器的输入端与K-1级加压泵的输出端连接，所述K级混合器的输出端与所述K级加压泵的输入端连接，所述混合器用于将LNG与天然气进行接触换热，以使所述天然气冷却为LNG；所述K级加压泵的输出端分别与所述K级混合器的输入端以及K+1级混合器的输入端连接。
其中，第一级开式朗肯循环单元包括一级混合器和一级加压泵；所述一级混合器的输入端与LNG低压泵的输出端连接，所述一级混合器的输出端与所述一级加压泵的输入端连接，所述LNG低压泵的输入端与LNG进气管线连接；所述一级加压泵的输出端分别与所述一级混合器的输入端以及二级混合器的输入端连接。
其中，第N级开式朗肯循环单元包括N级混合器和N级加压泵；所述N级混合器的输入端与N-1级加压泵的输出端连接，所述N级混合器的输出端与所述N级加压泵的输入端连接；所述N级加压泵的输出端分别与所述N级混合器的输入端以及末级朗肯循环单元连接，所述末级朗肯循环单元用于对LNG进行加热汽化，以使汽化得到的天然气输出至天然气输出管线。
其中，所述第K级开式朗肯循环单元还包括K级换热器和K级膨胀机，所述K级加压泵的输出端依次与所述K级换热器、所述K级膨胀机以及所述K级混合器的输入端连接。
其中，所述末级朗肯循环单元包括LNG汽化器、循环介质高压泵、循环介质换热器和循环介质膨胀机；所述LNG汽化器的第一输入端与所述N级加压泵的输出端连接，所述LNG汽化器的第一输出端与所述天然气输出管线连接；所述LNG汽化器的第二输出端依次与所述循环介质高压泵、所述循环介质换热器、所述循环介质膨胀机以及所述LNG汽化器的第二输入端连接。
其中，所述K级加压泵用于将5％的LNG输出至所述K级换热器，以及将95％的LNG输出至所述K+1级混合器。
其中，所述K级换热器及所述循环介质换热器与海水或者工业余热管线连接。
其中，所述混合器为再冷凝器，所述加压泵和所述低压泵为低温泵，所述换热器为两相介质换热器，所述膨胀机为透平膨胀机，所述循环介质为丙烷，所述LNG汽化器为开架式汽化器。
本发明另一方面提供一种LNG冷能利用方法，包括：S1，通过K级混合器对来自K-1级加压泵的LNG和来自K级加压泵的天然气进行接触换热，以使所述天然气冷却为LNG；S2，通过K级加压泵对来自所述K级混合器的LNG进行加压，以使LNG中的一部分经处理后形成天然气输出至所述K级混合器，以及以使LNG中的另一部分输出至K+1级混合器；其中，1＜K＜N，N为开式朗肯循环单元的总数。
所述方法还包括：通过一级混合器对来自LNG低压泵的LNG和来自一级加压泵的天然气进行接触换热，以使所述天然气冷却为LNG；通过一级加压泵对来自所述一级混合器的LNG进行加压，以使LNG中的一部分经处理后形成天然气输出至所述一级混合器，以及以使LNG中的另一部分输出至二级混合器。
所述方法还包括：通过N级混合器对来自N-1级加压泵的LNG和来自N级加压泵的天然气进行接触换热，以使所述天然气冷却为LNG；通过N级加压泵对来自所述N级混合器的LNG进行加压，以使LNG中的一部分经处理后形成天然气输出至所述K级混合器，以及以使LNG中的另一部分输出至末级朗肯循环单元；其中，所述末级朗肯循环单元用于对LNG进行加热汽化，以使汽化得到的天然气输出至天然气输出管线。
其中，所述通过K级加压泵对来自所述K级混合器的LNG进行加压，以使LNG中的一部分经处理后形成天然气输出至所述K级混合器包括：通过所述K级加压泵对来自所述K级混合器的LNG进行加压，以使加压后的LNG中的一部分输出至K级换热器；通过所述K级换热器对LNG进行加热汽化，以使汽化后的天然气输出至K级膨胀机；通过所述K级膨胀机对天然气进行膨胀做功，以使做功后的天然气输出至所述K级混合器。
其中，所述对LNG进行加热汽化，以使汽化得到的天然气输出至天然气输出管线包括：通过LNG汽化器对来自所述N级加压泵的LNG和来自循环介质膨胀机的循环介质进行换热，以使LNG汽化为天然气并输出至天然气输出管线，以及以使冷却后的所述循环介质输出至循环介质高压泵；通过所述循环介质高压泵对所述循环介质进行加压，以使加压后的所述循环介质输出至循环介质换热器；通过所述循环介质换热器对所述循环介质进行加热，以使加热后的所述循环介质输出至循环介质膨胀机；通过所述循环介质膨胀机对所述循环介质进行膨胀做功，以使做功后的所述循环介质输出至所述LNG汽化器。
其中，通过所述K级加压泵将5％的LNG输出至所述K级换热器，以及将95％的LNG输出至所述K+1级混合器。
其中，所述K级换热器及所述循环介质换热器利用海水或工业余热进行加热。
