CN110541737A - 一种利用lng冷能的中低温余热发电系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用LNG冷能的中低温余热发电系统及其工作方法，提高了余热资源回收率，有效利用了LNG冷能，保证了较高的功率输出和发电效率，具有很好的节能降耗效果。该系统包括用于一级回收余热资源和二级利用LNG冷能的Kalina循环系统和用于二级回收余热资源和一级利用LNG冷能的T‑CO₂循环系统；所述Kalina循环系统包括第一蒸发器、第一透平、第一泵、第二冷凝器、加热器、回热器、节流阀、分离器和混合器；T‑CO₂循环系统包括加热器、第二蒸发器、第二透平、第二泵和第一冷凝器。

Description

一种利用LNG冷能的中低温余热发电系统及其工作方法

技术领域

本公开涉及中低温余热资源利用技术领域，具体涉及一种利用LNG冷能的中低温余热发电系统及其工作方法。

背景技术

近年来，化石能源的过度开采和不合理使用造成了大量的资源浪费并引发了一系列生态问题，实现对余热资源，尤其是中低温余热资源的有效利用对解决当前能源环境问题具有重要的意义。

中低温余热资源主要包括工业生产中的余热废热、太阳能、地热能等，这类资源储量大、分布广，但是因能量品味较低，很难进行高效利用。基于上述问题，Kalina等人提出以非共沸混合物氨水作为工质，降低了工质沸点，实现了较高的能量转化率，但是由于该循环吸热温度较高，对余热资源的回收率有限。CO₂无毒无害、廉价易得，且非常容易达到超临界状态，以其为工质的动力循环成为近年来研究的热点。其中，T-CO₂循环因冷凝温度较低，非常适合回收中低温余热，又能实现较高的输出功；但因其冷凝温度要低于CO₂临界点温度(30.98℃)，所以很难在常温下进行冷却；此外，CO₂临界点压力很高(7.38MPa)，且为实现较高的发电效率，越高的吸热温度意味着需要匹配越高的膨胀压力，因此其对高压设备的工艺性提出了严苛的要求，所以实际应用中应尽量控制T-CO₂的循环高压，并匹配与之对应的吸热温度，才能实现发电效率的最大化。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种利用LNG冷能的中低温余热发电系统及其工作方法，提高了余热资源回收率，有效利用了LNG冷能，保证了较高的功率输出和发电效率，具有很好的节能降耗效果。

本公开一方面提供的一种利用LNG冷能的中低温余热发电系统的技术方案是：

一种利用LNG冷能的中低温余热发电系统，该系统包括用于一级回收余热资源和二级利用LNG冷能的Kalina循环系统和用于二级回收余热资源和一级利用LNG冷能的T-CO₂循环系统。

进一步的，所述Kalina循环系统包括第一蒸发器、分离器、第一透平、混合器、第二冷凝器、回热器和加热器；

所述第一蒸发器的冷流体出口连接分离器的入口，所述分离器的上部蒸汽出口连接第一透平，所述第一透平的出口连接混合器的一入口；所述分离器的下部溶液出口经加热器与回热器的热流体进口连接，所述混合器的出口经第二冷凝器与回热器的冷流体进口连接，所述回热器的冷流体出口与第一蒸发器的冷流体进口相连。

进一步的，所述第二冷凝器与回热器的冷流体进口之间连接有用于加压的第一泵。

进一步的，所述Kalina循环系统还包括节流阀，所述节流阀的入口连接回热器的热流体出口，所述节流阀的出口连接混合器的另一入口。

进一步的，所述T-CO₂循环系统包括加热器、第二蒸发器、第二透平、第二泵和第一冷凝器；

所述第二透平的入口连接加热器的冷流体出口，所述第二透平的出口经第一冷凝器和第二泵与第二蒸发器的冷流体进口连接，所述第二蒸发器的冷流体出口与加热器的冷流体进口相连。

进一步的，所述第一蒸发器的热流体进口连接有余热管道，所述第一蒸发器的热流体出口连接第二蒸发器的热流体进口，所述第二蒸发器的热流体出口连接有管道。

进一步的，还包括第三泵和LNG储液罐，LNG储液罐经第三泵与第一冷凝器的冷流体进口连接，所述第一冷凝器的冷流体出口连接第二冷凝器的冷流体进口，所述第二冷凝器的冷流体出口连接有管道。

