CN117432493A - 一种应用于lng气化冷能回收的高效orc发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于LNG气化冷能回收的高效ORC发电系统，包括预热器、蒸发器、过热器、膨胀机、发电机、高压冷凝器、低压冷凝器和工质泵；膨胀机的进气口与过热器第一出口相连，膨胀机的高压排气口和低压排气口分别与高压冷凝器的第一进口和低压冷凝器的第一进口相连；高压冷凝器的第一出口与低压冷凝器的第一进口相连；低压冷凝器的第一出口与工质泵一端连接；工质泵另一端与预热器的第一进口连接；预热器的第一出口与蒸发器的第一进口连接，相比现有技术，本发明不受冷能需求的限制，充分回收LNG冷能，提高LNG气化冷能回收利用效率；具有较高的能源利用效率，有助于减少环境污染，促进能源结构调整和保障能源供应安全。
Description
技术领域
本发明涉及LNG冷能回收利用领域，具体涉及一种应用于LNG气化冷能回收的高效ORC发电系统。
背景技术
液化天然气（Liquefied Nature Gas，简称LNG）是指零下162度的液态天然气。通常需要将LNG气化得到气态天然气（Nature Gas，简称NG）才可以用于燃气发电、城镇燃气供暖、工业燃料、化工原料等。在气化器中LNG由液态变为气态，这一过程会释放大量冷能，需要吸收气化潜热，吸热量约为830.0kJ/kg。一座300万吨/年的LNG接收站，如果LNG连续均匀气化，释放的冷能大约为80MW。因此，LNG气化蕴含的冷能是十分巨大的，回收这部分冷能具有非常可观的经济效益和社会效益。
LNG冷能的利用方式主要有，冷能发电、冷能空分、冷库制冰、海水淡化等，但均受限于种种条件，并不能充分利用冷能。
有机朗肯循环是基于朗肯循环基本原理，利用有机工质低沸点特性，实现低品位热源转换为高品位电能的工程应用技术。有机朗肯循环发电是回收低品位热能的重要方式，随着“双碳”目标的提出，有机朗肯循环发电技术在工业余热和地热能领域大量应用。
ORC发电系统主要由蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器和工质泵五大部件组成，根据应用的情况不同，可能会在此基础上增加一些辅助设备，包括预热器、回热器、过热器等。液态有机工质在蒸发器中从热源中吸收热量，形成具一定压力和温度的有机工质蒸气，有机工质蒸气进入膨胀机做功，带动发电机发电。做完功的乏气进入到冷凝器，被LNG冷能冷凝。LNG气化后进入到后热器，进一步与海水进行换热，形成气态天然气之后。
目前LNG冷能回收行业内普遍的做法有两种。第一种是直接膨胀制冷；该技术是一种利用LNG在输送和储存过程中自然蒸发产生的冷能来制冷的方法。通过将LNG从储罐中输送至膨胀器，使其蒸发并吸收周围环境的热量，从而实现制冷；这种技术存在效率低下问题，大量的冷能仍然白白浪费，而且受制冷需求限制，不能完全回收LNG冷能。第二种是直接膨胀发电。该技术是将罐内的LNG与海水进行换热气化，气化后的天然气进入膨胀机做功发电；膨胀机出口的天然气根据用户参数需要，进行参数调整，最终输送给天然气用户；这种技术由于LNG在输送和储存过程中自然蒸发产生的冷能较少，因此直接膨胀发电技术的能源利用率相对较低。而且，在长期运行过程中，系统可能出现性能下降、故障率较高等问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有冷能回收技术中直接膨胀制冷技术效率低，不能完全回收LNG冷能；直接膨胀发电技术能源利用率相对较低，长期运行过程中容易出现性能下降、故障率较高，针对此不足，提出了一种应用于LNG气化冷能回收的高效ORC发电系统。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种应用于LNG气化冷能回收的高效ORC发电系统，包括预热器、蒸发器、过热器、膨胀机、发电机、高压冷凝器、低压冷凝器和工质泵；