本发明提供的LNG冷能利用系统及方法，通过采用LNG的气态形式天然气作为朗肯循环的循环介质，使LNG和天然气在混合器中进行接触换热，能有效提高冷能利用效率和发电效率，并与采用冷媒介质的系统相比，减少了循环介质的泄露。
附图说明
为了更清楚地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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例提供的LNG冷能利用系统的结构示意图；
图2为本发明另一实施例提供的LNG冷能利用系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的LNG冷能利用方法的流程示意图。
图1中，1：LNG进气管线；2：LNG低压泵；3：低压LNG输送管线；4：一级混合器；5：一级混合后LNG输出管线；6：一级加压泵；7：一级LNG总输出管线；8：一级换热器输入管线；9：一级换热器；10：一级换热器输出管线；11：一级膨胀机；12：一级膨胀机输出管线；13：二级混合器输入管线；14：二级混合器；15：二级混合后LNG输出管线；16：二级加压泵；17：二级LNG总输出管线；18：二级换热器输入管线；19：二级换热器；20：二级换热器输出管线；21：二级膨胀机；22：二级膨胀机输出管线；23：海水或者工业余热管线；24：N级混合器输入管线；25：N级混合器；26：N级混合后LNG输出管线；27：N级加压泵；28：N级LNG总输出管线：29：N级换热器输入管线；30：N级换热器；31：N级换热器输出管线；32：N级膨胀机；33：N级膨胀机输出管线；34：LNG汽化器输入管线；35：LNG汽化器；36：天然气输出管线；37：LNG汽化器气相输入管线；38：循环介质膨胀机；39：循环介质膨胀机输入管线；40：循环介质换热器；41：循环介质高压泵输出管线；42：循环介质高压泵；43：循环介质高压泵输入管线；
图2中，1：LNG进气管线；2：LNG低压泵；3：低压LNG输送管线；4：一级混合器；5：一级混合后LNG输出管线；6：一级加压泵；7：一级LNG总输出管线；8：一级换热器输入管线；9：一级换热器；10：一级换热器输出管线；11：一级膨胀机；12：一级膨胀机输出管线；13：二级混合器输入管线；14：二级混合器；15：二级混合后LNG输出管线；16：二级加压泵；17：二级LNG总输出管线；18：二级换热器输入管线；19：二级换热器；20：二级换热器输出管线；21：二级膨胀机；22：二级膨胀机输出管线；23：工业余热管线；24：三级混合器输入管线；25：三级混合器；26：三级混合后LNG输出管线；27：三级加压泵；28：三级LNG总输出管线：29：三级换热器输入管线；30：三级换热器；31：三级换热器输出管线；32：三级膨胀机；33：三级膨胀机输出管线；34：LNG汽化器输入管线；35：LNG汽化器；36：天然气输出管线；37：LNG汽化器气相输入管线；38：循环介质膨胀机；39：循环介质膨胀机输入管线；40：循环介质换热器；41：循环介质高压泵输出管线；42：循环介质高压泵；43：循环介质高压泵输入管线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明提供的实施例中，如无特别说明，“LNG”即液化天然气，且以上相对应的术语可以相互替代。
本发明实施例提供一种LNG冷能利用系统，包括N级开式朗肯循环单元，其中，第K级开式朗肯循环单元包括K级混合器和K级加压泵，1＜K＜N；所述K级混合器的输入端与K-1级加压泵的输出端连接，所述K级混合器的输出端与所述K级加压泵的输入端连接，所述混合器用于将LNG与天然气进行接触换热，以使所述天然气冷却为LNG；所述K级加压泵的输出端分别与所述K级混合器的输入端以及K+1级混合器的输入端连接。
其中，LNG冷能利用系统通常用于LNG接收站；该系统包括N级开式朗肯循环单元，每级开式朗肯循环单元以LNG为循环介质，对LNG释放的冷能加以利用。图1为本发明实施例提供的LNG冷能利用系统的结构示意图，如图1所示，第K级开式朗肯循环单元包括K级混合器和K级加压泵，1＜K＜N；以下以K＝2为例，即以第二级开式朗肯循环单元为例对本发明实施例进行说明。
如图1所示，第二级开式朗肯循环单元包括二级混合器14和二级加压泵16。二级混合器14的输入端通过一级LNG总输出管线7和二级混合器输入管线13与一级加压泵6的输出端连接；二级混合器14的输出端通过二级混合后LNG输出管线15与二级加压泵16的输入端连接。