本公开一方面提供的一种利用LNG冷能的中低温余热发电系统的工作方法的技术方案是：

一种利用LNG冷能的中低温余热发电系统的工作方法，该方法包括以下步骤：

氨水工质在第一蒸发器中吸收余热后进入分离器；分离器输出高浓度氨水蒸气进入第一透平内膨胀做功，做功后的乏气进入混合器；分离器输出低浓度氨水溶液依次进入加热器和回热器内释热后，经过节流阀降压后进入混合器；两股流体在混合器中混合后流入第二冷凝器冷凝为饱和液；饱和液依次经第一泵加压、回热器预热后返回第一蒸发器；

CO₂工质在第二蒸发器中吸收余热后达到超临界状态后，进入加热器中吸收氨水溶液释放热量升温；吸热升温后的超临界CO₂进入第二透平中膨胀做功；做功后的乏气进入第一冷凝器冷凝为饱和液，饱和液经第二泵加压后返回第二蒸发器。

进一步的，还包括：

余热流体通过管道流入第一蒸发器内传热后，再流入第二蒸发器内传热，再经第二蒸发器的热流体出口输出到管道内。

进一步的，还包括：

调控液化天然气的流量和压力，液化天然气经第三泵升压后，先流经第一冷凝器冷却CO₂工质，然后进入第二冷凝器冷却氨水工质；经第二冷凝器的冷流体出口输出到管道内。

通过上述技术方案，本公开的有益效果是：

(1)本公开耦合了作为余热资源一级回收和LNG冷能二级利用的Kalina循环系统和作为余热资源二级回收和LNG冷能一级利用的T-CO₂循环系统，既提高了余热资源回收率，也有效利用了LNG冷能，同时兼顾了设备的工艺性，保证了较高的功率输出和发电效率，具有很好的节能降耗效果。

(2)本公开将Kalina循环和T-CO₂循环相互耦合，通过设置加热器和回热器，将Kalina循环分离器中分离出的高温低浓度氨水溶液的热量进行了有效利用，提高了整个系统的发电效率。

(3)本公开利用LNG作为冷源，先冷却CO₂工质，后冷却氨水工质，既解决了T-CO₂循环常温下冷凝困难的问题，又可以避免LNG冷能的浪费，同时大幅降低了工质的冷凝温度，从而可以减小膨胀背压，极大限度地回收余热资源，增加系统的发电量，提升系统的发电效率，具有很好的节能降耗效果。

(4)本公开采用Kalina循环系统对余热进行一级回收，采用T-CO₂循环系统对余热进行二级回收，这降低了T-CO₂循环膨胀初温，使之可匹配较低的膨胀压力，相对降低了对系统设备的工艺性要求，在实际工程应用中更有可行性，同时保证了发电效率。

(5)本公开适用范围广，对很多难以利用的中低温余热资源，比如工厂余热废热、太阳能、地热能等热源都适用，从而可为中低温余热的高效转化和充分利用提供新的解决途径。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本公开的不当限定。

图1是实施例一利用LNG冷能的中低温余热发电系统的结构图；

其中，1、第一蒸发器；2、第二蒸发器；3、第一透平；4、第二透平；5、第一泵；6、第二泵；7、第三泵；8、第一冷凝器；9、第二冷凝器；10、分离器；11、加热器；12、回热器；13、节流阀；14、混合器；15、LNG储液罐。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

名词解释：

Kalina循环，由Alexander Kalina于1983年提出，该循环以氨-水混合物作为工质，由于工质相变的非等温过程和循环过程中工质浓度的改变，使得循环在整体上与热源和冷源有较好的换热匹配关系。

实施例一

本实施例提供一种利用LNG冷能的中低温余热发电系统，耦合了作为余热资源一级回收和LNG冷能二级利用的Kalina循环系统和作为余热资源二级回收和LNG冷能一级利用的T-CO₂循环系统，提高了余热资源回收率，有效利用了LNG冷能，保证了较高的功率输出和发电效率，节能降低损耗。

