CN111577415A - 一种lng轻烃分离耦合超临界co2再压缩布雷顿/有机朗肯联合循环发电系统 - Google Patents

一种lng轻烃分离耦合超临界co2再压缩布雷顿/有机朗肯联合循环发电系统 Download PDF

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Abstract

一种LNG轻烃分离耦合超临界CO2再压缩布雷顿/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、超临界CO2再压缩布雷顿循环系统、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+轻烃资源的回收；聚光型太阳能集热循环系统用于光热转换；超临界CO2再压缩布雷顿循环系统、有机朗肯循环系统和天然气直接膨胀系统用于LNG冷能和高温太阳能耦合发电；本发明白天利用太阳能进行超临界CO2再压缩布雷顿循环发电，并储存其排出的废热，夜晚继续为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轻烃分离耦合超临界CO2再压缩布雷顿/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轻烃分离耦合超临界CO2再压缩布雷顿/有机朗肯联合循环发电系统。
背景技术
LNG(liquefied natural gas，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。
超临界CO2再压缩布雷顿循环具有结构紧凑、热效率高、安全环保等优点，在太阳能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。以低沸点烃类及其混合物为工质的有机朗肯循环在利用低品位热能方面具有众多优势，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，但该技术对LNG 冷能的利用率不高。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、超临界CO2再压缩布雷顿循环发电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轻烃分离耦合超临界CO2再压缩布雷顿/有机朗肯联合循环发电系统，该系统将LNG轻烃分离工艺、超临界CO2再压缩布雷顿循环、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轻烃分离耦合超临界CO2再压缩布雷顿/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、超临界CO2再压缩布雷顿循环系统、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的工质出口侧接入第一三通器2的进口侧，第一三通器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，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，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，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第一混合器 9的两个进口侧连通；
所述聚光型太阳能集热循环系统包括定日镜25，定日镜25吸收太阳光并将热量传递给吸热器24，吸热器24的工质出口侧与泵23 的工质进口侧相连通，泵23的工质出口侧与第三换热器22的热流进口侧相连通，第三换热器22的热流出口侧与吸热器24的工质进口侧相连通；
所述的超临界CO2再压缩布雷顿循环系统包括主压缩机19，主压缩机19的出口侧与低温回热器18的冷流进口侧相连通，低温回热器18的冷流出口侧与再压缩机20的出口侧通过第二混合器17连入高温回热器16的冷流进口侧，高温回热器16的冷流出口侧与第三换热器22的冷流进口侧相连通，第三换热器22的冷流出口侧与超临界 CO2透平膨胀机15的进口侧相连通，超临界CO2透平膨胀机15的出口侧与高温回热器16的热流进口侧相连通，高温回热器16的热流出口侧与低温回热器18的热流进口侧相连通，低温回热器18的热流出口侧与第二三通器21的进口侧相连通，第二三通器21的出口侧分为两部分，一部分连入再压缩机20的进口侧，另外一部分连入第一预冷器13的热流进口侧，第一预冷器13的热流出口侧与第二预冷器10的热流进口侧相连通，第二预冷器10的热流出口侧与主压缩机19 的进口侧相连通；
所述的有机朗肯循环系统包括有机朗肯透平膨胀机14，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的热流出口侧连入有机工质泵12的进口侧，有机工质泵 12的出口侧与第一预冷器13的冷流进口侧相连通，第一预冷器13的冷流出口侧连入有机朗肯透平膨胀机14的进口侧；
所述的天然气直接膨胀系统包括第一混合器9，第一混合器9的出口侧与第二预冷器10的冷流进口侧相连通，第二预冷器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。
所述的超临界CO2再压缩布雷顿循环中循环介质为超临界CO2。
所述的有机朗肯循环中冷源介质为LNG。
