CN112648033A - 一种利用lng冷能的bog燃气轮机/超临界co2布雷顿/卡琳娜联合循环发电系统 - Google Patents

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Abstract

一种利用LNG冷能的BOG燃气轮机/超临界CO2布雷顿/卡琳娜联合循环发电系统，包括BOG燃气轮机系统、超临界CO2再压缩布雷顿循环、卡琳娜循环和天然气直接膨胀系统；将BOG用于冷却超临界CO2再压缩布雷顿循环工质，然后作为燃气轮机系统的燃料，燃气轮机出口烟气作为超临界CO2再压缩布雷顿循环的热源，实现对BOG的高效回收利用；采用LNG作为卡琳娜循环和超临界CO2再压缩布雷顿循环的冷源，再将吸热气化后的天然气用于直接膨胀发电，实现对LNG冷能的梯级利用；本发明可以实现BOG和LNG冷能的高效互补利用，显著提高了系统的热效率和发电效率；具有结构合理、成本低廉、节能高效、实用性强的优点。

Description

一种利用LNG冷能的BOG燃气轮机/超临界CO2布雷顿/卡琳娜联 合循环发电系统
技术领域
本发明涉及一种LNG冷能和BOG耦合利用技术，具体涉及一种利用LNG冷能的BOG燃气轮机/超临界CO2布雷顿/卡琳娜联合循环发电系统。
背景技术
液化天然气(LNG)低温储罐无法实现绝对绝热，因此不可避免会产生蒸发气体(BOG)。BOG的存在会威胁系统的生产安全，必须对其进行妥善处理。然而，现有的BOG处理系统存在结构复杂、能耗高、冷能浪费严重等问题。
LNG需要气化至常温后供给用户使用。在气化过程中LNG会释放大量冷能，如果能够对这部分冷能加以利用，会产生巨大的经济效益。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。以氨-水混合物作为工质的卡琳娜循环在中低温热能利用中具有显著优势。在卡琳娜循环中，氨-水混合物的吸热蒸发过程为变温过程，可以使热源的放热过程与混合工质的吸热过程曲线更好的匹配，从而最大限度地降低放热过程中的不可逆损失，提高其热能利用效率。将LNG作为超临界CO2再压缩布雷顿循环和卡琳娜循环的冷源能够进一步提高其发电效率，但对LNG冷能的利用率不高。天然气直接膨胀发电技术具有工艺简单、成本低等优点，但仅能利用LNG的压力能，同样存在冷能利用率低的缺点。
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利用LNG冷能的BOG燃气轮机/超临界CO2布雷顿/卡琳娜联合循环发电系统，将BOG燃气轮机系统、超临界CO2再压缩布雷顿循环、卡琳娜循环和天然气直接膨胀系统相结合，能够实现BOG和LNG冷能的高效互补利用，显著提高了系统的热效率和发电效率；具有结构合理、成本低廉、节能高效、实用性强的优点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用LNG冷能的BOG燃气轮机/超临界CO2布雷顿/卡琳娜联合循环发电系统，包括BOG燃气轮机系统、超临界CO2再压缩布雷顿循环、卡琳娜循环和天然气直接膨胀系统；
所述的BOG燃气轮机系统包括BOG压缩机26，BOG压缩机26 的进口侧与LNG储罐的气相出口侧相连通，BOG压缩机26的出口侧接入第一换热器22的冷流进口侧，第一换热器22的冷流出口侧和空气压缩机23的出口侧接入燃烧器24的进口侧，燃烧器24的出口侧连入燃气轮机25的进口侧，燃气轮机25的出口侧与第二换热器 21的热流进口侧相连通，第二换热器21的热流出口侧气体外排；
