CN118119763A - 使用混合工作流体的lng冷热发电 - Google Patents
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Abstract
一在利用根据本发明的由二氧化碳和乙烷组成的混合工作流体进行LNG冷发电的情况下，可利用工艺中的废热，与现有发电工艺相比，可显著减少天然气消耗量。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用混合工作流体的LNG冷热发电.
背景技术
韩国每年进口约4000多万吨液化天然气(LNG)，是仅次于日本和中国的世界第三大进口国，作为单一收购基地，韩国天然气公社(KOGAS)的平泽和仁川收购基地的规模为世界第一和第二。韩国、日本和中国在接近常压的条件下将天然气液化至-163℃以下进口。
液化天然气的原因是与常温及常压条件相比，LNG的体积减少至约600分之1，易于储存和运输。然而，为将天然气液化至163℃以下，需要冷冻机和用于驱动冷冻机的电能。虽然根据不同液化工艺有所不同，但下表1按不同液化工艺比较了液化1kg/h的LNG所需的电力。
[表1]
| 序号 | 冷冻循环 | 液化1kg/h的LNG所需的电力 |
| 1 | SMR | 0.656kW |
| 2 | Cascade | 0.770kW |
| 3 | Multi-stage Cascade | 0.430kW |
| 4 | C3-MR | 0.299kW |
| 5 | KS-MR | 0.300kW |
在液化天然气蒸发为气体状态的天然气的相变过程中，每1kg天然气需要约200kca l的热量。日本将60％的进口LNG用作冷热(Co l d heat)，中国将约10％以上的进口LNG用作冷热。然而，在韩国，大部分LNG通过与海水的热交换进行蒸发，因此几乎不使用LNG的冷热，而浪费在海水中。-163℃的低温能量被称为冷热，以与高温能量区分。
通过海水气化低压状态的LNG，则无法获得电力。LNG冷热发电是在LNG状态下用泵变换为高压之后与海水进行热交换完成气化以获得高压天然气，从而可通过涡轮机获得相当量的电力。此时，液体泵送所消耗的电力与通过涡轮机获得高压天然气的电力相比相对较小。
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的在于提供一种可改善现有LNG冷热发电的效果的混合工作流体。
解决问题的方法
本发明提供一种LNG冷热发电，包括：由二氧化碳和乙烷组成的工作流体、泵、蒸发器、涡轮机及冷凝器。
较佳地，所述二氧化碳和乙烷的摩尔比为85～95:15～0.5。
较佳地，所述工作流体用于闭合朗肯循环。
较佳地，供应的LNG的供应压力调整为成为饱和液体状态的压力。
较佳地，将所述冷凝器后端的温度调整为LNG的饱和蒸汽温度。
较佳地，将所述泵后端的压力调整至混合工作流体的临界压力。
较佳地，所述循环包括两个涡轮机及其之间的加热器。
较佳地，所述加热器加热工作流体以防止其凝结。
较佳地，所述蒸发器或加热器或两者利用工艺中的废热。
发明效果
在利用根据本发明的混合工作流体进行LNG冷发电的情况下，可利用工艺中的废热，与现有发电工艺相比，可显著减少天然气消耗量。
附图概述
图1为开放朗肯循环的概略示意图；
图2为利用PRO/I I with PROV I S ION的开放朗肯循环的电力生产概略流程图；
图3为闭合朗肯循环的概略示意图；
图4为利用PRO/I I with PROV I S ION的用于LNG冷热发电的闭合朗肯循环的概略流程图；
图5为利用根据本发明的混合工作流体的用于LNG冷热发电的闭合朗肯循环的概略流程图。
最佳实施方式
本发明提供一种LNG冷热发电，包括：由二氧化碳和乙烷组成的工作流体、泵、蒸发器、涡轮机及冷凝器。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明的一较佳实施方式进行说明。
需要注意的是，为说明本实施例，在给各附图中的组件赋予标记时，即使在不同的图中，也尽量给相同的结构赋予相同的标记。另外，在详细说明本发明的过程中，若认为对相关已公开功能或结构的具体说明有碍于对本发明的理解，则将省略其详细说明。在下面参考的附图中，不适用缩放比例。
在说明本发明的组件时，可使用第一、第二、A、B、(a)、(b)等术语。上述术语只是用于区分一个组件和另一组件，而相应组件的本质或顺序不受上述术语的限制。
当记载一个组件“连接”、“结合”或“联接”于另一组件时，其组件可直接连接或联接于其他组件，但在各组件之间，还可以“连接”、“结合”或“联接”其他组件。
另外，在描述层、膜、区域、板等组件在其他组件“之上”或“上”时，应理解这不仅包括其他组件“直接在上面”的情况，还可包括其中间包括其他组件的情况。与此相反，在描述某个构成要素直接在其他部分“之上”时，应理解中间不存在其他部分。
图1表示利用工作流体的用于LNG冷热发电的最简单的开放朗肯循环的概念图。
