CN110849073A - 一种lng冷能综合利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LNG冷能综合利用系统，包括LNG储存中心、空分系统、核能发电系统、冷库系统及供气管网，LNG储存中心的出口端分两路设置，其中第一路与空分系统连接，第二路与核能发电系统连接；LNG储存中心中的LNG分别通过空分系统及核能发电系统换热后进入冷库系统，换热后的LNG与冷库系统的冷却工质再次换热后，通入供气管网，并通过供气管网与用气用户连接；空分系统用于获得液态CO2；本发明提供了一种LNG冷能综合利用系统，通过空分系统、核能发电系统及冷库系统，实现了LNG冷能的分梯度利用，避免了单一使用造成能源浪费，能量利用率高，适用性较强；采用LNG作为核能发电系统的冷却保护，安全可靠；同时本发明还具有结构紧凑，节能环保的特点。
Description
技术领域
本发明属于LNG综合利用技术领域，尤其涉及一种LNG冷能综合利用系统。
背景技术
液化天然气(LNG)是常压天然气经压缩并冷却至约-162℃左右的液体，具有能量密度大、燃料热值高、清洁环保等优点，常采用高压钢瓶存储；使用时需先气化成常压天然气，该过程中会吸收大量的热量；而LNG的生产需要消耗大量的能量，其本身储存有品位较高的冷能以及压力能，上述能量如果不加以回收利用，直接利用海水或者空气加热对LNG进行加热无疑是一种巨大的损失，同时，会或多或少地造成环境的冷污染。
国外早有利用LNG冷能作为冷源来发电的应用，主要是直接膨胀法发电、有机朗肯循环膨胀发电及直接膨胀联合有机朗肯循环(ORC)膨胀发电的方法。考虑到国内天然气的入网压力需求以及LNG大部分需要进入天然气管网中送给用户；因此，采用LNG直接膨胀发电方式已不适用。目前，国内的LNG的冷能主要提供给空分行业，能量利用率较低，此外若只是单纯采用有机朗肯循环发电的方案，在利用LNG的冷能时无法做到梯级利用，造成高品位冷能的浪费，而且大部分ORC工质都是一些低温制冷剂，或多或少存在高GWP值以及ODP值的缺点，一旦发生泄漏，对环境的影响是灾难性的。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种基于LNG冷能利用的核岛自冷却保护系统，以解决现有技术中LNG冷能利用率较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
本发明提供了一种LNG冷能综合利用系统，包括LNG储存中心、空分系统、核能发电系统、冷库系统及供气管网，LNG储存中心的出口端分两路设置，其中第一路与空分系统连接，第二路与核能发电系统连接；LNG储存中心中的LNG分别通过空分系统及核能发电系统换热后合并进入冷库系统，换热后的LNG与冷库系统的冷却工质再次换热后，通入供气管网，并通过供气管网与用气用户连接。
进一步的，LNG储存中心包括LNG储罐、主供管路、第一支路及第二支路；LNG储罐的出口端与主供管路的一端连接，主供管路的另一端分两路设置，其中一路与第一支路的一端连接，第一支路的另一端与空分系统连接；另一路与第二支路的一端连接，第二支路的另一端与核能发电系统连接。
进一步的，LNG储存中心还包括LNG主流量控制阀及LNG应急流量控制阀，LNG主流量控制阀设置在第一支路上，LNG应急流量控制阀设置在第二支路上。
进一步的，空分系统能够获得液态CO2；空分系统包括空气源、空气预冷器、CO2分离塔、CO2储液罐及空分装置；
LNG储存中心的出口端与空气预冷器的LNG侧进口端连接，空气预冷器的LNG侧出口端与冷库系统连接；
空气源的出口端与空气预冷器的空气侧进口端连接，空气预冷器的空气侧出口端与CO2分离塔的进口端连接；CO2分离塔的CO2出口端与CO2储液罐连接，CO2储液罐用于储存空分系统分离出的液态CO2；液态CO2一部分作为跨临界CO2循环发电系统的循环工质，另一部分用作海水淡化系统的冷源。
进一步的，核能发电系统包括核裂变反应堆，LNG储存中心的出口端与核裂变反应堆的中空层的一端连通，核裂变反应堆的中空层的另一端与冷库系统连通；核裂变反应堆中的中空层在核裂变反应堆正常工作状态为真空状态。
进一步的，核能发电系统还包括第一回路换热器、第一回路水泵、再热器、主汽阀、蒸汽透平、第一发电机、第二回路换热器、第二回路水泵、给水泵、再热旁通阀及冷凝器；
核裂变反应堆设置在核岛内，核裂变反应堆的中心层冷却水出口端与第一回路换热器的冷却水侧进口端连接，第一回路换热器的冷却水出口端与第一回路水泵的进水口连接，第一回路水泵的出水口通过管路与中心层冷却水进口端连接；
再热器、主汽阀、蒸汽透平、第一发电机、第二回路换热器、第二回路水泵、给水泵、再热旁通阀及冷凝器均设置在核岛外；第一回路换热器的置换水侧出口端分两路设置，其中一路与再热器的置换水侧进口端连接，另一路与第二回路换热器的置换水侧进口端连接；再热器的置换水出口端及第二回路换热器的置换水出口端均通过管路与第二回路水泵的进水口连接，第二回路水泵的出水口通过管路与第一回路换热器的置换水侧进口端连接；
再热器的动力水侧出口端通过管路与蒸汽透平的补汽进口连接，蒸汽透平的一次做功乏汽出口与再热器的动力水侧进口端连接；蒸汽透平的动力输出端与第一发电机的输入端连接；
第二回路换热器的动力水侧出口端分两路设置，其中一路与主汽阀的进口端连接，主汽阀的出口端与蒸汽透平的新汽进口连接；另一路与再热旁通阀的进口端连接，再热旁通阀出口端及蒸汽透平的乏汽出口与冷凝器的进口连接，冷凝器的另一端与给水泵的进水口连接，给水泵的出水口与第二回路换热器的动力水侧进口端连接。