请参阅附图1，所述中低温余热发电系统包括作为余热资源一级回收和LNG冷能二级利用的Kalina循环系统和作为余热资源二级回收和LNG冷能一级利用的T-CO₂循环系统。

具体地，所述Kalina循环系统包括第一蒸发器1、第一透平3、第一泵5、第二冷凝器9、加热器11、回热器12、节流阀13、分离器10和混合器14。

所述第一蒸发器1的冷流体出口端连接分离器10的入口，所述分离器10的上部蒸汽出口连接第一透平3的入口，所述第一透平3的出口接入到混合器14的一入口；所述分离器10的下部溶液出口依次串接加热器11和回热器12的热流体进口端，所述回热器12的热流体出口端接节流阀13的入口，所述节流阀13，用于调节从回热器12的热流体出口经换热处理后的氨水工质的流量及压力，所述节流阀13的出口连接到混合器14的另一入口；所述混合器14的出口依次串接第二冷凝器9的热流体进口端和第一泵5的进口，所述第一泵5的出口接回热器12的冷流体进口端，所述回热器12的冷流体出口端与第一蒸发器1的冷流体进口端相连。

本实施例提出的Kalina循环系统的工作过程为：

氨水工质流入第一蒸发器，在第一蒸发器1中吸收余热后进入分离器10；分离器10的上部蒸汽出口输出高浓度氨水蒸气进入第一透平3膨胀做功，产生电力，做功后的乏气经混合器的一入口进入混合器14；分离器10的下部溶液出口输出低浓度氨水溶液进入加热器11，释放热量给T-CO₂循环系统；释热后的氨水溶液流经回热器12进一步释热，通过节流阀13降压后，经混合器另一入口进入混合器14；两股流体在混合器14中混合后流入第二冷凝器9冷凝为饱和液；饱和液依次经第一泵5加压、回热器12预热后返回第一蒸发器1。

具体地，T-CO₂循环系统包括加热器11、第二蒸发器2、第二透平4、第二泵6和第一冷凝器8。

所述加热器11的冷流体出口端连接第二透平4，所述第二透平4的出口依次串接第一冷凝器8的热流体进口端和第二泵6的进口，所述第二泵6的出口接第二蒸发器2的冷流体进口端，所述第二蒸发器2的冷流体出口端与加热器11的冷流体进口端相连。

本实施例提出的T-CO₂循环系统的工作过程为：

CO₂工质在第二蒸发器2中吸收余热后达到超临界状态，并在加热器11中吸收氨水溶液释热后进一步升温；完成吸热过程的超临界CO₂进入第二透平4中膨胀做功，产生电力；做功后的乏气进入第一冷凝器8冷凝为饱和液，饱和液经第二泵6加压后返回第二蒸发器2。

在本实施例中，所述第一蒸发器1的热流体进口端连接余热管道，所述第一蒸发器1的热流体出口端连接第二蒸发器2的热流体进口端，所述第二蒸发器2的热流体出口端还连接有管道，便于对余热资源进行后续处理。

余热流体先流经第一蒸发器1传热给Kalina循环，再流入第二蒸发器2传热给T-CO₂循环，实现了余热资源的两级回收。

本实施例提出的中低温余热发电系统还包括第三泵7和LNG储液罐15，LNG储液罐15连接第三泵7的入口，所述第三泵7的出口依次串接第一冷凝器8和第二冷凝器9的冷流体进口端，所述第二冷凝器9的冷流体出口端还连接有管道，便于对天然气NG进行后续利用。

LNG储液罐15内存储的液化天然气LNG经第三泵7升压后，首先流经第一冷凝器8冷却CO₂工质，然后进入第二冷凝器9冷却氨水工质，实现了LNG冷能的两级利用。

本实施例提出的中低温余热发电系统，在余热回收上，Kalina循环系统为一级回收系统，T-CO₂循环系统为二级回收系统；在LNG冷能利用上，T-CO₂循环系统为一级利用系统，Kalina循环系统为二级利用系统。

在本实施例中，通过控制LNG储液罐阀门开度和变速装置调节第三泵9的运行工况从而对LNG的流量和压力进行合理地调控，使其进入第二冷凝器9时温度低于氨水工质的冷凝温度，同时出口天然气各物理参数仍可满足后续工艺利用需要，以尽量大限度地提高LNG的冷能利用率。

