CN113638806B - 用于交变负荷的lng冷能梯度回收的系统及调峰方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于交变负荷的LNG冷能梯度回收的系统及调峰方法。该系统包括一级冷能回收系统、二级冷能回收系统、三级冷能回收系统以及四级冷能回收系统。本发明的系统对LNG气化工艺中‑162℃至‑5℃进行全温区范围的冷能回收，不仅优化天然气燃气轮机发电的效率，针对交变负荷下LNG冷能回收中换热媒介进行优化，而且优化天然气负荷交替变化影响的冷能回收装置服役年限的问题。

Description

用于交变负荷的LNG冷能梯度回收的系统及调峰方法
技术领域
本发明涉及一种LNG气化冷能利用回收系统，特别涉及一种用于交变负荷的LNG冷能梯度回收的系统及调峰方法。
背景技术
LNG是天然气在脱酸脱水处理后，经过一系列低温冷冻液化工艺得到的-162℃左右的液态碳氢混合物。在LNG接收站，需要将LNG气化成约-5℃左右的NG后送入输气管网，气化过程放出大量的冷量，其复温至-5℃的显热和汽化潜热合计约为830kj/kg。这一部分冷量常在LNG气化器中随着海水或空气流失至环境中，造成了大量的能源浪费。所以，通过特定的工艺技术利用LNG冷量有着非常显著的经济效益和社会效益。然而LNG从-162℃左右气化至-5℃左右，其整个温差范围广泛，如何有针对性的对LNG的冷能进行系统化的利用仍有待解决。
天然气的燃气轮机循环主要包括压气机、燃烧室、燃气轮机构成。其热循环为布雷顿循环，由定熵压缩过程1-2、定压加热过程2-3、定熵膨胀过程3-4和定压放热过程4-1组成。其燃气轮机入口的空气温度对燃气透平的工作效率影响明显，因为空气的密度随着温度的降低而降低，相同体积下的空气，在经过降温处理后进入燃气轮机，其燃烧效果更优。
由于天然气主要用于发电和城市燃气，故LNG的气化负荷随着时间和季节交替而波动。针对冬季而言，白昼发电负荷大，夜晚发电负荷相对小，平衡用电负荷是主要问题。而夏季的昼夜发电负荷交替，如何充分利用空气海水比热的差异来使系统效率最优依然是需要进一步解决的问题。
另外，因对天然气的需求负荷交替变化，故冷能利用设备的运行也交替拨动，而冷能利用装置的交替开停机也会对装置的服役年限存在不良影响。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种用于交变负荷的LNG冷能梯度回收的系统及调峰方法，对LNG气化工艺中-162℃至-5℃进行全温区范围的冷能回收，优化了天然气燃气轮机发电的效率，同时针对交变负荷下LNG冷能回收中换热媒介进行优化，并且进一步优化了天然气负荷交替变化影响的冷能回收装置服役年限的问题。
技术方案：本发明所述的一种用于交变负荷的LNG冷能梯度回收的系统，包括一级冷能回收系统、二级冷能回收系统、三级冷能回收系统以及四级冷能回收系统；
所述一级冷能回收系统包括多级压缩机、与多级压缩机出口连通的第二换热器、与第二换热器出口连通的第一换热器以及与第一换热器出口连通的空分装置，所述空分装置的出口与第二换热器的进口连通，所述多级压缩机的出口设置有用于分流的第一三通阀，所述第二换热器的出口设置有用于分流的第二三通阀，所述第一三通阀的出口与所述第二三通阀(TV-2)的出口在第三三通阀的进口处汇合，第三三通阀的出口与所述三级冷能回收系统相连；
所述二级冷能回收系统包括工质循环回路、二级发电循环回路和碳捕集回路；工质循环回路包括第一冷媒罐、与第一冷媒罐出口连通的第一冷媒泵、与第一冷媒泵出口连通的第三换热器、与第三换热器出口连通的第四换热器、通过第四三通阀分别与第四换热器的出口连通的第五换热器以及第一膨胀发电机组，第一膨胀发电机组的出口以及第五换热器的出口分别与第五三通阀的两个进口连通，第五三通阀的出口与第三换热器的进口连通，第三换热器的出口与第六换热器的进口连通，第六换热器的出口与第一冷媒罐的进口连通，第五换热器的出口与三级冷能回收系统相连；
所述三级冷能回收系统包括三级发电循环回路和热源回路；所述三级发电循环回路包括第二冷媒罐、与第二冷媒罐的出口连通的第二冷媒泵、与所述第二冷媒泵的出口连通的第十换热器、与所述第十换热器的出口连通的第十一换热器，所述第十一换热器的出口与所述第三膨胀发电机组的进口相连，第三膨胀发电机组的出口与所述第十换热器的进口相连，所述第十换热器的热端出口与第十二换热器的进口相连，所述第十二换热器的热端出口与所述第二冷媒罐的进口相连；所述热源回路包括第三热源泵、与第三热源泵的出口连通的第十一换热器以及与所述第十一换热器的出口连通的第十三换热器；所述第三热源泵的进口送入海水或者所述第三热源泵的进口与所述二级冷能回收系统中的第五换热器的出口或与所述一级冷能回收系统中的第三三通阀相连；
