CN114772681B - 一种海洋天然气平台的多功能节能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种海洋天然气平台的多功能节能系统，包括太阳能光伏系统、膜蒸馏装置、液化气罐、汽化器和预混箱；所述液化气罐通过泵送系统与汽化器连通；所述太阳能光伏系统利用太阳能将含有磁性纳米颗粒与工质的海水加热后输入膜蒸馏装置；所述膜蒸馏装置的气体出口通过第一换能设备后输入汽化器的换热管路；所述膜蒸馏装置的液体出口与浓海水处理箱连通，所述浓海水处理箱用于从浓海水中分离磁性纳米颗粒和工质；所述预混箱与太阳能光伏系统连通，分离出的磁性纳米颗粒与工质和海水分别输入所述预混箱内。本发明通过利用太阳能加热混合海水并转换为液体淡水，并收集过程中的多余能量转换为电能。
Description
技术领域
本发明涉及海洋石油领域，特别涉及一种海洋天然气平台的多功能节能系统。
背景技术
海洋天然气平台是中国石油工业的重要组成部分，随着不断加大海洋油气的开发力度，海洋油气产量逐渐成为中国油气产量的重要来源。海洋平台是海洋油气开发的重要装备。液化天然气的主要成分是甲烷，被公认是地球上最干净的化石能源，无色、无味、无毒、无腐蚀性。
LNG为低温深冷介质，低温可达-162℃以下，它的气化是一个吸热过程，需提供大量的热量。LNG气化器主要有空浴式、水浴式、开架式、中间介质式和浸没燃烧式，前二者用于小规模卫星站的气化设施(50t/h以下)，后三种为大型LNG接收站常见的类型，气化能力都在100t/h以上。而现有海洋平台上均设有海水淡化设备，但是海水淡化设备、液化设备都相互独立，导致海水淡化过程中和液化过程中的多余能量无法及时回收，导致利用率降低。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种海洋天然气平台的多功能节能系统，通过利用太阳能加热含有磁性纳米颗粒、工质和海水混合，利用膜蒸馏装置产生的水蒸气，水蒸气可以产生电能，并转换为液体淡水，液体淡水可以用来输入汽化器中使液态天然气汽化。而工质和磁性纳米颗粒可以重复使用节约资源。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种海洋天然气平台的多功能节能系统，包括太阳能光伏系统、膜蒸馏装置、液化气罐、汽化器和预混箱；
所述液化气罐用于储存液态天然气，所述液化气罐通过泵送系统与汽化器连通，通过汽化器使液态天然气转变为气体天然气；所述太阳能光伏系统利用太阳能将含有磁性纳米颗粒与工质的海水加热后输入膜蒸馏装置，用于分离水蒸气；所述膜蒸馏装置的气体出口通过第一换能设备后输入汽化器的换热管路；
所述膜蒸馏装置的液体出口与浓海水处理箱连通，所述浓海水处理箱用于从浓海水中分离磁性纳米颗粒和工质；所述预混箱与太阳能光伏系统连通，分离出的磁性纳米颗粒与工质和海水分别输入所述预混箱内。
进一步，所述太阳能光伏系统包括分频流道、空气流道、太阳能电池组件和冷却流道；所述分频流道与冷却流道连通；所述分频流道两侧设有高透过玻璃盖板，所述太阳能电池组件设置在所述空气流道和冷却流道之间，所述太阳能电池组件可吸收部分波段的太阳辐射用于发电，所述高透过玻璃盖板与太阳能电池组件之间设有空气流道；含有磁性纳米颗粒和工质的海水输入冷却流道，通过吸收剩余波段的太阳辐射，用于加热蒸发海水；所述分频流道出口与膜蒸馏装置连通，用于分离水蒸气；所述预混箱与冷却流道连通。
进一步，所述膜蒸馏装置包括料液流道、蒸汽透过膜和蒸汽流道；所述蒸汽流道通过第一换能设备与汽化器的换热管路连通；所述料液流道进口与分频流道连通；料液流道与蒸汽流道之间安装蒸汽透过膜，用于分离水蒸气；所述料液流道内剩余的含有磁性纳米颗粒和工质的浓海水输入浓海水处理箱中。
进一步，所述磁性纳米颗粒材质为四氧化三铁纳米颗粒；所述工质的沸点大于水。
进一步，所述蒸汽透过膜为聚四氟乙烯膜或聚偏氟乙烯膜。
进一步，所述高透过玻璃盖板为石英玻璃或硼硅酸盐玻璃，所述冷却流道底部设有保温层。
进一步，所述第一换能装置包括第一膨胀机和第一发电机，所述蒸汽流道内的水蒸气通过第一膨胀机膨胀做功，带动第一发电机产生电能。所述第一膨胀机的液体出口与汽化器的换热管路进口连通，所述汽化器的换热管路出口与淡水供应设备连通，用于提供海洋平台上的淡水需要。
