CN110080904A - 基于热声技术的冷能梯级利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于热声技术的冷能梯级利用系统，包括热声发电子系统，燃烧动力子系统，节流膨胀子系统、末端冷能回收子系统、室温端循环子系统。所述热声发电子系统包括前后至少三级热声发动机及其负载直线电机组；燃烧动力子系统包括燃烧动力装置和排气设备；节流膨胀子系统包括多级节流膨胀装置；末端冷能回收子系统包括一级或多级末端冷能回收换热器；室温端循环子系统包括室温端介质换热器和室温端介质循环泵；各子系统之间通过管路连接，以热声发动机为核心换能器，结合其他动力循环及冷能回收方法实现冷能的高效梯级利用，具有结构紧凑，高效可靠，成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及冷能回收领域，具体涉及一种基于热声技术的冷能梯级利用系统。
背景技术
近年来，以液化天然气为主的低温流体在我国的使用量大幅度提升，并广泛应用于化工、发电、医疗、交通运输、供暖等领域。在国际范围内，液化天然气在各国的产能快速提升，据估计,到2030年天然气用量将跃至一次能源第二位。2017年，我国液态天然气进口已达3800万吨，且仍保持上升趋势。依据国家能源战略规划，到2020年，天然气在我国一次能源中的占比将提高到10％以上。当前的天然气交易中，交易总量的近三分之一以液化天然气的形式进行运输，这部分天然气需在当地液化天然气汽化站中经过再汽化才能投入使用或输送至用户端。在该过程中，液化天然气将释放约830-860kJ/kg的冷量。在传统液化天然气汽化站中，这部分冷量通常被海水带走，造成极大浪费。
液化天然气冷能的利用方式主要包括冷能发电、空气分离、冷库、空调以及低温养殖、栽培等。在诸多的液化天然气冷能回收形式中，冷能发电是最有希望实现大规模工程应用的冷能回收方式。冷能发电技术根据其原理不同可分为两大类，一是将其用于改善现有动力循环系统，提高效率以增加发电量，另一类是采用相对独立的低温动力循环。最早的冷能发电方式主要包括：直接膨胀法、低温朗肯循环的二次冷媒法、燃气轮机循环以及各类联合发电方法。
部分专利采用将液化天然气再汽化过程与接收站周边的燃气电站相结合，回收燃气轮机排气中低品位热能的同时利用冷能降低燃气轮机循环的吸气温度，提高燃气轮机效率的方法。值得注意的是，如ZL201010123728.5等专利中直接抽取低温蒸汽作为热源的方法能够有效回收冷能，却对原燃气轮机循环效率造成了影响。燃气轮机循环的吸气冷却可利用110-260K以下各温区冷能，对冷源品质要求较低。如美国专利US6367258B1等，将110K左右的冷能直接用于燃气轮机循环的进气冷却的方法容易造成冷量的极大浪费。
我国的天然气输送距离较远，管网输送压力较高。中国专利200710027943.3和中国专利ZL201010123728.5等专利中，以直接膨胀法作为主要的冷能回收方式，同时利用了液化天然气中的冷量和压力，但经直接膨胀法处理的天然气不具备直接进入高压管网的条件，不符合现阶段我国的天然气接收站的应用背景。
以朗肯循环及其联合循环为核心的冷能回收系统在国际范围内应用广泛。中国专利201810693128.9介绍了一种应用于大型液化天然气接收站的冷能发电系统，其本质为混合工质低温朗肯循环，通过实时监控和调整混合工质的成分以应对不同冷端温度工况。中国专利201710235556介绍了一种基于朗肯循环的冷能发电与剩余冷量输出系统，采用了三级不同的朗肯循环，其创新性体现在不同循环中多元混合工质的使用。在基于朗肯循环的梯级冷能回收方式中，若要充分利用各温区冷能，对工质的选用与控制提出了严苛的要求，且往往难以规避可燃工质的使用。这种回收方式流程复杂，初期投入大，投资回报周期过长，不适用于中小型液化天然气接收站。