二级混合器14对来自一级加压泵6的LNG和来自二级加压泵16的天然气进行接触换热，以使天然气冷却为LNG。由于天然气为LNG的气态形式，因此天然气被冷却后也成为LNG，与来自一级加压泵6的LNG混合。
二级加压泵16的输出端与二级混合器14的输入端连接，二级加压泵16的输出端通过二级LNG总输出管线17和三级混合器输入管线与三级混合器的输入端连接。
二级加压泵16对来自二级混合器14的LNG进行加压过冷，以使LNG中的一部分经处理后形成天然气输出至二级混合器14，以及以使LNG中的另一部分输出至第三级开式朗肯循环单元的三级混合器。
本发明实施例提供的LNG冷能利用系统，通过采用LNG的气态形式天然气作为朗肯循环的循环介质，使LNG和天然气在混合器中进行接触换热，能有效提高冷能利用效率和发电效率，并与采用冷媒介质的系统相比，减少了循环介质的泄露。
基于上述实施例，第一级开式朗肯循环单元包括一级混合器4和一级加压泵6；所述一级混合器4的输入端与LNG低压泵2的输出端连接，所述一级混合器4的输出端与所述一级加压泵6的输入端连接，所述LNG低压泵2的输入端与LNG进气管线1连接；所述一级加压泵6的输出端分别与所述一级混合器4的输入端以及二级混合器14的输入端连接。
具体地，一级混合器4的输入端通过低压LNG输送管线3与LNG低压泵2的输出端连接，一级混合器4的输出端通过一级混合后LNG输出管线5与一级加压泵6的输入端连接，LNG低压泵2的输入端与LNG进气管线1连接。一级混合器4对来自LNG低压泵2的LNG和来自一级加压泵6的天然气进行接触换热，以使所述天然气冷却为LNG。
一级加压泵6的输出端与所述一级混合器4的输入端连接，还通过一级LNG总输出管线7和一级LNG总输出管线13与二级混合器14的输入端连接。一级加压泵6对来自所述一级混合器4的LNG进行加压，以使LNG中的一部分经处理后形成天然气输出至所述一级混合器4，以及以使LNG中的另一部分输出至二级混合器14。
基于上述实施例，第N级开式朗肯循环单元包括N级混合器25和N级加压泵27；所述N级混合器25的输入端与N-1级加压泵的输出端连接，所述N级混合器25的输出端与所述N级加压泵27的输入端连接；所述N级加压泵27的输出端分别与所述N级混合器25的输入端以及末级朗肯循环单元连接，所述末级朗肯循环单元用于对LNG进行加热汽化，以使汽化得到的天然气输出至天然气输出管线36。
N级混合器25的输入端通过N级混合器输入管线24与N-1级加压泵的输出端连接，N级混合器25的输出端通过N级混合后LNG输出管线26与所述N级加压泵27的输入端连接。N级混合器25对来自N-1级加压泵的LNG和来自N级加压泵27的天然气进行接触换热，以使所述天然气冷却为LNG。
N级加压泵27的输出端与N级混合器25的输入端连接，还与末级朗肯循环单元连接。末级朗肯循环单元与最后一级(N级)开式朗肯循环单元连接。末级朗肯循环单元对LNG进行加热汽化，以使汽化得到的天然气输出至天然气输出管线。
基于上述实施例，所述第K级开式朗肯循环单元还包括K级换热器和K级膨胀机，所述K级加压泵的输出端依次与所述K级换热器、所述K级膨胀机以及所述K级混合器的输入端连接。
以K＝1，即第一级开式朗肯循环单元为例对本发明实施例进行说明。第一级开式朗肯循环单元还包一级换热器9和一级膨胀机11，一级加压泵6的输出端依次与一级换热器9、一级膨胀机11以及一级混合器4的输入端连接。
具体地，一级加压泵6通过一级LNG总输出管线7和一级换热器输入管线8与一级换热器9连接。一级加压泵6对来自一级混合器4的LNG进行加压，将加压后的LNG中的一部分输出至一级换热器9。
一级换热器9通过一级换热器输出管线10与一级膨胀机11连接。一级换热器9对LNG进行加热汽化，以使汽化后的天然气输出至一级膨胀机11。
一级膨胀机11通过一级膨胀机输出管线12与一级混合器4的输入端连接。膨胀机是利用压缩气体膨胀降压时向外输出机械功使气体温度降低的原理以获得能量的机械。一级膨胀机11对天然气进行膨胀做功，以使做功后的天然气输出至一级混合器4。
基于上述实施例，所述末级朗肯循环单元包括LNG汽化器35、循环介质高压泵42、循环介质换热器40和循环介质膨胀机38；所述LNG汽化器35的第一输入端与所述N级加压泵42的输出端连接，所述LNG汽化器35的第一输出端与所述天然气输出管线36连接；所述LNG汽化器35的第二输出端依次与所述循环介质高压泵42、所述循环介质换热器40、所述循环介质膨胀机38以及所述LNG汽化器35的第二输入端连接。
末级朗肯循环单元与上述开式朗肯循环单元的区别在于其没有使用天然气作为换热的循环介质，而采用有机循环介质与LNG进行换热。