进一步，所述浓海水处理箱内设有加热装置，通过加热装置使工质汽化。
进一步，汽化后的工质通过第二换能装置后输入预混箱，所述第二换能装置包括第二膨胀机和第二发电机，汽化后的工质通过第二膨胀机膨胀做功，带动第二发电机产生电能。所述第二膨胀机的液体出口与预混箱连通。
进一步，所述太阳能电池组件吸收600-1100nm波长太阳辐射用于发电，所述磁性纳米颗粒吸收600nm以下波长太阳辐射，含工质的海水吸收1100nm以上波长太阳辐射。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的海洋天然气平台的多功能节能系统，通过利用太阳能加热含有磁性纳米颗粒、工质和海水混合，利用膜蒸馏装置产生的水蒸气，水蒸气可以产生电能，并转换为液体淡水，液体淡水可以用来输入汽化器中使液态天然气汽化。
2.本发明所述的海洋天然气平台的多功能节能系统，汽化后的工质温度较高，通过换能设备将其转换成电能并收集。
3.本发明所述的海洋天然气平台的多功能节能系统，含有磁性纳米颗粒和工质的海水既具有分频作用，可解决传统太阳能光伏光热系统热耦合问题，又作为直接接触式膜蒸馏过程料液流相比不添加磁性纳米颗粒的海水可提高导热系数和边界层传热速率，降低料液侧热边界层厚度，从而减小膜蒸馏过程温差极化现象，提高淡水产量。此外磁性纳米颗粒和工质后期均可回收再利用，工质还可以产生电能。
4.本发明所述的海洋天然气平台的多功能节能系统，经含有磁性纳米颗粒和工质的海水选择性吸收分频后，电池组件利用波长600-1100nm的太阳光发电输出电能，其余波段的太阳辐射能以及电池所产废热被含有磁性纳米颗粒和工质的海水吸收，从而提供膜蒸馏过程所需热量，实现太阳能全光谱利用。
5.本发明所述的海洋天然气平台的多功能节能系统，相对现有的太阳能驱动膜蒸馏系统，不需要额外的太阳能集热器和换热器，装置简单，可减少热损失，并同时提供多路径的电能与淡水，系统集成度高。
附图说明
图1为本发明所述的海洋天然气平台的多功能节能系统原理图。
图中：
1-液化气罐；2-汽化器；3-淡水储箱；4-客户端；5-第一膨胀机；6-第一发电机；7-太阳能光伏系统；7-1-第一高透过玻璃盖板；7-2-分频流道；7-3-第二高透过玻璃盖板；7-4-空气流道；7-5-太阳能电池组件；7-6-冷却流道；7-7-保温层；8-第一泵；9-第二膨胀机；10-第二发电机；11-膜蒸馏装置；11-1-料液流道；11-2-蒸汽透过膜；11-3-蒸汽流道；12-浓海水处理箱；13-预混箱。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明所述的海洋天然气平台的多功能节能系统，包括液化气罐1、汽化器2、第一换能装置、太阳能光伏系统7和膜蒸馏装置11；所述液化气罐1内储存液态天然气，所述液化气罐1通过泵送系统与汽化器2连通，通过汽化器2使液态天然气转变为气体天然气，所述汽化器2的出口输送至天然气平台中的客户端4。
所述太阳能光伏系统7包括第一高透过玻璃盖板7-1、分频流道7-2、第二高透过玻璃盖板7-3、空气流道7-4、太阳能电池组件7-5、冷却流道7-6和保温层7-7；所述太阳能电池组件7-5设置在所述空气流道7-4和冷却流道7-6之间，所述太阳能电池组件7-5可吸收600-1100nm波长太阳辐射用于发电，产生的电能提供给用电设备或蓄能装置使用。预混箱13内将含有磁性纳米颗粒、工质和海水混合，混合后的海水通过第一泵8加压输入冷却流道7-6内，对所述太阳能电池组件7-5进行冷却，同时预热混合后的海水；所述分频流道7-2设置在所述第一高透过玻璃盖板7-1和第二高透过玻璃盖板7-3之间，所述分频流道7-2与冷却流道7-6出口连通，含有磁性纳米颗粒和工质的海水从冷却流道7-6进入分频流道7-2中，对太阳光进行选择性吸收分频，磁性纳米颗粒可吸收600nm以下波长太阳辐射，含工质的海水可吸收1100nm以上波长太阳辐射，可以对海水进一步加热。所述太阳能电池组件7-5采用单晶硅电池组件。所述第一高透过玻璃盖板7-1和第二高透过玻璃盖板7-3为石英玻璃或硼硅酸盐玻璃。所述冷却流道7-6底部设有保温层7-7，用于保温。