所述四级冷能回收系统包括第十五换热器、与所述第十五换热器的进口连通的第九三通阀；所述第九三通阀的进口通过第一四通阀与所述三级冷能回收系统中的第十三换热器相连，所述第九三通阀的另一进口与外界海水相连。
本发明的一种优选结构为：还包括蓄冷系统，所述蓄冷系统包括第四冷媒罐、与第四冷媒罐出口连通的第四冷媒泵以及与所述第四冷媒泵的出口连通的第十四换热器。
本发明的一种优选结构为：所述二级发电循环回路包括串联设置的第七换热器以及燃气轮机增压发电机组，所述第七换热器的进口与碳捕集回路相连，所述第七换热器的出口与所述三级冷能回收系统相连，所述燃气轮机增压发电机组的出口与所述第七换热器的进口相连，所述第七换热器的出口与碳捕集回路相连。
本发明的一种优选结构为：所述碳捕集回路包括第一分离器、第四换热器、第七换热器、第八换热器、第二分离器以及第九换热器，所述第七换热器的进口与所述第八换热器的出口相连，所述第七换热器的出口与所述燃气轮机增压发电机组进口相连，所述第七换热器的进口与所述燃气轮机增压发电机组的出口相连，所述第七换热器的出口与所述第一分离器的进口相连，所述第一分离器的气体出口与所述第四换热器的进口相连，所述第四换热器的出口与所述第八换热器的进口连接，所述第八换热器的出口与所述第二分离器的进口相连，所述第二分离器的气体出口与所述第九换热器的进口相连，所述第九换热器的出口与外界碳捕集装置相连。
本发明的一种优选结构为：所述多级压缩机的进口与外界相连，所述第一换热器的进口与LNG泵出口相连，所述第一换热器的出口与所述二级冷能回收系统相连。
本发明的一种优选结构为：所述第一膨胀发电机组的出口通过第一球阀与所述第五三通阀进口相连，所述第五换热器的出口通过第二球阀与第五三通阀的进口相连，所述第六换热器的进口与所述一级冷能回收系统中的第一换热器相连，所述第六换热器的出口与所述碳捕集回路中的第九换热器的进口相连。
本发明的一种优选结构为：第十五换热器的出口与海水淡化装置相连，第十五换热器的冷源进口与天然气相连，第十五换热器的冷源出口与天然气用户端相连。
本发明利用所述的LNG冷能梯度回收的系统进行调峰的方法：
(1)LNG气化负荷谷值，用电量峰值：打开第一膨胀发电机组、燃气轮机增压发电机组以及第三膨胀发电机组均满负荷运行；
(2)LNG气化负荷峰值，用电量峰值：打开蓄冷系统、第一膨胀发电机组、燃气轮机增压发电机组以及第三膨胀发电机组均满负荷运行；
(3)LNG气化负荷谷值，用电量谷值：通过调整二级冷能回收系统中的循环工质循环回路中的第一球阀BV-1以及第二球阀BV-2的阀门开度，调整烟气中余热在第一膨胀发电机组G-1和燃气轮机增压发电机组的分配比例，使系统的余热回收和发电量达到综合效率更高；
(4)LNG气化负荷峰值，用电量谷值：通过蓄冷系统来缓冲LNG气化的高负荷，从而缓解LNG气化负荷峰值对后续流程的冲击。
有益效果：(1)本发明对LNG气化工艺中-162℃至-5℃进行全温区范围的冷能回收，不仅优化天然气燃气轮机发电的效率，针对交变负荷下LNG冷能回收中换热媒介进行优化，而且优化天然气负荷交替变化影响的冷能回收装置服役年限的问题。(2)本发明一级冷能回收系统通过LNG泵出口的冷量
Figure BDA0003220277180000041
冷却空分装置中的空气，大幅度降低能耗，并且通过分流将液氧与来自多级压缩机MC-1出口的空气进行混合，为二级冷能回收系统中燃气轮机增压发电机组提供富氧空气，可大幅度提高燃气轮机增压发电机组G-2的效率。(3)本发明的二级冷能回收系统中的二级发电循环回路为厂房/供气站的主要发电系统，通过设置第三热媒罐，调节第一球阀以及第二球阀的开度，来协调第一膨胀发电机组G-1以及燃气轮机增压发电机组G-2的发电量，并很好的适应用气波动以及用电波动；(4)本发明燃气轮机增压发电机组的燃气供给除了包括通过一级冷能利用系统中得到的富氧空气，还包括经二级冷能利用系统中得到的低温富氧空气，大幅度提高燃气轮机增压发电机组G-2的发电效率。