CN111577413B - 一种lng轻烃分离耦合双级有机朗肯联合循环发电系统 - Google Patents

一种lng轻烃分离耦合双级有机朗肯联合循环发电系统 Download PDF

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Abstract

一种LNG轻烃分离耦合双级有机朗肯联合循环发电系统，包括LNG轻烃分离系统、聚光型太阳能集热循环系统、双级有机朗肯循环系统和天然气直接膨胀系统；LNG轻烃分离系统用于C2+轻烃资源回收；聚光型太阳能集热循环系统用于光热转换；双级有机朗肯循环系统和天然气直接膨胀系统用于LNG冷能和中低温太阳能耦合发电；本发明白天利用太阳能作为热源进行双级有机朗肯循环发电，并储存其排出的废热，夜晚继续为第一级有机朗肯循环提供热量，使系统达到持续发电的状态，实现了C2+轻烃资源的有效回收以及LNG冷能和太阳能的高效互补利用，具有结构合理紧凑、控制安全灵活、高效节能、实用性强及成本低廉的优点。

Description

一种LNG轻烃分离耦合双级有机朗肯联合循环发电系统
技术领域
本发明涉及一种LNG冷能和太阳能互补利用系统，具体涉及一种LNG轻烃分离耦合双级有机朗肯联合循环发电系统。
背景技术
LNG(liquefiednaturalgas，液化天然气)需要气化至常温后供给用户使用。LNG在气化过程中会释放大约830～860kWh/kg的冷能，如果能够对这部分冷能加以利用，会产生巨大的经济效益。LNG中富含的C2+轻烃组分是非常优质的化工原料，可以用来生产许多具有高附加值的石化产品。将LNG冷能用于分离自身轻烃组分，能够实现对LNG的高效利用，但对LNG冷能的利用率不高。
以低沸点烃类及其混合物为工质的有机朗肯循环在太阳能中低温热发电领域具有良好的应用前景，但该技术受到太阳能随时间分布的不均匀性制约。将LNG作为有机朗肯循环的冷源，能够进一步提高其发电效率，但对LNG冷能的利用率较低。天然气直接膨胀发电技术具有工艺简单、成本低廉等优点，但仅能利用LNG的压力能，同样存在冷能利用率低的缺点。
综上所述，LNG轻烃分离和有机朗肯循环发电都只是对LNG冷能的单一利用，因此存在LNG冷能利用不充分、用冷温位与LNG温度不匹配等问题。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种LNG轻烃分离耦合双级有机朗肯联合循环发电系统，将LNG轻烃分离工艺、有机朗肯循环、太阳能光热发电技术和天然气直接膨胀发电技术相结合，不仅能够有效回收具有高附加值的C2+轻烃资源，同时实现了LNG冷能和太阳能的高效互补利用；在解决太阳能随时间分布不均问题的同时，大幅度降低了光热发电成本；同时该系统对LNG冷能进行了梯级利用，有效提高了发电系统的热效率和发电效率；具有结构合理紧凑、控制安全灵活、高效节能、实用性强以及成本低廉的优点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种LNG轻烃分离耦合双级有机朗肯联合循环发电系统，包括LNG轻烃分离系统、聚光型太阳能集热循环系统、双级有机朗肯循环系统和天然气直接膨胀系统；
所述的LNG轻烃分离系统包括LNG泵1，LNG泵1的工质出口侧接入三通器2的进口侧，三通器2的出口侧分为两支，其中一支出口侧连入脱甲烷塔6的入料口I，三通器2的另一支出口侧连入第一换热器3的冷流进口侧，第一换热器3的冷流出口侧连入第二换热器4的冷流进口侧，第二换热器4的冷流出口侧连入闪蒸塔5的入料口，闪蒸塔5的釜液口与脱甲烷塔6的入料口II相连通，脱甲烷塔6的底部出料口与节流阀7的进口侧连通，节流阀7的出口侧连入脱乙烷塔8的入料口；闪蒸塔5的顶部出料口与脱甲烷塔6的顶部出料口分别与混合器9的两个进口侧连通，脱乙烷塔8的顶部出料口连入第二换热器4的热流进口侧；
所述聚光型太阳能集热循环系统包括定日镜20，定日镜20吸收太阳光并将热量传递给吸热器19，吸热器19的工质出口侧与第五换热器16的热流进口侧相连通；第五换热器16的热流出口侧与泵18的工质进口侧相连通，泵18的工质出口侧与吸热器19的工质进口侧相连通；