所述的超临界CO2再压缩布雷顿循环包括主压缩机14，主压缩机14的出口侧与低温回热器16的冷流进口侧相连通，低温回热器 16的冷流出口侧与再压缩机15的出口侧通过第一混合器18连入高温回热器17的冷流进口侧，高温回热器17的冷流出口侧与第三换热器20的冷流进口侧相连，第三换热器20的冷流出口侧连入第二换热器21的冷流入口侧，第二换热器21的冷流出口侧与超临界CO2透平膨胀机19的入口侧相连通，超临界CO2透平膨胀机19的出口侧与第三换热器20的热流进口侧相连通，第三换热器20的热流出口侧与第一换热器22的热流进口侧相连通，第一换热器22的热流出口侧连入高温回热器17的热流进口侧，高温回热器17的热流出口侧连入低温回热器16的热流进口侧相连通，低温回热器16的热流出口侧连入第四换热器9的热流进口侧，第四换热器9的热流出口侧与三通器13 的进口侧相连通，三通器13的出口侧分为两部分，一部分连入再压缩机15的进口侧，另外一部分连入预冷器12的热流进口侧，预冷器 12的热流出口侧与主压缩机14的进口侧相连通；
所述的卡琳娜循环包括氨水泵8，氨水泵8的出口侧与第四换热器9冷流入口侧连接，第四换热器9冷流出口侧接入分离器10入口侧，分离器10的液相出口侧与第五换热器5的热流进口侧相连通，第五换热器5的热流出口侧与节流阀6的进口相接，分离器10的气相出口侧与氨气透平膨胀机11的进口侧相连通，氨气透平膨胀机11 的出口侧与冷凝器3的热流进口侧相连通，冷凝器3的热流出口侧与节流阀6的出口分别通过第二混合器7连入氨水泵8的进口侧；
所述的天然气直接膨胀系统包括LNG储罐1，LNG储罐1的液相出口侧与LNG泵2的进口侧相连，LNG泵2的出口侧连入冷凝器 3的冷流进口侧，冷凝器3的冷流出口侧与第五换热器5的冷流进口侧相连通，第五换热器5的冷流出口侧与透平膨胀机4的进口侧相连通，透平膨胀机4的出口侧与预冷器12的冷流入口侧相连通。
所述LNG储罐1的气相出口侧为BOG。
所述的超临界CO2再压缩布雷顿循环中循环工质为超临界CO2。
所述卡琳娜循环中循环工质为氨水混合物。
所述的冷凝器3中冷源工质为LNG。
所述预冷器12冷流出口侧直接连至用户或企业。
本发明的有益效果在于：
将BOG用于冷却超临界CO2再压缩布雷顿循环工质，然后作为燃气轮机系统的燃料，燃气轮机出口烟气再作为超临界CO2再压缩布雷顿循环的热源，实现对BOG的高效回收利用；采用LNG作为卡琳娜循环和超临界CO2再压缩布雷顿循环的冷源，再将吸热气化后的天然气用于直接膨胀发电，实现对LNG冷能的梯级利用；通过上述对BOG 和LNG冷能的高效互补利用，有效提高了系统的热效率和发电效率，具有结构合理、高效节能、实用性强和成本低廉的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1、LNG储罐；2、LNG泵；3、冷凝器；4、透平膨胀机； 5、第五换热器；6、节流阀；7、第二混合器；8、氨水泵；9、第四换热器；10、分离器；11、透平膨胀机；12、预冷器；13、三通器； 14、主压缩机；15、再压缩机；16、低温回热器；17、高温回热器； 18、第一混合器；19、超临界CO2透平膨胀机；20、第三换热器；21、第二换热器；22、第一换热器；23空气压缩机；24、燃烧器；25、燃气轮机；26、BOG压缩机。
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1，一种利用LNG冷能的BOG燃气轮机/超临界CO2布雷顿/卡琳娜联合循环发电系统，包括BOG燃气轮机系统、超临界 CO2再压缩布雷顿循环、卡琳娜循环和天然气直接膨胀系统。
所述的BOG燃气轮机系统包括BOG压缩机26，BOG压缩机26 的进口侧与LNG储罐的气相出口侧相连通，BOG压缩机26的出口侧接入第一换热器22的冷流的进口侧，第一换热器22的冷流出口侧和空气压缩机23的出口侧接入燃烧器24，燃烧器24的出口侧连入燃气轮机25的进口侧，燃气轮机25的出口侧与第二换热器21的热流进口侧相连通，第二换热器21的热流出口侧气体外排。