(5)本发明设置的工质循环回路和碳捕集回路可进一步对余热烟气中的余热进行利用；冷媒在吸收余热烟气的热量后根据用电变化变化以及LNG气化负荷的不同，可经过第一膨胀发电机组发电，也可经过第五换热器换热亦或是二者并行运行。(6)本发明通过并联第一膨胀发电机组与第五换热器实现冷能的“按需取用”，在供电状态处于峰值时，燃气轮机增压发电机组产生的高温烟气余热充足，可通过余热发电过程来充分回收高温烟气的余热；而供电状态处于谷值时，燃气轮机增压发电机组产生的高温烟气余热不足，可通过余热供给过程，将烟气的余热通过第五换热器换热至热媒中，作为三级冷能回收系统300中的热流体使用。(7)本发明的二级冷能回收系统对经过空分装置后的天然气加热至-70℃左右，通过朗肯循环、燃气-蒸汽联合循环的方式对天然气冷能进行进一步回收。(8)本发明的工质循环回路(朗肯循环)将燃气轮机排放的余热废气作为高温热源，低温天然气作为低温冷源来实现二氧化碳的超临界朗肯循环，由于过程高低温热源温差较大，循环进行顺利，不仅利用了天然气冷量，而且对余热烟气中大部分二氧化碳进行回收液化，达到环境友好的高效循环。
附图说明
图1是本发明实施例的系统示意图，其中，100：一级冷能回收系统；200：二级冷能回收系统；300：三级冷能回收系统；400：四级冷能回收系统；500：蓄冷系统；MC-1：多级压缩机；AS：空分装置；H-1：第一换热器；H-2：第二换热器；H-3：第三换热器；H-4、第四换热器；H-5：第五换热器；H-6：第六换热器；H-7：第七换热器；H-8：第八换热器；H-9：第九换热器；H-10：第十换热器；H-11、第十一换热器；H-12：第十二换热器；H-13：第十三换热器；H-14：第十四换热器；H-15：第十五换热器；TV-1：第一三通阀；TV-2：第二三通阀；TV-3：第三三通阀；TV-4：第四三通阀；TV-5、第五三通阀；TV-9：第九三通阀；TV-10：第十三通阀；T-1：第一冷媒罐；T-2：第二冷媒罐；T-3：第三冷媒罐；T-4：第四冷媒罐；S-1：第一分离器；S-2：第二分离器；P-1：第一冷媒泵；P-2：第二冷媒泵；P-3：第一热源泵；G-1：第一膨胀发电机组；G-2：燃气轮机增压发电机组；G-3：第三膨胀发电机组；BV-1：第一球阀；BV-2：第二球阀：P-4:LNG泵。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面将根据附图对本发明的具体实施方式进行清楚、完整的描述。
实施例1：如图1所示，为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面将根据附图对本发明的具体实施方式进行清楚、完整的描述。
一种用于交变负荷下供气供电的LNG能量梯度回收系统，包括一级冷能回收系统100、二级冷能回收系统200、三级冷能回收系统300、四级冷能回收系统400以及蓄冷系统500。另外还需要说明的是，本发明中所述的换热器的进口包括了热端进口和冷端进口，出口包括了冷端出口和热端出口，为了更清楚地说明本发明的技术方案，本发明在实施例部分进一步说明了换热器的进口和出口类型。
一级冷能回收系统100包括多级压缩机MC-1、空分装置AS、第一换热器H-1以及第二换热器H-2；多级压缩机MC-1的进口与外界相连，多级压缩机MC-1的出口与第二换热器H-2热端进口相连，第二换热器H-2热端出口与第一换热器H-1热端进口相连，第一换热器H-1热端出口与空分装置AS的进口相连，空分装置AS的出口与第二换热器H-2冷端进口相连，第二换热器H-2冷端出口与第二三通阀TV-2相连，第一换热器H-1冷端进口与LNG泵P-4出口相连，第一换热器H-1冷端出口与二级冷能回收系统200中的第六换热器H-6冷端进口相连；
多级压缩机MC-1出口通过第一三通阀TV-1进行分流，第二换热器H-2的冷端出口通过第二三通阀TV-2进行分流；第一三通阀TV-1的分流与第二三通阀TV-2的分流在第三三通阀TV-3处汇合，并与三级冷能回收系统300连通。
一级冷能回收系统100中，约-162℃的LNG经过换热器H-1升温至-100℃。(A1-A2)
空气在多级压缩机MC-1的作用下压缩，在换热器H-2中与空分装置AS已经分离得到的液氧换热，然后在第一换热器H-1中与约-162℃的LNG换热，然后进入空分装置AS进行精馏得到液态二氧化碳、氮气和液氧等。(B1-B2-B3-B4-B5-B6)