所述膜蒸馏装置11包括料液流道11-1、蒸汽透过膜11-2、蒸汽流道11-3；所述料液流道11-1与分频流道7-2连通，蒸汽透过膜11-2位于料液流道11-1与蒸汽流道11-3之间，用于将水蒸气分离，水蒸气分离后输入第一换能装置中，而料液流道11-1内剩余的含有磁性纳米颗粒和工质的浓海水输入浓海水处理箱12中，通过对浓海水处理箱12中设有加热装置，用于使工质汽化，汽化后的工质可直接输入预混箱13，而剩余的含有磁性纳米颗粒的浓海水，利用磁性纳米颗粒的特性，通过外部施加磁力设备，将磁性纳米颗粒分离出，重新加入预混箱13。剩余的浓海水可以用于制盐或者排入海洋。
所述含有磁性纳米颗粒和工质的海水是将四氧化三铁纳米颗粒分散到海水与工质的混合液中形成的纳米流体。所述蒸汽透过膜11-2为聚四氟乙烯膜或聚偏氟乙烯膜。
所述第一换能装置包括第一膨胀机5和第一发电机6，高温高压的水蒸气通过第一膨胀机5膨胀做功，带动第一发电机6产生电能。所述第一膨胀机5的液体出口可直接与汽化器2的换热管路进口连通，所述汽化器2的换热管路出口与淡水供应设备连通，用于提供海洋平台上的淡水需要。如果第一膨胀机5的液体出口的温度过高，可以先通过换热器换热降低温度后再输入汽化器2的换热管路进口。
工作原理：
太阳光依次透过第一高透过玻璃盖板7-1、分频流道7-2、第二高透过玻璃盖板7-3，空气层7-4照射到太阳能电池组件7-5表面，600-1100nm波长太阳辐射被电池吸收大部分转化为电能，可供第一泵8或需求其他设备使用或与蓄能装置连接储存电能，小部分太阳辐射则转化为电池废热。预混箱13内将含有磁性纳米颗粒、工质和海水混合，混合后的海水通过第一泵8加压输入冷却流道7-6内，进入冷却流道7-6后吸收太阳能电池组件7-5所产废热进行预热，从而降低电池温度提高电池光电转换效率，再流入分频流道7-2对太阳光进行选择性吸收分频，磁性纳米颗粒可吸收600nm以下波长太阳辐射，含工质的海水可吸收1100nm以上波长太阳辐射，这部分波段太阳辐射被含有磁性纳米颗粒和工质的海水吸收转化为高品位热能。在海水中加入四氧化三铁纳米颗粒形成的磁纳米流体，达到了太阳能光谱分频的目的，并直接加热达到膜蒸馏过程所需温度，避免二次换热，减少热损失。含有磁性纳米颗粒和工质的海水从分频流道7-2流出后，直接进入料液流道11-1中，在与蒸汽透过膜11-2接触的边界层产生水蒸汽，水蒸汽穿过蒸汽透过膜11-2到达蒸汽流道11-3，水蒸汽从蒸汽流道11-3进入第一膨胀机5膨胀做功，带动第一发电机6产生电能。所述第一膨胀机5的液体出口可直接或通过第二泵后与汽化器2的换热管路进口连通，所述汽化器2的换热管路出口与淡水供应设备连通，用于提供海洋平台上的淡水需要。料液流道11-1中的含工质的海水输入浓海水处理箱12中，通过加热设备的蒸馏或加热使工质汽化，汽化后的工质可直接输入预混箱13；剩余的含有磁性纳米颗粒的浓海水，利用磁性纳米颗粒的特性，通过外部施加磁力设备，将磁性纳米颗粒分离出，磁性纳米颗粒可重新加入预混箱13循环使用。蒸馏或加热后剩余的浓海水可以用于制盐或者排入海洋。含有四氧化三铁纳米颗粒的海水，提高了海水的导热系数和边界层传热速率，降低了热边界层厚度，减小传统直接接触式膜蒸馏过程温差极化，提高了膜通量。
汽化后的工质温度较高，如果直接进入预混箱13内海水，会浪费其自身的热能。因此将汽化后的工质输入第二换能设备中，产生电能。所述第二换能装置包括第二膨胀机9和第二发电机10，汽化后的工质通过第二膨胀机9膨胀做功，带动第二发电机10产生电能。所述第二膨胀机9的液体出口直接与预混箱13连通，降温后液体的工质进入预混箱13。