所述的双级有机朗肯循环系统包括第一级有机朗肯循环系统和第二级有机朗肯循环系统；所述第一级有机朗肯循环系统包括第一有机朗肯透平膨胀机14，第一有机朗肯透平膨胀机14的出口侧与第一换热器3的热流进口侧相连通，第一换热器3的热流出口侧连入第一有机工质泵12的进口侧，第一有机工质泵12的出口侧与第四换热器13的冷流进口侧相连通，第四换热器13的冷流出口侧连入第一有机朗肯透平膨胀机14的进口侧；所述第二级有机朗肯循环系统包括第二有机朗肯透平膨胀机17，第二有机朗肯透平膨胀机17的出口侧与第四换热器13的热流进口侧相连通，第四换热器13的热流出口侧连入第三换热器10的热流进口侧，第三换热器10的热流出口侧与第二有机工质泵15的进口侧相连通，第二有机工质泵15的出口侧连入第五换热器16的冷流进口侧，第五换热器16的冷流出口侧与第二有机朗肯透平膨胀机17的进口侧相连通；
所述的天然气直接膨胀系统包括混合器9，混合器9的出口侧与第三换热器10的冷流进口侧相连通，第三换热器10的冷流出口侧与透平膨胀机11的进口侧相连通。
所述LNG泵1的工质进口侧的工质为液化天然气。
所述脱乙烷塔8的底部出料口的工质为液化石油气。
所述第二换热器4的热流出口侧的工质为液态乙烷。
所述双级有机朗肯循环中冷源介质为LNG。
所述第一级有机朗肯循环中的工质为有机工质A。
所述第二级有机朗肯循环中的工质为有机工质B。
所述有机工质A不同于有机工质B。
所述有机工质A或有机工质B为常用有机工质中的任一种，常用有机工质包括但不限于R245fa五氟丙烷、R365mfc五氟丁烷、n-Nonane正壬烷、n-Octane正辛烷或n-Pentane正戊烷。
所述透平膨胀机11的出口侧直接连至用户或企业。
本发明的有益效果在于：
通过轻烃分离过程对LNG中的C2+轻烃资源进行回收，并利用了LNG的部分冷能；分别采用LNG和分离轻烃后的富甲烷天然气作为双级有机朗肯循环的冷源，再将吸热后的富甲烷天然气用于直接膨胀发电，实现对LNG冷能的梯级利用；采用低倍聚焦的聚光型太阳能集热器将太阳辐照转换为中低温热能，并作为双级有机朗肯循环的热源，实现对太阳能的高效利用；通过上述对LNG冷能和太阳能的高效互补利用，有效提高了系统的热效率和发电效率。
本发明白天依靠太阳能作为双级有机朗肯循环的热源进行发电，并储存其排出的废热，夜晚可继续为第一级有机朗肯循环提供热量，在解决太阳能时间分布不均的同时避免了高温蓄热的困难，使系统能达到持续发电的状态，实现了C2+轻烃资源的有效回收以及LNG冷能和太阳能的高效互补利用，具有结构合理紧凑、控制安全灵活、高效节能、实用性强及成本低廉的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1、LNG泵；2、三通器；3、第一换热器；4、第二换热器；5、闪蒸塔；6、脱甲烷塔；7、节流阀；8、脱乙烷塔；9、混合器；10、第三换热器；11、透平膨胀机；12、第一有机工质泵；13、第四换热器；14、第一有机朗肯透平膨胀机；15、第二有机工质泵；16、第五换热器；17、第二有机朗肯透平膨胀机；18、泵；19、吸热器；20、定日镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
参见图1，一种LNG轻烃分离耦合双级有机朗肯联合循环发电系统，包括LNG轻烃分离系统、聚光型太阳能集热循环系统、双级有机朗肯循环系统和天然气直接膨胀系统；
所述的LNG轻烃分离系统，包括LNG泵1，LNG泵1的工质出口侧接入三通器2的进口侧，三通器2的出口侧分为两支，其中一支出口侧连入脱甲烷塔6的入料口I，三通器2的另一支出口侧连入第一换热器3的冷流进口侧，第一换热器3的冷流出口侧连入第二换热器4的冷流进口侧，第二换热器4的冷流出口侧连入闪蒸塔5的入料口，闪蒸塔5的釜液口与脱甲烷塔6的入料口II相连通，脱甲烷塔6的底部出料口与节流阀7的进口侧连通，节流阀7的出口侧连入脱乙烷塔8的入料口；闪蒸塔5的顶部出料口与脱甲烷塔6的顶部出料口分别与混合器9的两个进口侧连通，脱乙烷塔8的顶部出料口连入第二换热器4的热流进口侧；