其中液氧经过第二换热器H-2与压缩空气进行换热后经过第二三通阀TV-2，其中一部分液氧收集，另一部分液氧与来自多级压缩机MC-1出口处经第一三通阀TV-1分流的空气进行混合，为二级冷能回收系统200的燃气轮机增压发电机组G-2提供富氧空气(B7-B8-B9)。
一级冷能回收系统100：LNG的低温
Figure BDA0003220277180000061
在越远离环境温度时越大，LNG泵P-4出口温度低至-162℃，将此部分冷量
Figure BDA0003220277180000062
用于空分装置中来冷却空气，可大幅度降低能耗。另外，通过分流将液氧与来自多级压缩机MC-1出口的空气进行混合，为二级冷能回收系统200中燃气轮机增压发电机组G-2提供富氧空气，可大幅度提高燃气轮机增压发电机组G-2的效率。
二级冷能回收系统200为包括工质循环回路、二级发电循环回路和碳捕集回路。
二级冷能利用主要对约-100℃至-70℃的天然气的冷能进行回收利用。
工质循环回路：工质循环回路对-100℃至-70℃的天然气的冷能进行回收利用(A2-A3)。工质循环回路包括余热发电回路和余热供给过程。
工质循环回路包括第一冷媒罐T-1、第一冷媒泵P-1、第三换热器H-3、第四换热器H-4，第五换热器H-5，第一膨胀发电机组G-1以及第六换热器H-6。
余热发电回路：第一冷媒罐T-1的出口与第一冷媒泵P-1的进口相连，第一冷媒泵P-1的出口与第三换热器H-3的冷端进口相连，第三换热器H-3的冷端出口与第四换热器H-4的冷端进口相连，第四换热器H-4的冷端出口通过第四三通阀TV-4分别与第一膨胀发电机组G-1的进口以及第五换热器H-5的冷端进口相连，第五换热器H-5的冷端出口通过第二球阀BV-2与第五三通阀TV-5进口相连，第一膨胀发电机组G-1的出口通过第一球阀BV-1与第五三通阀TV-5进口相连，第五三通阀TV-5出口与第三换热器H-3的热端进口相连，第三换热器H-3的热端出口与第六换热器H-6的热端进口相连，第六换热器H-6的热端出口与第一冷媒罐T-1相连，第六换热器H-6的冷端进口与一级冷能回收系统100中的第一换热器H-1的冷端出口相连，第六换热器H-6的冷端出口与第九换热器H-9的冷端进口相连。
第一冷媒罐T-1中的冷媒依次经过第一冷媒泵P-1、第三换热器H-3、第四换热器H-4后在第四三通阀TV-4处分流，一部分冷媒通过第一膨胀发电机组G-1，另一部分冷媒通过第五换热器H-5，随后通过第五三通阀TV-5合并经过第三换热器H-3对第一冷媒罐T-1出口处的冷媒进行预热，经过再次换热的冷媒在第六换热器H-6内与LNG换热后进入第一冷媒罐T-1储存。
余热发电过程：冷媒罐T-1内的冷媒经过第一冷媒泵P-1进入第三换热器H-3与经第一膨胀发电机组G-1做功后的冷媒进行换热，在第四换热器H-4内与余热烟气进行换热后经第四三通阀TV-4，通过膨胀机对外做功，做功后的冷媒在第三换热器H-3中与冷媒进行换热，在第六换热器H-6内与天然气进行换热后回到第一冷媒罐T-1(C1-C2-C3-C4-C5-C6-C7-C8-C9)。
余热供给过程：热媒罐T-3的出口与第五换热器H-5的热端进口连接，第五换热器H-5的热端出口与第一热源泵P-3进口相连。当三级发电循环回路所需介质为海水时，启用海水介质(从EI进入第一热源泵P-3)，当三级发电循环回路所需介质为空气时，启用空气介质(从B9进入第一热源泵P-3)，而当三级发电循环回路所需介质为热媒罐T-3内热媒时，启用热媒罐T-3内热媒作为介质(从第五换热器H-5的热端出口进入第一热源泵P-3)
余热供给过程：冷媒经过第四换热器H-4换热后不经过膨胀机，而在第五换热器H-5中与热媒罐T-3内的介质进行换热(C1-C2-C3-C4-C10-C7-C8-C9)。
余热发电过程或余热供给过程在实际运用中可以根据实际需要选择独立运行单一的过程或者将二者并行使用。
本发明通过并联设置的第一膨胀发电机组G-1与第五换热器H-5实现冷能的“按需取用”。在供电状态处于峰值时，燃气轮机增压发电机组G-2产生的高温烟气余热充足，可通过余热发电过程来充分回收高温烟气的余热；而供电状态处于谷值时，燃气轮机增压发电机组G-2产生的高温烟气余热不足，可通过余热供给过程，将烟气的余热通过第五换热器H-5换热至热媒中，作为三级冷能回收系统300中的热流体使用。