本发明所述的海洋天然气平台的多功能节能系统，含有磁性纳米颗粒和工质的海水既具有分频作用，可解决传统太阳能光伏光热系统热耦合问题，又作为直接接触式膜蒸馏过程料液流相比不添加磁性纳米颗粒的海水可提高导热系数和边界层传热速率，降低料液侧热边界层厚度，从而减小膜蒸馏过程温差极化现象，提高淡水产量。此外磁性纳米颗粒和工质后期均可回收再利用，工质还可以产生电能。相对现有的太阳能驱动膜蒸馏系统，不需要额外的太阳能集热器和换热器，装置简单，可减少热损失，并同时提供多路径的电能与淡水，系统集成度高。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种海洋天然气平台的多功能节能系统，其特征在于，包括太阳能光伏系统（7）、膜蒸馏装置（11）、液化气罐（1）、汽化器（2）和预混箱（13）；
所述液化气罐（1）用于储存液态天然气，所述液化气罐（1）通过泵送系统与汽化器（2）连通，通过汽化器（2）使液态天然气转变为气体天然气；所述太阳能光伏系统（7）利用太阳能将含有磁性纳米颗粒与工质的海水加热后输入膜蒸馏装置（11），用于分离水蒸气；所述膜蒸馏装置（11）的气体出口通过第一换能设备后输入汽化器（2）的换热管路；
所述膜蒸馏装置（11）的液体出口与浓海水处理箱（12）连通，所述浓海水处理箱（12）用于从浓海水中分离磁性纳米颗粒和工质；所述预混箱（13）与太阳能光伏系统（7）连通，分离出的磁性纳米颗粒与工质和海水分别输入所述预混箱（13）内；
所述膜蒸馏装置（11）包括料液流道（11-1）、蒸汽透过膜（11-2）和蒸汽流道（11-3）；所述蒸汽流道（11-3）通过第一换能设备与汽化器（2）的换热管路连通；所述料液流道（11-1）进口与分频流道（7-2）连通；料液流道（11-1）与蒸汽流道（11-3）之间安装蒸汽透过膜（11-2），用于分离水蒸气；所述料液流道（11-1）内剩余的含有磁性纳米颗粒和工质的浓海水输入浓海水处理箱（12）中；所述第一换能设备包括第一膨胀机（5）和第一发电机（6），所述蒸汽流道（11-3）内的水蒸气通过第一膨胀机（5）膨胀做功，带动第一发电机（6）产生电能；所述第一膨胀机（5）的液体出口与汽化器（2）的换热管路进口连通，所述汽化器（2）的换热管路出口与淡水供应设备连通，用于提供海洋平台上的淡水需要。
2.根据权利要求1所述的海洋天然气平台的多功能节能系统，其特征在于，所述太阳能光伏系统（7）包括分频流道（7-2）、空气流道（7-4）、太阳能电池组件（7-5）和冷却流道（7-6）；所述分频流道（7-2）与冷却流道（7-6）连通；所述分频流道（7-2）两侧设有高透过玻璃盖板，所述太阳能电池组件（7-5）设置在所述空气流道（7-4）和冷却流道（7-6）之间，所述太阳能电池组件（7-5）可吸收部分波段的太阳辐射用于发电，所述高透过玻璃盖板与太阳能电池组件（7-5）之间设有空气流道（7-4）；含有磁性纳米颗粒和工质的海水输入冷却流道（7-6），通过吸收剩余波段的太阳辐射，用于加热蒸发海水；所述分频流道（7-2）出口与膜蒸馏装置（11）连通，用于分离水蒸气；所述预混箱（13）与冷却流道（7-6）连通。
3.根据权利要求2所述的海洋天然气平台的多功能节能系统，其特征在于，所述磁性纳米颗粒材质为四氧化三铁纳米颗粒；所述工质的沸点大于水。
4.根据权利要求3所述的海洋天然气平台的多功能节能系统，其特征在于，所述蒸汽透过膜（11-2）为聚四氟乙烯膜或聚偏氟乙烯膜。
5.根据权利要求4所述的海洋天然气平台的多功能节能系统，其特征在于，所述高透过玻璃盖板为石英玻璃或硼硅酸盐玻璃，所述冷却流道（7-6）底部设有保温层（7-7）。
6.根据权利要求1-5任一项所述的海洋天然气平台的多功能节能系统，其特征在于，所述浓海水处理箱（12）内设有加热装置，通过加热装置使工质汽化。
7.根据权利要求6所述的海洋天然气平台的多功能节能系统，其特征在于，汽化后的工质通过第二换能设备后输入预混箱（13），所述第二换能设备包括第二膨胀机（9）和第二发电机（10），汽化后的工质通过第二膨胀机（9）膨胀做功，带动第二发电机（10）产生电能；所述第二膨胀机（9）的液体出口与预混箱（13）连通。
8.根据权利要求2-5任一项所述的海洋天然气平台的多功能节能系统，其特征在于，所述太阳能电池组件（7-5）吸收600-1100nm波长太阳辐射用于发电，所述磁性纳米颗粒吸收600nm以下波长太阳辐射，含工质的海水吸收1100nm以上波长太阳辐射。
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