所述聚光型太阳能集热循环系统包括定日镜20，定日镜20吸收太阳光并将热量传递给吸热器19，吸热器19的工质出口侧与第五换热器16的热流进口侧相连通；第五换热器16的热流出口侧与泵18的工质进口侧相连通，泵18的工质出口侧与吸热器19的工质进口侧相连通；
所述的双级有机朗肯循环系统包括第一级有机朗肯循环系统和第二级有机朗肯循环系统；所述第一级有机朗肯循环系统包括第一有机朗肯透平膨胀机14，第一有机朗肯透平膨胀机14的出口侧与第一换热器3的热流进口侧相连通，第一换热器3的热流出口侧连入第一有机工质泵12的进口侧，第一有机工质泵12的出口侧与第四换热器13的冷流进口侧相连通，第四换热器13的冷流出口侧连入第一有机朗肯透平膨胀机14的进口侧；所述第二级有机朗肯循环系统包括第二有机朗肯透平膨胀机17，第二有机朗肯透平膨胀机17的出口侧与第四换热器13的热流进口侧相连通，第四换热器13的热流出口侧连入第三换热器10的热流进口侧，第三换热器10的热流出口侧与第二有机工质泵15的进口侧相连通，第二有机工质泵15的出口侧连入第五换热器16的冷流进口侧，第五换热器16的冷流出口侧与第二有机朗肯透平膨胀机17的进口侧相连通；
所述的天然气直接膨胀系统包括混合器9，混合器9的出口侧与第三换热器10的冷流进口侧相连通，第三换热器10的冷流出口侧与透平膨胀机11的进口侧相连通。
所述LNG泵1的工质进口侧的工质为液化天然气。
所述脱乙烷塔8的底部出料口的工质为液化石油气。
所述第二换热器4的热流出口侧的工质为液态乙烷。
所述双级有机朗肯循环中冷源介质为LNG。
所述第一级有机朗肯循环中的工质为有机工质A。
所述第二级有机朗肯循环中的工质为有机工质B。
所述有机工质A不同于有机工质B。
所述有机工质A或有机工质B为常用有机工质中的任一种，常用有机工质包括但不限于R245fa五氟丙烷、R365mfc五氟丁烷、n-Nonane正壬烷、n-Octane正辛烷或n-Pentane正戊烷。
所述透平膨胀机11的出口侧直接连至用户或企业。
本发明的工作原理如下：
LNG原料经LNG泵1增压输送至三通器2，三通器2将原料分成两股大小不同的物流，较大的一股物流经第一换热器3与第二换热器4两次加热升温后进入闪蒸塔5进行甲烷的初步分离，较小的一股物流作为回流液直接进入脱甲烷塔6，加热后的LNG原料在闪蒸塔5内被分离成了富甲烷天然气与富含C2+轻烃资源的釜液，富甲烷天然气从闪蒸塔5的塔顶排出，而闪蒸塔的釜液流入脱甲烷塔6进一步被分离，脱甲烷塔6将闪蒸塔5的釜液分离成了含有高纯度甲烷的天然气与富含C2+轻烃的物流，富甲烷天然气从脱甲烷塔6的塔顶排出并与闪蒸塔5塔顶排出的富甲烷天然气在混合器9中混合，随后通入第三换热器10中被加热，脱甲烷塔6的釜液经节流阀7节流降压后通入脱乙烷塔8，脱乙烷塔8将此液体分离成了高纯度的乙烷产品与富含丙烷、丁烷等组份的液化石油气产品，被分离出的气态乙烷在第二换热器4中与LNG原料交换热量，使气态乙烷冷却为液态乙烷，完成LNG的轻烃分离过程；有机工质A在第四换热器13中被第二有机朗肯透平膨胀机17所排出的乏气加热，然后通过第一有机朗肯透平膨胀机14发电，完成发电过程后，有机工质A又在第一换热器3中被LNG冷却，完成第一级有机朗肯循环；聚光型太阳能集热循环中的定日镜20吸收太阳光并将热量传递给吸热器19，导热油从太阳能吸热器19中吸收热量，有机工质B在经过第三换热器10和第四换热器13两次冷却后被高温导热油在第五换热器16中加热成高温气体，高温气体带动第二有机朗肯透平膨胀机17做功发电，完成第二级有机朗肯循环；与有机工质B在第三换热器10交换热量后的高温天然气再带动透平膨胀机11做功发电，完成天然气直接膨胀过程。