CN110107369A - 利用自然工质回收lng冷能发电的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用自然工质回收LNG冷能发电的方法，其以超临界状态的氮气为工质进行布雷顿循环发电，以二氧化碳为工质进行朗肯循环发电，布雷顿循环和朗肯循环通过复叠换热器进行热交换，LNG在布雷顿循环中释放冷能，以冷却氮气。本发明还公开了利用自然工质回收LNG冷能发电的装置。本发明不仅能提升发电效率，减少设备尺寸，而且可大大降低安全风险，减少设备初投资。
Description
技术领域
本发明涉及LNG冷能发电技术。
背景技术
由于LNG温度较低，在从接收站的储罐进入城市燃气网管前，需要先进行加热升温，使液态天然气汽化成气态天然气。传统的加热方式是直接采用海水汽化器或燃气加热器加热，造成LNG冷能的极大浪费。随着我国LNG工业的不断发展，越来越多企业与研究单位开始重视LNG冷能的再利用，将LNG冷能回收发电是一项新的冷能利用方式。
目前，国内对于LNG冷能发电的研究处于理论研究阶段，关于LNG冷能发电的少量专利中，主要是利用有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称ORC）原理，即选定某种有机工质（如甲烷、丙烯、乙烷等等各种烃类）作为循环介质，循环介质从热源处吸热汽化，然后进入膨胀机膨胀做功，将内能能转换成机械功并最终转换成电能输出，膨胀后的循环介质气被LNG冷凝成液态，接着通过工质泵输送至高温热源，从而形成闭式工作循环，实现LNG冷能的回收。
ORC循环系统选用的有机工质通常具有易燃、易爆、带毒性、不容易获得、价格昂贵等特点，这些特点不仅增加了设备安全运行的风险，同时对系统气密封、泄漏检测及应急处理提出了严格的要求，造成设备投资成本增加，降低了项目的经济性。为了进一步提高冷能利用率，还有些ORC循环系统还通过同类系统的复叠实现LNG冷能的梯级利用，这种ORC循环系统通常需要三个以上的子系统进行复叠，存在着设备多、系统布置及控制过于复杂的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种利用自然工质回收LNG冷能发电的方法及装置，其不仅能提升发电效率，减少设备尺寸，而且可大大降低安全风险，减少设备初投资，从而提升LNG冷能发电项目的可操作性和经济性。
本发明采用了以下技术方案：
本发明提供了一种利用自然工质回收LNG冷能发电的方法，其特点在于，以超临界状态的氮气为工质进行布雷顿循环发电，以二氧化碳为工质进行朗肯循环发电，布雷顿循环和朗肯循环通过复叠换热器进行热交换，LNG在布雷顿循环中释放冷能，以冷却氮气。
本发明还提供了一种利用自然工质回收LNG冷能发电的装置，其特点在于，包括布雷顿循环发电系统、朗肯循环发电系统以及复叠换热器，布雷顿循环发电系统和朗肯循环发电系统通过复叠换热器进行热交换；布雷顿循环发电系统用于以超临界状态的氮气为工质进行布雷顿循环发电，并利用LNG的冷能冷却氮气，朗肯循环发电系统用于以二氧化碳为工质进行朗肯循环发电。
与现有的有机朗肯循环（ORC）技术相比，本发明具有以下优点：
1、所选用的循环工质为二氧化碳和氮气，均为对人体无毒无害、对环境无污染的自然工质，且理化性质稳定、不燃不爆、不分解、无腐蚀、无爆炸危险，具有容易获得、价格便宜、投资成本低的优点，能够降低主机密封系统的设计难度，简化密封泄漏气处理系统及相应的安保措施，降低系统整体气密性、泄漏监测及相应的应急处理措施的等级，从而使发电流程更加简单，并提高控制系统的可操作性；
2、氮气系统采用布雷顿循环，氮气在整个工作过程中均处于超临界状态，超临界氮气既具有液体密度大、传热效率高、做功能力强的特性，同时兼具气体粘性小，流动性强、系统循环损耗小的特性，且循环过程无相变，压缩过程中压缩功有效减小，循环系统发电效率高；
3、二氧化碳系统与氮气系统均运行在高压下，换热器及管路附件尺寸小，整体设备尺寸小、重量轻、占地少。
附图说明
图1示出了根据本发明一实施例的利用自然工质回收LNG冷能发电的装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步说明。
请参见图1。根据本发明一实施例的利用自然工质回收LNG冷能发电的装置包括布雷顿循环发电系统、朗肯循环发电系统以及复叠换热器3，布雷顿循环发电系统和朗肯循环发电系统通过复叠换热器3进行热交换。