其中，所述膨胀机的进气口与过热器第一出口相连，膨胀机的高压排气口和低压排气口分别与高压冷凝器的第一进口和低压冷凝器的第一进口相连；所述高压冷凝器的第一出口与低压冷凝器的第一进口相连；所述低压冷凝器的第一出口与工质泵一端连接；所述工质泵另一端与预热器的第一进口连接；所述预热器的第一出口与蒸发器的第一进口连接，所述蒸发器的第一出口与过热器的第一进口连接；
过热气态有机工质在膨胀机内做工，带动发电机发电，过热气态有机工质做工后形成气态工质，通过高压冷凝器和低压冷凝器冷凝后，形成液态有机工质，工质泵将低压冷凝器出口的液态有机工质增压至预热器，液态有机工质经过预热器、蒸发器和加热器换热，形成过热气态有机工质，进入膨胀机做功，形成ORC发电系统。
作为本发明的进一步优选，所述预热器的第一出口与蒸发器的第一进口之间、蒸发器的第一出口与过热器的第一进口之间均通过有机工质管道连接；所述过热器的第二出口与蒸发器的第二进口之间、蒸发器的第二出口与预热器的第二进口之间均通过海水管道连接。
作为本发明的进一步优选，还包括后加热器，所述后加热器的第一进口与热源连接，所述后加热器的第一出口与过热器的第二进口连接，所述过热器的第二出口与蒸发器的第二进口连接，所述蒸发器的第二出口与预热器的第二进口连接；
其中，热源通过后加热器的第一进口进入，通过后加热器的第一出口，流入过热器的第二进口，与饱和气态有机工质进行换热，使饱和气态有机工质变为过热气态有机工质，热源换热后通过过热器的第二出口流入蒸发器的第二进口，在蒸发器内，与液态有机工质换热，使液态有机工质变为饱和气态，热源通过蒸发器的第二出口流入预热器的第二进口，在预热器内与有机工质换热后，从预热器的第二出口流出。
作为本发明的进一步优选，所述低压冷凝器的第二进口与LNG冷能连接，所述低压冷凝器的第二出口与高压冷凝器的第二进口连接，所述高压冷凝器的第二出口与后加热器第二进口连接；
其中，LNG冷能通过低压冷凝器的第二进口进入低压冷凝器，与气液混合物换热，将气液混合物冷凝成液态工质；LNG冷能从低压冷凝器的第二出口流出，通过高压冷凝器的第二进口流入高压冷凝器，在高压冷凝器内与做工后的液态有机工质换热，将做工后的液态有机工质冷凝成气液混合物；LNG冷能换热完成后从高压冷凝器的第二出口流出，通过后加热器的第二进口流入后加热器，形成NG气体，从后加热器的第二出口流出。
作为本发明的进一步优选，所述低压冷凝器的第二出口与高压冷凝器的第二进口之间通过LNG管道相连。
作为本发明的进一步优选，所述蒸发器内设置有液位器，所述液位器与控制系统连接，所述控制系统与工质泵连接；通过蒸发器液位反馈，对工质泵转速进行调节控制，确保膨胀机运行安全，不出现液击。
作为本发明的进一步优选，所述热源设置为海水、工业低温余热、地热、生物质热、太阳能光热。
作为本发明的进一步优选，所述膨胀机采用螺杆膨胀机或者透平膨胀机，包括轴流式、径向向心和径向离心，而且采用双压力排气，用来提高透平效率。
作为本发明的进一步优选，所述膨胀机与过热器之间设置有第一过滤器，防止ORC系统中的杂质进入膨胀机，对膨胀机造成损坏。
