CN110094239A - 一种带lng冷能利用功能的整体式中间介质汽化器及发电系统 - Google Patents

一种带lng冷能利用功能的整体式中间介质汽化器及发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器，包括一壳体，在壳体内具有一换热空腔，该换热空腔分为汽化器前部换热区与汽化器后部换热区，所述壳体内还设置有将换热空腔分隔为依次分布的LNG换热通道、中间介质换热通道、海水换热通道的第一隔板、第二隔板，在第一隔板与第二隔板之间还连接有一将中间介质换热通道分隔为两段的中隔板，所述第一隔板与第二隔板上均开有若干通孔，在通孔内插入有热管组件；还涉及基于上述整体式中间介质汽化器的发电系统。本发明的优点在于：本发明在利用LNG汽化冷能发电的同时，通过该整体式中间介质汽化器的使用，大大节省了设备投入，减少了占地空间，实现了系统高效节能减排的目标。

Description

一种带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器及发电 系统
技术领域
本发明涉及液化天然气冷能利用领域，特别涉及一种带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器，还涉及一种基于上述整体式中间介质汽化器的发电系统。
背景技术
我国经济飞速发展，对能源的需求日益剧增，但由于对于煤、石油等能源的过度使用已对环境造成巨大负担。天然气作为一种洁净能源，在此背景之下备受青睐，并得到广泛的开发和利用。
目前天然气通常是以LNG的形式进行储运,在输送到用户终端前实现将-163℃左右温度的LNG提高到10℃～25℃的天然气(NG)，而汽化的过程一般在LNG汽化器中进行。由于液化天然气蕴含830～860 MJ/t 的冷量，利用高品位的冷能构建循环发电系统是大规模利用 LNG 冷量的主要方式，对于提高LNG能源产业的经济效益、节能减排及环境保护等方面具有重大的现实意义。
目前，全球LNG接收站常用的汽化器有三种类型，如开架式汽化器（ORV）、浸没燃烧式汽化器（SCV）、带中间传热介质汽化器（IFV）等，其中带中间介质气化器又是很多接收站的首选。
但目前使用最为广泛的整体式中间介质汽化器（IFV）大多采用海水汽化LNG，虽然汽化效率高、结构紧凑运行稳定，但为对海洋的生态污染降至最低，往往采用大流量的海水使海水进出口温差很小，由此需要水泵强制循环，耗功较大。最为垢病的是大量LNG汽化冷能无法直接利用。为利用LNG汽化冷能，只能将整体式中间介质汽化器（IFV）拆分为预热器、蒸发器、冷凝器及调温器等构成分置式的LNG冷能发电系统，不仅进一步增大系统功耗，而且带来所需占地面积及空间大的问题。虽然陆地接收站这一问题不突出，但对船舶及海上FSRU平台等这些对占地面积及空间有严格约束的LNG汽化场合，传统通过分置式中间介质汽化器形成的LNG冷能发电系统就难以甚至无法使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器，以及一种基于上述整体式中间介质汽化器的发电系统。既解决传统整体式中间介质汽化器无法利用LNG冷能的弊端，又由本发明提供的带LNG冷能利用功能的整体中间介质汽化器取代传统分置式发电系统的冷凝器、蒸发器、预热器及调温器等，构成高效紧凑的LNG冷能发电系统，解决传统分置式LNG冷能利用发电系统无法应用于占地空间约束要求高的场合的难题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器，其创新点在于：包括一壳体，在壳体内具有一换热空腔，该换热空腔分为汽化器前部换热区与汽化器后部换热区，所述壳体内还设置有将换热空腔分隔为依次分布的LNG换热通道、中间介质换热通道、海水换热通道的第一隔板、第二隔板，在第一隔板与第二隔板之间还连接有一将中间介质换热通道分隔为两段的中隔板，该中隔板位于汽化器前部换热区与汽化器后部换热区的交界处，且低压液态中间介质出口、高压液态中间介质进口分别位于中隔板的两侧，所述第一隔板与第二隔板上均开有若干通孔，在通孔内插入有热管组件，且第二隔板上位于汽化器前部换热区处不开通孔。
进一步的，所述汽化器前部换热区与汽化器后部换热区的比例为1:1～1:1.5。
