CN112444099A - 一种天然气液化设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种天然气液化设备，包括具有用于存储液化天然气的LNG储罐的天然气液化系统，以及具有燃烧器和涡轮发电机的二氧化碳涡轮发电系统，燃烧器构造为能接收LNG储罐的闪蒸气并燃烧以加热二氧化碳形成高温混合介质使涡轮发电机进行发电，涡轮发电机构造为排放的二氧化碳能供给燃烧器，该设备使用液化天然气的闪蒸气作为燃料，产生的高温燃气作为超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的热源，推动二氧化碳涡轮发电机发电，所产生的电力供应整个天然气液化设备所需的能耗，从而不需要建设天然气管网和电网，节省了投资，且该设备结构简单。

Description

一种天然气液化设备
技术领域
本发明涉及天然气液化及其环保技术领域，具体涉及一种天然气液化设备。
背景技术
近年来，随着能源转型和环保要求的提高，人们对清洁能源需求的日益增加。液化天然气(LNG)消费量和贸易量高速增长，使用范围也在不断扩大。液化工艺是LNG生产的核心。现有技术中的天然气的液化设备结构复杂，成本高。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种天然气液化设备。该设备使用天然气作为燃料，产生的高温燃气作为超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的热源，推动二氧化碳涡轮发电机发电，所产生的电力供应整个天然气液化设备所需的能耗，从而不需要建设天然气管网和电网，简化了设备布设，节省了投资。
根据本发明，提出了一种天然气液化设备，包括：
具有用于存储液化天然气的LNG储罐的天然气液化系统，
具有燃烧器和涡轮发电机的二氧化碳涡轮发电系统，燃烧器构造为能接收LNG储罐的闪蒸气并燃烧以加热二氧化碳形成高温混合介质使涡轮发电机进行发电，涡轮发电机构造为排放的二氧化碳能供给燃烧器。
在一个实施例中，二氧化碳涡轮发电系统还包括制冷器、高温回热器、低温回热器和分水器，
其中，制冷器的闪蒸气入口端与LNG储罐连接，制冷器的二氧化碳气体出口端与高温回热器的二氧化碳气体的入口端连接，
低温回热器的闪蒸气入口端与制冷器的闪蒸气出口端连接，低温回热器的闪蒸气出口端与燃烧器连接，低温回热器的混合介质出口端与分水器的入口端连接，
高温回热器的混合介质入口端与涡轮发电机的出口连接，混合介质出口端与低温回热器的混合介质入口端连接，高温回热器的二氧化碳气体出口端与燃烧器连接，
分水器的气体出口端与制冷器的二氧化碳气体端入口连接。
在一个实施例中，在分水器的气体出口端与制冷器的二氧化碳气体入口端之间设置二氧化碳压缩机。
在一个实施例中，二氧化碳压缩机的转轴与涡轮发电机的转轴相连。
在一个实施例中，制冷器的二氧化碳气体出口端与高温回热器的二氧化碳气体的入口端之间设置增压泵。
在一个实施例中，天然气液化系统还包括预冷换热器、主换热器、过冷换热器和冷剂冷却组件，
其中，预冷换热器的天然气入口端与天然气源连接，
主换热器的天然气入口端与预冷换热器的天然气出口端连接，
过冷换热器的天然气入口端与主换热器的天然气出口端连接，过冷换热器的天然气出口端与LNG储罐连接，
冷剂冷却组件的冷剂出口端依次连接预冷换热器、主换热器、过冷换热器输送冷却后又依次通过过冷换热器、主换热器、预冷换热器返回冷剂到冷剂冷却组件。
在一个实施例中，在主换热器的内部的天然气输送管道上设置天热气气液分离器，天然气气液分离器的入口端与主换热器的天然气入口端连通，天然气气液分离器的气体出口端与过冷换热器的天然气入口端连通，并且天然气气液分离器的液体出口端与预冷换热器的连接。
在一个实施例中，预冷换热器的液体出口端汇通到低温回热器的闪蒸气出口端与燃烧器连接的管线上。
在一个实施例中，在预冷换热器和主换热器之间的冷剂输送管线上设置冷剂气液分离器，冷剂气液分离器的入口与预冷换热器的冷剂端出口连接，冷剂气液分离器的液体出口连接主换热器的冷剂入口，冷剂气液分离器的气体出口连接膨胀机的入口，而膨胀机的出口连接到过冷换热器和主换热器之间的冷剂返回管线上。