作为本发明的进一步优选，所述工质泵包括第一工质泵和第二工质泵，且第一工质泵与第二工质泵并联设置，所述第一工质泵和第二工质泵靠近低压冷凝器一侧均设置有第二过滤器和第一阀门；两个所述第一阀门均通过管道与低压冷凝器连接，所述第一工质泵和第二工质泵靠近预热器一侧均设置有第二阀门，两个所述第二阀门均通过管道与预热器连接。
本发明提出的一种应用于LNG气化冷能回收的高效ORC发电系统，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、不受冷能需求的限制，充分回收LNG冷能，提高LNG气化冷能回收利用效率；
2、具有较高的能源利用效率，有助于减少环境污染，促进能源结构调整和保障能源供应安全。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中附图标记的含义：1、预热器；2、蒸发器；3、过热器；4、膨胀机；5、发电机；6、高压冷凝器；7、低压冷凝器；81、第一工质泵；82、第二工质泵；9、后加热器；10、第一过滤器；11、第二过滤器；12、第一阀门；13、第二阀门。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
对有机工质加热的热源可以是海水、工业低温余热、地热、生物质热、太阳能光热等。简单的流程系统也在本发明的保护范围，比如单压力的排气膨胀机或者单工质泵的LNG冷能ORC发电系统。膨胀机型式可以使螺杆式、轴流式、径流向心式、径流离心式。有机工质包括但不限于丙烷、氨、二氧化碳、甲烷等。
实施例一：结合图1，一种应用于LNG气化冷能回收的高效ORC发电系统，包括预热器1、蒸发器2、过热器3、膨胀机4、发电机5、高压冷凝器6、低压冷凝器7和工质泵。
其中，所述膨胀机4的进气口与过热器3第一出口相连，膨胀机4的高压排气口和低压排气口分别与高压冷凝器6的第一进口和低压冷凝器7的第一进口相连；所述高压冷凝器6的第一出口与低压冷凝器7的第一进口相连；所述低压冷凝器7的第一出口与工质泵一端连接；所述工质泵另一端与预热器1的第一进口连接；所述预热器1的第一出口与蒸发器2的第一进口连接，所述蒸发器2的第一出口与过热器3的第一进口连接。
过热气态有机工质在膨胀机4内做工，带动发电机5发电，过热气态有机工质做工后形成气态工质，通过高压冷凝器6和低压冷凝器7冷凝后，形成液态有机工质，工质泵将低压冷凝器7出口的液态有机工质增压至预热器1，液态有机工质经过预热器1、蒸发器2和加热器换热，形成过热气态有机工质，进入膨胀机4做功，形成ORC发电系统。
所述预热器1的第一出口与蒸发器2的第一进口之间、蒸发器2的第一出口与过热器3的第一进口之间均通过有机工质管道连接；所述过热器3的第二出口与蒸发器2的第二进口之间、蒸发器2的第二出口与预热器1的第二进口之间均通过海水管道连接。
实施例二：还包括后加热器9，所述后加热器9的第一进口与热源连接，所述后加热器9的第一出口与过热器3的第二进口连接，所述过热器3的第二出口与蒸发器2的第二进口连接，所述蒸发器2的第二出口与预热器1的第二进口连接。
其中，热源通过后加热器9的第一进口进入，通过后加热器9的第一出口，流入过热器3的第二进口，与饱和气态有机工质进行换热，使饱和气态有机工质变为过热气态有机工质，热源换热后通过过热器3的第二出口流入蒸发器2的第二进口，在蒸发器2内，与液态有机工质换热，使液态有机工质变为饱和气态，热源通过蒸发器2的第二出口流入预热器1的第二进口，在预热器1内与有机工质换热后，从预热器1的第二出口流出。
所述热源设置为海水、工业低温余热、地热、生物质热、太阳能光热。
实施例三：所述低压冷凝器7的第二进口与LNG冷能连接，所述低压冷凝器7的第二出口与高压冷凝器6的第二进口连接，所述高压冷凝器6的第二出口与后加热器9第二进口连接。