进一步的，所述第一隔板与第二隔板上的通孔呈品字形阵列分布，且相邻两纵列中的通孔交错分布。
进一步的，所述热管组件包括位于汽化器前部换热区的第一热管组以及位于汽化器后部换热区的第二热管组，其中，第一热管组中的热管插入第一隔板上的通孔内并贯穿LNG换热通道与中间介质换热通道，第二热管组中的热管依次插入第一隔板上的通孔、第二隔板上的通孔内并贯穿LNG换热通道、中间介质换热通道与海水换热通道。
进一步的，在第一热管组中的热管中，汽化器前部换热区后半段的数排热管位于LNG换热通道中的冷凝段外壁上均套装有环形翅片，所述第二热管组中的所有热管位于中间介质换热通道中的冷凝段外壁上均套装有环形翅片，而位于LNG换热通道中的冷凝段外壁上视应用环境温度及用户对NG输出终温的要求决定是否套装环形翅片
进一步的，所述第一热管组的热管中，位于靠近LNG进口的前半段中的热管中的工质采用甲烷，后半段中的热管中的工质采用乙烷，第二热管组的热管中的工质采用丙烷。
进一步的，在海水换热通道位于汽化器前部换热区处还设置有一调温换热盘管，该NG调温换热盘管的进出口均伸出整体式中间介质汽化器的壳体外，且其进口与汽化器LNG换热通道NG出口连接。
一种基于上述整体式中间介质汽化器的发电系统，其创新点在于：包括一整体式中间介质汽化器，在整体式中间介质汽化器内具有一LNG换热通道、一中间介质换热通道、一海水换热通道，同时在整体式中间介质汽化器的两侧具有与LNG换热通道相连通的LNG进口、NG出口，与中间介质换热通道相连通的低压气态中间介质进口、高压气态中间介质出口，与海水换热通道相连通的海水进口、海水出口，在整体式中间介质汽化器的中部位置还具有与中间介质换热通道相连通的低压液态中间介质出口、高压液态中间介质进口，在LNG进口处连接有一工质泵A，在海水进口处连接有一海水泵，所述低压气态中间介质进口与高压气态中间介质出口之间通过一透平实现中间介质的做功与流通，低压液态中间介质出口与高压液态中间介质进口之间通过一工质泵B实现中间介质的增压与流通。
进一步的，所述LNG进口、低压气态中间介质进口、海水出口均位于整体式中间介质汽化器的同一侧，NG出口、高压气态中间介质出口、海水进口位于整体式中间介质汽化器的另一侧。
本发明的优点在于：在本发明中，经过透平发电后的中间介质利用LNG汽化时释放的大量冷能发生冷凝液化，之后经工质泵加压进入汽化器中与海水换热进行吸热汽化，实现连续循环发电，与现有的LNG汽化冷能朗肯循环发电系统相比，不仅克服了原整体式中间介质LNG汽化器无法利用LNG汽化冷能，导致能源浪费及大量低温海水直接排入海中造成对海洋生态影响的弊端，而且将此新型整体式汽化器取代原LNG冷能利用低温朗肯循环中的预热器、蒸发器、冷凝器及调温器等构成LNG冷能发电系统，不仅能将LNG汽化释放的冷能进行高效利用，而且与传统分置式带LNG汽化的冷能发电系系相比，系统紧凑占用空间小。
在本发明中，对于两热管组根据工作温度分段采用三种不同的热管工质，从而保证两热管组在换热过程中正常工作且各换热通道不会出现冰堵。
通过在第一热管组以及第二热管组中的热管冷凝段外壁上加装环形翅片，从而能够强化热管外侧气态工质传热，有效的降低传热热阻，保证整个系统的高效运行。
通过NG调温换热盘管、可使从汽化器LNG通道NG出口出来的NG与海水换热通道内的海水再进行换热，使得NG能够进一步吸热升温至设定温度，以方便后续的使用。
采用LNG进口、低压气态中间介质进口、海水出口均位于整体式中间介质汽化器的同一侧，NG出口、高压气态中间介质出口、海水进口位于整体式中间介质汽化器的另一侧的设计，即实现了换热通道内LNG与中间介质的顺流流动，而海水与中间介质为逆流流动，从而保证了三种介质可以充分换热并且实现预定目标。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明中带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器的示意图。
图2为本发明带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器的结构示意图。
图3为本发明中带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器中第一隔板的示意图。