所述有机朗肯循环系统中的有机工质为常用有机工质中的任一种，常用有机工质包括但不限于R134a四氟乙烷、R245fa五氟丙烷、 R365mfc五氟丁烷、n-Nonane正壬烷、n-Octane正辛烷及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：
通过轻烃分离工艺流程对LNG中的C2+轻烃资源进行回收，并利用了LNG的部分冷能；将LNG作为有机朗肯循环的冷源，经LNG冷却后的有机工质和分离轻烃后的富甲烷天然气作为超临界CO2再压缩布雷顿循环的冷源，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；采用塔式聚光型太阳能集热器将太阳辐照转换为高温热能，并作为热源供给超临界CO2再压缩布雷顿循环，实现对太阳能的高效利用。
本发明白天依靠太阳能作为超临界CO2再压缩布雷顿循环的热源进行发电，并储存其排出的废热，夜晚可继续为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、第一三通器；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、第一混合器；10、第二预冷器；11、透平膨胀机；12、有机工质泵； 13、第一预冷器；14、有机朗肯透平膨胀机；15、超临界CO2透平膨胀机；16、高温回热器；17、第二混合器；18、低温回热器；19、主压缩机；20、再压缩机；21、第二三通器；22、第三换热器；23、泵； 24、吸热器；25、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轻烃分离耦合超临界CO2再压缩布雷顿/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、超临界CO2再压缩布雷顿循环系统、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的工质出口侧接入第一三通器2的进口侧，第一三通器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，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，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，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第一混合器 9的两个进口侧连通；
所述聚光型太阳能集热循环系统包括定日镜25，定日镜25吸收太阳光并将热量传递给吸热器24，吸热器24的工质出口侧与泵23 的工质进口侧相连通，泵23的工质出口侧与第三换热器22的热流进口侧相连通，第三换热器22的热流出口侧与吸热器24的工质进口侧相连通；
所述的超临界CO2再压缩布雷顿循环系统包括主压缩机19，主压缩机19的出口侧与低温回热器18的冷流进口侧相连通，低温回热器18的冷流出口侧与再压缩机20的出口侧通过第二混合器17连入高温回热器16的冷流进口侧，高温回热器16的冷流出口侧与第三换热器22的冷流进口侧相连通，第三换热器22的冷流出口侧与超临界 CO2透平膨胀机15的进口侧相连通，超临界CO2透平膨胀机15的出口侧与高温回热器16的热流进口侧相连通，高温回热器16的热流出口侧与低温回热器18的热流进口侧相连通，低温回热器18的热流出口侧与第二三通器21的进口侧相连通，第二三通器21的出口侧分为两部分，一部分连入再压缩机20的进口侧，另外一部分连入第一预冷器13的热流进口侧，第一预冷器13的热流出口侧与第二预冷器 10的热流进口侧相连通，第二预冷器10的热流出口侧与主压缩机19 的进口侧相连通；
所述的有机朗肯循环系统包括有机朗肯透平膨胀机14，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的热流出口侧连入有机工质泵12的进口侧，有机工质泵 12的出口侧与第一预冷器13的冷流进口侧相连通，第一预冷器13的冷流出口侧连入有机朗肯透平膨胀机14的进口侧；
所述的天然气直接膨胀系统包括第一混合器9，第一混合器9的出口侧与第二预冷器10的冷流进口侧相连通，第二预冷器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。
所述的超临界CO2再压缩布雷顿循环中循环介质为超临界CO2。
所述的有机朗肯循环中冷源介质为LNG。
所述有机朗肯循环中有机工质为常用有机工质中的任一种，常用有机工质包括但不限于R134a四氟乙烷、R245fa五氟丙烷、R365mfc 五氟丁烷、n-Nonane正壬烷、n-Octane正辛烷及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增压输送至第一三通器2，第一三通器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第一混合器9中混合，随后通入第二预冷器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；聚光型太阳能集热循环中的定日镜25同步自动跟踪太阳光，把太阳光反射到吸热器24的窗口，进入吸热器24腔体内的聚集光线具有很高的能量密度，用来加热流经吸热器24管道内的熔融盐工质，高压超临界CO2与高温熔融盐在第三换热器22换热，换热后的高温高压超临界CO2通过超临界CO2透平膨胀机15做功发电，做功后的CO2进入高温回热器16进行定压放热，加热低温侧CO2，然后进入低温回热器18定压放热；通过低温回热器18后，经过第二三通器21一部分CO2分流直接进入再压缩机20绝热压缩，另一部分CO2进入第一预冷器13将废热传递给有机朗肯循环，然后进入第二预冷器10与LNG换热，经过第二预冷器 