其中，LNG冷能通过低压冷凝器7的第二进口进入低压冷凝器7，与气液混合物换热，将气液混合物冷凝成液态工质；LNG冷能从低压冷凝器7的第二出口流出，通过高压冷凝器6的第二进口流入高压冷凝器6，在高压冷凝器6内与做工后的液态有机工质换热，将做工后的液态有机工质冷凝成气液混合物；LNG冷能换热完成后从高压冷凝器6的第二出口流出，通过后加热器9的第二进口流入后加热器9，形成NG气体，从后加热器9的第二出口流出。
所述低压冷凝器7的第二出口与高压冷凝器6的第二进口之间通过LNG管道相连。
实施例四：所述蒸发器2内设置有液位器，所述液位器与控制系统连接，所述控制系统与工质泵连接；通过蒸发器2液位反馈，对工质泵转速进行调节控制，确保膨胀机4运行安全，不出现液击。
监测有机工质的液位，如果液位大于设定液位，则说明工质泵打入到蒸发器2的流量大于蒸发带走的有机工质，此时需要自动降低工质泵运行频率，减少打入到蒸发器2的有机工质流量。
所述膨胀机4采用螺杆膨胀机或者透平膨胀机，包括轴流式、径向向心和径向离心，而且采用双压力排气，用来提高透平效率。所述膨胀机4与过热器3之间设置有第一过滤器10，防止ORC系统中的杂质进入膨胀机4，对膨胀机4造成损坏。
实施例五，所述工质泵包括第一工质泵81和第二工质泵82，且第一工质泵81与第二工质泵82并联设置，所述第一工质泵81和第二工质泵82靠近低压冷凝器7一侧均设置有第二过滤器11和第一阀门12；两个所述第一阀门12均通过管道与低压冷凝器7连接，所述第一工质泵81和第二工质泵82靠近预热器1一侧均设置有第二阀门13，两个所述第二阀门13均通过管道与预热器1连接。
工质泵设置为一用一备，防止由于工质泵故障导致系统停运。当一个工质泵出现故障时，可以切换到另一个工质泵。具体步骤为：第一工质泵81为运行状态时，第一工质泵81两侧的第一阀门12和第二阀门13打开状态，第二工质泵82两侧的第一阀门12和第二阀门13关闭状态。当需要切换到第二工质泵82运行时，关闭一工质泵两侧的第一阀门12和第二阀门13，打开第二工质泵82两侧的第一阀门12和第二阀门13。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种应用于LNG气化冷能回收的高效ORC发电系统，其特征在于，包括预热器（1）、蒸发器（2）、过热器（3）、膨胀机（4）、发电机（5）、高压冷凝器（6）、低压冷凝器（7）和工质泵；
其中，所述膨胀机（4）的进气口与过热器（3）第一出口相连，膨胀机（4）的高压排气口和低压排气口分别与高压冷凝器（6）的第一进口和低压冷凝器（7）的第一进口相连；所述高压冷凝器（6）的第一出口与低压冷凝器（7）的第一进口相连；所述低压冷凝器（7）的第一出口与工质泵一端连接；所述工质泵另一端与预热器（1）的第一进口连接；所述预热器（1）的第一出口与蒸发器（2）的第一进口连接，所述蒸发器（2）的第一出口与过热器（3）的第一进口连接；
过热气态有机工质在膨胀机（4）内做工，带动发电机（5）发电，过热气态有机工质做工后形成气态工质，通过高压冷凝器（6）和低压冷凝器（7）冷凝后，形成液态有机工质，工质泵将低压冷凝器（7）出口的液态有机工质增压至预热器（1），液态有机工质经过预热器（1）、蒸发器（2）和加热器换热，形成过热气态有机工质，进入膨胀机（4）做功，形成ORC发电系统。
2.根据权利要求1所述的一种应用于LNG气化冷能回收的高效ORC发电系统，其特征在于，所述预热器（1）的第一出口与蒸发器（2）的第一进口之间、蒸发器（2）的第一出口与过热器（3）的第一进口之间均通过有机工质管道连接；所述过热器（3）的第二出口与蒸发器（2）的第二进口之间、蒸发器（2）的第二出口与预热器（1）的第二进口之间均通过海水管道连接。