进一步的，跨临界CO2循环发电系统包括CO2增压泵、一次冷能交换器、流量控制阀、高温蒸发器、CO2高温主气阀、CO2透平、第二发电机、CO2高温旁通阀、CO2低温主气阀、CO2低温旁通阀及CO2冷凝器；
CO2增压泵的进口端与空分系统的液态CO2出口端连接，CO2增压泵的出口端与一次冷能交换器的CO2侧进口端连接，一次冷能交换器的CO2侧出口端分三路设置，其中第一路与流量控制阀的一端连接，第二路与CO2低温主气阀的一端连接，第三路与CO2低温旁通阀的一端连接；流量控制阀的另一端与高温蒸发器的CO2侧进口端连接，高温蒸发器的CO2侧出口端分两路设置，其中一路与CO2高温主气阀的一端连接，另一路与CO2高温旁通阀的一端连接；
CO2高温主气阀的另一端与CO2透平的新气入口连接，CO2透平的动力输出端与第二发电机输入端连接；CO2高温旁通阀的另一端及CO2透平的乏气出口均与CO2冷凝器的壳侧进口端连接，CO2冷凝器的壳侧出口端与CO2增压泵的进口端连接；CO2低温主气阀的另一端与CO2透平的补气进口连接，CO2低温旁通阀的另一端与CO2冷凝器的壳侧进口端连接；
经过空分系统及核能发电系统换热后的LNG通过管路与CO2冷凝器的管侧进口连接，CO2冷凝器的管侧出口与冷库系统连接。
进一步的，冷库系统包括冷库、压缩机及二次冷能交换器，经过空分系统及核能发电系统换热后的LNG通过管路与二次冷能交换器的LNG侧进口端连接，二次冷能交换器的LNG侧出口端通过管路与供气管网连接；冷库的冷却工质出口端与压缩机的进口端连接，压缩机的出口端通过管路与二次冷能交换器的冷却工质侧进口端连接，二次冷能交换器的冷却工质出口侧与冷库的冷却工质进口端连接。
进一步的，还包括海水冷却系统，海水冷却系统设置在冷库系统与供气管网之间，用于将LNG加热至常温。
进一步的，海水淡化系统包括海水淡化装置、空气流量控制阀、鼓风机、槽式集热装置及制盐或钠镁工业厂；海水淡化装置包括遮光保温墙、透光墙、导流器、淡水储存槽、立式储水槽、高压海水喷淋装置及波纹管散热器；
遮光保温墙设置在透光墙的上部，遮光保温墙采用中空非透光材料制作；导流器、淡水储存槽及立式储水槽设置在遮光保温墙层中；
导流器设置在遮光保温墙的顶部，导流器的下方依次设置淡水储存槽及立式储水槽，立式储水槽设置在遮光保温墙的最下端；导流器为中空结构，导流器与遮光保温墙的中空腔体连通，导流器及遮光保温墙内充填有冷却循环工质，遮光保温墙的循环工质出口端通过管路与一次冷能交换器的工质侧进口连接，一次冷能交换器的工质侧出口通过管路与遮光保温墙的循环工质进口端连接；
高压海水喷淋装置及波纹管散热器从上到下依次设置在透光墙层中，高压空气海水喷淋装置与海水增压泵的出水口端连接；波纹管散热器的导热工质进口端与高温蒸发器的导热工质侧出口端连接，波纹管散热器的导热工质出口端通过管路与槽式集热装置的进口端连接，槽式集热器的出口端通过管路与高温蒸发器的导热工质侧进口端连接；透光墙的底部出口通过管路与制盐或钠镁工业厂连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种LNG冷能综合利用系统，通过空分系统、核能发电系统及冷库系统，实现了LNG冷能的分梯度利用，避免了单一使用造成能源浪费，能量利用率高，适用性较强；采用LNG作为核能发电系统的冷却保护，安全可靠；同时本发明还具有结构紧凑，节能环保的特点。
进一步的，通过在核裂变反应堆的混凝土外层中内嵌设置一个中空层，中空层在核裂变反应堆正常工作状态下为真空状态；当核裂变反应堆的冷却水系统发生故障时，LNG在负压条件下，迅速进入核裂变反应堆的中空层，实现对核裂变反应堆的有效冷却。
进一步的，将核能发电系统中常规的二回路发电系统改变为三回路发电系统，有效防止了一回路中的含有放射性物质的热水进入蒸汽透平中，极大地降低了放射性物质泄漏的风险；通过设置再热器，其热源来自二回路中的分支热水，确保了蒸汽透平在较低蒸汽参数下能够输出更多的功率；通过设置再热旁通阀，避免了蒸汽透平故障意外停机。
进一步的，经LNG冷凝成饱和液态的CO2经泵增压后进入一次冷能交换器中吸热，然后进入核能发电系统的冷凝器中吸收乏汽的热量成为常温高压的超临界蒸气；当系统处在正常工作状态下，低温旁通阀以及高温旁通阀均处于关闭的状态；为了避免两股不同参数的蒸气同时进入透平中无法同时膨胀，因此采用补气的方式，将低温的蒸气作为补气来设计机组，从而满足热力参数与结构相匹配；跨临界CO2循环发电系统中，通过在高温支路和低温支路中分别设置旁通阀，满足了整个系统在CO2透平意外停机时仍能够正常地工作。
进一步的，通过设置二次冷能交换器，实现了LNG中低温冷能的回收，提供给冷库，冷库出口连接压缩机后再与二次冷能交换器连接，紧接着连接冷库，形成循环闭路。
进一步的，通过设置LNG加热器，由海水将较高温的LNG加热至常温状态然后送入管网提供给用户，避免了采用海水直接加热LNG造成能量损失，避免造成环境的冷污染。
进一步的，海水淡化装置采用上下两层的拼装结构设计，上层遮光保温墙采用中空非透光材料，下层透光墙采用实心透光材料，实现了在日光条件较好的条件下，充分利用太阳能的热量加速海水蒸发，安全可靠；立式储水槽安装在遮光保温墙最下端，收集沿着壁面流下来的冷凝水，淡水储水器则负责收集沿着导流器滴落的淡水。波纹管散热器出口连接导热工质增压泵，然后与槽式集热装置连接；波纹管散热器导热工质进口端连接高温蒸发器导热工质出口端，高温蒸发器导热工质进口端与槽式集热装置导热工质出口端连接，形成闭路循环；水分大量蒸发后的浓缩海水，正好可以作为生产原料提供给制盐、钠镁等工业，变废为宝，避免了直接排放造成的污染。