热声技术自出现以来就因其高本征效率与高可靠性受到了广泛关注。热声发动机通过在环路内建立声场维持气团微元的动力循环，消除了高、低温度的机械运动部件。目前广泛应用的热声发动机系统由冷端换热器、加热器、回热器、热缓冲管、室温端介质换热器与谐振管等组件共同构成。热声发动机通过消耗冷、热在回热器中建立温度梯度产生声功，并以压力波动的形式向发动机负载输出。同其他动力循环系统相比，热声热机拥有更简单的结构，更低的制造成本与更高的稳定性。当前的热声发动机装置通常由依在液化天然气冷能的梯级利用中，将热声设备与其他动力循环相结合的联合冷能利用方法能够充分发挥不同动力循环的优势而规避其缺陷，在液化天然气冷能利用领域拥有广阔的应用前景。
发明内容
本专利提供了一种基于热声技术的冷能梯级利用系统，以热声发动机为核心换能器，结合其他动力循环及冷能回收方法实现冷能的高效梯级利用。其系统安全可靠，转化效率高，变工况适应性好且结构紧凑，初投资及维护成本较低。
本发明提供的基于热声技术的冷能梯级利用系统，包括热声发电子系统、节流膨胀子系统、燃烧动力子系统、末端冷能回收子系统和室温端循环子系统；
所述热声发电子系统包括：至少三级的热声发动机，首级、次级、末级热声发动机和直线发电机组；
所述节流膨胀子系统包括：至少两级的节流装置，首级、次级节流装置；
所述燃烧动力子系统包括：燃烧动力循环装置、排气设备；
所述室温端循环子系统包括：室温端介质循环泵、室温端介质换热器；
所述末端冷能回收子系统包括：至少一级的末端冷能回收换热器。
所述的低温储液罐通过低温泵与各级热声发动机相连；
所述的各级热声发动机依次相连，次级、末级热声发动机之间连接有首级节流装置；末级热声发动机与首级冷能回收换热器之间连接有次级节流装置；各级热声发动机连接有直线发电机组；次级节流装置与燃烧动力装置、室温端介质换热器依次相连，室温端介质循环泵连于室温端介质换热器的两端，并与燃烧室相连进而连接各级热声发动机；
所述的次级节流装置与燃烧动力装置之间依次连接有首级冷能回收换热器、次级末端冷能回收换热器。
本专利中热声发动机为三个以上，专利描述的过程中以三个进行描述；其节流装置按照实施例中的配图也为相应的多个，均依次按首级、次级……进行描叙。
优选地，所述的热声发电子系统中所述各级热声发动机为驻波、行波或驻波-行波混合型热声发动机，所述热声发动机为单级或多级环路型热声发动机。
优选地，所述的燃烧动力子系统中的燃烧动力循环装置为燃气轮机循环、蒸汽动力循环及其联合循环。
优选地，所述的燃烧动力子系统中的排气设备选用排气风机或者自然对流管路。
优选地，所述的节流膨胀子系统中的节流装置可为膨胀透平或者节流阀。
优选地，所述的一种基于热声技术的冷能梯级利用系统中所述冷能梯级利用系统还包括可选配的低温泵，当进入所述冷能利用系统的原料冷能介质供给压力较低时，所述冷能介质先进入低温泵中增压,再输送至首级热声发动机中进处理。
优选地，所述首级热声发动机、次级热声发动机与随后各级热声发动机与节流装置依次相连；所述的一种基于热声技术的冷能梯级利用系统中所述冷能介质离开首级热声发动机后依次进入次级与随后各级热声发动机与节流装置，直至其压力降低至排放标准。
优选地，所述的一种基于热声技术的冷能梯级利用系统中的的末级节流装置连接燃烧动力子系统或者末端冷能回收子系统；离开末级节流装置的冷能介质按系统输出比分配，分别输送至燃烧动力子系统和末端冷能回收子系统。
优选地，所述的一种基于热声技术的冷能梯级利用系统中热声发电子系统连接燃烧动力子系统出口乏汽装置或者工业废热热源装置，或者地热能、水、空气常温热源提供装置；所述热声发电子系统以燃烧动力子系统出口乏汽或其他形式的工业废热为热源，也可以水和空气为常温热源。
优选地，所述的一种基于热声技术的冷能梯级利用系统中所述末端冷能回收子系统连接低温粉碎装置或者液化二氧化碳制备装置或者低温贮藏装置；所述末端冷能回收子系统所回收冷量用于低温粉碎、液化二氧化碳制备与低温贮藏等。