布雷顿循环发电系统包括第一热功动力转换机械11、第一发电机12、压气机13及冷却器14。第一热功动力转换机械11与第一发电机12相连，以驱动第一发电机12工作。第一热功动力转换机械11的出口与冷却器14的工质侧入口连通，冷却器14的工质侧出口与压气机13的入口连通，冷却器14分别设有供LNG进出的冷源入口和冷源出口。压气机13的出口与复叠换热器3的冷侧入口连通，复叠换热器3的冷侧出口与第一热功动力转换机械11的入口连通。布雷顿循环发电系统用于以超临界状态的氮气为工质进行布雷顿循环发电，并利用LNG的冷能冷却氮气。
朗肯循环发电系统包括第二热功动力转换机械21、第二发电机22、过冷器23、工质泵24及蒸发器25。第二热功动力转换机械21与第二发电机22相连，以驱动第二发电机22工作。第二热功动力转换机械21的出口与复叠换热器3的热侧入口连通，复叠换热器3的热侧出口与过冷器23的热侧入口连通，过冷器23的热侧出口与工质泵24的入口连通，过冷器23具有供冷源进出的冷侧入口和冷侧入口；工质泵24的出口与蒸发器25的冷侧入口连通，蒸发器25的冷侧出口与第二热功动力转换机械21的入口连通。蒸发器25具有供热源进出的热源入口和热源出口，在本实施例中，热源为海水。朗肯循环发电系统用于以二氧化碳为工质进行朗肯循环发电。
进一步地，过冷器23的冷侧入口通过管路与冷却器14的冷侧出口连通，LNG与流入过冷器23的热侧入口的工质（本实施例中为二氧化碳）换热后被汽化，得到气态天然气。
在本实施例中，第一热功动力转换机械11和第二热功动力转换机械21均为膨胀机。
本发明的另一实施例还提供了一种利用自然工质回收LNG冷能发电的方法，其包括以下步骤：以超临界状态的氮气为工质进行布雷顿循环发电，以二氧化碳为工质进行朗肯循环发电，布雷顿循环和朗肯循环通过复叠换热器3进行热交换，LNG在布雷顿循环中释放冷能，以冷却氮气。
可选地，朗肯循环发电系统用于利用在布雷顿循环系统中释放冷能后的LNG冷却二氧化碳，使LNG汽化，得到气态天然气。如此，实现了LNG冷能的梯级利用，最大程度地回收了LNG冷能，避免了能源浪费。
在本实施例中，以超临界状态的氮气为工质进行布雷顿循环发电的过程如下：超临界的氮气经过压气机13压缩增压后进入复叠换热器3，与从二氧化碳朗肯循环的第二热功动力转换机械21中输出的二氧化碳气体进行热交换，升温后的氮气进入第一热功动力转换机械11中做功，驱动第一发电机12发电，从第一热功动力转换机械输出的氮气进入冷却器14，在冷却器14中被LNG冷却后进入压气机13，形成超临界氮气的闭式布雷顿循环。可选地，进入压气机的超临界状态的氮气的压力大小为3.9 Mpa～4.1Mpa，温度为-130℃～-140℃。
在本实施例中，以二氧化碳为工质进行朗肯循环发电的过程如下：液态二氧化碳在蒸发器25中与热源换热后汽化，气态二氧化碳进入第二热功动力转换机械21中做功，驱动第二发电机22发电，从第二热功动力转换机械21中输出的二氧化碳气体进入复叠换热器3，与氮气换热后冷凝成气液两相状态或饱和液态，冷却后的二氧化碳进入过冷器23，被从冷却器14的冷侧出口输出的LNG进一步冷却成过冷液态，过冷液态的二氧化碳通过工质泵24输送至蒸发器25，形成二氧化碳的闭式朗肯循环。
以下结合一具体的应用实施对本发明的工作原理和过程进行说明。在该应用实例中，以海水（17℃）为热源，以LNG（-160℃）为冷源。
在氮气布雷顿循环发电系统中，超临界氮气（3.97MPa、-140℃）经过压气机13压缩增压后，压力温度约为7MPa、-119℃，然后进入复叠换热器3，与二氧化碳朗肯循环发电系统中充当第二热功动力转换机械21的膨胀机输出的二氧化碳气体（0.6MPa、-53℃）换热，氮气升温后（7MPa、-70℃）进入充当第一热功动力转换机械11的膨胀机中膨胀做功，将内能转换成机械功并最终驱动第一发电机12转换成电能输出，膨胀后的氮气（4MPa、-99℃）进入冷却器14，被LNG（-160℃）冷却至-140℃后进入压气机13，从而形成超临界氮气的闭式工作循环。
在二氧化碳朗肯循环发电系统中，4MPa、-57℃的液态二氧化碳在蒸发器25中与热源海水（17℃）换热，海水降温至8℃，二氧化碳吸收海水热量后汽化，3.97MPa、5℃的气态二氧化碳进入充当第二热功动力转换机械21的膨胀机中膨胀做功，将内能转换成机械功，并最终驱动第二发电机22转换成电能输出。膨胀后的二氧化碳气体（0.6MPa、-53℃）进入复叠换热器3，与氮气循环中的低温氮气（7MPa、-119℃）换热，被冷凝成气液两相状态（0.57MPa、-54.3℃），接着进入过冷器23，被LNG（-150℃）进一步冷却成过冷液态（0.54MPa、-60℃），最后过冷液态的二氧化碳通过工质泵24输送至蒸发器25，从而形成二氧化碳的闭式工作循环。