其中，N级加压泵27通过N级LNG总输出管线28和LNG汽化器输入管线34与LNG汽化器35的第一输入端连接；LNG汽化器35的第一输出端与天然气输出管线36连接。LNG汽化器35的第二输出端通过循环介质高压泵输入管线43与循环介质高压泵42连接。LNG汽化器35对来自N级加压泵27的LNG和来自循环介质膨胀机38的循环介质进行换热，以使LNG汽化为天然气并输出至天然气输出管线36，以及以使冷却后的所述循环介质输出至循环介质高压泵42。
其中，循环介质高压泵42通过循环介质高压泵输出管线41与循环介质换热器40连接。循环介质高压泵42用于对循环介质进行加压，以使加压后的循环介质输出至循环介质换热器40。
其中，循环介质换热器40通过循环介质膨胀机输入管线39与循环介质膨胀机38连接。循环介质换热器40用于对循环介质进行加热，以使加热后的循环介质输出至循环介质膨胀机38。
其中，循环介质膨胀机38通过LNG汽化器气相输入管线37与LNG汽化器35的第二输入端连接。循环介质膨胀机38对循环介质进行膨胀做功，以使做功后的循环介质输出至所述LNG汽化器35。循环介质膨胀机38是利用循环介质膨胀产生的能量做功发电。高压的气态循环介质做功完成后成为低压的气态循环介质，再次输入LNG汽化器35中，进行下一次末级朗肯循环。
基于上述实施例，所述K级加压泵用于将5％的LNG输出至所述K级换热器，以及将95％的LNG输出至所述K+1级混合器。具体地，每级开式朗肯循环单元中的加压泵在输出LNG时，可以对作为循环介质的LNG和输入下一级LNG的比例进行分配。5％的LNG作为循环介质以及95％输入下一级开式朗肯循环单元能保证每一级混合器中的天然气和LNG进行充分换热，提高LNG的冷能利用率。
基于上述实施例，所述K级换热器及所述循环介质换热器与海水或者工业余热管线连接。具体地，一级换热器9、二级换热器19、N级换热器30及循环介质换热器40的输入端均与工业余热管道或海水管道23连接，能够利用海水或工业余热的热能对LNG或循环介质进行加热。使用海水或工业余热对循环介质进行加热具有良好的经济性和环保性。
基于上述实施例，所述混合器为再冷凝器，所述加压泵和所述低压泵为低温泵，所述换热器为两相介质换热器，所述膨胀机为透平膨胀机，所述循环介质为丙烷，所述LNG汽化器为开架式汽化器。
其中，再冷凝器使得天然气和LNG在其中充分接触换热，能够很好地将天然气冷凝为LNG。低温泵是利用低温表面冷凝气体的真空泵，又称冷凝泵。低温泵可以获得抽气速率最大、极限压力最低的清洁真空，能够对LNG进行充分加压。
以下举例说明上述实施例提供的LNG冷能利用系统。图2为本发明另一实施例提供的LNG冷能利用系统的结构示意图，如图2所示，LNG冷能利用系统包括三级开式朗肯循环单元和末级朗肯循环单元。
某LNG接收站中，为高压天然气用户供应9MPa的天然气。LNG的摩尔组成如下：甲烷88.77％，乙烷7.54％，丙烷2.59％，异丁烷0.45％，正丁烷0.56％，氮气0.08％。该LNG接收站中有2座16*104m3的LNG储罐，LNG常压下沸点为-162℃，密度为456kg/m3为例，每个储罐储货总量(假设储罐为满罐)72960t。储罐的操作压力为0.150MPa，LNG的外输量为200t/h。混合器采用再冷凝器，加压泵采用低温泵，换热器采用两相介质换热器，膨胀机采用低温透平膨胀机，汽化器采用开架式汽化器，末级朗肯循环中的循环介质采用丙烷。
在第一级开式朗肯循环单元中，低压泵2用于将低温LNG增压后，其输出端连接低压LNG输送管线3的输入端，低压LNG输送管线3的输出端连接一级混合器4的输入端，一级混合后LNG输出管线5连接一级加压泵6的输入端，一级LNG总输出管线7的一端连接一级换热器输入管线8，一级换热器输出管线10连接一级膨胀机11，一级膨胀机输出管线12连接一级混合器4的气相输入端。
其中，LNG经低压泵2加压至0.5MPa，温度升高至-161.8℃后进入一级混合器4；在一级混合器4中，LNG与来自一级膨胀机11的-13℃的天然气进行接触混合换热，天然气被液化成LNG后，得到-140℃LNG；-140℃LNG被输入至一级加压泵6，一级加压泵6将-140℃的LNG加压至3.5MPa后，将LNG中的5％作为第一级朗肯循环单元的循环介质，输入一级换热器9中被工业余热加热至-100℃，成为气态的天然气；天然气被输入至一级膨胀机11中做功膨胀至500kPa后进入一级混合器4中；一级加压泵6将LNG中的95％输入第二级开式朗肯循环单元。