本发明的二级冷能回收系统200对经过空分装置后的天然气加热至-70℃左右，通过朗肯循环、燃气-蒸汽联合循环的方式对天然气冷能进行进一步回收。朗肯循环为本发明描述的工质循环回路：二氧化碳作为工质，将燃气轮机排放的余热废气作为高温热源，低温天然气作为低温冷源来实现二氧化碳的超临界朗肯循环，由于过程高低温热源温差较大，循环进行顺利。不仅利用了天然气冷量，而且对余热烟气中大部分二氧化碳进行回收液化，达到环境友好的高效循环。
二级发电循环回路：
二级发电循环回路包括串联设置的第七换热器H-7、第八换热器H-8以及第九换热器H-9和燃气轮机增压发电机组G-2；
第七换热器H-7的冷端进口通过第六三通阀TV-6与第八换热器H-8的冷端出口相连，第七换热器H-7的冷端出口与三级冷能回收系统300中的第十三换热器H-13的热端出口混合后与燃气轮机增压发电机组G-2进口相连，燃气轮机增压发电机组G-2出口与第七换热器H-7的热端进口相连，第七换热器H-7的热端出口与碳捕集流程相连，第七三通阀TV-7出口一端与工质循环回路中的第四换热器H-4的热端进口相连，另一端与三级冷能回收系统300相连。
天然气在第六三通阀TV-6处分流，一部分天然气直接进入三级冷能利用，另一部分天然气进入二级发电循环回路，为燃气轮机增压发电机组G-2提供天然气燃料。进入二级发电循环回路的天然气经过第七换热器H-7换热后，与经过一级和三级冷能回收系处理的富氧空气混合，从而进入燃气轮机增压发电机组G-2燃烧并发电(A6-A7-A8)。
天然气流程：A6-A7-A8。
空气流程：B1-B8(B7)-B9-B10-B11-B12-B13-B14-B15。
碳捕集回路：
碳捕集收回路包括第一分离器S-1、第四换热器H-4、第七换热器H-7、第八换热器H-8、第二分离器S-2以及第九换热器H-9；第七换热器H-7的冷端进口与第八换热器H-8的冷端出口相连，第七换热器H-7的冷端出口与燃气轮机增压发电机组G-2进口相连，第七换热器H-7的热端进口与燃气轮机增压发电机组G-2的出口相连，第七换热器H-7的热端出口与第一分离器S-1的进口相连，第一分离器S-1的气体出口与第四换热器H-4的热端进口相连，第四换热器H-4的热端出口与第八换热器H-8的热端进口连接，第八换热器H-8的热端出口与第二分离器S-2的进口相连，第二分离器S-2液体出口与外界冷凝水收集器相连，第二分离器S-2气体出口与第九换热器H-9的热端入口相连，第九换热器H-9的热端出口与外界液态二氧化碳储存装置相连。
碳捕集流程针对燃气轮机增压发电机组G-2废气中的二氧化碳进行回收，从而回收利用-70℃至-45℃的天然气的冷能。
燃气轮机增压发电机组G-2燃烧产生的废气在第七换热器H-7内经过低温天然气预冷，在第一分离器S-1内分离，冷凝液从第一分离器S-1分离，气体从第一分离器S-1上端导出，经过第一分离器S-1分离的气体在第四换热器H-4内与工质循环回路中的冷媒换热，吸收冷能。然后在第八换热器H-8中与低温天然气换热，进一步吸收冷能，在第二分离器S-2内进一步分离冷凝水后，在第九换热器H-9中与天然气换热，生成液态二氧化碳后导出，余热废气流程：D1-D2-D3-D4-D5-D6-D7-D8。
天然气流程：A4-A5-A6。
本发明的二级冷能回收系统200中的二级发电循环回路为厂房/供气站的主要发电系统。通过设置第三热媒罐T-3，调节第一球阀BV-1以及第二球阀BV-2的开度，来协调第一膨胀发电机组G-1以及燃气轮机增压发电机组G-2的发电量，并很好的适应用气波动以及用电波动。
通过一级冷能利用系统中得到的富氧空气，及经二级冷能利用系统中得到的低温富氧空气，作为燃气轮机增压发电机组G-2的燃气供给，大幅度提高燃气轮机增压发电机组G-2的发电效率。
本发明进一步设置的工质循环回路和碳捕集回路可进一步对余热烟气中的余热进行利用。冷媒在吸收余热烟气的热量后根据用电变化变化以及LNG气化负荷的不同，可经过第一膨胀发电机组G-1发电，也可经过第五换热器H-5换热亦或是二者并行运行。
