CN109630309A - Lng冷能斯特林发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LNG冷能斯特林发电系统，包括LNG储罐、LNG液相管路、LNG气相管路、冷能斯特林发电装置、LNG加热器，LNG储罐的出液口连通于LNG液相管路，还包括膨胀发电机组和附加工质循环发电机组，冷能斯特林发电装置的冷端吸收LNG冷能，冷能斯特林装置的热端连接外界热源，在冷能斯特林发电装置内部完成换热后的气相天然气通过LNG加热器加热以达到输气管道的温度压力要求后，可供用户使用。本发明有效利用LNG冷能和热端温差造成工作介质的冷却压缩和吸热膨胀，从而带动发电机发电。利用冷能斯特林发电装置，与膨胀发电机组、朗肯循环冷能发电系统或低温布雷顿循环冷能发电系统中的任意一种或者几种组合，实现更高的发电效率和更大的发电量。

Description

LNG冷能斯特林发电系统

技术领域

本发明涉及液化天然气(LNG)领域，具体涉及一种LNG冷能利用 发电系统。

背景技术

现有技术利用LNG冷能发电以直接膨胀法或二次媒介朗肯循环法 为主。如申请号为201711312743.2的中国专利，提供了一种综合利 用LNG冷能发电及供冷的系统，包括LNG增压气化直接膨胀发电系统、 混合工质朗肯循环发电系统，液氨冷库供冷系统，乙二醇蓄冰池空调 供冷循环系统；利用LNG气化过程中释放的冷能，采用LNG增压气化直 接膨胀发电和混合工质朗肯循环发电生产高品位的电能。又如申请号 201710849459.2的中国专利，实现了对LNG冷能的逐级利用，其中增 设的膜分离装置可对两个冷凝器中混合工质的配比做出调控，能够进 一步提升换热过程的温度匹配程度，减少LNG冷能回收过程的不可逆 损失。

但上述现有技术和方法都存在发电效率低、系统和设备结构复杂 的确定，而且膨胀法仅适用于存在高压LNG的工况，对于低压LNG系 统无法使用。

斯特林发动机是一种用外部加热使活塞往复运动的外燃机，1916 年由苏格兰人罗伯特·斯特林发明而命名。斯特林发动机的循环回路 由膨胀腔、压缩腔、动力活塞、配气活塞和回热器组成。斯特林发电 机具有结构简单、利用冷热温差发电、外部燃烧或冷却等特性，在越 来越多的应用场景中发挥作用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种结构简单、适用性强 的、能在低压条件下使用的LNG冷能斯特林发电系统。

为了实现上述目的，本发明充分利用斯特林发电机的优点，采用 如下技术方案：

一种LNG冷能斯特林发电系统，包括LNG储罐、LNG液相管路、 LNG气相管路、冷能斯特林发电装置、LNG加热器，LNG储罐的出液 口连通于LNG液相管路，冷能斯特林发电装置的冷端连接LNG液相管 路以吸收LNG冷能，冷能斯特林装置的热端连接外界热源，LNG气相 管路分别连通于冷能斯特林装置的冷端和LNG加热器以将冷能斯特 林装置的冷端的气相天然气传送到LNG加热器，LNG加热器的输出端 连通于天然气的传送端。具体地，天然气的传送端可为管道天然气或 天然气撬罐车。

所述LNG储罐储存的内容物为-170℃～-150℃液相LNG。液化天 然气(LNG)是天然气经压缩、冷却至其沸点温度后变成液体，通常 液化天然气储存在-170℃～-150℃、0.1MPa左右的低温储存罐内。

进一步，所述冷能斯特林发电装置的冷端内设有换热盘管，换热 盘管连通于冷能斯特林发电装置的气体工作介质管路，用于与从LNG 液相管路而来的液相LNG换热。液相LNG在换热盘管外部蒸发成为低 温气相天然气。由于换热盘管外部流通低温的LNG，故换热盘管的材 质为耐低温的材质。

再进一步，所述冷能斯特林发电装置的气体工作介质为在-170℃ 以下还能保持气态的气体。具体地，气体工作介质为氢气、氦气、氩 气或其他惰性气体中的任意一种。

进一步，所述冷能斯特林发电装置的热端所用热源和LNG加热器 的热源分别为海水、地表水、空气、烟气余热、工业余热中的任意一 种。

再进一步，所述LNG冷能斯特林发电系统还包括膨胀机和发电机 组，膨胀机分别与LNG加热器和发电机组连接。

进一步，所述LNG冷能斯特林发电系统还包括附加工质循环发电 机组，冷能斯特林发电装置的冷端与附加工质循环发电机组连接。

再进一步，所述附加工质循环发电机组为朗肯循环冷能发电系统， 朗肯循环冷能发电系统包括加热器、换热器、涡轮机和涡轮发电机， 换热器分别通过LNG气相管路与加热器、涡轮机、冷能斯特林发电装 置的冷端和LNG加热器连接，涡轮机分别与加热器和涡轮发电机连接。

