CN110671205A - 一种基于lng的燃气轮机-超临界co2-orc循环串联发电系统 - Google Patents

一种基于lng的燃气轮机-超临界co2-orc循环串联发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于LNG的燃气轮机‑超临界CO2‑ORC循环串联发电系统，包括有LNG的燃气轮机发电系统、超临界CO2循环发电系统和ORC循环发电系统。本发明中LNG与ORC循环换热蒸发后，与空气混合燃烧，经燃气轮机系统做功，并为超临界CO2循环提供高温烟气热源，ORC循环与超临界CO2循环系统进行串联，充分吸收CO2冷却器的排热，然后利用LNG冷能吸收ORC循环的工质排热，增大了ORC的循环温差，提高了ORC的系统效率。本发明的循环发电系统以天然气燃烧形成的高温高压产物作为循环串联系统的热源，以LNG冷能作为循环串联系统的冷源，实现了LNG消费过程的温度对口、能源梯级利用。

Description

一种基于LNG的燃气轮机-超临界CO2-ORC循环串联发电系统
技术领域
本发明涉及LNG在发电技术领域的应用，具体涉及一种基于LNG的燃气轮机-超临界CO2-ORC循环串联发电系统。
背景技术
能源与环境问题已成为制约人类社会发展的两大难点。随着环境污染的加剧，煤和石油等传统能源的日益短缺，更为清洁的天然气(烃类混合物)已成为我国能源战略行动中重点发展的对象，故如何高效利用天然气是改善我国能源结构、保障我国能源需求的关键一环。为了方便储存和长距离运输，通常将天然气低温冷却至-162℃的液态，即为LNG(液化天然气)。目前，LNG通过LNG船被运往世界各地沿海的LNG接收站，经气化后，用于城市民用燃气和燃气电厂。然而，在气化过程中LNG会释放出大量的冷能，约每千克LNG释放850KJ的能量。传统的LNG接收站通常采用海水、空气甚至燃烧的方法来气化LNG，对环境造成了大量的冷污染并浪费了大量宝贵的冷能。
在LNG消费过程中，LNG的发电技术主要包括：直接膨胀法、有机朗肯循环法及联合循环法。
直接膨胀法先将LNG通过泵进行增压，然后用海水或空气将其加热，利用其压力能直接带动透平并膨胀做功，而有机朗肯循环法将LNG作为冷源，环境作为热源，选用适当工质组成低温朗肯循环。对于低温朗肯循环，工质的蒸发过程能较好的匹配LNG的气化过程，可以有效减少传热损失。目前该循环已经广泛投入使用，技术成熟，并且可以与直接膨胀法相结合，组成复合循环，进一步提高LNG的利用率。
当LNG气化为天然气后，可与空气混合燃烧，高温高压的燃烧产物在燃气轮机中膨胀做功。为了充分利用燃气轮机出口的烟气余热(600℃)，通常将其作为水蒸汽朗肯循环的热源。虽然基于天然气燃气轮机-水蒸汽朗肯循环的联合发电系统已非常成熟，但由于水的物性限制，该系统无法有效的利用LNG的冷能。
为了进一步提高基于LNG的发电效率，中国专利CN106837441B《一种利用LNG冷能的燃气轮机-氮气布雷顿循环联合发电系统》提出利用LNG分别将燃气轮机和氮气压气机进口的工质进行冷却，从而提高循环温比。此外，专利CN105257426A《一种利用S-CO2和ORC联合循环的船舶柴油机尾气余热发电系统》将尾气余热作为超临界CO2循环和ORC循环的热源，能达到综合回收船舶主机余热，显著提高柴油机的热效率。
为了综合利用LNG冷能发电与天然气燃烧发电，实现“温度对口、能量梯级利用”的目标，本发明将不同温度区间下的燃气轮机循环、超临界CO2循环和ORC循环耦合，提出了基于LNG冷能和天然气燃烧排热的联合发电系统，提高了整个热力系统的发电效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种能综合利用LNG冷能和天然气燃烧热能的基于LNG的燃气轮机-超临界CO2-ORC循环串联发电系统，达到进一步提高整个热力系统的发电效率的目的。