附图说明
图1为本发明所述的LNG冷能综合利用系统的整体结构示意图；
图2为本发明所述的LNG冷能综合利用系统中的海水淡化装置结构示意图。
其中，1 LNG储存中心，2空分系统，3核能发电系统，4跨临界CO2循环发电系统，5冷库系统，6海水加热系统，7供气管网，8海水淡化系统；11 LNG储罐，12主供管路，13第一支路，14第二支路，15 LNG主流量控制阀，16 LNG应急流量控制阀；21空气源，22空分鼓风机，23空分预冷器，24 CO2分离塔，25 CO2储液罐，26空分装置；31核裂变反应堆，32第一回路换热器，33第一回路水泵，34再热器，35主汽阀，36蒸汽透平，37第一发电机，38第二回路换热器，39第二回路水泵，310给水泵，311再热旁通阀，312冷凝器；41 CO2增压泵，42一次冷能交换器，43流量控制阀，44高温蒸发器，45高温主气阀，46 CO2透平，47第二发电机，48 CO2高温旁通阀，49 CO2低温主气阀，410 CO2低温旁通阀，411 CO2冷凝器；51冷库，52压缩机，53二次冷能交换器；61海水源，62海水增压泵，63 LNG加热器；81海水淡化装置，82空气流量控制阀，83鼓风机，84槽式集热装置，85制盐或钠镁工业厂，86工质增压泵；811遮光保温墙，812透光墙，813导流器，814淡水储存槽，815立式储水槽，816高压海水喷淋装置，817出风口，818波纹管散热器。
具体实施方式
为了更好地解释本发明中的技术方案，下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述，所述的实施例只是本发明实施例中的一部分，不能作为本发明实施例的全部代表。
如附图1、2所示，本发明提供了一种LNG冷能综合利用系统，包括LNG储存中心1、空分系统2、核能发电系统3、跨临界CO2循环发电系统4、冷库系统5、海水加热系统6、供气管网7及海水淡化系统8；LNG储存中心1的出口端分两路设置，其中第一路与空分系统2连接，用于为空分系统2提供冷能；第二路与核能发电系统3连接，用于为核能发电系统3提供冷能，实现对核能发电系统3的紧急冷却保护；LNG分别通过空分系统2及核能发电系统3换热后，换热后的LNG合并后依次通过跨临界CO2循环发电系统4、冷库系统5及海水加热系统6后，与供气管网4连接，并通过供气管网6与用气用户连接；空分系统2用于将空气中的CO2分离，分离出的CO2为跨临界CO2循环发电系统4提供动力源进行发电；海水淡化系统8与空分系统2及跨临界CO2循环发电系统4连接，空分系统2及跨临界CO2循环发电系统4分别为海水淡化系统8提供冷源。
LNG储存中心1包括LNG储罐11、主供管路12、第一支路13、第二支路14、LNG主流量控制阀15及LNG应急流量控制阀16；LNG储罐11的出口端与主供管路12的一端连接，主供管路12的另一端分两路设置，其中一路与第一支路13的一端连接，第一支路13的另一端与空分系统2连接；另一路与第二支路14的一端连接，第二支路14的另一端与核能发电系统3连接；LNG主流量控制阀15设置在第一支路13上，LNG应急流量控制阀16设置在第二支路14上。
空分系统2包括空气源21、空分鼓风机22、空气预冷器23、CO2分离塔24、CO2储液罐25及空分装置26；空气源21的出口端与空分鼓风机22的进口端连接，空分鼓风机22的出口端与空气预冷器23的空气侧进口端连接，空气预冷器23的空气侧出口端与CO2分离塔24的进口端连接；CO2分离塔24的CO2出口端与CO2储液罐25连接，CO2储液罐25的出口端通过管路依次与海水淡化系统8及跨临界CO2循环发电系统4连接；CO2分离塔24的空分出口端通过管路与空分装置26连接。第一支路13的另一端与空气预冷器23的LNG侧进口端连接，LNG在空气预冷器23内与空气进行换热，LNG在空气预冷器23的LNG侧出口端通过管路与跨临界CO2循环发电系统4连接。
核能发电系统3包括核裂变反应堆31、第一回路换热器32、第一回路水泵33、再热器34、主汽阀35、蒸汽透平36、第一发电机37、第二回路换热器38、第二回路水泵39、给水泵310、再热旁通阀311及冷凝器312。
核裂变反应堆31、第一回路换热器32及第一回路水泵33均设置在核岛内，核裂变反应堆31设置在核岛的中心区域；核燃料控制棒设置在核裂变反应堆31的中心层，用于控制核裂变反应堆31的反应速率；核裂变反应堆31的中心层采用水均匀充填；中心层高温热水端与第一回路换热器32的高温热水侧进口端连接，第一回路换热器32的低温热水出口端与第一回路水泵33的进水口连接，第一回路水泵33的出水口通过管路与中心层低温热水进口端连接；LNG应急流量控制阀16的出口端与核裂变反应堆31的中空层进口端连接，LNG应急流量控制阀16打开时，LNG进入核裂变反应堆31内，实现对核裂变反应堆31的冷却保护。
再热器34、主汽阀35、蒸汽透平36、第一发电机37、第二回路换热器38、第二回路水泵39、给水泵310、再热旁通阀311及冷凝器312均设置在核岛外；第一回路换热器32的置换水侧出口端分两路设置，其中一路与再热器34的置换水侧进口端连接，另一路与第二回路换热器38的置换水侧进口端连接；再热器34的置换水出口端及第二回路换热器38的置换水出口端均通过管路与第二回路水泵39的进水口连接，第二回路水泵39的出水口通过管路与第一回路换热器32的置换水侧进口端连接。
再热器34的动力水侧出口端通过管路与蒸汽透平36的补汽进口连接，蒸汽透平36的一次做功乏汽出口通过管路与再热器34的动力水侧进口端连接；蒸汽透平36的动力输出端通过刚性联轴器与第一发电机37输入端连接。