进一步，所述朗肯循环冷能发电系统的循环工质为丙烷、氨、丙 烯、四氟乙烷中的任意一种。

更进一步，所述附加工质循环发电机组为低温布雷顿循环冷能发 电系统，低温布雷顿循环冷能发电系统包括加热器、换热器、涡轮机、 涡轮发电机和压气机，换热器分别通过LNG气相管路与冷能斯特林发 电装置的冷端、压气机、涡轮机和LNG加热器连接，加热器分别与涡 轮机和压气机连接，涡轮机与涡轮发电机连接。

进一步，所述低温布雷顿循环冷能发电系统的循环工质为氮气。

利用冷能斯特林发电装置，与膨胀发电机组、朗肯循环冷能发电 系统或低温布雷顿循环冷能发电系统中的任意一种或者几种组合，组 合形式如下：冷能斯特林发电装置、冷能斯特林发电装置耦合膨胀发 电机系统、冷能斯特林发电装置耦合膨胀发电机和朗肯循环冷能发电 系统、冷能斯特林发电装置耦合膨胀发电机和朗肯循环冷能发电系统、 冷能斯特林发电装置耦合朗肯循环冷能发电系统和冷能斯特林发电 装置耦合朗肯循环冷能发电系统，以提高LNG冷能发电效率。

可以通过LNG冷量与LNG的温度压力的变化曲线图快速查询LNG 冷量的大概数值，但准确的冷量技术需要按照下面的计算公式进行计 算。

上述LNG冷能斯特林发电系统的冷能应用冷量及发电量满足下 面的计算公式：

1.冷能利用及损失能量平衡式：

Q_总＝F_LNG*(T_供-T₀)*C_pLNG＝Q_Stirling+Q_Rankine+Q_Brayton+Q_Turbine+Q_Heater

其中：斯特林冷能利用总量Q_Stirling＝F_LNG*(T₂-T₁)*C_pLNG

朗肯循环冷能利用总量Q_Rankine＝F_LNG*(T₃-T₂)*C_pLNG

布雷顿循环冷能利用总量Q_Brayton＝F_LNG*(T_3’-T_2’)*C_pLNG

膨胀机冷能利用总量Q_Turbine＝F_LNG*(H’-H₀)

LNG加热器散热损失Q_Heater＝Q₁+Q₂+…+Q_n

2.冷能利用发电量计算式：

P_总＝P_Stirling+P_Rankine+P_Brayton+P_Turbine

斯特林发电量P_Stirling＝F_工质*Q_吸热*η_S*η_e

＝F_工质*Q_吸热*(1-T_1’/T_2’)*η_e

朗肯循环或低温布雷顿循环发电量

P_{Rankine或Brayton}＝F_工质*Q_吸热*η_R或B*η_e

＝F_工质*Q_吸热*(1-T_4’/T_5’)*η_e

膨胀机发电量P_Turbine＝Q_Turbine*η_T*η_e

＝F_LNG*(H’-H₀)*η_T*η_e

冷能斯特林发电装置具体工作原理为：工作介质在斯特林发电装 置的热端或冷端散热盘管内循环，在热端受热膨胀，在冷端遇冷收缩； 液相LNG通过LNG液相管路进入冷能斯特林发电装置的冷端的散热盘 管的外部与散热盘管内部的工作介质换热，工作介质冷却压缩，带动 气缸做活塞运动，从而输出动力带动冷能斯特林发电机发电，工作介 质在散热盘管内循环使用，液相LNG在换热盘管外部受热汽化为低温 气相天然气。

冷能斯特林发电装置耦合膨胀发电机组和附加工质循坏发电机 组的工作原理：冷能斯特林发电装置是通过气缸内工作介质(氢气或 氦气)经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力， 冷能斯特林发电装置是利用冷热端温差造成工作介质的冷却压缩和 吸热膨胀，从而带动发电机发电的装置。LNG从储罐出来到冷能斯特 林发电装置的冷端，LNG在冷能斯特林发电装置气缸冷端冷却气缸工 质使其收缩，同时LNG被加热成为低温高压气体，气相天然气进入膨 胀机后，膨胀机利用有一定压力的气体进行绝热膨胀对外做功，膨胀 机带动发电机发电。

在上述基础上还可以进一步结合朗肯循环冷能发电系统，LNG进 入膨胀机之前可以通过换热器将冷能转移给冷媒，LNG经过换热器成 为高压常温气体，再通过膨胀机膨胀，带动发电机发电。而通过热源 加热的LNG气体经过涡轮机压缩变成高压高温气体，再经换热器成为 高压常温气体，最后透过膨胀机带动发电机发电。