图4为本发明带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器中第二隔板的示意图。
图5为本发明中基于带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器的冷能发电系统示意图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例
本实施例带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器1，如图1和2所示，包括一壳体2，该壳体2为两侧工质进出口端面设计为半圆柱型的长方形组合体，在壳体2内具有一换热空腔，该换热空腔分为汽化器前部换热区与汽化器后部换热区，汽化器前部换热区与汽化器后部换热区的比例在1：1～1:1.5之间，在壳体2内还设置有将换热空腔分隔为依次分布的LNG换热通道22、中间介质换热通道23、海水换热通道24的第一隔板20、第二隔板19，且第一隔板20、第二隔板19与壳体2之间均采用焊接的固定方式，在第一隔板20与第二隔板19之间还连接有一将中间介质换热通道23分隔为两段的中隔板17，且中隔板17采用焊接的方式与第一隔板20、第二隔板19固定连接，该中隔板17位于汽化器前部换热区与汽化器后部换热区的交界处。
在整体式中间介质汽化器1的壳体的两侧具有与LNG换热通道22相连通的LNG进口12、NG出口4，与中间介质换热通道23相连通的低压气态中间介质进口11、高压气态中间介质出口5，与海水换热通道24相连通的海水进口6、海水出口10，在整体式中间介质汽化器1的壳体2的中部位置还具有与中间介质换热通道23相连通的低压液态中间介质出口18、高压液态中间介质进口16，且低压液态中间介质出口18、高压液态中间介质进口16分别位于中隔板17的两侧。
LNG进口12、低压气态中间介质进口11、海水出口10均位于整体式中间介质汽化器1的壳体2的同一侧，NG出口4、高压气态中间介质出口5、海水进口6位于整体式中间介质汽化器1的壳体2的另一侧，采用这样的设计即实现了换热通道内LNG与中间介质的顺流流动，而海水与中间介质为逆流流动，从而保证了三种介质可以充分换热并且实现预定目标。
本实施例中带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器中，第一隔板20的具体结构，如图3所示，第二隔板19的具体结构，如图4所示，第一隔板20与第二隔板19上均开有若干通孔21，第一隔板20与第二隔板19上的通孔21呈品字形阵列分布，且相邻两纵列中的通孔交错分布，且第二隔板19上位于汽化器前部换热区处不开通孔。
如图1和图2所示，在通孔21内插入有热管组件，热管组件包括位于汽化器前部换热区的第一热管组以及位于汽化器后部换热区的第二热管组，其中，组成第一热管组中的各个第一热管15插入第一隔板20上的通孔21内并贯穿LNG换热通道22与中间介质换热通道23，组成第二热管组中的第二热管3依次插入第一隔板20上的通孔21、第二隔板19上的通孔21内并贯穿LNG换热通道22、中间介质换热通道23与海水换热通道24。
在第一热管组中的第一热管15中，靠近汽化器前部换热区后半段的位于LNG换热通道22的冷凝段外壁上均套装有环形翅片，在第二热管组中的各个第二热管3位于中间介质换热通道23的冷凝段外壁上均套装有环形翅片，而第二热管组中的各个第二热管3位于LNG换热通道22的的冷凝段外壁上视具体应用环境温度及用户对输出NG温度的要求决定是否套装环形翅片。通过在第一热管组以及第二热管组中的热管冷凝段外壁上加装环形翅片，从而能够强化热管外侧气态工质传热，有效的降低传热热阻，保证整个系统的高效运行。
第一热管组的热管，由于LNG汽化时释放冷量大，随着LNG温度的变化，位于靠近LNG进口12的前半段中的第一热管15中的工质采用甲烷，后半段中的第一热管15中的工质采用乙烷，第二热管组的各个第二热管3中的工质采用丙烷。对于各个热管中采用不同的工质，从而保证各个热管在换热过程中正常工作且各通道不会出现冰堵。