3.根据权利要求1所述的一种应用于LNG气化冷能回收的高效ORC发电系统，其特征在于，还包括后加热器（9），所述后加热器（9）的第一进口与热源连接，所述后加热器（9）的第一出口与过热器（3）的第二进口连接，所述过热器（3）的第二出口与蒸发器（2）的第二进口连接，所述蒸发器（2）的第二出口与预热器（1）的第二进口连接；
其中，热源通过后加热器（9）的第一进口进入，通过后加热器（9）的第一出口，流入过热器（3）的第二进口，与饱和气态有机工质进行换热，使饱和气态有机工质变为过热气态有机工质，热源换热后通过过热器（3）的第二出口流入蒸发器（2）的第二进口，在蒸发器（2）内，与液态有机工质换热，使液态有机工质变为饱和气态，热源通过蒸发器（2）的第二出口流入预热器（1）的第二进口，在预热器（1）内与有机工质换热后，从预热器（1）的第二出口流出。
4.根据权利要求3所述的一种应用于LNG气化冷能回收的高效ORC发电系统，其特征在于，所述低压冷凝器（7）的第二进口与LNG冷能连接，所述低压冷凝器（7）的第二出口与高压冷凝器（6）的第二进口连接，所述高压冷凝器（6）的第二出口与后加热器（9）第二进口连接；
其中，LNG冷能通过低压冷凝器（7）的第二进口进入低压冷凝器（7），与气液混合物换热，将气液混合物冷凝成液态工质；LNG冷能从低压冷凝器（7）的第二出口流出，通过高压冷凝器（6）的第二进口流入高压冷凝器（6），在高压冷凝器（6）内与做工后的液态有机工质换热，将做工后的液态有机工质冷凝成气液混合物；LNG冷能换热完成后从高压冷凝器（6）的第二出口流出，通过后加热器（9）的第二进口流入后加热器（9），形成NG气体，从后加热器（9）的第二出口流出。
5.根据权利要求4所述的一种应用于LNG气化冷能回收的高效ORC发电系统，其特征在于，所述低压冷凝器（7）的第二出口与高压冷凝器（6）的第二进口之间通过LNG管道相连。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种应用于LNG气化冷能回收的高效ORC发电系统，其特征在于，所述蒸发器（2）内设置有液位器，所述液位器与控制系统连接，所述控制系统与工质泵连接。
7.根据权利要求6所述的一种应用于LNG气化冷能回收的高效ORC发电系统，其特征在于，所述热源设置为海水、工业低温余热、地热、生物质热、太阳能光热。
8.根据权利要求6所述的一种应用于LNG气化冷能回收的高效ORC发电系统，其特征在于，所述膨胀机（4）采用螺杆膨胀机或者透平膨胀机。
9.根据权利要求8所述的一种应用于LNG气化冷能回收的高效ORC发电系统，其特征在于，所述膨胀机（4）与过热器（3）之间设置有第一过滤器（10）。
10.根据权利要求7-9任一项所述的一种应用于LNG气化冷能回收的高效ORC发电系统，其特征在于，所述工质泵包括第一工质泵（81）和第二工质泵（82），且第一工质泵（81）与第二工质泵（82）并联设置，所述第一工质泵（81）和第二工质泵（82）靠近低压冷凝器（7）一侧均设置有第二过滤器（11）和第一阀门（12）；两个所述第一阀门（12）均通过管道与低压冷凝器（7）连接，所述第一工质泵（81）和第二工质泵（82）靠近预热器（1）一侧均设置有第二阀门（13），两个所述第二阀门（13）均通过管道与预热器（1）连接。
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