在第二级开式朗肯循环单元中，一级LNG总输出管线7的另一端连接二级混合器输入管线13，二级混合后LNG输出管线15与二级加压泵16相连接，二级LNG总输出管线17一端连接二级换热器输入管线18，二级换热器输出管线20连接二级膨胀机21，二级膨胀机输出管线22连接二级混合器14的气相输入端。二级LNG总输出管线17的另一端连接三级混合器25的液相输入端。
其中，一级加压泵6输出的95％的LNG进入二级混合器14；在二级混合器14中，LNG与来自二级膨胀机21的35℃的天然气进行接触混合换热，天然气被液化成LNG后，得到-125℃LNG；-125℃LNG被输入至二级加压泵16，二级加压泵16将-125℃的LNG加压至6MPa后，将LNG中的5％作为第二级开式朗肯循环单元的循环介质，输入二级换热器19中被工业余热加热至-100℃，成为气态的天然气；天然气被输入至二级膨胀机21中做功膨胀至6MPa后进入二级混合器14中；二级加压泵16将LNG中的95％输入第三级开式朗肯循环单元。
在第三级开式朗肯循环单元中，二级LNG总输出管线17的另一端连接三级混合器输入管线24，三级混合后LNG输出管线26与三级加压泵27相连接，三级混合后LNG输出管线28一端连接三级换热器输入管线29，三级换热器输出管线31连接三级膨胀机32，三级膨胀机输出管线33连接三级混合器25的气相输入端。
其中，二级加压泵16输出的95％的LNG进入三级混合器25；在三级混合器25中，LNG与来自三级膨胀机32的60℃的天然气进行接触混合换热，天然气被液化成LNG后，得到-85℃LNG；-85℃LNG被输入至三级加压泵27，三级加压泵27将-85℃的LNG加压至8MPa后，将LNG中的5％作为第三级开式朗肯循环单元的循环介质，输入三级换热器30中被工业余热加热至-100℃，成为气态的天然气；天然气被输入至三级膨胀机32中做功膨胀至6MPa后进入三级混合器25中；三级加压泵27将LNG中的95％输入末级朗肯循环单元。
在末级朗肯循环单元中，三级LNG总输出管线28的另一端连接LNG汽化器输入管线34，LNG汽化器35的气相输出端与天然气输出管线36相连通，循环介质高压泵输入管线43与循环介质高压泵42相连通，循环介质高压泵输出管线41与循环介质换热器40的冷流输入口相连通，循环介质膨胀机输入管线39与循环介质膨胀机38相连通，循环介质膨胀机38的输出端与LNG汽化器气相输入管线37相连接。
其中，三级加压泵27输出的95％的LNG进入LNG汽化器35；在LNG汽化器35中，LNG与循环介质丙烷进行换热，LNG被加热汽化为20℃的天然气后通过天然气输出管线36外输；丙烷被冷却为-76℃后被输入至循环介质高压泵42，循环介质高压泵42将-76℃的丙烷加压至3MPa后，丙烷被输入至循环介质换热器40中后被工业余热加热至-100℃，成为气态的丙烷；丙烷被输入至循环介质膨胀机38中做功膨胀，压力降至400kPa，温度降至26℃后进入LNG汽化器35中，以进行下一次循环。
在实际应用中，可以根据需求对上述开式朗肯循环单元的数量进行调整。通过上述三级朗肯循环单元和末级朗肯循环单元，能够实现LNG冷能的充分利用；采用LNG汽化成的天然气作为朗肯循环的介质，从而能够实现朗肯循环介质与LNG接触换热，增加了换热效率，减少了采用其他循环介质的泄漏问题。
图3为本发明实施例提供的LNG冷能利用方法的流程示意图，如图3所示，该方法包括：S1，通过K级混合器对来自K-1级加压泵的LNG和来自K级加压泵的天然气进行接触换热，以使所述天然气冷却为LNG；S2，通过K级加压泵对来自所述K级混合器的LNG进行加压，以使LNG中的一部分经处理后形成天然气输出至所述K级混合器，以及以使LNG中的另一部分输出至K+1级混合器；其中，1＜K＜N，N为开式朗肯循环单元的总数。
其中，LNG冷能利用系统通常用于LNG接收站；该系统包括N级开式朗肯循环单元，每级开式朗肯循环单元以LNG为循环介质，对LNG释放的冷能加以利用。图1为本发明实施例提供的LNG冷能利用系统的结构示意图，如图1所示，第K级开式朗肯循环单元包括K级混合器和K级加压泵，1＜K＜N，以下以K＝2为例，即以第二级开式朗肯循环单元为例对本发明实施例进行说明。
如图1所示，第二级开式朗肯循环单元包括二级混合器14和二级加压泵16。二级混合器14的输入端通过一级LNG总输出管线7和二级混合器输入管线13与一级加压泵6的输出端连接；二级混合器14的输出端通过二级混合后LNG输出管线15与二级加压泵16的输入端连接。
二级混合器14对来自一级加压泵6的LNG和来自二级加压泵16的天然气进行接触换热，以使天然气冷却为LNG。由于天然气为LNG的气态形式，因此天然气被冷却后也成为LNG，与来自一级加压泵6的LNG混合。