三级冷能回收系统300包括三级发电循环回路和热源匹配调节流程；三级发电循环回路包括第二冷媒罐T-2、第二冷媒泵P-2、第十换热器H-10、第三膨胀发电机组G-3、第十一换热器H-11、第十二换热器H-12以及第十三换热器H-13，第二冷媒罐T-2的出口与第二冷媒泵P-2的进口相连，第二冷媒泵P-2的出口与第十换热器H-10的冷端进口相连，第十换热器H-10的冷端出口与第十一换热器H-11的冷端进口相连，第十一换热器H-11的冷端出口与第三膨胀发电机组G-3的进口相连，第三膨胀发电机组G-3的出口与第十换热器H-10的热端进口相连，第十换热器H-10的热端出口与第十二换热器H-12的热端进口相连，第十二换热器H-12的热端出口与第二冷媒罐T-2的进口相连，第十一换热器H-11的热端出口与第十三换热器H-13的热端进口相连，第十三换热器H-13的热端出口通过第八三通阀TV-8与外部热源连接。
第二冷媒罐T-2中冷媒循环流程：从第二冷媒罐T-2出来的冷媒经过第二冷媒泵P-2，在第十换热器H-10与第三膨胀发电机组G-3出口的冷媒换热并预热。在第十一换热器H-11内与热源流程中的热源介质换热，吸热升温，在第三膨胀发电机组G-3做功发电后在第十换热器H-10与冷媒换热预冷，在第十二换热器H-12内与-70℃左右的低温天然气换热后进入第二冷媒罐T-2；冷媒循环流程C1-C2-C3-C4-C5-C6-C7。
低温天然气流程：A8-A9。
本发明通过三级冷能回收系统300对-45℃至-25℃的天然气冷能进行进一步回收利用。利用-45℃至-25℃的天然气的低温，与热源的温差，通过第三膨胀发电机组(G-3)来发电。
热源流程包括第三热源泵P-3、第十一换热器H-11以及第十三换热器H-13；第三热源泵P-3的进口与热源连接(空气、海水或者第三热媒罐T-3)，第三热源泵P-3的出口与第十一换热器H-11的热端进口相连，第十一换热器H-11的热端出口与第十三换热器H-13的热端进口相连，第十三换热器H-13的热端出口通过第八三通阀TV-8与外部热源连接；热源流程：B10-B11-B12-B13。
热源通过第三热源泵P-3经过第十一换热器H-11与三级发电循环回路中的冷媒进行换热，再经过第十三换热器H-13与天然气进行换热。
低温天然气流程：A8-A9。
热源的选择可以根据用气用电的谷值峰值酌情选择空气、海水或者第三热媒罐T-3作为热源。
选用空气时，其流程为B7(B8)-B9-B10-B11-B12-B13-B14-B15。富氧空气通过第三热源泵P-3，在第十一换热器H-11中与第二冷媒罐T-2中冷媒进行换热，在十三换热器H-13中与-30℃左右的天然气进行换热，降温得到低温富氧空气后进入燃气轮机增压发电机组G-2，大幅度提高燃气轮机增压发电机组G-2效率。
选用海水时，流程为：E1-B10-B11-B12-B13-B14-E2-E3-E4。
选用第三热媒罐T-3时，流程为：F1-F2-B10-B11-B12-B13-F3。第三热媒罐T-3中的热媒在第五换热器H-5中与吸收余热烟气后分流出的第一冷媒罐T-1中的冷媒进行换热，吸收热量后通过第三热源泵P-3在第十一换热器H-11中与冷媒罐T-2中的冷媒进行换热，放出热量后在第十三换热器H-13中与-30℃的天然气进行换热，温度降低后回到第三热媒罐T-3中。
低温天然气流程：A8-A9。
四级冷能回收系统400为第十五换热器H-15，第十五换热器H-15的热端进口与第九三通阀TV-9相连，第九三通阀TV-9的一个进口通过第一四通阀FV-1与三级冷能回收系统300中的第十三换热器H-13相连，第九三通阀TV-9的另一进口与外界海水相连，第十五换热器H-15的热端出口与海水淡化装置相连，第十五换热器H-15的冷端进口与第十三换热器H-13的冷端出口相连，第十五换热器H-15的冷端出口与天然气用户管网相连。
海水流程：(1)当选用海水作为三级冷能回收系统的热源时，流程为：E1-B10-B11-B12-B13-B14-E2-E3-E4。(2)当选用空气作为三级冷能回收系统系统的热源时，海水流程为E5-E3-E4。
蓄冷系统500包括第四冷媒罐T-4、第四冷媒泵P-4以及第十四换热器H-14；第四冷媒罐T-4出口与第四冷媒泵P-4的进口相连，第四冷媒泵P-4的出口与第十四换热器H-14的热端进口相连，第十四换热器H-14的热端出口与第四冷媒罐T-4的入口相连，LNG经调峰用三通阀TV-10与第十四换热器H-14冷端入口相连，第十四换热器H-14冷端出口与天然气用户管网相连。
一种用于交变负荷下供气供电的LNG能量梯度回收系统的工作方法：
(1)当LNG气化负荷谷值，用电量峰值时：关闭蓄冷系统500并降低四级冷能回收系统400中海水淡化功耗，三级冷能系统中的第三膨胀发电机组G-3中热源采用空气或海水源提供大量热量，稳定供气使一级冷能回收系统100、二级冷能回收系统200、三级冷能回收系统300满负荷运行。