10预冷后的CO2进入主压缩机19加压，加压后的超临界CO2进入低温回热器18进行吸热，并与再压缩机20排出的CO2混合后进入高温回热器16定压吸热，然后再次与被加热的高温熔融盐换热，完成超临界CO2再压缩布雷顿循环；有机工质在第一预冷器13中被高温CO2加热，然后通过有机朗肯透平膨胀机14发电，完成发电过程后，有机工质又在第一换热器3中被LNG冷却，完成有机朗肯循环；与高温CO2在第二预冷器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，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种LNG轻烃分离耦合超临界CO2再压缩布雷顿/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、超临界CO2再压缩布雷顿循环系统、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)的工质出口侧接入第一三通器(2)的进口侧，第一三通器(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，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，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，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第一混合器(9)的两个进口侧连通；
所述聚光型太阳能集热循环系统包括定日镜(25)，定日镜(25)吸收太阳光并将热量传递给吸热器(24)，吸热器(24)的工质出口侧与泵(23)的工质进口侧相连通，泵(23)的工质出口侧与第三换热器(22)的热流进口侧相连通，第三换热器(22)的热流出口侧与吸热器(24)的工质进口侧相连通；
所述的超临界CO2再压缩布雷顿循环系统包括主压缩机(19)，主压缩机(19)的出口侧与低温回热器(18)的冷流进口侧相连通，低温回热器(18)的冷流出口侧与再压缩机(20)的出口侧通过第二混合器(17)连入高温回热器(16)的冷流进口侧，高温回热器(16)的冷流出口侧与第三换热器(22)的冷流进口侧相连通，第三换热器(22)的冷流出口侧与超临界CO2透平膨胀机(15)的进口侧相连通，超临界CO2透平膨胀机(15)的出口侧与高温回热器(16)的热流进口侧相连通，高温回热器(16)的热流出口侧与低温回热器(18)的热流进口侧相连通，低温回热器(18)的热流出口侧与第二三通器(21)的进口侧相连通，第二三通器(21)的出口侧分为两部分，一部分连入再压缩机(20)的进口侧，另外一部分连入第一预冷器(13)的热流进口侧，第一预冷器(13)的热流出口侧与第二预冷器(10)的热流进口侧相连通，第二预冷器(10)的热流出口侧与主压缩机19的进口侧相连通；
所述的有机朗肯循环系统包括有机朗肯透平膨胀机(14)，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)的热流出口侧连入有机工质泵(12)的进口侧，有机工质泵(12)的出口侧与第一预冷器(13)的冷流进口侧相连通，第一预冷器(13)的冷流出口侧连入有机朗肯透平膨胀机(14)的进口侧；
所述的天然气直接膨胀系统包括第一混合器(9)，第一混合器(9)的出口侧与第二预冷器(10)的冷流进口侧相连通，第二预冷器(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轻烃分离耦合超临界CO2再压缩布雷顿/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轻烃分离耦合超临界CO2再压缩布雷顿/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轻烃分离耦合超临界CO2再压缩布雷顿/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轻烃分离耦合超临界CO2再压缩布雷顿/有机朗肯联合循环发电系统，其特征在于：所述的超临界CO2再压缩布雷顿循环中循环介质为超临界CO2。
6.根据权利要求1所述的一种LNG轻烃分离耦合超临界CO2再压缩布雷顿/有机朗肯联合循环发电系统，其特征在于：所述的有机朗肯循环中冷源介质为LNG。
7.根据权利要求1所述的一种LNG轻烃分离耦合超临界CO2再压缩布雷顿/有机朗肯联合循环发电系统，其特征在于：所述的有机朗肯循环中有机工质为常用有机工质中的任一种，常用有机工质包括但不限于R134a四氟乙烷、R245fa五氟丙烷、R365mfc五氟丁烷、n-Nonane正壬烷、n-Octane正辛烷及n-Pentane正戊烷。
8.根据权利要求1所述的一种LNG轻烃分离耦合超临界CO2再压缩布雷顿/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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