为了实现LNG冷能的充分利用，LNG在氮气布雷顿循环发电系统的冷却器14中释放一定冷能后（-150℃），接着进入朗肯循环发电系统的过冷器23中进一步释放冷能，实现完全汽化，最终以气态天然气（-60℃）排出系统。
本发明采用二氧化碳朗肯循环和氮气布雷顿循环的复叠系统，将二氧化碳系统中的冷却过程与氮气系统中的加热过程通过复叠换热器实现，能够有效地提高能源利用率。
Claims (10)
1.利用自然工质回收LNG冷能发电的方法，其特征在于，以超临界状态的氮气为工质进行布雷顿循环发电，以二氧化碳为工质进行朗肯循环发电，布雷顿循环和朗肯循环通过复叠换热器进行热交换，LNG在布雷顿循环中释放冷能，以冷却氮气。
2.如权利要求1所述的利用自然工质回收LNG冷能发电的方法，其特征在于，在布雷顿循环中释放冷能后的LNG进入朗肯循环中进一步释放冷能，以冷却二氧化碳，并得到气态天然气。
3.如权利要求1所述的利用自然工质回收LNG冷能发电的方法，其特征在于，以超临界状态的氮气为工质进行布雷顿循环发电的过程如下：超临界的氮气经过压气机压缩增压后进入复叠换热器，与从二氧化碳朗肯循环的第二热功动力转换机械中输出的二氧化碳气体进行热交换，升温后的氮气进入第一热功动力转换机械中做功，驱动第一发电机发电，从第一热功动力转换机械输出的氮气进入冷却器，在所述冷却器中被LNG冷却后进入所述压气机，形成超临界氮气的闭式布雷顿循环。
4.如权利要求3所述的利用自然工质回收LNG冷能发电的方法，其特征在于，以二氧化碳为工质进行朗肯循环发电的过程如下：液态二氧化碳在蒸发器中与热源换热后汽化，气态二氧化碳进入所述第二热功动力转换机械中做功，驱动第二发电机发电，从第二热功动力转换机械中输出的二氧化碳气体进入所述复叠换热器，与氮气换热后冷凝成气液两相状态或饱和液态，冷却后的二氧化碳进入过冷器，被从所述冷却器的冷侧出口输出的LNG进一步冷却成过冷液态，过冷液态的二氧化碳通过工质泵输送至所述蒸发器，形成二氧化碳的闭式朗肯循环。
5.如权利要求3所述的利用自然工质回收LNG冷能发电的方法，其特征在于，进入所述压气机的超临界状态的氮气的压力大小为3.9 Mpa～4.1Mpa，温度为-130℃～-140℃。
6.利用自然工质回收LNG冷能发电的装置，其特征在于，包括布雷顿循环发电系统、朗肯循环发电系统以及复叠换热器，所述布雷顿循环发电系统和所述朗肯循环发电系统通过复叠换热器进行热交换；
所述布雷顿循环发电系统用于以超临界状态的氮气为工质进行布雷顿循环发电，并利用LNG的冷能冷却氮气，所述朗肯循环发电系统用于以二氧化碳为工质进行朗肯循环发电。
7.如权利要求6所述的利用自然工质回收LNG冷能发电的装置，其特征在于，所述朗肯循环发电系统用于利用在布雷顿循环系统中释放冷能后的LNG冷却二氧化碳，使LNG汽化，得到气态天然气。
8.如权利要求6所述的利用自然工质回收LNG冷能发电的装置，其特征在于，所述布雷顿循环发电系统包括第一热功动力转换机械、第一发电机、压气机及冷却器；所述第一热功动力转换机械与所述第一发电机相连，以驱动第一发电机工作；第一热功动力转换机械的出口与所述冷却器的工质侧入口连通，所述冷却器的工质侧出口与所述压气机的入口连通，冷却器分别设有供LNG进出的冷源入口和冷源出口；所述压气机的出口与所述复叠换热器的冷侧入口连通，所述复叠换热器的冷侧出口与所述第一热功动力转换机械的入口连通。
9.如权利要求8所述的利用自然工质回收LNG冷能发电的装置，其特征在于，所述朗肯循环发电系统包括第二热功动力转换机械、第二发电机、过冷器、工质泵及蒸发器；所述第二热功动力转换机械与所述第二发电机相连，以驱动第二发电机工作；第二热功动力转换机械的出口与所述复叠换热器的热侧入口连通，所述复叠换热器的热侧出口与所述过冷器的热侧入口连通，所述过冷器的热侧出口与所述工质泵的入口连通，所述过冷器具有供冷源进出的冷侧入口和冷侧入口；所述工质泵的出口与所述蒸发器的冷侧入口连通，所述蒸发器的冷侧出口与第二热功动力转换机械的入口连通；蒸发器具有供热源进出的热源入口和热源出口。
10.如权利要求9所述的利用自然工质回收LNG冷能发电的装置，其特征在于，所述第一热功动力转换机械和所述第二热功动力转换机械均为膨胀机。
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