第二回路换热器38的动力水侧出口端分两路设置，其中一路与主汽阀35的进口端连接，主汽阀35的出口端与蒸汽透平36的新汽进口连接；另一路与再热旁通阀311的进口端连接，再热旁通阀311出口端与蒸汽透平36的乏汽出口均通过管路与冷凝器312的壳侧进口端连接，冷凝器312的壳侧出口端与给水泵310的进水口连接，给水泵310的出水口通过管路与第二回路换热器38的动力水侧进口端连接。
跨临界CO2循环发电系统4包括CO2增压泵41、一次冷能交换器42、流量控制阀43、高温蒸发器44、CO2高温主气阀45、CO2透平46、第二发电机47、CO2高温旁通阀48、CO2低温主气阀49、CO2低温旁通阀410、CO2冷凝器411及CO2补气控制阀412。
CO2增压泵41的进口端通过管路与CO2储液罐25的出口端连接，管路上设置有CO2补气控制阀412；CO2增压泵41的出口端与一次冷能交换器42的CO2侧进口端连接，一次冷能交换器42的CO2侧出口端连接与冷凝器312的管侧进口端连接；冷凝器312的管侧出口端分三路设置，其中第一路与流量控制阀43的一端连接，第二路与CO2低温主气阀49的一端连接，第三路与CO2低温旁通阀410的一端连接；流量控制阀43的另一端与高温蒸发器44的CO2侧进口端连接，高温蒸发器44的CO2侧出口端分两路设置，其中一路与CO2高温主气阀45的一端连接，另一路与CO2高温旁通阀48的一端连接。
CO2高温主气阀45的另一端与CO2透平46的新气进口连接，CO2透平46的动力输出端通过刚性联轴器与第二发电机47的输入端连接；CO2高温旁通阀48的另一端及CO2透平46的乏气出口均通过管路与CO2冷凝器411的壳侧进口端连接，CO2冷凝器411的壳侧出口端与CO2增压泵41的进口端连接；CO2低温主气阀49的另一端与CO2透平46的补气进口连接，CO2低温旁通阀410的另一端与CO2冷凝器411的壳侧进口端连接。LNG在空气预冷器23的LNG侧出口端及核裂变反应堆31的中空层出口端均通过管路与CO2冷凝器411的管侧进口连接，CO2冷凝器411的管侧出口与冷库系统5连接。
冷库系统5包括冷库51、压缩机52及二次冷能交换器53，CO2冷凝器411的管侧出口通过管路与二次冷能交换器53的LNG侧进口端连接，二次冷能交换器53的LNG侧出口端通过管路与海水冷却系统6连接；冷库51的冷却工质出口端与压缩机52的进口端连接，压缩机52的出口端通过管路与二次冷能交换器53的冷却工质侧进口端连接，二次冷能交换器53的冷却工质出口侧与冷库51的冷却工质进口端连接；其中冷却工质采用液氨。
海水冷却系统6包括海水源61、海水增压泵62及LNG加热器63，海水源61的出口端通过管路与海水增压泵62的进水口连接，海水增压泵62的出水口分两路设置，其中一路与LNG加热器63的海水侧进口端连接，另一路与海水淡化系统8连接，LNG加热器63的海水侧出口端与海水排放系统连接；二次冷能交换器53的LNG侧出口端通过管路与LNG加热器63的LNG侧进口端连接，LNG加热器63的LNG侧出口端与供气管网7连接。
海水淡化系统8包括海水淡化装置81、空气流量控制阀82、鼓风机83、槽式集热装置84、制盐或钠镁工业厂85及工质增压泵86，海水淡化装置81包括遮光保温墙811、透光墙812、导流器813、淡水储存槽814、立式储水槽815、高压海水喷淋装置816、出风口817及波纹管散热器818；海水淡化装置81采用上下两层的拼装结构，遮光保温墙811设置在透光墙812的上部，遮光保温墙811采用中空非透光材料制作，遮光保温墙811的中空腔体用于填充冷却工质；透光墙812采用实心透光材料，用于接收太阳光照，加速对海水的蒸发；
导流器813、淡水储存槽814及立式储水槽815设置在遮光保温墙811层中；导流器813设置在遮光保温墙811的顶部，导流器813的下方依次设置淡水储存槽814及立式储水槽815，立式储水槽815设置在遮光保温墙811的最下端，用于收集沿遮光保温墙811避免流下的冷凝水；淡水储存器814用于收集沿导流器滴落的淡水；导流器813为中空结构，导流器813与遮光保温墙811的中空腔体连通，导流器813及遮光保温墙811内充填有冷却循环工质，遮光保温墙811的循环工质出口端通过管路与一次冷能交换器42的工质侧进口连接，一次冷能交换器42的工质侧出口通过管路与遮光保温墙811的循环工质进口端连接；其中，冷却循环工质采用液氨。
高压海水喷淋装置816、出风口817及波纹管散热器818从上到下依次设置在透光墙812层中，高压空气海水喷淋装置816与海水增压泵62的出水口端连接；出风口817的进风端与鼓风机83的出风口连接，鼓风机83的进风口通过管路与空气流量控制阀82的一端连接，空气流量阀82的另一端与空气源21的出口端连接；波纹管散热器818的导热工质进口端与高温蒸发器44的导热工质侧出口端连接，波纹管散热器818的导热工质出口端通过管路与槽式集热装置815的进口端连接，管路上设置有工质增压泵86；槽式集热器815的出口端通过管路与高温蒸发器44的导热工质进口端连接；透光墙812的底部出口通过管路与制盐或钠镁工业厂连接。导热工质采用导热水或导热油。
工作原理
本发明所述的一种LNG冷能综合利用系统，LNG的深冷冷能为空分系统提供空气预冷冷能，同时当核能发电系统的水冷却保护系统出现故障时，LNG的深冷冷能为核能发电系统提供冷却保护；LNG通过空分系统或核能发电系统换热后，依次作为跨临界CO2循环发电系统的冷源冷却乏气及冷库系统冷源，最后经过海水加热系统加热至常温后进入供气管网提供给用气用户。