二级加压泵16的输出端与二级混合器14的输入端连接，二级加压泵16的输出端通过二级LNG总输出管线17和三级混合器输入管线与三级混合器的输入端连接。
二级加压泵16对来自二级混合器14的LNG进行加压过冷，以使LNG中的一部分经处理后形成天然气输出至二级混合器14，以及以使LNG中的另一部分输出至第三级开式朗肯循环单元的三级混合器。
本发明实施例提供的LNG冷能利用方法，通过采用LNG的气态形式天然气作为朗肯循环的循环介质，使LNG和天然气在混合器中进行接触换热，能有效提高冷能利用效率和发电效率，并与采用冷媒介质的系统相比，减少了循环介质的泄露。
基于上述实施例，所述方法还包括：通过一级混合器4对来自LNG低压泵2的LNG和来自一级加压泵6的天然气进行接触换热，以使所述天然气冷却为LNG；通过一级加压泵6对来自所述一级混合器4的LNG进行加压，以使LNG中的一部分经处理后形成天然气输出至所述一级混合器4，以及以使LNG中的另一部分输出至二级混合器14。
具体地，一级混合器4的输入端通过低压LNG输送管线3与LNG低压泵2的输出端连接，一级混合器4的输出端通过一级混合后LNG输出管线5与一级加压泵6的输入端连接，LNG低压泵2的输入端与LNG进气管线1连接。一级混合器4对来自LNG低压泵2的LNG和来自一级加压泵6的天然气进行接触换热，以使所述天然气冷却为LNG。
一级加压泵6的输出端与所述一级混合器4的输入端连接，还通过一级LNG总输出管线7和一级LNG总输出管线13与二级混合器14的输入端连接。一级加压泵6对来自所述一级混合器4的LNG进行加压，以使LNG中的一部分经处理后形成天然气输出至所述一级混合器4，以及以使LNG中的另一部分输出至二级混合器14。
基于上述实施例，所述方法还包括：通过N级混合器25对来自N-1级加压泵的LNG和来自N级加压泵27的天然气进行接触换热，以使所述天然气冷却为LNG；通过N级加压泵27对来自所述N级混合器25的LNG进行加压，以使LNG中的一部分经处理后形成天然气输出至所述K级混合器25，以及以使LNG中的另一部分输出至末级朗肯循环单元；其中，所述末级朗肯循环单元用于对LNG进行加热汽化，以使汽化得到的天然气输出至天然气输出管线。
N级混合器25的输入端通过N级混合器输入管线24与N-1级加压泵的输出端连接，N级混合器25的输出端通过N级混合后LNG输出管线26与所述N级加压泵27的输入端连接。N级混合器25对来自N-1级加压泵的LNG和来自N级加压泵27的天然气进行接触换热，以使所述天然气冷却为LNG。
N级加压泵27的输出端与N级混合器25的输入端连接，还与末级朗肯循环单元连接。末级朗肯循环单元与最后一级(N级)开式朗肯循环单元连接。末级朗肯循环单元对LNG进行加热汽化，以使汽化得到的天然气输出至天然气输出管线。
基于上述实施例，所述通过K级加压泵对来自所述K级混合器的LNG进行加压，以使LNG中的一部分经处理后形成天然气输出至所述K级混合器包括：通过所述K级加压泵对来自所述K级混合器的LNG进行加压，以使加压后的LNG中的一部分输出至K级换热器；通过所述K级换热器对LNG进行加热汽化，以使汽化后的天然气输出至K级膨胀机；通过所述K级膨胀机对天然气进行膨胀做功，以使做功后的天然气输出至所述K级混合器。
以K＝1，即第一级开式朗肯循环单元为例对本发明实施例进行说明。第一级开式朗肯循环单元还包一级换热器9和一级膨胀机11，一级加压泵6的输出端依次与一级换热器9、一级膨胀机11以及一级混合器4的输入端连接。
具体地，一级加压泵6通过一级LNG总输出管线7和一级换热器输入管线8与一级换热器9连接。一级加压泵6对来自一级混合器4的LNG进行加压，将加压后的LNG中的一部分输出至一级换热器9。
一级换热器9通过一级换热器输出管线10与一级膨胀机11连接。一级换热器9对LNG进行加热汽化，以使汽化后的天然气输出至一级膨胀机11。
一级膨胀机11通过一级膨胀机输出管线12与一级混合器4的输入端连接。膨胀机是利用压缩气体膨胀降压时向外输出机械功使气体温度降低的原理以获得能量的机械。一级膨胀机11对天然气进行膨胀做功，以使做功后的天然气输出至一级混合器4。