根据上述技术方案，本发明的有益效果是：提出一种基于热声技术的冷能梯级利用系统，以热声发动机为核心换能器，结合其他动力循环及冷能回收方法实现冷能的高效梯级利用。其系统安全可靠，转化效率高，变工况适应性好且结构紧凑，初投资及维护成本较低。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种基于热声技术的冷能梯级利用系统示意图。
图2是本发明一种基于热声技术的冷能梯级利用系统具体实施例示意图。
图3是本发明一种基于热声技术的冷能梯级利用系统天然气各状态点温熵图。
物流图示如下：
循环水流道：
天然气流道：→
空气流道：→
标号说明：1、首级热声发动机；2、次级热声发动机；3、末级热声发动机；4、直线发电机组；5、首级节流装置；6、次级节流装置；7、燃烧动力装置；8、排气风机；9、室温端介质换热器；10、室温端介质循环泵；11、首级冷能回收换热器；12、次级末端冷能回收换热器；13、低温储液罐；14、低温泵15、吸气冷却器；16、压气机；17、燃烧室；18、燃气透平。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：
如附图1所示，本实施例中对液化天然气冷能进行梯级利用，并输入天然气管网；
本实施例中，热声发电子系统由首级热声发动机-1、次级热声发动机-2、末级热声发动机-3及分别与之相连的直线电机组-4构成。
本实施例中，节流膨胀子系统以膨胀透平为节流装置，包括首级膨胀透平-5和次级膨胀透平-6。
本实施例中，燃烧动力子系统中燃烧动力装置为燃气轮机循环，包括吸气冷却器-15，压气机-16，燃烧室-17及燃气透平-18。
本实施例中，首级冷能回收换热器-11应用于低温粉碎，次级末端冷能回收换热器-12应用于低温贮藏。
本实施例中，低温储液罐初始温度130K，储存压力为0.4MPa，储存在储罐中的液化天然气经过低温泵-14增压至3.5MPa并输送至首级热声发动机-1，在冷端相变换热器中换热蒸发至饱和天然气蒸汽并输送到次级热声发动机-2。次级热声发动机-2的冷端换热器出口同首级膨胀透平-5相连，过热蒸汽在透平中膨胀做功后压力降低至1.9MPa，温度降低至170K，随后进入末级热声发动机-3进一步换热。热声发动机的能量转化效率与其冷、热端温差成正相关，在次、末级间设置膨胀透平-6有利于降低末级热声发动机-3的冷端温度，提高转化效率。末端热声发动机-3出口处过热蒸汽再次进入次级膨胀透平-6做功，蒸汽压力进一步降低至1MPa。
来自次级膨胀透平-6出口的天然气仍然具有约170K的低温，其中大部分天然气先后进入低温粉碎室和低温冷库进行换热，分别对中温段170-220K和末端220-293K温区的冷能进行回收后进入天然气管网并输送至用户端。管网入口处液化天然气温度为293K，输送压力1MPa。来自膨胀透平-6出口的天然气还有部分进入支路的燃气轮机子系统，首先在吸气冷却器-15中换热以降低燃气轮机吸气温度，提高循环效率，随后进入燃烧室-17中燃烧释放化学能。
来自燃气轮机的高温乏汽依次进入三级热声发动机的加热器作为热源，在回热器两端建立温度梯度产生声功，并以压力波动的形式从热声发动机支路引出，最终通过直线电机组转化为电功输出。实际应用中，与循环水回路进行热交换的海水等热源往往伴随有季节性的温度变化，但同其他的动力循环相比，热声发动机在工作中对于室温端温度的变化具有较强的适应性，其性能不会受到较大影响。
下面对所述实施例进行热力学计算，各子系统压缩机与透平等熵效率取0.8，机械效率0.9。除液氮供应子系统中，低温泵-14功耗较高外，其他子循环风机功耗不计。