所述的超临界CO2再压缩布雷顿循环包括主压缩机14，主压缩机14的出口侧与低温回热器16的冷流进口侧相连通，低温回热器 16的冷流出口侧与再压缩机15的出口侧通过第一混合器18连入高温回热器17的冷流进口侧，高温回热器17的冷流出口侧与第三换热器20的冷流进口侧相连，第三换热器20的冷流出口侧连入第二换热器21的冷流进口侧，第二换热器21的冷流出口侧与超临界CO2透平膨胀机19的进口侧相连通，超临界CO2透平膨胀机19出口侧与第三换热器20的热流进口侧相连通，第三换热器20的热流出口侧与第一换热器22的进口侧相连通，第一换热器22的热流进口侧连入高温回热器17的热流进口侧，高温回热器17的热流出口侧连入低温回热器16的热流进口侧，低温回热器16的热流出口侧连入第四换热器9的热流进口侧，第四换热器9的热流出口侧与三通器13的进口侧相连通，三通器13的出口侧分为两部分，一部分连入再压缩机15的进口侧，另外一部分连入预冷器12的热流进口侧，预冷器12的热流出口侧与主压缩机14的进口侧相连通。
所述的卡琳娜循环包括氨水泵8，氨水泵8的出口侧与第四换热器9的冷流进口侧连接，第四换热器9的冷流出口侧接入分离器10 进口侧，分离器10的液相出口侧与第五换热器5的热流进口侧相连通，第五换热器5的热流出口侧与节流阀6的进口侧相接，分离器10的气相出口侧与氨气透平膨胀机11的进口侧相连通，氨气透平膨胀机11的出口侧与冷凝器3的热流进口侧相连通，冷凝器3的热流出口侧与节流阀6的出口侧分别通过第二混合器7连入氨水泵8的进口侧；
所述的天然气直接膨胀系统包括LNG储罐1，LNG储罐1的液相出口侧与LNG泵2的进口侧相连，LNG泵2的出口侧连入冷凝器 3的冷流进口侧，冷凝器3的冷流出口侧与第五换热器5的冷流进口侧相连通，第五换热器5的冷流出口侧与透平膨胀机4的进口侧相连通，透平膨胀机4的出口侧与预冷器12的冷流进口侧相连通。
所述LNG储罐1的气相出口侧为BOG。
所述的超临界CO2再压缩布雷顿循环中循环工质为超临界CO2。
所述卡琳娜循环中循环工质为氨水混合物。
所述的冷凝器3中冷源为LNG。
所述预冷器12的冷流出口侧直接连至用户或企业。
本发明的工作原理如下：
LNG储罐1产生的蒸发气体(BOG)经BOG压缩机26压缩后输送至第一换热器22，加热升温后和空气压缩机23出口的工质共同进入燃烧器24进行燃烧反应，生成物全部为气体并进入燃气轮机25 发电，然后进入第二换热器21为超临界CO2再压缩布雷顿循环提供热流，完成BOG燃气轮机系统；LNG储罐1中LNG经LNG泵2增压后，经过冷凝器3冷却卡琳娜循环中的有机工质，随后LNG经过第五换热器5吸收分离器10中流出的液相工质余热，之后进入透平膨胀机4将高温高压天然气进行膨胀发电，最后在预冷器12中对超临界CO2进行预冷完成天然气直接膨胀过程；储罐1中的LNG经过 LNG泵2增压，进入冷凝器3冷却有机工质，被冷凝的有机工质与另一部分从节流阀6中流出的有机工质在第二混合器7中混合，进入氨水泵8中增压，增压后的有机工质与第四换热器9中的高温超临界 CO2换热，然后进入分离器10中气液分离，气相工质进入氨气透平膨胀机11中发电，发完电后的气体重新进入冷凝器3中冷凝，液相中的余热在第五换热器5中与LNG进行换热，换热后的有机工质进入节流阀6，节流阀6中流出的有机工质再次与被冷凝器3冷却的有机工质在第二混合器7中混合，完成卡琳娜循环；高压超临界CO2与高温气体在第二换热器21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19做功发电，做功后的CO2进入第三换热器20加热低温侧CO2，进入第二换热器加热低温BOG，再进入高温回热器17进行定压放热，然后进入低温回热器16定压放热，通过低温回热器16后进入第四换热器9为卡琳娜循环提供热流，然后经过三通器13，一部分CO2分流直接进入再压缩机15绝热压缩，另一部分CO2进入预冷器12与LNG换热，经过预冷器12预冷后的CO2进入主压缩机14加压，加压后的超临界CO2进入低温回热器16进行吸热，并与再压缩机15排出的CO2混合后进入高温回热器17定压吸热，然后再次与被加热的高温气体换热，完成超临界CO2再压缩布雷顿循环。
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 (6)