本实施例基于此整体式中间介质汽化器的发电系统，如图5所示，包括整体式中间介质汽化器1、海水泵7、工质泵8和透平9，在整体式中间介质汽化器1的海水进口6处连接有一海水泵7，低压气态中间介质进口11与高压气态中间介质出口5之间通过一透平9实现中间介质的流通，低压液态中间介质出口18与高压液态中间介质进口16之间通过一工质泵8实现中间介质的流通。
在海水换热通道24位于汽化器前部换热区处还设置有一调温换热盘管14，该调温换热盘管14的进出口均伸出整体式中间介质汽化器的1的壳体2外，且调温换热盘管14的进口端通过一NG调温进液管道25与NG出口4相连，调温换热盘管14的另一端出口连接有一NG调温出液管道。通过调温换热盘管14、NG调温进液管道25及与NG出口4之间的配合，可使NG出口4出来的NG与海水换热通道内的海水进行换热升温，以方便后续的使用。
工作原理：在本实施例中，中间介质以丙烷为例作进一步的说明：
本发明专利中整体式中间介质汽化器1采用梯级汽化技术，中间介质丙烷作为中间冷媒，为避免冷却介质因温度过低而导致冰堵，且保证三种介质能够充分进行换热，实现-162℃的LNG吸热达到设定温度的NG状态，要求LNG与两种换热介质在各自换热腔通道中流向为:丙烷与LNG为顺向流动，海水与LNG为逆向流动；且第一组热管中工质根据LNG温度变化范围，在自进口的前半段热采用甲烷，其后半段采用乙烷，第二组热管中工质采用丙烷。
以单级为例：
LNG换热流程：初始状态的LNG（状态参数：1.5MPa，-162℃左右）从壳体2的右侧的LNG进口12流入，在汽化器前部换热区LNG流过第一热管组15，充分吸收丙烷释放的热量；在汽化器前部换热区的中段位置变为气液两相状态；待其流至汽化器中部位置时变为过热NG状态；此时的NG经过汽化器后部换热区，再次吸收海水的热量变为5～10℃的气态NG；气态NG经NG调温进液管道25流入调温换热盘管14中，进一步吸热达到10～15℃，最终升温后的NG从NG调温出液管道流出，供用户使用。
丙烷换热流程: 经透平9流出的低温低压的气态丙烷（状态参数：0.11MPa，-40℃左右），从壳体2右侧低压气态中间介质进口11流入中间介质换热通道23的前半段，在整体式中间介质汽化器1汽化器前部换热区丙烷流过交替排列的第一热管组，其作为中间热媒传递从海水吸收的热量使得LNG吸热达到饱和NG状态，同时吸收从LNG释放的冷量，在整体式中间介质汽化器1前部低压液态中间介质出口18处丙烷变为液态（状态参数：0.1MPa，-42℃左右）进入工质泵8中，之后丙烷经由工质泵8加压后变为低温高压的液态（状态参数：0.73MPa，- 42℃左右）从整体式中间介质汽化器1汽化器后部换热区的高压液态中间介质进口16流入整体式中间介质汽化器1的中间介质换热通道23内，在整体式中间介质汽化器1汽化器后部换热区的LNG换热通道22、中间介质换热通道23及海水换热通道24中仅设置一组贯通的第二热管3，海水中的热量通过第二热管3使刚流入的液态丙烷汽化为过热状态，同时使饱和状态NG吸热达到过热状态，此时高温高压的气态丙烷（状态参数：0.73MPa，15℃）从壳体2左侧的高压气态中间介质出口5流出，经由透平9做功带动发电机工作产生电能，此时透平9膨胀机可输出的机械功为13330KJ/h，在整个换热过程中，通过调节进入中间介质换热通道23中丙烷的流量，并匹配LNG汽化量，可实现实时工况的调节。
海水换热流程: 海水经海水泵7从海水进口6压入整体式中间介质汽化器1的海水换热通道24中，首先，在汽化器后部换热区内，海水将热量提供给流入中间介质换热通道23的高压低温液态丙烷以及LNG换热通道里22的NG，使得流入的液态丙烷汽化以及NG温度升高到5～10℃，之后流经调温换热盘管14并与调温换热盘管14中的NG进行换热，因为通道中的海水与LNG、丙烷为逆向流动，因而在第二组热管的蒸发端处，海水提供的能量可以满足后部高压丙烷的汽化，并可使LNG吸热升温达到设定状态，整个过程中作为放热介质的海水从20℃降至14～15℃。