在一个实施例中，冷剂冷却组件具有依次连接的冷剂一级压缩机、冷剂一级冷却器、冷剂二级压缩机和冷剂二级冷却器，其中，冷剂二级冷却器与预冷换热器的输入冷剂端入口连接，而冷剂一级压缩机与预冷换热器的返回冷剂端出口连接，并且，膨胀机的转轴与冷剂二级压缩机的转轴连接。
与现有技术相比，本发明的优点在于，设备使用液化天然气的闪蒸气作为燃料，产生的高温燃气作为超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的热源，推动二氧化碳涡轮发电机发电，所产生的电力供应整个天然气液化设备所需的能耗，从而不需要建设天然气管网和电网，节省了投资，且该设备结构简单。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：
图1显示了根据本发明的一个实施例的天然气液化设备示意图。
附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步说明。
图1显示了根据本发明的一个实施例的天然气净化设备100。如图1所示，天然气净化设备100包括天然气处理系统1、天然气液化系统2、二氧化碳涡轮发电系统3和空分系统4。其中，天然气液化系统2具有用于存储液化天然气的LNG储罐26。而二氧化碳涡轮发电系统3具有燃烧器31和涡轮发电机32。其中，燃烧器31构造为能接收LNG储罐26的闪蒸气并使其燃烧，燃烧热量加热二氧化碳形成高温混合介质促动涡轮发电机32进行发电，涡轮发电机32发电过程中排放的二氧化碳再供给燃烧器31，以进行二氧化碳的循环。
由此，该设备100能使用液化天然气的闪蒸气作为燃料，产生的高温燃气作为二氧化碳涡轮发电系统2的热源，推动二氧化碳涡轮发电机32发电，所产生的电力供应整个天然气液化设备100所需的能耗，从而不需要建设天然气管网和电网，节省了投资，且该设备结构简单。
具体地，天然气处理系统1具有依次连接的预处理模块11、增压模块12、净化模块13和脱水模块14。其中，原料天然气经过预处理模块11去除杂质、液滴后，进入增压模块12进行增压，然后通过净化模块13脱酸、脱汞，最后进入脱水模块14脱水。上述的天然气出来系统1为后续的天然气体液化系统2提供了洁净的天然气。
天然气液化系统2包括预冷换热器21、主换热器22、过冷换热器23、冷剂气液分离器24、天然气气液分离器25、LNG储罐26、冷剂节流阀27、天然气节流阀28、膨胀机29、中间气节流阀214，以及具有冷剂二级压缩机210、冷剂一级压缩机211、冷剂一级冷却器212和冷剂二级冷却器213的冷剂冷却组件。其中，预冷换热器21的天然气入口与脱水模块14连接。预冷换热器21的天然气出口与主换热器22的天然气入口连接。预冷换热器21的高压冷剂入口与冷剂二级冷却器213的出口连接。预冷换热器21的高压冷剂输送出口与冷剂气液分离器24连接。预冷换热器21的低压冷剂返回入口与主换热器22的低压冷剂出口连接。预冷换热器21的低压冷剂出口与冷剂一级压缩机211连接。预冷换热器21与天然气气液分离器25之间安装有中间气节流阀214。预冷换热器21的液体入口管线与中间气节流阀214的出口连接。预冷换热器21的液体出口管线与低温回热器34的天然气的闪蒸气出口管线汇通式连接。主换热器22的天然气中间气出口管线与天然气气液分离器25的入口管线连接。主换热器22的天然气中间气入口管线与天然气气液分离器25的气相出口管线连接。主换热器22的天然气出口与过冷换热器23的天然气入口连接。主换热器22的低压冷剂入口管线与膨胀机29和过冷换热器23的低压冷剂出口管线的汇管连接。主换热器22的高压冷剂入口管线与冷剂气液分离器24的液相出口连接。主换热器22的高压冷剂出口管线与过冷换热器23的高压冷剂入口管线连接。过冷换热器23与LNG储罐26之间安装有天然气节流阀28。过冷换热器23的天然气出口与天然气节流阀28连接。过冷换热器23的高压冷剂出口管线与冷剂节流阀27的入口连接。过冷换热器23的低压冷剂入口管线与冷剂节流阀27的出口连接。LNG储罐26的入口管线与天然气节流阀28的出口连接。LNG储罐26的气相出口管线与二氧化碳涡轮发电系统3的制冷器37低温侧流体入口管线连接。