对各状态点进行定义：(a)低温储液罐-13,(b)低温泵-14出口,(c)首级热声发动机-1冷端相变换热器出口，(d)次级热声发动机-2冷端换热器出口,(e)首级膨胀透平-5出口，(f)末级热声发动机-3冷端换热器出口，(g)次级膨胀透平-6出口，(h)中温段冷能利用换热器-11出口，(i)天然气管网入口。
系统中各状态点所对应的最大可用能Wmax＝(h-T0s)-(h-T0s)i,所述系统中冷能利用流程对应的液化天然气可用能变化过程如下表所示。
系统各主要状态点液化天然气物性表
在DeltaEc软件中对不同温度区间下工作的三台热声发动机进行建模计算，结果如下表所示，系统中单位液化天然气气化量所对应的热声发动机输出功声功总计1001.69kJ,冷量消耗共计618.33kJ。
热声发动机主要运行参数
输出比r的定义为：进入天然气管网的天然气占系统天然气总气化量之比,取r＝0.95。即每有1kg天然气被汽化，向管网输出0.95kg天然气，其余部分进入燃烧室中燃烧供能。天然气燃烧热值为47.7MJ/kg，对应燃气轮机循环吸气量6kg，燃烧动力子系统及系统内其他部件能耗与输出功见下表。
系统内各主要部件的能耗与输出功
计算可得，该基于热声技术的冷能梯级利用系统中，单位液化天然气气化量对应净输出功约1700kJ/kg，实际天然气输出量为0.95kg。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于热声技术的冷能梯级利用系统，其特征在于：所述的冷能梯级利用系统包括低温储液罐、热声发电子系统、节流膨胀子系统、燃烧动力子系统、末端冷能回收子系统和室温端循环子系统；
所述热声发电子系统包括：至少三级的热声发动机，首级、次级、末级热声发动机和直线发电机组；
所述节流膨胀子系统包括：至少首级节流装置、次级节流装置两级的节流装置，首级、次级节流装置；
所述燃烧动力子系统包括：燃烧动力循环装置、排气设备；
所述室温端循环子系统包括：室温端介质循环泵、室温端介质换热器；
所述末端冷能回收子系统包括：至少一级的末端冷能回收换热器；
所述的低温储液罐通过低温泵与各级热声发动机相连；
所述的各级热声发动机依次相连，次级、末级热声发动机之间连接有首级节流装置；末级热声发动机与首级冷能回收换热器之间连接有次级节流装置；各级热声发动机连接有直线发电机组；次级节流装置与燃烧动力装置、室温端介质换热器依次相连，室温端介质循环泵连于室温端介质换热器的两端，并与燃烧室相连进而连接各级热声发动机；
所述的次级节流装置与燃烧动力装置之间依次连接有首级冷能回收换热器、次级末端冷能回收换热器。
2.根据权利要求1所述的基于热声技术的冷能梯级利用系统，其特征在于：所述的热声发电子系统中各级热声发动机为驻波、行波或驻波-行波混合型热声发动机，所述热声发动机为单级或多级环路型热声发动机。
3.根据权利要求1所述的基于热声技术的冷能梯级利用系统，其特征在于：所述的燃烧动力子系统中的燃烧动力循环装置为燃气轮机循环、蒸汽动力循环及其联合循环。
4.根据权利要求1所述的基于热声技术的冷能梯级利用系统，其特征在于：所述的燃烧动力子系统中的排气设备选用排气风机或者自然对流管路。
5.根据权利要求1所述的基于热声技术的冷能梯级利用系统，其特征在于：所述的节流膨胀子系统中节流装置可为膨胀透平或者节流阀。
6.根据权利要求1所述的基于热声技术的冷能梯级利用系统，其特征在于：所述冷能梯级利用系统还包括可选配的低温泵，所述的低温泵与首级热声发动机相连。
7.根据权利要求1所述的一种基于热声技术的冷能梯级利用系统，其特征在于：所述热声发电子系统连接燃烧动力子系统出口乏汽装置或者工业废热热源装置，或者地热能、水、空气常温热源提供装置。
8.根据权利要求1所述的一种基于热声技术的冷能梯级利用系统，其特征在于，所述末端冷能回收子系统连接低温粉碎装置或者液化二氧化碳制备装置或者低温贮藏装置。
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