将此整体式中间介质汽化器1取代原低温朗肯循环中的预热器、蒸发器及冷凝器，形成由此汽化器、液体泵及汽轮机所构成的低温朗肯循环发电系统，不仅克服了原整体式中间介质LNG汽化器无法利用LNG汽化冷能，导致能源浪费及大量低温海水直接排入海中造成对海洋生态影响的弊端，而且将此新型整体式汽化器取代原LNG冷能利用低温朗肯循环中的预热器、蒸发器、冷凝器及调温器等构成LNG冷能发电系统，不仅能将LNG汽化释放的冷能进行高效利用，而且与传统分置式带LNG汽化的冷能发电系系相比，系统紧凑占用空间小。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器，其特征在于：包括一壳体，在壳体内具有一换热空腔，该换热空腔分为汽化器前部换热区与汽化器后部换热区，所述壳体内还设置有将换热空腔分隔为依次分布的LNG换热通道、中间介质换热通道、海水换热通道的第一隔板、第二隔板，在第一隔板与第二隔板之间还连接有一将中间介质换热通道分隔为两段的中隔板，该中隔板位于汽化器前部换热区与汽化器后部换热区的交界处，且低压液态中间介质出口、高压液态中间介质进口分别位于中隔板的两侧，所述第一隔板与第二隔板上均开有若干通孔，在通孔内插入有热管组件，且第二隔板上位于汽化器前部换热区处不开通孔。
2.根据权利要求1所述的带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器，其特征在于：所述汽化器前部换热区与汽化器后部换热区的比例为1:1～1:1.5。
3.根据权利要求1所述的带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器，其特征在于：所述第一隔板与第二隔板上的通孔呈品字形阵列分布，且相邻两纵列中的通孔交错分布。
4.根据权利要求1所述的带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器，其特征在于：所述热管组件包括位于汽化器前部换热区的第一热管组以及位于汽化器后部换热区的第二热管组，其中，第一热管组中的热管插入第一隔板上的通孔内并贯穿LNG换热通道与中间介质换热通道，第二热管组中的热管依次插入第一隔板上的通孔、第二隔板上的通孔内并贯穿LNG换热通道、中间介质换热通道与海水换热通道。
5.根据权利要求4所述的带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器，其特征在于：在第一热管组中的热管中，汽化器前部换热区后半段的数排热管位于LNG换热通道中的冷凝段外壁上均套装有环形翅片，所述第二热管组中的所有热管位于中间介质换热通道中的冷凝段外壁上均套装有环形翅片，而位于LNG换热通道中的冷凝段外壁上视应用环境温度及用户对NG输出终温的要求决定是否套装环形翅片。
6.根据权利要求4所述的带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器，其特征在于：所述第一热管组的热管中，位于靠近LNG进口的前半段中的热管中的工质采用甲烷，后半段中的热管中的工质采用乙烷，第二热管组的热管中的工质采用丙烷。
7.根据权利要求1所述的带LNG冷能利用功能的整体式中间介质汽化器，其特征在于：在海水换热通道位于汽化器前部换热区处还设置有一调温换热盘管，该NG调温换热盘管的进出口均伸出整体式中间介质汽化器的壳体外，且其进口与汽化器LNG换热通道NG出口连接。
8.一种基于权利要求1所述的整体式中间介质汽化器的发电系统，其特征在于：包括一整体式中间介质汽化器，在整体式中间介质汽化器内具有一LNG换热通道、一中间介质换热通道、一海水换热通道，同时在整体式中间介质汽化器的两侧具有与LNG换热通道相连通的LNG进口、NG出口，与中间介质换热通道相连通的低压气态中间介质进口、高压气态中间介质出口，与海水换热通道相连通的海水进口、海水出口，在整体式中间介质汽化器的中部位置还具有与中间介质换热通道相连通的低压液态中间介质出口、高压液态中间介质进口，在LNG进口处连接有一工质泵A，在海水进口处连接有一海水泵，所述低压气态中间介质进口与高压气态中间介质出口之间通过一透平实现中间介质的做功与流通，低压液态中间介质出口与高压液态中间介质进口之间通过一工质泵B实现中间介质的增压与流通。
9.根据权利要求8所述的发电系统，其特征在于：所述LNG进口、低压气态中间介质进口、海水出口均位于整体式中间介质汽化器的同一侧，NG出口、高压气态中间介质出口、海水进口位于整体式中间介质汽化器的另一侧。
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