在上述基础上，进一步结合低温布雷顿循环冷能发电系统，将换 热器连接压气机，压气机能在达到相同增压比情况下降低耗功，使装 置热效率显著提高。

冷能斯特林发电装置耦合附加工质循环发电机组的工作原理：

冷能斯特林发电装置是通过气缸内工作介质(氢气或氦气)经过 冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力，冷能斯特林 发电装置是利用冷热端温差造成工作介质的冷却压缩和吸热膨胀，从 而带动冷能斯特林发电装置的发电机发电的装置。LNG从储气罐出来 时，温度较低，冷能传送到斯特林发电装置的冷端，低温LNG冷却冷 能斯特林发电装置的气缸内部的工作介质，热端利用常温空气或水给 气缸内的工作介质提供热能，冷能斯特林发电装置的两个气缸的气体 膨胀，带动气缸做活塞运动，从而输出动力带动发电机发电。

液相LNG经受热汽化为低温气相天然气通过加热器的热源(常温 空气或水或海水)加热，最终使得气相天然气的温度和压力符合管道 天然气或天然气撬罐车的标准对外供应；低温天然气也可进入冷凝器， 利用LNG冷源将附件循环工质从气态冷却为液体，附加工质然后经过 朗肯循环或低温布雷顿循环带动涡轮机做工驱动发电机发电。

本发明的有益技术效果：

1、利用液相LNG和热端温差造成冷能斯特林发电装置内部的工 作介质的冷却压缩和吸热膨胀，带动气缸做活塞运动，从而输出动力 带动冷能斯特林发电机发电，同时，冷能斯特林发电系统可在低压 LNG系统中应用；

2、利用冷能斯特林发电装置，与膨胀发电机组、朗肯循环冷能 发电系统或低温布雷顿循环冷能发电系统中的任意一种或者几种组 合，实现更高的发电效率和更大的发电量。

3、换热后的气相天然气在加热加压以达到管道天然气或天然气 撬罐车的温度压力要求后，可通过输气管道供用户使用；

4、液相LNG作为冷端的冷能，冷能斯特林发电装置无需在冷端 另外设置冷却散热器，简化了结构和步骤。

附图说明

图1为本发明的实施例1的结构图；

图2为本发明的实施例2的结构图；

图3为本发明的实施例3的结构图；

图4为本发明的实施例4的结构图；

图5为本发明的实施例5的结构图；

图6为本发明的实施例6的结构图；

图7为LNG的温焓状态随压力变化曲线图。

附图标记

LNG储罐1；冷能斯特林发电机2；冷端3；热端4；热端热源5； LNG加热器6；LNG加热器热源7；膨胀机8；发电机9；换热器10； 加热器11；加热器热源12；涡轮机13；涡轮发电机14；压气机15。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，以下 实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过 程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

实施例1

本实施例中，冷能斯特林发电系统，即包括LNG储罐1、LNG液 相管路、LNG气相管路、冷能斯特林发电装置、LNG加热器6，LNG储 罐1的出液口连通于LNG液相管路，冷能斯特林发电装置的冷端3连 接LNG液相管路以吸收LNG冷能，冷能斯特林装置的热端4连接外界热源，LNG气相管路分别连通于冷能斯特林装置的冷端3和LNG加热 器以将冷能斯特林装置的冷端3的气相天然气传送到LNG加热器6， LNG加热器6的输出端连通于天然气的传送端。具体地，天然气的传 送端可为管道天然气或天然气撬罐车。

如图1所示，实施例1的工作步骤如下：

S1-170℃～-150℃的液相LNG从LNG储罐1通过LNG液相管路传 送到冷能斯特林发电装置的冷端3，在本实施例中，液相LNG的温度 为-162℃；

S2冷能斯特林发电装置的热端4经热端热源5加热为冷能斯特 林发电装置2的换热盘管内部的工作介质提供热量，液相LNG在换热 盘管外部受热汽化为低温天然气，低温天然气冷却换热盘管内部的工 作介质，利用冷端3和热端4温差造成工作介质的冷却压缩和吸热膨 胀，带动气缸做活塞运动，从而输出动力带动发电机发电，所述低温 天然气的温度为-35℃；

S3受热后的液相LNG汽化为-35℃的低温气相天然气从冷能斯特 林发电装置的冷端3排出通过LNG气相管路传送到LNG加热器6，通 过LNG加热器热源7加热达到29℃要求后传送到输气管道以供使用。

实施例2

本实施例中，冷能斯特林发电装置耦合膨胀发电机系统，即包括 LNG储罐1、LNG液相管路、LNG气相管路、冷能斯特林发电装置、LNG 加热器6、膨胀机8和发电机9，LNG储罐1的出液口连通于LNG液 相管路，冷能斯特林发电装置的冷端3连接LNG液相管路以吸收LNG 冷能，冷能斯特林装置的热端4连接外界热源，LNG气相管路分别连 通于冷能斯特林装置的冷端3和LNG加热器6以将冷能斯特林装置的 冷端的气相天然气传送到LNG加热器，膨胀机8分别与LNG加热器6 和发电机9连接，LNG加热器6的输出端连通于天然气的传送端。所 述冷能斯特林发电装置的冷端3内设有换热盘管，换热盘管连通于冷 能斯特林发电装置的气体工作介质管路。