本发明这种基于LNG的燃气轮机-超临界CO2-ORC循环串联发电系统，包括有LNG的燃气轮机发电系统、超临界CO2循环发电系统和ORC循环发电系统，
其中：所述的LNG的燃气轮机发电系统包括有空气压缩机(1)，空气压缩机(1)的压缩空气出口与燃烧室(2)的空气入口相连，燃烧室(2)的燃料入口与天然气透平(5)的出口相连；LNG储罐(17)的出口与LNG泵(16)的入口相连，LNG泵(16)的出口与ORC工质-LNG换热器(14)天然气入口相连，ORC工质-LNG换热器(14)的天然气出口与天然气透平(5)入口相连；燃烧室(2)的烟气出口与燃烧轮机(3)的入口相连，燃烧轮机(3)的出口与S-CO2加热器(7)的烟气入口相连；
所述的超临界CO2循环发电系统包括有S-CO2加热器(7)，S-CO2加热器(7)的CO2的出口与S-CO2膨胀机(8)的入口相连，S-CO2膨胀机(8)的出口与S-CO2冷却器(10)的CO2入口相连，S-CO2冷却器(10)的CO2出口与S-CO2压缩机(11)入口，S-CO2压缩机(11)出口与S-CO2加热器(7)的CO2入口相连；
所述的ORC循环发电系统包括S-CO2冷却器(10)，S-CO2冷却器(10)的液体工质入口与ORC工质泵(15)的出口相连，ORC工质泵(15)的入口与ORC工质-LNG换热器(14)的液体工质出口相连，ORC工质-LNG换热器(14)气体工质入口与ORC膨胀机(12)的出口相连，ORC膨胀机(12)的入口与S-CO2冷却器(10)的气体工质出口相连；
所述的燃烧轮机(3)与第一发电机(4)相连，天然气透平(5)与第二发电机(6)相连；S-CO2膨胀机(8)与第三发电机(9)相连，ORC膨胀机(12)与第四发电机(13)相连；
所述的LNG的燃气轮机发电系统通过ORC工质-LNG换热器(14)与ORC循环发电系统串联；超临界CO2循环发电系统通过S-CO2冷却器(10)与ORC循环发电系统串联耦合，S-CO2冷却器(10)相当于ORC循环体系中的蒸发器。
所述的超临界CO2循环发电系统还包括有高温回热器(20)、低温回热器(19)、S-CO2再压缩机(18)；所述S-CO2膨胀机(8)的出口与高温回热器(20)高温端入口相连，高温回热器(20)低温端出口与低温回热器(19)的高温端入口连接，CO2气体经过低温回热器(19)的低温端出口分成两部分，分别与S-CO2冷却器(10)和S-CO2再压缩机(18)的CO2入口连接，S-CO2冷却器(10)的CO2出口与S-CO2压缩机(11)的入口相连，S-CO2压缩机(11)的出口与低温回热器(19)低温端入口相连；低温回热器(19)高温端出口以及S-CO2再压缩机(18)的出口均与高温回热器(20)低温端入口相连，高温回热器(20)高温端出口与S-CO2加热器(7)的入口相连。
再进一步，超临界CO2循环发电系统还包括有S-CO2再热器(21)、第二级S-CO2膨胀机(22)、第五发电机(23)。
所述的超临界CO2循环发电系统中：S-CO2加热器(7)的CO2出口与S-CO2膨胀机(8)入口相连，S-CO2膨胀机(8)出口与S-CO2再热器(21)的CO2入口相连，S-CO2再热器(21)的CO2出口与第二级S-CO2膨胀机(22)的入口相连，第二级S-CO2膨胀机(22)的出口与高温回热器(20)的高温端入口相连，高温回热器(20)、低温回热器(19)、S-CO2再压缩机(18)、S-CO2冷却器(10)和S-CO2压缩机(11)连接关系不变；S-CO2加热器(7)的烟气出口与S-CO2再热器(21)的烟气进口相连，S-CO2再热器(21)的烟气出口与工质-烟气过热器(24)的烟气入口相连；所述的ORC循环发电系统在S-CO2冷却器(10)与ORC膨胀机(12)之间连接工质-烟气过热器(24)，即S-CO2冷却器(10)的工质出口与工质-烟气过热器(24)的工质入口相连，工质-烟气过热器(24)的气体工质出口与ORC膨胀机(12)入口相连，其他设备连接关系不变。