空分系统中空气经空分鼓风机增压后回收利用LNG的深冷冷能，然后进入CO2分离塔中分离出液态的CO2，作为跨临界CO2循环系统的循环工质来源及海水淡化系统的冷源。
LNG储存中心通过旁路系统，进入核裂变反应堆的外围中空层，核能发电系统中的给水泵在无法正常工作的情况下，LNG紧急流量控制阀打开，LNG利用自身压力能自发地流入核裂变反应堆的外围中空层，从外围冷却核裂变反应堆，避免了核安全事故的发生。本发明中将常规的核能发电系统中的二回路改变为三回路，降低了一回路中放射性水的泄漏风险；同时为了弥补设置三回路带来的发电蒸汽参数降低，设置蒸汽再热回路，以提升蒸汽的参数，增大了蒸汽透平的功率；通过设置旁路，避免了蒸汽透平无法正常工作的情况。
跨临界CO2循环发电系统利用核能发电系统的冷却水系统的中热水以及槽式集热装置中的导热工质作为热源，经过空分系统分离出的液态CO2作为循环工质，实现了跨临界CO2循环发电系统的工作。
核能发电系统中的冷凝器同时作为跨临界CO2循环发电系统的低温蒸发器，以减少大量冷却水的使用，同时也避免了具有一定温度的冷却水的排放带来的海洋热污染。
海水淡化系统中利用经过换热后的导热工质及太阳能作为热源，以经过空分系统分离出的液态CO2作为冷源，加压后的高压海水经高压海水喷淋装置在透光墙层中，形成海水喷雾；海水喷雾经过波纹管换热器或太阳光热条件下，加热形成水蒸气，在密度差的情况下，水蒸气自发地向上流动，当水蒸气遇到温度较低的遮光保温层以及导流器时，发生凝结，产生的小水滴在重力作用下，沿着光滑的壁面流至淡水储水器及立式储水槽中，实现了海水淡化；通过在海水喷淋装置的下方设置波纹管散热器，保证了海水的有效蒸发；波纹管散热器中的导热油通过槽式集热装置及高温蒸发器提供热量。
海水淡化装置的下层采用透光设置，合理利用太阳能加速海水蒸发；同时考虑到天气原因，在没有太阳照射情况下，采用鼓风机往海水淡化装置中鼓风，增加空气流动的方式，保证海水的蒸发速率；经过海水蒸发后，浓度提升，采用将透光层的底部通过管路与制盐或钠镁工厂连通，将高浓度的海水作为生产原料提供给制盐或钠镁工业工厂，避免了高浓度海水直接排放后造成严重污染。通过设置槽式集热装置，提升了蒸气的参数；液态CO2的出口端分两路设置，一部分经过核能发电系统的冷凝器加热成常温超临界状态直接进入CO2透平中膨胀，另一分支则进入高温蒸发器中经槽式集热装置的工质进行加热至高温超临界状态。两路CO2流量分别由流量控制阀以及CO2低温主气阀的开度配合决定，为了满足两股不同蒸气参数的CO2能够在同一个透平中膨胀做功，将低参数的CO2作为补气引入到CO2透平中，高参数的蒸气则从CO2透平的新气入口进入，这样可以有效保障系统在无光照条件下仍能够正常运行。此外，高温支路与低温支路分别设置了旁路，以满足透平无法正常工作时整个系统仍然能够正常运行。
海水淡化后的浓缩海水作为原料提供给制盐、钠镁工业，避免了直接排放带来的污染。海水淡化装置中的循环制冷剂采用液氨。
以下对本发明做进一步详细解释说明
本发明所述的一种LNG冷能综合利用系统中空分系统、核能发电系统、跨临界CO2循环发电系统及海水淡化系统之间相互耦合，具有结构紧凑，能量利用效率高，节能环保以及安全可靠的特点。
将LNG储存中心中具有深冷冷能的LNG一路通往核岛，另一路通往空分系统；当核岛运行正常时，LNG紧急流量控制阀关闭，LNG主流量控制阀开启，液态的天然气进入空气预冷器中吸收大量热量，利用空气回收利用LNG中的深冷冷能，形成气态天然气；然后气态的天然气进一步进入CO2冷凝器中作为冷源将乏气CO2冷却至液态；气态的天然气温度进一步提升；之后，进入二次冷能交换器中吸收来自冷库循环的制冷工质的冷量，实现冷库低温环境的稳定维持。最后，低温天然气经海水加热系统，经过海水加热至常温天然气，进入供气管网送给用气用户。
空气经空气预冷器预冷后进入CO2塔中分离出液态的CO2，进入CO2储罐中，剩余的气体混合物则进入空分装置。LNG将冷能传递给加压后的空气，空气预冷器LNG侧的出口与来自核岛LNG支路出口管道连接，汇合后的LNG共同进入CO2冷凝器中。
跨临界CO2循环发电系统利用核能发电系统的冷却水以及槽式集热装置中导热工质作为热源，槽式集热装置中的导热工质采用的热水或导热油；同时，利用空分系统获得的液态CO2作为冷源提供给海水淡化系统，放热后的槽式集热装置中的导热工质进入海水淡化装置中加热海水，增加海水汽化的速率。
本发明所述的一种LNG冷能综合利用系统，实现了LNG冷能的梯级利用，合理解决了核电系统高温冷却水无法处理的问题，同时为解决了核裂变反应堆一回路给水泵故障或电力崩溃带来的反应堆无法正常冷却的技术问题，并且将海港城市的海水资源优势合理用来生产淡水，大幅度提升了能量的转换效率，实现了资源的合理利用。
本发明所述的一种LNG冷能综合利用系统，为了保证LNG进入核岛中能够充分带走反应堆停堆后堆芯产生的热量，配套的核反应堆的混凝土外层中内嵌一个中空层，与反应堆直接接触的部分采用导热性较好的材料，中空层在正常工作状态下是真空，外层则是采用混凝土覆盖，防止放射线逸出。在保证反应堆正常状态下提供较好的隔热措施，又可以保证发生紧急情况下堆芯能够有效得到冷却。在核岛运行出现一回路水泵故障或者其它导致反应堆中的热量无法转移的情况时，LNG紧急流量控制阀开启，相应地，LNG主流量控制阀门关闭，LNG利用自身的压力能自发地进入核岛，在反应堆外围的中空层中通过汽化吸热的方式带走反应堆中的大量热量，同时控制棒也应即时停止反应，在控制棒插入后至反应堆完全停止反应之前，堆芯产生的热量由LNG带走。气化后的天然气再进入CO2冷凝器中带走热量。