如图2所示，实施例2的工作步骤如下：

S1-170℃～-150℃的液相LNG从LNG储罐1通过LNG液相管路传 送到冷能斯特林发电装置的冷端3，在本实施例中，液相LNG的温度 为-162℃；

S2工作介质通过冷能斯特林发电装置的热端4通入散热盘管内 部，热端热源5加热工作介质，工作介质受热膨胀，液相LNG通过 LNG液相管路进入冷能斯特林发电装置的冷端3的散热盘管的外部与 散热盘管内部的工作介质换热，工作介质冷却压缩，带动气缸做活塞 运动，从而输出动力带动冷能斯特林发电机2发电，工作介质在散热 盘管内循环使用，液相LNG在换热盘管外部受热汽化为低温气相天然 气，所述低温气相天然气的温度为-35℃；

S3受热后的液相LNG汽化为-35℃的低温气相天然气从冷能斯特 林发电装置的冷端3排出通过LNG气相管路传送到LNG加热器6，通 过LNG加热器的热源7加热成为24℃的高压气体后进入膨胀机8，膨 胀机8利用有一定压力的气体进行绝热膨胀对外做功，膨胀机8带动 发电机9发电。由于气相天然气在膨胀机8内进行绝热膨胀对外做功 而消耗气体本身的内能，气体自身强烈地冷却，从而使气相天然气温 度骤降为-10℃；

S4-10℃的气相天然气再通过气相LNG管路传送到LNG加热器6， 通过LNG加热器的热源7加热达到29℃符合管道天然气或天然气撬 罐车的温度压力要求后，传送到输气管道以供使用。

实施例3

本实施例中，冷能斯特林发电装置耦合膨胀发电机和朗肯循环冷 能发电系统，即包括LNG储罐1、LNG液相管路、LNG气相管路、冷 能斯特林发电装置、LNG加热器6、膨胀机8和发电机9，LNG储罐1 的出液口连通于LNG液相管路，冷能斯特林发电装置的冷端3连接 LNG液相管路以吸收LNG冷能，冷能斯特林装置的热端4连接外界热 源，LNG气相管路分别连通于冷能斯特林装置的冷端3和LNG加热器 6以将冷能斯特林装置的冷端3的气相天然气传送到LNG加热器6， 膨胀机8分别与LNG加热器6和发电机9连接，LNG加热器6的输出 端连通于天然气的传送端。所述冷能斯特林发电装置的冷端3内设有 换热盘管，换热盘管连通于冷能斯特林发电装置的气体工作介质管路。 还包括朗肯循环冷能发电系统，朗肯循环冷能发电系统包括加热器11、换热器10、涡轮机13和涡轮发电机14，换热器10分别通过LNG 气相管路与加热器11、涡轮机13、冷能斯特林发电装置的冷端3和 LNG加热器6连接，涡轮机13分别与加热器11和涡轮发电机14连 接。具体地，换热器10为冷凝器。

如图3所示，实施例3的工作步骤为：

S1-170℃～-150℃的液相LNG从LNG储罐1通过LNG液相管路传 送到冷能斯特林发电装置的冷端3，在本实施例中，液相LNG的温度 为-162℃；

S2工作介质通过冷能斯特林发电装置的热端通入散热盘管内部， 热端热源5加热工作介质，工作介质受热膨胀，液相LNG通过LNG液 相管路进入冷能斯特林发电装置的冷端3的散热盘管的外部与散热 盘管内部的工作介质换热，工作介质冷却压缩，带动气缸做活塞运动， 从而输出动力带动冷能斯特林发电机2发电，工作介质在散热盘管内 循环使用，液相LNG在换热盘管外部受热汽化为低温气相天然气，低 温气相天然气的温度为-35℃。

S3受热后的液相LNG汽化为低温气相天然气从冷能斯特林发电 装置的冷端3排出通过LNG气相管路进入冷凝器10，冷能转移给冷 媒，LNG经过冷凝器10成为高压低温气体，气相天然气经过加热器 11经加热器热源12加热经涡轮机13压缩成为高压高温气体，驱动了涡轮机13从而带动涡轮发电机14做功，涡轮机13为冷凝器10提 供动能，从涡轮机13排出的富余的气相天然气循环回到冷凝器10。