所述的第二级S-CO2膨胀机(22)与第五发电机(23)相连。
所述的联合发电系统的各设备之间通过管道相连。
所述超临界CO2循环中，S-CO2膨胀机、第二级S-CO2膨胀机与S-CO2压缩机、S-CO2再压缩机按系统的具体空间布局，可以选择同轴或不同轴。
本发明的有益效果：1)本发明将LNG燃气燃烧发电后，进一步利用了其烟气的热能，使其对超临界CO2循环发电系统中的CO2介质进行加热，使烟气热能转化成电能，从而提高其发电效率。2)本发明中LNG的燃气轮机系统与ORC循环系统的串连，充分吸收其LNG冷能，并且ORC循环也会与超临界CO2循环系统进行串联，充分吸收高温CO2的热能，然后利用LNG冷能吸收ORC循环的工质排热，增大了ORC的循环温差，提高了ORC的系统效率。3)本发明的循环发电系统以天然气燃烧形成的高温高压产物作为循环串联系统的热源，以LNG冷能作为循环串联系统的冷源，实现了LNG消费过程的温度对口、能源梯级利用。4)本发明采用超临界CO2循环系统，在近临界区域(～>31℃)的压缩，降低了压缩功耗，可高效利用烟气的余热发电，而且相对于汽轮机发电系统节约了水资源，大幅缩减了发电系统的整体尺寸。5)所用的超临界CO2循环系统具有多种系统形式，如回热式、再热式、再压缩式，系统布置灵活、可进一步提高系统的发电效率。
附图说明
图1实施例1中的LNG的燃气轮机-超临界CO2-ORC循环串联发电系统连接示意图；
图2实施例2中的LNG的燃气轮机-超临界CO2-ORC循环串联发电系统连接示意图；
图3实施例3中的LNG的燃气轮机-超临界CO2-ORC循环串联发电系统连接示意图；
图中，1-空气压缩机、2-燃烧室、3-燃气轮机、4-第一发电机、5-LNG透平、6-第二发电机、7-S-CO2加热器、8-S-CO2膨胀机、9-第三发电机、10-S-CO2冷却器、11-S-CO2压缩机、12-ORC膨胀机、13-第四发电机、14-ORC工质-LNG换热器、15-ORC工质泵、16-LNG泵、17-LNG储罐、18-S-CO2再压缩机、19-低温回热器、20-高温回热器、21-S-CO2再热器、22-第二级S-CO2膨胀机、23-第五发电机、24-ORC工质-烟气过热器。
具体实施方式
下面结合附图中所列的三种联合循环结构说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所示的内容轻易的了解本发明的其它优点及功效。
实施例1
如图1所示，所述超临界CO2循环与ORC循环通过S-CO2冷却器10串联耦合。
所述燃气轮机发电系统：空气经空压机1进入燃烧室2，同时天然气从LNG储罐17经LNG泵16加压后，在ORC工质-LNG换热器14中蒸发气化，气化后的天然气在天然气透平5中膨胀做功并带动第二发电机6进行发电，天然气透平5出口的天然气直接送入燃烧室2与空气混合并燃烧，燃烧室2出口的高温高压气体在燃气轮机3中膨胀做功并带动第一发电机4进行发电，燃气轮机3排出的600℃左右的烟气进入S-CO2加热器7烟气入口，烟气通过S-CO2加热器7对超临界CO2循环发电系统CO2介质进行加热。
所述超临界CO2循环发电系统：CO2在S-CO2加热器7进行加热后，吸收高温烟气热量，在S-CO2膨胀机8中做功并带动第三发电机9进行发电，接着S-CO2膨胀机8出来的CO2经过S-CO2冷却器10，在S-CO2冷却器10吸收ORC循环工质的冷能，冷却至低温低压状态(～31℃，7.31MPa)，低温低压状态CO2进入S-CO2压缩机11进行压缩后，进入S-CO2加热器7，完成一次循环过程。该循环中S-CO2膨胀机8与S-CO2压缩机11是同轴的，即S-CO2膨胀机8做功时会带动同轴压缩机11对S-CO2进行压缩。