在天然气液化系统2中，接收天然气处理系统1的天然气。首先，天然气经预冷换热器21冷却。然后，天然气进入主换热器22进一步冷却，到达一定温度后进入天然气气液分离器25进行气液分离。其中，经分离的天然气的气相部分返回主换热器22进一步冷却液化。之后，天然气经过冷换热器23过冷，最后经天然气节流阀28节流降温后进入LNG储罐26。而在天然气气液分离器25进行气液分离的液相部分由于具有一定冷量，返流作为预冷换热器21的部分冷源。为了充分利用冷能，LNG储罐26的气相出口出去的闪蒸气则进入超临界二氧化碳布雷顿循环的二氧化碳涡轮发电系统2，作为冷源冷却循环的二氧化碳，然后作为燃料进入燃烧器31。在冷剂制冷系统中，采用N2-CH4混合气体作为制冷剂。制冷剂先后经过冷剂一级压缩机211、冷剂一级冷却器212、冷剂二级压缩机210、冷剂二级冷却器213压缩到工作压力后进入预冷换热器21，进行预冷。然后，在冷剂气液分离器24的分离作用下，一部分制冷剂分别经过主换热器22和过冷换热器23冷凝、过冷后，再经冷剂节流阀27节流降温，返流为过冷换热器23和主换热器22提供冷量。在冷剂气液分离器24的分离作用下，另一部分制冷剂进入膨胀机29膨胀，降压降温，并输出膨胀功，膨胀后的制冷剂与返流的低压制冷剂混合后一起进入主换热器22，作为主换热器22的冷源为其提供冷量。优选地，冷剂二级压缩机210的转轴与膨胀机29的转轴相连，回收的膨胀功用于驱动冷剂二级压缩机210。
二氧化碳涡轮发电系统3包括燃烧器31、二氧化碳涡轮发电机32、高温回热器33、低温回热器34、分水器35、二氧化碳压缩机36、制冷器37、二氧化碳增压泵38。燃气入口管线、高温回热器33低温侧流体(也就是二氧化碳气体)出口、空分系统4的氧气管线分别与燃烧器31入口连通。燃气入口管线分别于预冷换热器21的闪蒸气出口管线和低温回热器34低温侧流体(也就是天然气)出口管线连接。燃烧器31出口管线与二氧化碳涡轮发电机32入口管线连接。高温回热器33高温侧流体(混合介质)入口与二氧化碳涡轮发电机32出口连接。高温回热器33高温侧流体出口与低温回热器34高温侧流体入口连接。高温回热器33低温侧流体(也就是二氧化碳气体)入口与二氧化碳增压泵38出口连接。低温回热器34高温侧流体(混合介质)出口与分水器35入口连接。分水器35气相出口管线与二氧化碳压缩机36连接。分水器35气相出口上设有排气口。二氧化碳压缩机36出口与制冷器37高温侧流体入口连接。制冷器37高温侧流体出口与二氧化碳增压泵38入口连接。
从而，二氧化碳增压泵38将二氧化碳增压后送入高温回热器33内，二氧化碳在高温回热器33被来自二氧化碳涡轮发电机32送入的混合介质加热后自高压侧出口送至燃烧器31。经过回收冷量的闪蒸气和来自空分系统4的氧气在燃烧器31中混合燃烧，形成高温燃气。二氧化碳在燃烧器31中被燃气直接加热至高温，高温混合介质自燃烧器31出口进入二氧化碳涡轮发电机32做功并推动发电机发电。二氧化碳涡轮发电机32出口混合介质由低压侧进口进入高温回热器33，换热后的混合介质进入低温回热器34，与来自制冷器37的低温闪蒸气换热后将水液化。通过分水器35后，水从疏水口排出收集，气体介质进入二氧化碳压缩机36增压，多余的二氧化碳可以由气相出口设置的二氧化碳排放口排放，二氧化碳压缩机36出口的混合介质经制冷器37使二氧化碳液化，液体二氧化碳进入二氧化碳增压泵38，完成循环。
空分系统4的氧气管线与二氧化碳涡轮发电系统3的燃烧器31连接，为燃烧器31提供氧气。
二氧化碳压缩机36的转轴与二氧化碳涡轮发电机32的转轴相连。上述设置用于回收二氧化碳涡轮发电机32的动力。
分水器35和二氧化碳增压泵38分别设置了气态二氧化碳排放口和液态二氧化碳排放口，便于二氧化碳的进一步利用和封存。
本发明采用超临界二氧化碳布雷顿循环发电，充分利用超临界二氧化碳的特点，结构紧凑、体积较小，节省了装置的成本和占地的空间。同时充分利用了天然气液化系统的冷能，降低了运行成本，而所发的电力，又可以为天然气液化系统、天然气处理系统等提供动力来源，所需要的制冷剂可由系统自行生产，减少了装置对周边系统的依赖。