S4受热后的液相LNG汽化为低温气相天然气从冷能斯特林发电 装置的冷端3排出进入冷凝器10，冷能转移给冷媒，LNG经过冷凝器 10成为高压低温气体，此时-35℃的气相天然气传送到LNG加热器6， 通过LNG加热器热源7加热成为24℃的高压气体后进入膨胀机8，膨 胀机9利用有一定压力的气体进行绝热膨胀对外做功，膨胀机8带动 发电机9发电。由于气相天然气在膨胀机内进行绝热膨胀对外做功而 消耗气体本身的内能，气体自身强烈地冷却，从而使气相天然气温度 骤降为-10℃；

S5-10℃的气相天然气再通过管路传送到LNG加热器6，通过LNG 加热器热源7加热达到29℃符合管道天然气或天然气撬罐车的温度 压力要求后，传送到输气管道以供使用。

本实施例是冷能斯特林发电系统通过耦合二次媒介朗肯循环和 膨胀机装置，利用了富余冷能驱动膨胀机8和涡轮机13从而带动涡 轮发电机14做功，提高了冷能利用率，也提高了发电效率和发电量。

实施例4

本实施例中，冷能斯特林发电装置耦合膨胀发电机和低温布雷顿 循环冷能发电系统，即包括LNG储罐1、LNG液相管路、LNG气相管 路、冷能斯特林发电装置、LNG加热器6、膨胀机8和发电机9，LNG 储罐1的出液口连通于LNG液相管路，冷能斯特林发电装置的冷端3连接LNG液相管路以吸收LNG冷能，冷能斯特林装置的热端4连接外 界热源，LNG气相管路分别连通于冷能斯特林装置的冷端3和LNG加 热器6以将冷能斯特林装置的冷端3的气相天然气传送到LNG加热器 6，膨胀机8分别与LNG加热器6和发电机9连接，LNG加热器6的 输出端连通于天然气的传送端。所述冷能斯特林发电装置的冷端3内 设有换热盘管，换热盘管连通于冷能斯特林发电装置的气体工作介质 管路。还包括低温布雷顿循环冷能发电系统，低温布雷顿循环冷能发 电系统包括加热器11、换热器10、涡轮机13、涡轮发电机14和压 气机15，换热器10分别通过LNG气相管路与冷能斯特林发电装置的 冷端3、压气机15、涡轮机13和LNG加热器6连接，加热器11分别 与涡轮机13和压气机15连接，涡轮机13与涡轮发电机14连接。具 体地换热器10为冷凝器。

如图4所示，实施例4的工作步骤为：

S1-170℃～-150℃的液相LNG从LNG储罐1通过LNG液相管路传 送到冷能斯特林发电装置的冷端3，在本实施例中，液相LNG的温度 为-162℃；

S2工作介质通过冷能斯特林发电装置的热端4通入散热盘管内 部，通过热端热源5加热使得工作介质受热膨胀，液相LNG通过LNG 液相管路进入冷能斯特林发电装置的冷端3的散热盘管的外部与散 热盘管内部的工作介质换热，工作介质冷却压缩，带动气缸做活塞运 动，从而输出动力带动冷能斯特林发电机2发电，工作介质在散热盘 管内循环使用，液相LNG在换热盘管外部受热汽化为低温气相天然气， 所述低温气相天然气的温度为-35℃。

S3受热后的液相LNG汽化为低温气相天然气从冷能斯特林发电 装置的冷端3排出通过LNG气相管路进入冷凝器10，冷能转移给冷 媒，LNG经过冷凝器10成为高压低温气体后再通入压气机15进一步 压缩，气相天然气经过加热器11的加热器热源12加热后经涡轮机13压缩成为高压高温气体，驱动了涡轮机13从而带动涡轮发电机14 做功，涡轮机13为冷凝器10提供动能，从涡轮机13排出的富余的 气相天然气循环回到冷凝器10。压气机15能在达到相同增压比情况 下降低涡轮机13耗功。

S4受热后的液相LNG汽化为低温气相天然气从冷能斯特林发电 装置的冷端3排出进入冷凝器10，冷能转移给冷媒，LNG经过冷凝器 10成为高压低温气体，此时-35℃的气相天然气传送到LNG加热器6， 通过LNG加热器热源7加热成为24℃的高压气体后进入膨胀机8，膨 胀机8利用有一定压力的气体进行绝热膨胀对外做功，膨胀机8带动 发电机9发电。由于气相天然气在膨胀机8内进行绝热膨胀对外做功 而消耗气体本身的内能，气体自身强烈地冷却，从而使气相天然气温 度骤降为-10℃；

S5-10℃的气相天然气再通过管路传送到LNG加热器6，通过加 热器11的加热器热源12加热后达到29℃符合管道天然气或天然气 撬罐车的温度压力要求后，传送到输气管道以供使用。

本实施例是冷能斯特林发电系统通过耦合低温布雷顿循环和膨 胀机装置，其中加入的压气机15能在达到相同增压比情况下降低耗 功，使装置热效率显著提高，从而实现更高的发电效率和更大的发电 量。