核能发电系统中的一回路中的热水经增压泵增压后进入核裂变反应堆内吸收热量，然后进入一回路换热器中将热量释放给二回路中的热水。为了防止一回路中的含有放射性物质的热水进入透平中，将常规的二回路发电系统设计成三回路发电系统，这样就可以极大地降低放射性物质泄露出来的风险。同时为了确保透平在较低蒸汽参数下能输出更多的功率，在系统中设置了再热器，热源来自二回路中的分支热水。此外，通过设置旁路阀以应对透平故障意外停机。透平通过刚性联轴器带动发电机发电，乏汽经冷凝后被给水泵加压至工作压力下然后再进入二回路换热器中吸热，形成整个循环。
一回路低温工质端的出口分别连接二回路换热器以及再热器，两个换热器的二回路出口连接在一起，然后通过管道与二回路水泵连接后再连接一回路换热器。为了降低一回路中的含有放射性物质的水进入到透平发电机组中的概率，将常规放置在二回路的发电机组设置在三回路中，并且考虑到由此带来的蒸汽参数的下降，设置了再热器使部分做功后的蒸汽再热，以提升做功能力。
冷凝器过冷液出口连接给水泵后连接二回路换热器，换热器蒸汽出口分别连接主汽阀和旁通阀，主汽阀与透平进口连接，旁通阀则与冷凝器的乏汽入口连接。再热回路中透平某一位置处由管道与二回路再热器连接后再与透平连接，实现蒸汽再热，透平的蒸汽出口连接冷凝器。工质在整个回路中完成增压，吸热蒸发，部分膨胀，再热，膨胀冷凝的过程。
一般情况下两条支路之间只有一条支路会工作，为了防止LNG主支路工作时高压的LNG会自发地从汇合处进入核反应堆，核岛支路出口处应该安装止回阀。
本发明中核能发电系统中的透平乏汽作为热源加热来自跨临界CO2循环系统中的循环工质，低温的CO2取代海水作为冷却介质冷却核能发电系统中的工质，避免了采用海水冷却带来的高温冷却水排放造成的环境热污染等问题。
本发明中的跨临界CO2循环发电系统，包括五个控制阀，一个高温蒸发器，一个一次冷能交换器，一个透平发电机组，一个CO2冷凝器以及核能发电系统的冷凝器。循环系统的工质采用CO2，来自CO2储罐。液态的CO2经过CO2工质泵增压后进入一次冷能交换器中吸热量，然后进入核能发电系统的冷凝器中吸收热量成为常温高压的蒸气。此时，如果外界有光照，则流量控制阀开启，CO2低温主气阀以及旁通阀均关闭，CO2则进入到高温蒸发器中进一步被加热至高温高压的超临界CO2。进一步地，高温高压的超临界CO2进入CO2透平中膨胀做功带动发电机发电，乏气进入CO2冷凝器中由LNG冷凝至过冷液，完成整个循环。
具体的，液态CO2来自CO2储罐，CO2储罐的出口与CO2补气控制阀连接后再连接跨临界CO2循环主管路。主管路前后分别连接CO2冷凝器与CO2增压泵，增压泵出口连接一次冷能交换器，然后再与冷凝器连接，冷凝器CO2侧出口分成两个支路：低温支路中冷凝器出口分别连接CO2低温主气阀和CO2低温旁通阀，低温主气阀另一侧连接CO2透平后与CO2冷凝器连接，而低温旁通阀另一侧则直接连接CO2冷凝器；高温支路中冷凝器的出口连接高温蒸发器，然后分别连接CO2高温主气阀和CO2高温旁通阀，高温主气阀另一端与CO2透平连接后再连接CO2冷凝器，高温旁通阀另一端则直接连接CO2冷凝器。
本发明中的跨临界CO2循环发电系统，经LNG冷凝成饱和液的CO2经泵增压后进入一次冷能交换器中吸热，然后进入核能发电系统的冷凝器中吸收乏汽的热量成为常温高压的超临界蒸气。进一步地，根据实际的日照情况以及实时的光热系统工质的温度来决定相应的低温支路以及高温支路的开度，从而控制支路中工质的流量，当系统处在正常工作状态下，低温旁通阀以及高温旁通阀均处于关闭的状态。为了避免两股不同参数的蒸气同时进入透平中无法同时膨胀，因此采用补气的方式，将低温的蒸气作为补气来设计机组，从而满足热力参数与结构相匹配。
本发明中跨临界CO2发电系统中的流量控制阀以及主蒸气阀的开度由热水温度控制，当光照强度增加后，热水温度会相应滞后增加，流量控制阀开度逐渐增大，相应地主蒸气阀的开度逐渐降低，更多的CO2被加热至高温高压的超临界状态。CO2透平在相应的地方设置开口，以满足未经热水加热的CO2的物性。
本发明中的跨临界CO2发电系统，分别在高温支路和低温支路中设置了旁通阀，以满足整个系统在CO2透平意外停机时仍能够正常地工作。
本发明中的海水淡化系统，主要包括一个海水淡化装置，一个鼓风机以及槽式太阳能光热系统。其中海水淡化装置包括中空导流器、淡水储水器、立式储水槽、高压海水喷淋装置、波纹管散热器。高压的海水经过海水喷淋装置雾化成极易蒸发的小水滴，一部分水滴直接在喷淋后蒸发，另一部分则在重力作用下下落至波纹管换热器表面上吸热蒸发，然后水蒸汽在密度差的作用下自然上升到装置的顶部，遇到温度较低的避免产生冷凝，一部分顺着导流器流入淡水储水器中，另一部分则沿着壁面进入立式储水槽中。
其中，中空导流器内流动的是低温制冷剂，有效地保障整个淡化装置的上半部分维持在较低的温度。海水经高压海水喷淋装置形成喷雾，经波纹管换热器加热后形成水蒸汽，在密度差的情况下水蒸汽自发地向上流动，遇到温度较低的墙壁以及导流器则发生凝结，产生的小水滴在重力的作用下沿着光滑的壁面流至淡水储水器以及立式储水槽中。为了保证海水有效蒸发，在喷淋装置的底部安装了波纹管散热器，由换热后的太阳能光热水提供热量加热。此外，为了保证蒸发的有效进行，特地淡化装置的下半部分设计成可透光的，可以合理利用太阳能来加速海水的蒸发。同时，考虑到天气原因，在没有太阳照射的情况下，则采用鼓风机往海水淡化装置中鼓风增加空气流动的方式保证海水蒸发的速率。另外，由于海水蒸发后浓度会提升，若直接排放则会造成严重的盐碱污染，因此，在海水淡化的基础上将浓缩后的海水作为生产原料提供给制盐、钠镁工业。