基于上述实施例，所述对LNG进行加热汽化，以使汽化得到的天然气输出至天然气输出管线包括：通过LNG汽化器35对来自所述N级加压泵27的LNG和来自循环介质膨胀机38的循环介质进行换热，以使LNG汽化为天然气并输出至天然气输出管线36，以及以使冷却后的所述循环介质输出至循环介质高压泵42；通过所述循环介质高压泵42对所述循环介质进行加压，以使加压后的所述循环介质输出至循环介质换热器40；通过所述循环介质换热器40对所述循环介质进行加热，以使加热后的所述循环介质输出至循环介质膨胀机38；通过所述循环介质膨胀机38对所述循环介质进行膨胀做功，以使做功后的所述循环介质输出至所述LNG汽化器35。
末级朗肯循环单元与上述开式朗肯循环单元的区别在于其没有使用天然气作为换热的循环介质，而采用有机循环介质与LNG进行换热。
其中，N级加压泵27通过N级LNG总输出管线28和LNG汽化器输入管线34与LNG汽化器35的第一输入端连接；LNG汽化器35的第一输出端与天然气输出管线36连接。LNG汽化器35的第二输出端通过循环介质高压泵输入管线43与循环介质高压泵42连接。LNG汽化器35对来自N级加压泵27的LNG和来自循环介质膨胀机38的循环介质进行换热，以使LNG汽化为天然气并输出至天然气输出管线36，以及以使冷却后的所述循环介质输出至循环介质高压泵42。
其中，循环介质高压泵42通过循环介质高压泵输出管线41与循环介质换热器40连接。循环介质高压泵42用于对循环介质进行加压，以使加压后的循环介质输出至循环介质换热器40。
其中，循环介质换热器40通过循环介质膨胀机输入管线39与循环介质膨胀机38连接。循环介质换热器40用于对循环介质进行加热，以使加热后的循环介质输出至循环介质膨胀机38。
其中，循环介质膨胀机38通过LNG汽化器气相输入管线37与LNG汽化器35的第二输入端连接。循环介质膨胀机38对循环介质进行膨胀做功，以使做功后的循环介质输出至所述LNG汽化器35。循环介质膨胀机38是利用循环介质膨胀产生的能量做功发电。高压的气态循环介质做功完成后成为低压的气态循环介质，再次输入LNG汽化器35中，进行下一次末级朗肯循环。
基于上述实施例，通过所述K级加压泵将5％的LNG输出至所述K级换热器，以及将95％的LNG输出至所述K+1级混合器。具体地，每级开式朗肯循环单元中的加压泵在输出LNG时，可以对作为循环介质的LNG和输入下一级LNG的比例进行分配。5％的LNG作为循环介质以及95％输入下一级开式朗肯循环单元能保证每一级混合器中的天然气和LNG进行充分换热，提高LNG的冷能利用率。
基于上述实施例，所述K级换热器及所述循环介质换热器利用海水或工业余热进行加热。具体地，一级换热器9、二级换热器19、N级换热器30及循环介质换热器40的输入端均与工业余热管道或海水管道23连接，能够利用海水或工业余热的热能对LNG或循环介质进行加热。使用海水或工业余热对循环介质进行加热具有良好的经济性和环保性。
本发明实施例提供的LNG冷能利用的系统及方法，具备了现有利用液化天然气冷能利用发电方法，采用多级朗肯循环发电，从而整个工艺循环形成了复杂的热力学循环增加了冷能的发电效率，提高了LNG冷能的火用效率；采用LNG汽化成的天然气作为朗肯循环的介质，从而能够实现朗肯循环介质与LNG接触换热，增加了换热效率，减少了采用其他循环介质的泄漏问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种LNG冷能利用系统，其特征在于，包括N级开式朗肯循环单元，其中，第K级开式朗肯循环单元包括K级混合器和K级加压泵，1＜K＜N；
所述K级混合器的输入端与K-1级加压泵的输出端连接，所述K级混合器的输出端与所述K级加压泵的输入端连接，所述混合器用于将LNG与天然气进行接触换热，以使所述天然气冷却为LNG；
所述K级加压泵的输出端分别与所述K级混合器的输入端以及K+1级混合器的输入端连接；
所述第K级开式朗肯循环单元还包括K级换热器和K级膨胀机，所述K级加压泵的输出端依次与所述K级换热器、所述K级膨胀机以及所述K级混合器的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，第一级开式朗肯循环单元包括一级混合器和一级加压泵；
所述一级混合器的输入端与LNG低压泵的输出端连接，所述一级混合器的输出端与所述一级加压泵的输入端连接，所述LNG低压泵的输入端与LNG进气管线连接；
所述一级加压泵的输出端分别与所述一级混合器的输入端以及二级混合器的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，第N级开式朗肯循环单元包括N级混合器和N级加压泵；
所述N级混合器的输入端与N-1级加压泵的输出端连接，所述N级混合器的输出端与所述N级加压泵的输入端连接；