在本实施例中，所述第一蒸发器1、第二蒸发器2、加热器11、回热器12和混合器14的流动方式均为逆流式。

下面以地热能余热资源利用为例，对本实施例提出的中低温余热发电系统的性能进行说明。该系统作为利用LNG冷能的地热水余热发电系统，系统初始输入参数值如表1所示。

表1系统初始输入参数

本实施例运用EES软件，建立该利用LNG冷能的地热水余热发电系统热力学模型，输入初始参数并调用相关工质物性参数进行运算，所得该系统热力性能计算结果如表2所示。

表2系统性能计算结果

计算结果表明，当把该系统运用到温度为122℃，流量为80kg/s的地热水余热资源回收上时，系统净电功率达到2887KW，系统热效率达到11.60％，系统效率更是达到17.45％，地热水排放温度降低到48℃，对地热水余热实现了较好的回收效果，同时可以看到第一冷凝器和第二冷凝器均存在大量的热负荷交换，第二冷凝器出口天然气的排放温度升高到4.6℃，实现了对LNG冷能的有效利用，出口的天然气仍可以参与制冷，满足该系统所在区域的部分冷负荷需求后再进行后续燃烧利用。

实施例二

本实施例提供一种中低温余热发电系统的工作方法，该方法包括以下步骤：

余热流体通过管道流入第一蒸发器1内传热，经第一蒸发器1后再流入第二蒸发器2内传热，经第二蒸发器2的热流体出口端输出管道内。

氨水工质流入第一蒸发器1内，在第一蒸发器1中吸收余热后进入分离器10；分离器10的上部蒸汽出口输出高浓度氨水蒸气进入第一透平3膨胀做功，产生电力，做功后的乏气经混合器的一入口进入混合器14；分离器10的下部溶液出口输出低浓度氨水溶液进入加热器11，释放热量给T-CO₂循环系统；释热后的氨水溶液流经回热器12进一步释热，通过节流阀13降压后，经混合器另一入口进入混合器14；两股流体在混合器14中混合后流入第二冷凝器9冷凝为饱和液；饱和液依次经第一泵5加压、回热器12预热后返回第一蒸发器1。

CO₂工质在第二蒸发器2中吸收余热后达到超临界状态，并在加热器11中吸收氨水溶液释热后进一步升温；完成吸热过程的超临界CO₂进入第二透平4中膨胀做功，产生电力；做功后的乏气进入第一冷凝器8冷凝为饱和液，饱和液经第二泵6加压后返回第二蒸发器2。

调控液化天然气LNG的流量和压力，液化天然气LNG经第三泵7升压后，首先流经第一冷凝器8冷却CO₂工质，然后进入第二冷凝器9冷却氨水工质；经第二冷凝器9的冷流体出口端输出管道内，便于对液化天然气LNG进行后续利用。

在本实施例中，所述调控液化天然气LNG的流量和压力的方法为：

系统配置参数实时监测和自动控制系统，通过控制LNG储液罐阀门开度和变速装置调节第三泵7的流量及扬程，既保证LNG进入第二冷凝器9时温度低于氨水工质的冷凝温度，同时保证出口天然气各物理参数仍可满足后续工艺利用需要，以尽量大限度地提高LNG的冷能利用率。

从以上的描述中，可以看出，上述的实施例实现了如下技术效果：

(1)将Kalina循环和T-CO₂循环相互耦合，通过设置加热器和回热器，将Kalina循环分离器中分离出的高温低浓度氨水溶液的热量进行了有效利用，提高了整个系统的发电效率。

(2)利用LNG作为冷源，先冷却CO₂工质，后冷却氨水工质，既解决了T-CO₂循环常温下冷凝困难的问题，又可以避免LNG冷能的浪费，同时大幅降低了工质的冷凝温度，从而可以减小膨胀背压，极大限度地回收余热资源，增加系统的发电量，提升系统的发电效率，具有很好的节能降耗效果。