所述ORC循环发电系统：ORC工质-LNG换热器14吸收LNG的冷能(冷能为燃气轮机发电系统中，天然气蒸发气化产生的)，使管道中会凝结成低温液态工质，低温液态工质进入工质泵15加压，由工质泵15出口，流入S-CO2冷却器10(在此S-CO2冷却器相当于ORC蒸发器)吸收CO2的冷却热，气化完成相变，进入ORC-膨胀机12做功并带动第四发电机13进行发电，工质又会进入ORC工质-LNG换热器14吸收LNG的冷能，进入下一个循环。
实施例2
如图2所示，所述超临界CO2循环与ORC循环通过S-CO2冷却器10串联耦合。
所述燃气轮机发电系统：空气经空压机1进入燃烧室2，同时天然气从LNG储罐17经LNG泵16加压后，在ORC工质-LNG换热器14中蒸发气化，气化后的天然气在天然气透平5中膨胀做功并带动第二发电机6进行发电，天然气透平5出口的天然气直接送入燃烧室2与空气混合并燃烧，燃烧室2出口的高温高压气体在燃气轮机3中膨胀做功并带动第一发电机4进行发电，燃气轮机3排出的600℃左右的烟气进入S-CO2加热器7烟气入口，烟气通过S-CO2加热器7对超临界CO2循环发电系统CO2介质进行加热。
所述超临界CO2循环发电系统：CO2介质经S-CO2加热器7吸收高温烟气热量，对S-CO2膨胀机8做功并带动第三发电机9进行发电，接着S-CO2膨胀机8出来的高温低压CO2进入高温回热器20高温端入口，接着从高温回热器20低温出口进入低温回热器19高温端入口，CO2从低温回热器19的低温端出口出来后，分成两部分，一部分进入S-CO2冷却器10后进入S-CO2压缩机11成低温高压S-CO2，进入低温回热器19中，与进入的高温低压CO2进行换热；另一部分经S-CO2再压缩机18形成高压CO2与第一部分从低温回热器19中出来的CO2混合后进入高温回热器20与进入的高温低压CO2进行换热后，流入S-CO2加热器7，完成一次循环。由于超临界CO2循环中膨胀机8出口的高温S-CO2将导致冷却排热较大，故本实施例采用高低温回热器在循环内部进行热量的高效回收，以进一步提高超临界CO2循环的效率。所述的高温回热器20和低温回热器19有两对进出口，S-CO2膨胀机8出来为高温低压CO2，经S-CO2压缩机11和S-CO2再压缩机18出来的是高压CO2，在循环过程中高温低压CO2与高压CO2会在高温回热器20和低温回热器19进行热交换。此循环系统中，S-CO2膨胀机8与S-CO2压缩机11和S-CO2再压缩机18是同轴的，即S-CO2膨胀机8做功时会带动同轴S-CO2压缩机11和再压缩机18对CO2进行压缩。
所述ORC循环发电系统：ORC工质-LNG换热器14吸收LNG的冷能(冷能为燃气轮机发电系统中，天然气蒸发气化产生的)使管道中会凝结成低温液态工质，低温液态工质进入工质泵15加压，由工质泵15出口，工质流入S-CO2冷却器10(在此S-CO2冷却器相当于ORC蒸发器)吸收S-CO2的冷却热，气化完成相变，进入ORC-膨胀机12做功并带动第四发电机13进行发电，工质又会进入ORC工质-LNG换热器14吸收LNG的冷能，进入下一个循环。
实施例3
如图3所示，所述超临界CO2循环与ORC循环通过S-CO2冷却器10串联耦合。
所述燃气轮机发电系统：空气经空压机1进入燃烧室2，同时天然气从LNG储罐17经LNG泵16加压后，在ORC工质-LNG换热器14中蒸发气化，气化后的天然气在天然气透平5中膨胀做功并带动第二发电机6进行发电，天然气透平5出口的天然气直接送入燃烧室2与空气混合并燃烧，燃烧室2出口的高温高压气体在燃气轮机3中膨胀做功并带动第一发电机4进行发电，燃气轮机3排出的600℃左右的烟气进入S-CO2加热器7烟气入口，烟气先后通过S-CO2加热器7和S-CO2再热器21对超临界CO2循环发电系统CO2介质进行加热。