所述N级加压泵的输出端分别与所述N级混合器的输入端以及末级朗肯循环单元连接，所述末级朗肯循环单元用于对LNG进行加热汽化，以使汽化得到的天然气输出至天然气输出管线。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述末级朗肯循环单元包括LNG汽化器、循环介质高压泵、循环介质换热器和循环介质膨胀机；
所述LNG汽化器的第一输入端与所述N级加压泵的输出端连接，所述LNG汽化器的第一输出端与所述天然气输出管线连接；
所述LNG汽化器的第二输出端依次与所述循环介质高压泵、所述循环介质换热器、所述循环介质膨胀机以及所述LNG汽化器的第二输入端连接。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述K级加压泵用于将5％的LNG输出至所述K级换热器，以及将95％的LNG输出至所述K+1级混合器。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述K级换热器及所述循环介质换热器与海水或者工业余热管线连接。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述混合器为再冷凝器，所述加压泵和所述LNG低压泵为低温泵，所述换热器为两相介质换热器，所述膨胀机为透平膨胀机，所述循环介质为丙烷，所述LNG汽化器为开架式汽化器。
8.一种LNG冷能利用方法，其特征在于，包括：
S1，通过K级混合器对来自K-1级加压泵的LNG和来自K级加压泵的天然气进行接触换热，以使所述天然气冷却为LNG；
S2，通过K级加压泵对来自所述K级混合器的LNG进行加压，以使LNG中的一部分经处理后形成天然气输出至所述K级混合器，以及以使LNG中的另一部分输出至K+1级混合器；
所述通过K级加压泵对来自所述K级混合器的LNG进行加压，以使LNG中的一部分经处理后形成天然气输出至所述K级混合器包括：
通过所述K级加压泵对来自所述K级混合器的LNG进行加压，以使加压后的LNG中的一部分输出至K级换热器；
通过所述K级换热器对LNG进行加热汽化，以使汽化后的天然气输出至K级膨胀机；
通过所述K级膨胀机对天然气进行膨胀做功，以使做功后的天然气输出至所述K级混合器；
其中，1＜K＜N，N为开式朗肯循环单元的总数。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
通过一级混合器对来自LNG低压泵的LNG和来自一级加压泵的天然气进行接触换热，以使所述天然气冷却为LNG；
通过一级加压泵对来自所述一级混合器的LNG进行加压，以使LNG中的一部分经处理后形成天然气输出至所述一级混合器，以及以使LNG中的另一部分输出至二级混合器。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
通过N级混合器对来自N-1级加压泵的LNG和来自N级加压泵的天然气进行接触换热，以使所述天然气冷却为LNG；
通过N级加压泵对来自N级混合器的LNG进行加压，以使LNG中的一部分经处理后形成天然气输出至所述N级混合器，以及以使LNG中的另一部分输出至末级朗肯循环单元；
其中，所述末级朗肯循环单元用于对LNG进行加热汽化，以使汽化得到的天然气输出至天然气输出管线。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述对LNG进行加热汽化，以使汽化得到的天然气输出至天然气输出管线包括：
通过LNG汽化器对来自所述N级加压泵的LNG和来自循环介质膨胀机的循环介质进行换热，以使LNG汽化为天然气并输出至天然气输出管线，以及以使冷却后的所述循环介质输出至循环介质高压泵；
通过所述循环介质高压泵对所述循环介质进行加压，以使加压后的所述循环介质输出至循环介质换热器；
通过所述循环介质换热器对所述循环介质进行加热，以使加热后的所述循环介质输出至循环介质膨胀机；
通过所述循环介质膨胀机对所述循环介质进行膨胀做功，以使做功后的所述循环介质输出至所述LNG汽化器。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过所述K级加压泵将5％的LNG输出至所述K级换热器，以及将95％的LNG输出至所述K+1级混合器。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述K级换热器及所述循环介质换热器利用海水或工业余热进行加热。
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