(2)LNG气化负荷峰值，用电量峰值：增大入口LNG泵供液量，关闭蓄冷系统500，三级冷能系统中的第三膨胀发电机组G-3中热源采用空气或海水源提供大量热量，稳定供气使一级冷能回收系统100、二级冷能回收系统200、三级冷能回收系统300以及四级冷能回收系统400满负荷运行。
(3)当LNG气化负荷谷值，用电量谷值时：减小入口LNG泵供液量，关闭蓄冷系统500并降低四级冷能回收系统400功耗，三级冷能系统中的第三膨胀发电机组G-3中热源采用二级冷能系统中热媒罐T-3内介质，通过第五换热器H-5从余热废气中获取热源，通过调整二级冷能回收循环工质循环回路中第一球阀BV-1以及第二球阀BV-2的阀门开度，调整烟气中余热在第一膨胀发电机组G-1和第三膨胀发电机组G-3的分配比例，使系统的余热回收和发电量达到综合效率更高。
(4)当LNG气化负荷峰值，用电量谷值时：通过打开第十三通阀TV-10的，用蓄冷系统500来缓冲LNG气化的高负荷进行调峰，增大第六三通阀TV-6天然气气化支路，热源采用空气或海水源提供LNG气化过程中的大量热量。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。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。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种用于交变负荷的LNG冷能梯度回收的系统，包括一级冷能回收系统（100）、二级冷能回收系统（200）、三级冷能回收系统（300）以及四级冷能回收系统（400）；
所述一级冷能回收系统（100）包括多级压缩机（MC-1）、与多级压缩机（MC-1）出口连通的第二换热器（H-2）、与第二换热器（H-2）出口连通的第一换热器（H-1）以及与第一换热器（H-1）出口连通的空分装置（AS），所述空分装置（AS）的出口与第二换热器（H-2）的进口连通，所述多级压缩机（MC-1）出口设置有用于分流的第一三通阀（TV-1），所述第二换热器（H-2）的出口设置有用于分流的第二三通阀（TV-2），所述第一三通阀（TV-1）的出口与所述第二三通阀（TV-2）的出口在第三三通阀（TV-3）的进口处汇合，第三三通阀（TV-3）的出口与所述三级冷能回收系统（300）相连；
所述二级冷能回收系统（200）包括工质循环回路、二级发电循环回路和碳捕集回路；工质循环回路包括第一冷媒罐（T-1）、与第一冷媒罐（T-1）出口连通的第一冷媒泵（P-1）、与第一冷媒泵（P-1）出口连通的第三换热器（H-3）、与第三换热器（H-3）出口连通的第四换热器（H-4）、通过第四三通阀（TV-4）分别与第四换热器（H-4）的出口连通的第五换热器（H-5）以及第一膨胀发电机组（G-1），第一膨胀发电机组（G-1）的出口以及第五换热器（H-5）的出口分别与第五三通阀（TV-5）的两个进口连通，第五三通阀（TV-5）的出口与第三换热器（H-3）的进口连通，第三换热器（H-3）的出口与第六换热器（H-6）的进口连通，第六换热器（H-6）的出口与第一冷媒罐（T-1）的进口连通，第五换热器（H-5）的出口与三级冷能回收系统（300）相连；
所述三级冷能回收系统（300）包括三级发电循环回路和热源回路；所述三级发电循环回路包括第二冷媒罐（T-2）、与第二冷媒罐（T-2）的出口连通的第二冷媒泵（P-2）、与所述第二冷媒泵（P-2）的出口连通的第十换热器（H-10）、与所述第十换热器（H-10）的出口连通的第十一换热器（H-11），所述第十一换热器（H-11）的出口与第三膨胀发电机组（G-3）的进口相连，第三膨胀发电机组（G-3）的出口与所述第十换热器（H-10）的进口相连，所述第十换热器（H-10）的热端出口与第十二换热器（H-12）的进口相连，所述第十二换热器（H-12）的热端出口与所述第二冷媒罐（T-2）的进口相连；所述热源回路包括第三热源泵（P-3）、与第三热源泵（P-3）的出口连通的第十一换热器（H-11）以及与所述第十一换热器（H-11）的出口连通的第十三换热器（H-13）；所述第三热源泵（P-3）的进口送入海水或者所述第三热源泵（P-3）的进口与所述二级冷能回收系统（200）中的第五换热器（H-5）的出口或与所述一级冷能回收系统（100）中的第三三通阀（TV-3）相连；