所述超临界CO2循环发电系统：CO2经S-CO2加热器7吸收高温烟气热量后，进入S-CO2膨胀机8做功，并带动第三发电机9进行发电，接着S-CO2膨胀机8出来的CO2进入S-CO2再热器21，吸收已经换热过一次的烟气的高温余热(烟气从S-CO2加热器7烟气出口排出后，进入S-CO2再热器21的烟气入口，进行第二次换热)，二次吸热后的CO2进入第二级S-CO2膨胀机22，膨胀机22做功，并带动第三发电机23进行发电，从第二级S-CO2膨胀机22排出的高温低压CO2进入高温回热器20高温端入口，接着从高温回热器20低温出口进入低温回热器19高温端入口，CO2从低温回热器19的低温端出口出来后，分成两部分，一部分进入S-CO2冷却器10后进入S-CO2压缩机11成低温高压S-CO2，进入低温回热器19中，与进入的高温低压CO2进行换热；另一部分经S-CO2再压缩机18形成高压CO2与第一部分从低温回热器19中出来的CO2混合后进入高温回热器20与进入的高温低压CO2进行换热后，流入S-CO2加热器7，完成一次循环。此循环系统中，S-CO2膨胀机8与S-CO2压缩机11和S-CO2再压缩机18是同轴的，即S-CO2膨胀机8做功时会带动同轴S-CO2压缩机11和再压缩机18对CO2进行压缩。
所述ORC循环发电系统：ORC工质-LNG换热器14吸收LNG的冷能(冷能为燃气轮机发电系统中，天然气蒸发气化产生的)使管道中会凝结成低温液态工质，低温液态工质进入工质泵15加压，由工质泵15出口，工质流入S-CO2冷却器10(在此S-CO2冷却器相当于ORC蒸发器)吸收S-CO2的冷却热，气化完成相变，然后通过ORC工质-烟气过热器24进一步吸收S-CO2再热器21的烟气出口出来的烟气余热形成过热蒸气，进入ORC-膨胀机12做功并带动第四发电机13进行发电，工质又会进入ORC工质-LNG换热器14吸收LNG的冷能，进入下一个循环。
由于S-CO2加热器7出口的烟气温度较高，故本实施例采用S-CO2再热器21和ORC工质-烟气过热器24来进一步回收烟气余热，从而提高整个发电系统的效率。

Claims (9)

1.一种基于LNG的燃气轮机-超临界CO2-ORC循环串联发电系统，其特征在于，包括有LNG的燃气轮机发电系统、超临界CO2循环发电系统和ORC循环发电系统；
其中：所述的LNG的燃气轮机发电系统：包括有空气压缩机(1)，空气压缩机(1)的压缩空气出口与燃烧室(2)的空气入口相连，燃烧室(2)的燃料入口与天然气透平(5)的出口相连；LNG储罐(17)的出口与LNG泵(16)的入口相连，LNG泵(16)的出口与ORC工质-LNG换热器(14)天然气入口相连，ORC工质-LNG换热器(14)的天然气出口与天然气透平(5)入口相连；燃烧室(2)的烟气出口与燃烧轮机(3)的入口相连，燃烧轮机(3)的出口与S-CO2加热器(7)的烟气入口相连；
所述的超临界CO2循环发电系统包括有S-CO2加热器(7)，S-CO2加热器(7)CO2的出口与S-CO2膨胀机(8)的入口相连，S-CO2膨胀机(8)的出口与S-CO2冷却器(10)的CO2入口相连，S-CO2冷却器(10)的CO2出口与S-CO2压缩机(11)入口，S-CO2压缩机(11)出口与S-CO2加热器(7)CO2入口相连；
所述的ORC循环发电系统包括S-CO2冷却器(10)，S-CO2冷却器(10)的液体工质入口与ORC工质泵(15)的出口相连，ORC工质泵(15)的入口与ORC工质-LNG换热器(14)的液体工质出口相连，ORC工质-LNG换热器(14)气体工质入口与ORC膨胀机(12)的出口相连，ORC膨胀机(12)的入口与S-CO2冷却器(10)的气体工质出口相连；