显然，以上具体实施方式中仅用于说明本发明的技术方案而非穷举，尽管参照上述具体实施方式对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种LNG轻烃分离耦合双级有机朗肯联合循环发电系统，包括LNG轻烃分离系统、聚光型太阳能集热循环系统、双级有机朗肯循环系统和天然气直接膨胀系统；其特征在于：所述的LNG轻烃分离系统包括LNG泵(1)，LNG泵(1)的工质出口侧接入三通器(2)的进口侧，三通器(2)的出口侧分为两支，其中一支出口侧连入脱甲烷塔(6)的入料口I，三通器(2)的另一支出口侧连入第一换热器(3)的冷流进口侧，第一换热器(3)的冷流出口侧连入第二换热器(4)的冷流进口侧，第二换热器(4)的冷流出口侧连入闪蒸塔(5)的入料口，闪蒸塔(5)的釜液口与脱甲烷塔(6)的入料口II相连通，脱甲烷塔(6)的底部出料口与节流阀(7)的进口侧相连通，节流阀(7)的出口侧连入脱乙烷塔(8)的入料口，闪蒸塔(5)的顶部出料口与脱甲烷塔(6)的顶部出料口分别与混合器(9)的两个进口侧相连通，脱乙烷塔(8)的顶部出料口连入第二换热器(4)的热流进口侧；
所述聚光型太阳能集热循环系统包括定日镜(20)，定日镜(20)吸收太阳光并将热量传递给吸热器(19)，吸热器(19)的工质出口侧与第五换热器(16)的热流进口侧相连通；第五换热器(16)的热流出口侧与泵(18)的工质进口侧相连通，泵(18)的工质出口侧与吸热器(19)的工质进口侧相连通；
所述的双级有机朗肯循环系统包括第一级有机朗肯循环系统和第二级有机朗肯循环系统；所述第一级有机朗肯循环系统包括第一有机朗肯透平膨胀机(14)，第一有机朗肯透平膨胀机(14)的出口侧与第一换热器(3)的热流进口侧相连通，第一换热器(3)的热流出口侧连入第一有机工质泵(12)的进口侧，第一有机工质泵(12)的出口侧与第四换热器(13)的冷流进口侧相连通，第四换热器(13)的冷流出口侧连入第一有机朗肯透平膨胀机(14)的进口侧；所述第二级有机朗肯循环系统包括第二有机朗肯透平膨胀机(17)，第二有机朗肯透平膨胀机(17)的出口侧与第四换热器(13)的热流进口侧相连通，第四换热器(13)的热流出口侧连入第三换热器(10)的热流进口侧，第三换热器(10)的热流出口侧与第二有机工质泵(15)的进口侧相连通，第二有机工质泵(15)的出口侧连入第五换热器(16)的冷流进口侧，第五换热器(16)的冷流出口侧与第二有机朗肯透平膨胀机(17)的进口侧相连通；
所述的天然气直接膨胀系统包括混合器(9)，混合器(9)的出口侧与第三换热器(10)的冷流进口侧相连通，第三换热器(10)的冷流出口侧与透平膨胀机(11)的进口侧相连通。
2.根据权利要求1所述的一种LNG轻烃分离耦合双级有机朗肯联合循环发电系统，其特征在于：所述LNG泵(1)的工质进口侧的工质为液化天然气。
3.根据权利要求1所述的一种LNG轻烃分离耦合双级有机朗肯联合循环发电系统，其特征在于：所述脱乙烷塔(8)的底部出料口的工质为液化石油气。
4.根据权利要求1所述的一种LNG轻烃分离耦合双级有机朗肯联合循环发电系统，其特征在于：所述第二换热器(4)的热流出口侧的工质为液态乙烷。
5.根据权利要求1所述的一种LNG轻烃分离耦合双级有机朗肯联合循环发电系统，其特征在于：所述的双级有机朗肯循环中冷源介质为LNG。
6.根据权利要求1所述的一种LNG轻烃分离耦合双级有机朗肯联合循环发电系统，其特征在于：所述第一级有机朗肯循环中的有机工质包括R245fa五氟丙烷、R365mfc五氟丁烷、n-Nonane正壬烷、n-Octane正辛烷或n-Pentane正戊烷。
7.根据权利要求1所述的一种LNG轻烃分离耦合双级有机朗肯联合循环发电系统，其特征在于：所述第二级有机朗肯循环中的有机工质包括R245fa五氟丙烷、R365mfc五氟丁烷、n-Nonane正壬烷、n-Octane正辛烷或n-Pentane正戊烷。
8.根据权利要求6或7所述的一种LNG轻烃分离耦合双级有机朗肯联合循环发电系统，其特征在于：所述第一级有机朗肯循环中的有机工质与第二级有机朗肯循环中的有机工质不同。
9.根据权利要求1所述的一种LNG轻烃分离耦合双级有机朗肯联合循环发电系统，其特征在于：所述透平膨胀机(11)的出口侧直接连至用户或企业。
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