(3)采用Kalina循环系统对余热进行一级回收，采用T-CO₂循环系统对余热进行二级回收，这降低了T-CO₂循环膨胀初温，使之可匹配较低的膨胀压力，相对降低了对系统设备的工艺性要求，在实际工程应用中更有可行性，同时保证了发电效率。

(4)适用范围广，对很多难以利用的中低温余热资源，比如工厂余热废热、太阳能、地热能等热源都适用，从而可为中低温余热的高效转化和充分利用提供新的解决途径。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种利用LNG冷能的中低温余热发电系统，其特征是，包括用于一级回收余热资源和二级利用LNG冷能的Kalina循环系统和用于二级回收余热资源和一级利用LNG冷能的T-CO₂循环系统。

2.根据权利要求1所述的利用LNG冷能的中低温余热发电系统，其特征是，所述Kalina循环系统包括第一蒸发器、分离器、第一透平、混合器、第二冷凝器、回热器和加热器；

所述第一蒸发器的冷流体出口连接分离器的入口，所述分离器的上部蒸汽出口连接第一透平，所述第一透平的出口连接混合器的一入口；所述分离器的下部溶液出口经加热器与回热器的热流体进口连接，所述混合器的出口经第二冷凝器与回热器的冷流体进口连接，所述回热器的冷流体出口与第一蒸发器的冷流体进口相连。

3.根据权利要求2所述的利用LNG冷能的中低温余热发电系统，其特征是，所述第二冷凝器与回热器的冷流体进口之间连接有用于加压的第一泵。

4.根据权利要求2所述的利用LNG冷能的中低温余热发电系统，其特征是，所述Kalina循环系统还包括节流阀，所述节流阀的入口连接回热器的热流体出口，所述节流阀的出口连接混合器的另一入口。

5.根据权利要求1所述的利用LNG冷能的中低温余热发电系统，其特征是，所述T-CO₂循环系统包括加热器、第二蒸发器、第二透平、第二泵和第一冷凝器；

所述第二透平的入口连接加热器的冷流体出口，所述第二透平的出口经第一冷凝器和第二泵与第二蒸发器的冷流体进口连接，所述第二蒸发器的冷流体出口与加热器的冷流体进口相连。

6.根据权利要求2所述的利用LNG冷能的中低温余热发电系统，其特征是，所述第一蒸发器的热流体进口连接有余热管道，所述第一蒸发器的热流体出口连接第二蒸发器的热流体进口，所述第二蒸发器的热流体出口连接有管道。

7.根据权利要求1所述的利用LNG冷能的中低温余热发电系统，其特征是，还包括第三泵和LNG储液罐，LNG储液罐经第三泵与第一冷凝器的冷流体进口连接，所述第一冷凝器的冷流体出口连接第二冷凝器的冷流体进口，所述第二冷凝器的冷流体出口连接有管道。

8.一种基于权利要求1至7中任一项所述的利用LNG冷能的中低温余热发电系统的工作方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

氨水工质在第一蒸发器中吸收余热后进入分离器；分离器输出高浓度氨水蒸气进入第一透平内膨胀做功，做功后的乏气进入混合器；分离器输出低浓度氨水溶液依次进入加热器和回热器内释热后，经过节流阀降压后进入混合器；两股流体在混合器中混合后流入第二冷凝器冷凝为饱和液；饱和液依次经第一泵加压、回热器预热后返回第一蒸发器；

CO₂工质在第二蒸发器中吸收余热后达到超临界状态后，进入加热器中吸收氨水溶液释放热量升温；吸热升温后的超临界CO₂进入第二透平中膨胀做功；做功后的乏气进入第一冷凝器冷凝为饱和液，饱和液经第二泵加压后返回第二蒸发器。

9.根据权利要求8所述的用LNG冷能的中低温余热发电系统的工作方法，其特征是，还包括：

余热流体通过管道流入第一蒸发器内传热后，再流入第二蒸发器内传热，再经第二蒸发器的热流体出口输出到管道内。

10.根据权利要求8所述的用LNG冷能的中低温余热发电系统的工作方法，其特征是，还包括：

调控液化天然气的流量和压力，液化天然气经第三泵升压后，先流经第一冷凝器冷却CO₂工质，然后进入第二冷凝器冷却氨水工质；经第二冷凝器的冷流体出口输出到管道内。