本发明中的海水淡化系统，采用蒸发冷凝式淡化的方法，海水淡化装置采用上下两层的拼装结构设计，上层遮光保温墙采用中空非透光材料，下层透光墙采用实心透光材料。从上到下依次设置导流器，淡水储水器，立式储水槽，高压海水喷淋装置出风口，波纹管换热器。立式储水槽安装在遮光保温墙的最下端，收集沿着壁面流下来的冷凝水，淡水储水器则负责收集沿着导流器滴落的淡水。海水喷淋装置的入口连接海水增压泵的出口另一支路，与LNG加热器的海水入口汇合连接。出风口连接鼓风机，然后连接空气流量控制阀。波纹管散热器出口连接工质增压泵，然后与太阳能槽式集热装置连接；波纹管散热器入口连接高温蒸发器出口，高温蒸发器入口与槽式集热装置连接，形成闭路循环。
本发明中的海水淡化系统，为了充分利用太阳能的热量，特地将海水淡化装置的下半部分设计成了可透光的，在日照较好的条件下，可以充分利用太阳能的热量来加速海水的蒸发，安全可靠。由于使用了太阳能，因此系统的正常运行会受到天气的制约，为了避免天气因素对生产带来过大的消极影响，设置了鼓风机，在系统无光照的时候，通过加速空气的流动来增加海水的蒸发。此外，水分大量蒸发后的海水，正好可以作为生产原料提供给制盐、钠镁等工业，变废为宝，避免了直接排放造成的污染。
CO2冷凝器LNG侧的出口端连接二次冷能交换器，用于回收LNG的中低温冷能，提供给冷库，冷库出口连接压缩机后再与二次冷能交换器连接，紧接着连接冷库，形成循环闭路。
制冷剂在二次冷能交换器中被冷却至饱和液，然后经节流阀降压，进入冷库中蒸发吸热带走热量，然后经压缩机增压进入二次冷能交换器，形成循环。
为了保证冷库大规模制冷经济性的需求，冷库中的制冷剂采用液氨。
二次冷能交换器LNG出口连接LNG加热器，由海水加热至常温状态然后送入管网提供给用户，另一方面，海水经泵增压后一部分进入LNG加热器中加热，冷却后的海水需经阳光曝晒至常温后方可排放。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。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。
Claims (10)
1.一种LNG冷能综合利用系统，其特征在于，包括LNG储存中心(1)、空分系统(2)、核能发电系统(3)、冷库系统(5)及供气管网(7)，LNG储存中心(1)的出口端分两路设置，其中第一路与空分系统(2)连接，第二路与核能发电系统(3)连接；LNG储存中心(1)中的LNG分别通过空分系统(2)及核能发电系统(3)换热后合并进入冷库系统(5)，换热后的LNG与冷库系统(5)的冷却工质再次换热后，通入供气管网(7)，并通过供气管网(7)与用气用户连接。
2.根据权利要求1所述的一种LNG冷能综合利用系统，其特征在于，LNG储存中心(1)包括LNG储罐(11)、主供管路(12)、第一支路(13)及第二支路(14)；LNG储罐(11)的出口端与主供管路(12)的一端连接，主供管路(12)的另一端分两路设置，其中一路与第一支路(13)的一端连接，第一支路(13)的另一端与空分系统(2)连接；另一路与第二支路(14)的一端连接，第二支路(14)的另一端与核能发电系统(3)连接。
3.根据权利要求2所述的一种LNG冷能综合利用系统，其特征在于，LNG储存中心(1)还包括LNG主流量控制阀(15)及LNG应急流量控制阀(16)，LNG主流量控制阀(15)设置在第一支路(13)上，LNG应急流量控制阀(16)设置在第二支路(14)上。
4.根据权利要求1所述的一种LNG冷能综合利用系统，其特征在于，空分系统(2)能够获得液态CO2；空分系统(2)包括空气源(21)、空气预冷器(23)、CO2分离塔(24)、CO2储液罐(25)及空分装置(26)；
LNG储存中心(1)的出口端与空气预冷器(23)的LNG侧进口端连接，空气预冷器(23)的LNG侧出口端与冷库系统(5)连接；
空气源(21)的出口端与空气预冷器(23)的空气侧进口端连接，空气预冷器(23)的空气侧出口端与CO2分离塔(24)的进口端连接；CO2分离塔(24)的CO2出口端与CO2储液罐(25)连接，CO2储液罐(25)用于储存空分系统分离出的液态CO2；液态CO2一部分作为跨临界CO2循环发电系统(4)的循环工质，另一部分用作海水淡化系统(8)的冷源。
5.根据权利要求1所述的一种LNG冷能综合利用系统，其特征在于，核能发电系统(3)包括核裂变反应堆(31)，LNG储存中心(1)的出口端与核裂变反应堆(31)的中空层的一端连通，核裂变反应堆(31)的中空层的另一端与冷库系统(5)连通；核裂变反应堆(31)中的中空层在核裂变反应堆正常工作状态为真空状态。
6.根据权利要求5所述的一种LNG冷能综合利用系统，其特征在于，核能发电系统(3)还包括第一回路换热器(32)、第一回路水泵(33)、再热器(34)、主汽阀(35)、蒸汽透平(36)、第一发电机(37)、第二回路换热器(38)、第二回路水泵(39)、给水泵(310)、再热旁通阀(311)及冷凝器(312)；
核裂变反应堆(31)设置在核岛内，核裂变反应堆(31)的中心层冷却水出口端与第一回路换热器(32)的冷却水侧进口端连接，第一回路换热器(32)的冷却水出口端与第一回路水泵(33)的进水口连接，第一回路水泵(33)的出水口通过管路与中心层冷却水进口端连接；