所述四级冷能回收系统（400）包括第十五换热器（H-15）、与所述第十五换热器（H-15）的进口连通的第九三通阀（TV-9）；所述第九三通阀（TV-9）的进口通过第一四通阀（FV-1）与所述三级冷能回收系统（300）中的第十三换热器（H-13）相连，所述第九三通阀（TV-9）的另一进口与外界海水相连。
2.根据权利要求1所述的用于交变负荷的LNG冷能梯度回收的系统，其特征在于，还包括蓄冷系统（500），所述蓄冷系统（500）包括第四冷媒罐（T-4）、与第四冷媒罐（T-4）出口连通的第四冷媒泵（P-4）以及与所述第四冷媒泵（P-4）的出口连通的第十四换热器（H-14）。
3.根据权利要求1所述的用于交变负荷的LNG冷能梯度回收的系统，其特征在于，所述二级发电循环回路包括串联设置的第七换热器（H-7）以及燃气轮机增压发电机组（G-2），所述第七换热器（H-7）的进口与碳捕集回路相连，所述第七换热器（H-7）的出口与所述三级冷能回收系统（300）相连，所述燃气轮机增压发电机组（G-2）的出口与所述第七换热器（H-7）的进口相连，所述第七换热器（H-7）的出口与碳捕集回路相连。
4.根据权利要求3所述的用于交变负荷的LNG冷能梯度回收的系统，其特征在于，所述碳捕集回路包括第一分离器（S-1）、第四换热器（H-4）、第七换热器（H-7）、第八换热器（H-8）、第二分离器（S-2）以及第九换热器（H-9），所述第七换热器（H-7）的进口与所述第八换热器（H-8）的出口相连，所述第七换热器（H-7）的出口与所述燃气轮机增压发电机组（G-2）进口相连，所述第七换热器（H-7）的进口与所述燃气轮机增压发电机组（G-2）的出口相连，所述第七换热器（H-7）的出口与所述第一分离器（S-1）的进口相连，所述第一分离器（S-1）的气体出口与所述第四换热器（H-4）的进口相连，所述第四换热器（H-4）的出口与所述第八换热器（H-8）的进口连接，所述第八换热器（H-8）的出口与所述第二分离器（S-2）的进口相连，所述第二分离器（S-2）的气体出口与所述第九换热器（H-9）的进口相连，所述第九换热器（H-9）的出口与外界碳捕集装置相连。
5.根据权利要求1所述的用于交变负荷的LNG冷能梯度回收的系统，其特征在于，所述多级压缩机（MC-1）的进口与外界相连，所述第一换热器（H-1）的进口与LNG泵（P-4）出口相连，所述第一换热器（H-1）的出口与所述二级冷能回收系统（200）相连。
6.根据权利要求1所述的用于交变负荷的LNG冷能梯度回收的系统，其特征在于，所述第一膨胀发电机组（G-1）的出口通过第一球阀（BV-1）与所述第五三通阀（TV-5）进口相连，所述第五换热器（H-5）的出口通过第二球阀（BV-2）与第五三通阀（TV-5）的进口相连，所述第六换热器（H-6）的进口与所述一级冷能回收系统（100）中的第一换热器（H-1）相连，所述第六换热器（H-6）的出口与所述碳捕集回路中的第九换热器（H-9）的进口相连。
7.根据权利要求1所述的用于交变负荷的LNG冷能梯度回收的系统，其特征在于，第十五换热器（H-15）的出口与海水淡化装置相连，第十五换热器（H-15）的冷源进口与天然气相连，第十五换热器（H-15）的冷源出口与天然气用户端相连。
8.一种利用如权利要求1所述的LNG冷能梯度回收的系统进行调峰的方法：
（1）LNG气化负荷谷值，用电量峰值：打开第一膨胀发电机组（G-1）、燃气轮机增压发电机组（G-2）以及第三膨胀发电机组（G-3）均满负荷运行；
（2）LNG气化负荷峰值，用电量峰值：打开蓄冷系统（500）、第一膨胀发电机组（G-1）、燃气轮机增压发电机组（G-2）以及第三膨胀发电机组（G-3）均满负荷运行；
（3）LNG气化负荷谷值，用电量谷值：通过调整二级冷能回收系统中的循环工质循环回路中的第一球阀BV-1以及第二球阀BV-2的阀门开度，调整烟气中余热在第一膨胀发电机组（G-1）和燃气轮机增压发电机组（G-2）的分配比例，提交系统的余热回收和发电效率；
（4）LNG气化负荷峰值，用电量谷值：通过蓄冷系统（500）来缓冲LNG气化的高负荷，从而缓解LNG气化负荷峰值对后续流程的冲击。
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