实施例5

本实施例中，冷能斯特林发电装置耦合朗肯循环冷能发电系统， 即包括LNG储罐1、LNG液相管路、LNG气相管路、冷能斯特林发电 装置、LNG加热器6和附加工质循环发电机组，LNG储罐1的出液口 连通于LNG液相管路，冷能斯特林发电装置的冷端3连接LNG液相管路以吸收LNG冷能，冷能斯特林发电装置的冷端3还与朗肯循环冷能 发电系统连接，冷能斯特林装置的热端4连接外界热源，LNG气相管 路分别连通于冷能斯特林装置的冷端3和LNG加热器6以将冷能斯特 林装置的冷端3的气相天然气传送到LNG加热器6，LNG加热器6的 输出端连通于天然气的传送端。具体地，天然气的传送端可为管道天 然气或天然气撬罐车。

朗肯循环冷能发电系统包括加热器11、换热器10、涡轮机13和 涡轮发电机14，换热器10分别通过LNG气相管路与加热器11、涡轮 机13、冷能斯特林发电装置的冷端3和LNG加热器11连接，涡轮机 13分别与加热器11和涡轮发电机14连接。具体地，换热器10为冷 凝器。所述朗肯循环冷能发电系统的循环工质为丙烷、氨、丙烯、四 氟乙烷中的任意一种。

如图5所示，实施例5的工作步骤如下：

S1-170℃～-150℃的液相LNG从LNG储罐1通过LNG液相管路传 送到冷能斯特林发电装置的冷端3，在本实施例中，液相LNG的温度 为-162℃；

S2工作介质通过冷能斯特林发电装置的热端4通入散热盘管内 部，通过热端热源5加热使得工作介质受热膨胀，液相LNG通过LNG 液相管路进入冷能斯特林发电装置的冷端3的散热盘管的外部与散 热盘管内部的工作介质换热，工作介质冷却压缩，带动气缸做活塞运 动，从而输出动力带动冷能斯特林发电机2发电，工作介质在散热盘 管内循环使用，液相LNG在换热盘管外部受热汽化为低温气相天然气， 所述低温气相天然气的温度为-35℃。

S3受热后的液相LNG汽化为低温气相天然气从冷能斯特林发电 装置的冷端3排出通过LNG气相管路进入冷凝器10，冷能转移给冷 媒，LNG经过冷凝器10成为高压低温气体，气相天然气经过加热器 11的加热器热源12加热经涡轮机13压缩成为高压高温气体，驱动了涡轮机13从而带动涡轮发电机14做功，涡轮机13为冷凝器10提 供动能，从涡轮机13排出的富余的气相天然气循环回到冷凝器10。

S4受热后的液相LNG汽化为低温气相天然气从冷能斯特林发电 装置的冷端3排出进入冷凝器，冷能转移给冷媒，LNG经过冷凝器10 成为高压低温气体，此时-35℃的气相天然气传送到LNG加热器6， 通过LNG加热器热源7加热达到29℃符合管道天然气或天然气撬罐 车的温度压力要求后，传送到输气管道以供使用。

实施例6

本实施例中，冷能斯特林发电装置耦合低温布雷顿循环冷能发电 系统，即包括LNG储罐1、LNG液相管路、LNG气相管路、冷能斯特 林发电装置、LNG加热器6和附加工质循环发电机组，LNG储罐1的 出液口连通于LNG液相管路，冷能斯特林发电装置的冷端3连接LNG液相管路以吸收LNG冷能，冷能斯特林发电装置的冷端3还与低温布 雷顿循环冷能发电系统连接，冷能斯特林装置的热端4连接外界热源，LNG气相管路分别连通于冷能斯特林装置的冷端3和LNG加热器6以 将冷能斯特林装置的冷端3的气相天然气传送到LNG加热器6，LNG加热器6的输出端连通于天然气的传送端。具体地，天然气的传送端 可为管道天然气或天然气撬罐车。

低温布雷顿循环冷能发电系统包括加热器11、换热器10、涡轮 机13、涡轮发电机14和压气机15，换热器10分别通过LNG气相管 路与冷能斯特林发电装置的冷端3、压气机15、涡轮机13和LNG加 热器6连接，加热器11分别与涡轮机13和压气机15连接，涡轮机 13与涡轮发电机14连接。具体地，换热器10为冷凝器。低温布雷 顿循环冷能发电系统的循环工质为氮气。氮气在整个低温布雷顿循坏 无相变。