1.一种利用LNG冷能的BOG燃气轮机/超临界CO2布雷顿/卡琳娜联合循环发电系统，包括BOG燃气轮机系统、超临界CO2再压缩布雷顿循环、卡琳娜循环和天然气直接膨胀系统；其特征在于：
所述的BOG燃气轮机系统包括BOG压缩机(26)，BOG压缩机(26)的进口侧与LNG储罐的气相出口侧相连通，BOG压缩机(26)的出口侧接入第一换热器(22)的冷流的进口侧，第一换热器(22)的冷流出口侧和空气压缩机(23)的出口侧接入燃烧器(24)的进口侧，燃烧器(24)的出口侧连入燃气轮机(25)的进口侧，燃气轮机(25)的出口侧与第二换热器(21)的热流进口侧相连通，第二换热器21的热流出口侧气体外排；
所述的超临界CO2再压缩布雷顿循环包括主压缩机(14)，主压缩机(14)的出口侧与低温回热器(16)的冷流进口侧相连通，低温回热器(16)的冷流出口侧与再压缩机(15)的出口侧通过第一混合器(18)连入高温回热器(17)的冷流进口侧，高温回热器(17)的冷流出口侧与第三换热器(20)的冷流进口侧相连，第三换热器(20)的冷流出口侧连入第二换热器(21)的冷流进口侧，第二换热器(21)的冷流出口侧与超临界CO2透平膨胀机(19)的入口侧相连通，超临界CO2透平膨胀机(19)的出口侧与第三换热器(20)的热流进口侧相连通，第三换热器(20)的热流出口侧与第一换热器(22)的热流进口侧相连通，第一换热器(22)的热流出口侧连入高温回热器(17)的热流进口侧，高温回热器(17)的热流出口侧连入低温回热器(16)的热流进口侧相连通，低温回热器(16)的热流出口侧连入第四换热器(9)的热流进口侧，第四换热器(9)的热流出口侧与三通器(13)的进口侧相连通，三通器(13)的出口侧分为两部分，一部分连入再压缩机(15)的进口侧，另外一部分连入预冷器(12)的热流进口侧，预冷器(12)的热流出口侧与主压缩机(14)的进口侧相连通；
所述的卡琳娜循环包括氨水泵(8)，氨水泵(8)的出口侧与第四换热器(9)冷流入口侧连接，第四换热器(9)冷流出口侧接入分离器(10)进口侧，分离器(10)的液相出口侧与第五换热器(5)的热流进口侧相连通，第五换热器(5)的热流出口侧与节流阀(6)的进口侧相接，分离器(10)的气相出口侧与氨气透平膨胀机(11)的进口侧相连通，氨气透平膨胀机(11)的出口侧与冷凝器(3)的热流进口侧相连通，冷凝器(3)的热流出口侧与节流阀(6)的出口通过第二混合器(7)连入氨水泵(8)的进口侧；
所述的天然气直接膨胀系统包括LNG储罐(1)，LNG储罐(1)的液相出口侧与LNG泵(2)的进口侧相连，LNG泵(2)的出口侧连入冷凝器(3)的冷流进口侧，冷凝器(3)的冷流出口侧与第五换热器(5)的冷流进口侧相连通，第五换热器(5)的冷流出口侧与透平膨胀机(4)的进口侧相连通，透平膨胀机(4)的出口侧与预冷器(12)的冷流进口侧相接。
2.根据权利要求1所述的一种利用LNG冷能的BOG燃气轮机/超临界CO2布雷顿/卡琳娜联合循环发电系统，其特征在于：所述LNG储罐(1)气相出口侧的工质为BOG。
3.根据权利要求1所述的一种利用LNG冷能的BOG燃气轮机/超临界CO2布雷顿/卡琳娜联合循环发电系统，其特征在于：所述的超临界CO2再压缩布雷顿循环中循环工质为超临界CO2。
4.根据权利要求1所述的一种利用LNG冷能的BOG燃气轮机/超临界CO2布雷顿/卡琳娜联合循环发电系统，其特征在于：卡琳娜循环中循环工质为氨水混合物。
5.根据权利要求1所述的一种利用LNG冷能的BOG燃气轮机/超临界CO2布雷顿/卡琳娜联合循环发电系统，其特征在于：冷凝器(3)中冷源为LNG。
6.根据权利要求1所述的一种利用LNG冷能的BOG燃气轮机/超临界CO2布雷顿/卡琳娜联合循环发电系统，其特征在于：所述预冷器(12)冷流出口侧直接连至用户或企业。
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