所述的燃烧轮机(3)与第一发电机(4)相连，天然气透平(5)与第二发电机(6)相连；S-CO2膨胀机(8)与第三发电机(9)相连，ORC膨胀机(12)与第四发电机(13)相连。
2.根据权利要求1所述的基于LNG的燃气轮机-超临界CO2-ORC循环串联发电系统，其特征在于，所述的LNG的燃气轮机发电系统通过ORC工质-LNG换热器(14)与ORC循环发电系统串联；超临界CO2循环发电系统通过S-CO2冷却器(10)与ORC循环发电系统串联耦合。
3.根据权利要求1所述的基于LNG的燃气轮机-超临界CO2-ORC循环串联发电系统，其特征在于，所述的超临界CO2循环发电系统还包括有高温回热器(20)、低温回热器(19)、S-CO2再压缩机(18)；所述S-CO2膨胀机(8)的出口与高温回热器(20)高温端入口相连，高温回热器(20)低温端出口与低温回热器(19)的高温端入口连接，CO2气体经过低温回热器(19)的低温端出口分成两部分，分别与S-CO2冷却器(10)和S-CO2再压缩机(18)的CO2入口连接，S-CO2冷却器(10)的CO2出口与S-CO2压缩机(11)的入口相连，S-CO2压缩机(11)的出口与低温回热器(19)低温端入口相连；低温回热器(19)高温端出口与S-CO2再压缩机(18)的出口均与高温回热器(20)低温端入口相连，高温回热器(20)高温端出口与S-CO2加热器(7)的CO2入口相连。
4.根据权利要求3所述的基于LNG的燃气轮机-超临界CO2-ORC循环串联发电系统，其特征在于，超临界CO2循环发电系统还包括有S-CO2再热器(21)、第二级S-CO2膨胀机(22)、第五发电机(23)、ORC循环系统还包括工质-烟气过热器(24)。
5.根据权利要求4所述的基于LNG的燃气轮机-超临界CO2-ORC循环串联发电系统，其特征在于，所述的超临界CO2循环发电系统S-CO2加热器(7)的烟气出口与S-CO2再热器(21)的烟气入口相连；S-CO2膨胀机(8)出口与S-CO2再热器(21)的CO2入口相连，S-CO2再热器(21)的CO2出口与第二级S-CO2膨胀机(22)的入口相连，第二级S-CO2膨胀机(22)的出口与高温回热器(20)的高温入口端相连，高温回热器(20)、低温回热器(19)、S-CO2再压缩机(18)、S-CO2冷却器(10)和S-CO2压缩机(11)连接关系不变；S-CO2再热器(21)的烟气出口与工质-烟气过热器(24)的烟气入口相连；所述的ORC循环发电系统在S-CO2冷却器(10)与ORC膨胀机(12)之间连接工质-烟气过热器(24)，即S-CO2冷却器(10)的气体工质出口与工质-烟气过热器(24)的气体工质入口相连，工质-烟气过热器(24)的气体工质出口与ORC膨胀机(12)入口相连，其他设备连接关系不变。
6.根据权利要求5所述的基于LNG的燃气轮机-超临界CO2-ORC循环串联发电系统，其特征在于，超临界CO2循环发电系统通过S-CO2冷却器(10)和工质-烟气过热器(24)与ORC循环发电系统串联。
7.根据权利要求5所述的基于LNG的燃气轮机-超临界CO2-ORC循环串联发电系统，其特征在于，所述的第二级S-CO2膨胀机(22)与第五发电机(23)相连。
8.根据权利要求1或3或5所述的基于LNG的燃气轮机-超临界CO2-ORC循环串联发电系统，其特征在于，所述的联合发电系统的各设备之间通过管道相连。
9.根据权利要求1或3或5所述的基于LNG的燃气轮机-超临界CO2-ORC循环串联发电系统，其特征在于，所述超临界CO2循环中，S-CO2膨胀机(8)、第二级S-CO2膨胀机(22)与S-CO2压缩机(11)、S-CO2再压缩机(18)按系统的具体空间布局，可以选择同轴或不同轴。
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