如图6所示，实施例6的工作步骤如下：

S1-170℃～-150℃的液相LNG从LNG储罐1通过LNG液相管路传 送到冷能斯特林发电装置的冷端3，在本实施例中，液相LNG的温度 为-162℃；

S2工作介质通过冷能斯特林发电装置的热端4通入散热盘管内 部，通过热端热源5加热使得工作介质受热膨胀，液相LNG通过LNG 液相管路进入冷能斯特林发电装置的冷端3的散热盘管的外部与散 热盘管内部的工作介质换热，工作介质冷却压缩，带动气缸做活塞运 动，从而输出动力带动冷能斯特林发电机2发电，工作介质在散热盘 管内循环使用，液相LNG在换热盘管外部受热汽化为低温气相天然气， 所述低温气相天然气温度为-35℃。

S3受热后的液相LNG汽化为低温气相天然气从冷能斯特林发电 装置的冷端3排出通过LNG气相管路进入冷凝器10，冷能转移给冷 媒，LNG经过冷凝器10成为高压低温气体后再通入压气机15进一步 压缩，气相天然气经过加热器11的加热器热源12加热经涡轮机13压缩成为高压高温气体，驱动了涡轮机13从而带动涡轮发电机14做 功，涡轮机13为冷凝器10提供动能，从涡轮机13排出的富余的气 相天然气循环回到冷凝器10。压气机15能在达到相同增压比情况下 降低涡轮机13耗功。

S4受热后的液相LNG汽化为低温气相天然气从冷能斯特林发电 装置的冷端3排出进入冷凝器10，冷能转移给冷媒，LNG经过冷凝器 10成为高压低温气体，此时-35℃的气相天然气传送到LNG加热器6， 通过LNG加热器热源7加热达到29℃符合管道天然气或天然气撬罐 车的温度压力要求后，传送到输气管道以供使用。

如图7所示，可以通过LNG冷量与LNG的温度压力的变化曲线图 快速查询LNG冷量的大概数值，但准确的冷量技术需要按照下面的计 算公式进行计算。

上述LNG冷能斯特林发电系统的冷能应用冷量及发电量满足下 面的计算公式：

1.冷能利用及损失能量平衡式：

Q_总＝F_LNG*(T_供-T₀)*C_pLNG＝Q_Stirling+Q_Rankine+Q_Brayton+Q_Turbine+Q_Heater

其中：斯特林冷能利用总量Q_Stirling＝F_LNG*(T₂-T₁)*C_pLNG

朗肯循环冷能利用总量Q_Rankine＝F_LNG*(T₃-T₂)*C_pLNG

布雷顿循环冷能利用总量Q_Brayton＝F_LNG*(T_3’-T_2’)*C_pLNG

膨胀机冷能利用总量Q_Turbine＝F_LNG*(H’-H₀)

LNG加热器散热损失Q_Heater＝Q₁+Q₂+…+Q_n

2.冷能利用发电量计算式：

P_总＝P_Stirling+P_Rankine+P_Brayton+P_Turbine

斯特林发电量P_Stirling＝F_工质*Q_吸热*η_S*η_e

＝F_工质*Q_吸热*(1-T_1’/T_2’)*η_e

式中，P_Stirling斯特林发电机发电量；F_工质为斯特林机内循环工质 流量；η_S为斯特林发动机热效率，η_e为发电机效率，Q_吸热为斯特林 机热端吸热量，其决定T_2’热端平均温度，T_1’为冷端平均温度由斯特 林冷能利用总量Q_Stirling决定。

朗肯循环或低温布雷顿循环发电量

P_{Rankine或Brayton}＝F_工质*Q_吸热*η_R或B*η_e

＝F_工质*Q_吸热*(1-T_4’/T_5’)*η_e

式中，P_{Rankine或Brayton}为朗肯循环或布雷顿循环发电量；F_工质为循环 工质流量；η_R为朗肯循环热效率，η_B为布雷顿循环热效率，η_e为发 电机效率，Q_吸热为斯特林机热端吸热量，其决定T_5’平均吸热温度， T_4’为平均放热温度由朗肯循环或布雷顿循环冷能利用总量Q_{Rankine或Brayton}决定。

膨胀机发电量P_Turbine＝Q_Turbine*η_T*η_e

＝F_LNG*(H’-H₀)*η_T*η_e

式中，F_LNG为系统中的LNG总流量kg/h；H’为膨胀机出口天然气 焓值，kJ/kg；H₀为膨胀机入口天然气焓值，kJ/kg；η_T为膨胀机热效 率；η_e为发电机效率。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思， 给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括 在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种LNG冷能斯特林发电系统，其特征在于，包括LNG储罐、LNG液相管路、LNG气相管路、冷能斯特林发电装置、LNG加热器，LNG储罐的出液口连通于LNG液相管路，冷能斯特林发电装置的冷端连接LNG液相管路以吸收LNG冷能，冷能斯特林装置的热端连接外界热源，LNG气相管路分别连通于冷能斯特林装置的冷端和LNG加热器以将冷能斯特林装置的冷端的气相天然气传送到LNG加热器，LNG加热器的输出端连通于天然气的传送端。