以上仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种天然气液化设备，其特征在于，包括：
具有用于存储液化天然气的LNG储罐的天然气液化系统，
具有燃烧器和涡轮发电机的二氧化碳涡轮发电系统，所述燃烧器构造为能接收所述LNG储罐的闪蒸气并燃烧以加热二氧化碳形成高温混合介质使所述涡轮发电机进行发电，所述涡轮发电机构造为排放的二氧化碳能供给所述燃烧器。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述二氧化碳涡轮发电系统还包括制冷器、高温回热器、低温回热器和分水器，
其中，所述制冷器的闪蒸气入口端与所述LNG储罐连接，所述制冷器的二氧化碳气体出口端与所述高温回热器的二氧化碳气体的入口端连接，
所述低温回热器的闪蒸气入口端与所述制冷器的闪蒸气出口端连接，所述低温回热器的闪蒸气出口端与所述燃烧器连接，所述低温回热器的混合介质出口端与所述分水器的入口端连接，
所述高温回热器的混合介质入口端与所述涡轮发电机的出口连接，混合介质出口端与所述低温回热器的混合介质入口端连接，所述高温回热器的二氧化碳气体出口端与所述燃烧器连接，
所述分水器的气体出口端与所述制冷器的二氧化碳气体端入口连接。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，在所述分水器的气体出口端与所述制冷器的二氧化碳气体入口端之间设置二氧化碳压缩机。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述二氧化碳压缩机的转轴与所述涡轮发电机的转轴相连。
5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述制冷器的二氧化碳气体出口端与所述高温回热器的二氧化碳气体的入口端之间设置增压泵。
6.根据权利要求2到5中任一项所述的设备，其特征在于，所述天然气液化系统还包括预冷换热器、主换热器、过冷换热器和冷剂冷却组件，
其中，所述预冷换热器的天然气入口端与天然气源连接，
所述主换热器的天然气入口端与所述预冷换热器的天然气出口端连接，
所述过冷换热器的天然气入口端与所述主换热器的天然气出口端连接，所述过冷换热器的天然气出口端与所述LNG储罐连接，
所述冷剂冷却组件的冷剂出口端依次连接预冷换热器、主换热器、过冷换热器输送冷却后又依次通过过冷换热器、主换热器、预冷换热器返回冷剂到所述冷剂冷却组件。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，在所述主换热器的内部的所述天然气输送管道上设置天热气气液分离器，所述天然气气液分离器的入口端与所述主换热器的天然气入口端连通，所述天然气气液分离器的气体出口端与所述过冷换热器的天然气入口端连通，并且所述天然气气液分离器的液体出口端与所述预冷换热器的连接。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述预冷换热器的液体出口端汇通到所述低温回热器的闪蒸气出口端与所述燃烧器连接的管线上。
9.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，在所述预冷换热器和所述主换热器之间的冷剂输送管线上设置冷剂气液分离器，所述冷剂气液分离器的入口与所述预冷换热器的冷剂端出口连接，所述冷剂气液分离器的液体出口连接所述主换热器的冷剂入口，所述冷剂气液分离器的气体出口连接膨胀机的入口，而所述膨胀机的出口连接到所述过冷换热器和所述主换热器之间的冷剂返回管线上。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述冷剂冷却组件具有依次连接的冷剂一级压缩机、冷剂一级冷却器、冷剂二级压缩机和冷剂二级冷却器，其中，所述冷剂二级冷却器与所述预冷换热器的输入冷剂端入口连接，而所述冷剂一级压缩机与所述预冷换热器的返回冷剂端出口连接，并且，所述膨胀机的转轴与所述冷剂二级压缩机的转轴连接。
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