再热器(34)、主汽阀(35)、蒸汽透平(36)、第一发电机(37)、第二回路换热器(38)、第二回路水泵(39)、给水泵(310)、再热旁通阀(311)及冷凝器(312)均设置在核岛外；第一回路换热器(32)的置换水侧出口端分两路设置，其中一路与再热器(34)的置换水侧进口端连接，另一路与第二回路换热器(38)的置换水侧进口端连接；再热器(34)的置换水出口端及第二回路换热器(38)的置换水出口端均通过管路与第二回路水泵(39)的进水口连接，第二回路水泵(39)的出水口通过管路与第一回路换热器(32)的置换水侧进口端连接；
再热器(34)的动力水侧出口端通过管路与蒸汽透平(36)的补汽进口连接，蒸汽透平(36)的一次做功乏汽出口与再热器(34)的动力水侧进口端连接；蒸汽透平(36)的动力输出端与第一发电机(37)的输入端连接；
第二回路换热器(38)的动力水侧出口端分两路设置，其中一路与主汽阀(35)的进口端连接，主汽阀(35)的出口端与蒸汽透平(36)的新汽进口连接；另一路与再热旁通阀(311)的进口端连接，再热旁通阀(311)出口端及蒸汽透平(36)的乏汽出口与冷凝器(312)的进口连接，冷凝器(312)的另一端与给水泵(310)的进水口连接，给水泵(310)的出水口与第二回路换热器(38)的动力水侧进口端连接。
7.根据权利要求4所述的一种LNG冷能综合利用系统，其特征在于，跨临界CO2循环发电系统(4)包括CO2增压泵(41)、一次冷能交换器(42)、流量控制阀(43)、高温蒸发器(44)、CO2高温主气阀(45)、CO2透平(46)、第二发电机(47)、CO2高温旁通阀(48)、CO2低温主气阀(49)、CO2低温旁通阀(410)及CO2冷凝器(411)；
CO2增压泵(41)的进口端与空分系统(2)的液态CO2出口端连接，CO2增压泵(41)的出口端与一次冷能交换器(42)的CO2侧进口端连接，一次冷能交换器(42)的CO2侧出口端分三路设置，其中第一路与流量控制阀(43)的一端连接，第二路与CO2低温主气阀(49)的一端连接，第三路与CO2低温旁通阀(410)的一端连接；流量控制阀(43)的另一端与高温蒸发器(44)的CO2侧进口端连接，高温蒸发器(44)的CO2侧出口端分两路设置，其中一路与CO2高温主气阀(45)的一端连接，另一路与CO2高温旁通阀(48)的一端连接；
CO2高温主气阀(45)的另一端与CO2透平(46)的新气入口连接，CO2透平(46)的动力输出端与第二发电机(47)输入端连接；CO2高温旁通阀(48)的另一端及CO2透平(46)的乏气出口均与CO2冷凝器(411)的壳侧进口端连接，CO2冷凝器(411)的壳侧出口端与CO2增压泵(41)的进口端连接；CO2低温主气阀(49)的另一端与CO2透平(46)的补气进口连接，CO2低温旁通阀(410)的另一端与CO2冷凝器(411)的壳侧进口端连接；
经过空分系统(2)及核能发电系统(3)换热后的LNG通过管路与CO2冷凝器(411)的管侧进口连接，CO2冷凝器(411)的管侧出口与冷库系统(5)连接。
8.根据权利要求1所述的一种LNG冷能综合利用系统，其特征在于，冷库系统(5)包括冷库(51)、压缩机(52)及二次冷能交换器(53)，经过空分系统(2)及核能发电系统(3)换热后的LNG通过管路与二次冷能交换器(53)的LNG侧进口端连接，二次冷能交换器(53)的LNG侧出口端通过管路与供气管网(7)连接；冷库(51)的冷却工质出口端与压缩机(52)的进口端连接，压缩机(52)的出口端通过管路与二次冷能交换器(53)的冷却工质侧进口端连接，二次冷能交换器(53)的冷却工质出口侧与冷库(51)的冷却工质进口端连接。
9.根据权利要求1所述的一种LNG冷能综合利用系统，其特征在于，还包括海水冷却系统(6)，海水冷却系统(6)设置在冷库系统(5)与供气管网(7)之间，用于将LNG加热至常温。
10.根据权利要求7所述的一种LNG冷能综合利用系统，其特征在于，海水淡化系统(8)包括海水淡化装置(81)、空气流量控制阀(82)、鼓风机(83)、槽式集热装置(84)及制盐或钠镁工业厂(85)；海水淡化装置(81)包括遮光保温墙(811)、透光墙(812)、导流器(813)、淡水储存槽(814)、立式储水槽(815)、高压海水喷淋装置(816)及波纹管散热器(818)；
遮光保温墙(811)设置在透光墙(812)的上部，遮光保温墙(811)采用中空非透光材料制作；导流器(813)、淡水储存槽(814)及立式储水槽(815)设置在遮光保温墙(811)层中；
导流器(813)设置在遮光保温墙(811)的顶部，导流器(813)的下方依次设置淡水储存槽(814)及立式储水槽(815)，立式储水槽(815)设置在遮光保温墙(811)的最下端；导流器(813)为中空结构，导流器(813)与遮光保温墙(811)的中空腔体连通，导流器(813)及遮光保温墙(811)内充填有冷却循环工质，遮光保温墙(811)的循环工质出口端通过管路与一次冷能交换器(42)的工质侧进口连接，一次冷能交换器(42)的工质侧出口通过管路与遮光保温墙(811)的循环工质进口端连接；
高压海水喷淋装置(816)及波纹管散热器(818)从上到下依次设置在透光墙(812)层中，高压空气海水喷淋装置(816)与海水增压泵(62)的出水口端连接；波纹管散热器(818)的导热工质进口端与高温蒸发器(44)的导热工质侧出口端连接，波纹管散热器(818)的导热工质出口端通过管路与槽式集热装置(815)的进口端连接，槽式集热器(815)的出口端通过管路与高温蒸发器(44)的导热工质侧进口端连接；透光墙(812)的底部出口通过管路与制盐或钠镁工业厂连接。
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