2.根据权利要求1所述的LNG冷能斯特林发电系统，其特征在于，所述冷能斯特林发电装置的冷端内设有换热盘管，换热盘管连通于冷能斯特林发电装置的气体工作介质管路，用于与从LNG液相管路而来的液相LNG换热。

3.根据权利要求2所述的LNG冷能斯特林发电系统，其特征在于，所述冷能斯特林发电装置的气体工作介质为在-170℃以下还能保持气态的气体。

4.根据权利要求1所述的LNG冷能斯特林发电系统，其特征在于，所述冷能斯特林发电装置的热端所用热源和LNG加热器的热源分别为海水、地表水、空气、烟气余热、工业余热中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的LNG冷能斯特林发电系统，其特征在于，所述LNG冷能斯特林发电系统还包括膨胀机和发电机组，膨胀机与LNG加热器管道连接，膨胀机产生的转动机械能通过转动轴带动发电机进行发电。

6.根据权利要求1或5所述的LNG冷能斯特林发电系统，其特征在于，所述LNG冷能斯特林发电系统还包括附加工质循环发电机组，LNG在附加工质循环发电机组的冷凝器释放冷能。

7.根据权利要求6所述的LNG冷能斯特林发电系统，其特征在于，所述附加工质循环发电机组为朗肯循环冷能发电系统，朗肯循环冷能发电系统包括加热器、冷凝器、涡轮机和涡轮发电机，冷凝器分别通过LNG气相管路与加热器、冷能斯特林发电装置的冷端和LNG加热器连接，从而实现LNG冷能的利用。

8.根据权利要求7所述的LNG冷能斯特林发电系统，其特征在于，所述朗肯循环冷能发电系统的循环工质为丙烷、氨、丙烯、四氟乙烷中的任意一种。

9.根据权利要求6所述的LNG冷能斯特林发电系统，其特征在于，所述附加工质循环发电机组为低温布雷顿循环冷能发电系统，低温布雷顿循环冷能发电系统包括加热器、换热器、涡轮机、涡轮发电机和压气机，换热器分别通过LNG气相管路与冷能斯特林发电装置的冷端、压气机、涡轮机和LNG加热器连接，加热器分别与涡轮机和压气机连接，涡轮机与涡轮发电机连接，低温布雷顿循环冷能发电系统的循环工质为氮气。

10.如上述权利要求1-9任一所述的基于LNG冷能斯特林发电系统的方法，其特征在于，所述LNG冷能斯特林发电系统的冷能应用冷量及发电量满足下面的计算公式：

冷能利用及损失能量平衡式：

Q_总＝F_LNG*(T_供-T₀)*C_pLNG＝Q_Stirling+Q_Rankine+Q_Brayton+Q_Turbine+Q_Heater

其中：斯特林冷能利用总量Q_Stirling＝F_LNG*(T₂-T₁)*C_pLNG

朗肯循环冷能利用总量Q_Rankine＝F_LNG*(T₃-T₂)*C_pLNG

布雷顿循环冷能利用总量Q_Brayton＝F_LNG*(T_3’-T_2’)*C_pLNG

膨胀机冷能利用总量Q_Turbine＝F_LNG*(H’-H₀)

LNG加热器散热损失Q_Heater＝Q₁+Q₂+…+Q_n

冷能利用发电量计算式：

P_总＝P_Stirling+P_Rankine+P_Brayton+P_Turbine

其中斯特林发电量P_Stirling＝F_工质*Q_吸热*η_S*η_e

＝F_工质*Q_吸热*(1-T_1’/T_2’)*η_e

式中，P_Stirling斯特林发电机发电量；F_工质为斯特林机内循环工质流量；η_S为斯特林发动机热效率，η_e为发电机效率，Q_吸热为斯特林机热端吸热量，其决定T_2’热端平均温度，T_1’为冷端平均温度由斯特林冷能利用总量Q_Stirling决定；

其中朗肯循环或低温布雷顿循环发电量

P_{Rankine或Brayton}＝F工质*Q_吸热*η_R或B*η_e

＝F_工质*Q_吸热*(1-T_4’/T_5’)*η_e

式中，P_{Rankine或Brayton}为朗肯循环或布雷顿循环发电量；F_工质为循环工质流量；η_R为朗肯循环热效率，η_B为布雷顿循环热效率，η_e为发电机效率，Q_吸热为斯特林机热端吸热量，其决定T_5’平均吸热温度，T_4’为平均放热温度由朗肯循环或布雷顿循环冷能利用总量Q_{Rankine或Brayton}决定；

其中膨胀机发电量P_Turbine＝Q_Turbine*η_T*η_e＝F_LNG*(H’-H₀)*η_T*η_e

式中，F_LNG为系统中的LNG总流量kg/h；H’为膨胀机出口天然气焓值，kJ/kg；H₀为膨胀机入口天然气焓值，kJ/kg；η_T为膨胀机热效率；η_e为发电机效率。