根据图1，处于略高于-162℃附近的常压的压力条件的LNG，经泵加压后成为高压状态的LNG。随后通过海水进行热交换，则LNG蒸发，相变为高压状态的天然气。利用高压的天然气驱动涡轮机，则可开始生产电力。
Tokyo Kas Co.利用10ton/h的LNG生产了约290kW左右的电力。
由于无法准确获知LNG的组分，使用了如表2所示的韩国天然气公社进口的LNG组分中的Typ i ca l gas组分。
[表2]
| 组分 | Mole％ |
| 氮 | 0.04 |
| 甲烷 | 89.26 |
| 已完 | 8.64 |
| 丙烷 | 1.44 |
| 异丁烷 | 0.27 |
| 正丁烷 | 0.35 |
| MW(kg/k-mole) | 17.924 |
| GHV(kcal/Sm3) | 10,450 |
利用上述LNG，如图2所示，使用AVEVA公司的PRO/I I w i th PROV I S IONV10.2进行计算机模拟，获得如下表3所示的计算模拟结果。通过下表3所获得的净电力为300kW，高于Tokyo Gas Co.获得的290kW。
[表3]
图3表示闭合朗肯循环的概略图。与开放朗肯循环相比，图3所示的闭合朗肯循环的优点在于，因可将蒸发的天然气保持在高压状态，从而可进一步通过涡轮机发电。
Tokyo Gas Co.通过如图3所示的以丙烷为工作流体的闭式朗肯循环的LNG冷热发电，使用10ton/h的LNG冷热，实现了442kW的发电效果。
图4表示使用PRO/I I w i th PROV I S ION实现闭合朗肯循环的流程图。
下表4概略整理了图4所示的利用PRO/I I wi th PROV I S ION的计算机模拟结构。
[表4]
| 项目 | 结果 | 单位 |
| LNG质量流量 | 10,000 | kg/h |
| 涡轮机电力 | 374.69 | kW |
| 涡轮机效率 | 85 | ％ |
| 丙烷循环流量 | 7,874 | kg/h |
| 泵所需电力 | 17.01 | kW |
| 泵效率 | 805 | ％ |
| 工作流体冷凝器负载 | 0.8970x106 | kcal/h |
| 工作流体蒸发器负载 | 1.2046x106 | kcal/h |
| 泵后端压力 | 40 | bar |
| 涡轮机后端压力 | 0.696 | bar |
| 工作流体蒸发器后端温度 | -50 | ℃ |
| 工作流体冷凝器后端温度 | 120 | ℃ |
| LNG蒸发器后端温度 | -53 | ℃ |
根据表4，从1ton/h的LNG的冷热获得的净电力为35.768kW。尤其是，由于工作流体蒸发器后端的温度为120℃，因此需要使用蒸汽蒸发工作流体。为了获得蒸汽，需要燃烧天然气。从上表2中可以看出，因LNG的分子量为17.924kg/k-mo l e，GHV为10,450kca l/Sm3，因此为提供作为工作液蒸发器的热负载的1.2046x106kca l/h的热量所需的LNG质量流量为92.24kg/h。这意味着使用丙烷作为工作流体进行LNG冷热发电时，发生每小时92.24kg/h的天然气的消耗。
根据本发明，适用于利用LNG冷热的闭式朗肯循环的工作流体的选定条件如下：
首先，能在泵后端以高压运行的工作流体为宜。这与工作流体的临界压力有关。泵后端的压力通常可加压至临界压力。
其次，通过与LNG进行热交换之后，工作流体冷凝器后端的温度越低越好。这是因为膨胀阀后端的压力可以调低，从而可在涡轮机提高膨胀比，以获得更大的电力。工作流体冷凝器后端的温度与工作流体的冰点有关。由于工作流体冷凝器后端直接与泵相连，因此存在需要保持高于工作流体冰点的温度的限制。
第三，工作流体蒸发器后端的温度越低越好。在图4的情况下，当使用丙烷作为工作流体时，蒸发器后端的温度为120℃。在这种情况下，需使用低压(Low Pressure，LP)蒸汽蒸发工作流体，从而导致天然气的燃烧消耗。
为选择符合所述条件的工作流体，下文表5列出几种候选工作流体的几个物理特性。
[表5]
| 项目 | CO2 | C2H6 | C2H4 |
| 临界压力(bar) | 73.83 | 48.72 | 50.40 |
| 冰点(℃) | -56.57 | -182.8 | -169.15 |
| 临界温度(℃) | 31.06 | 32.17 | 9.19 |
在上表5所示的候选工作流体中，在临界压力方面，二氧化碳最高，为73.83bar，因此比较有利。在冰点方面，乙烷的冰点最低，为-182.8℃，这是其优点，但其缺点是比LNG的供应温度低，因此由于LNG完全蒸发，无法充分利用LNG的冷热。另外，最后在工作流体的临界温度方面，在泵中加压至临界压力附近之后在工作流体蒸发器中完全蒸发时，温度越低越好。在这种情况下，乙烯的临界温度较低，为9.19℃，因此比较有利。
下表6列出本发明所用LNG的组分、温度及压力条件。
[表6]
为了利用LNG的全部潜热，将LNG的供应压力降至称为饱和液体状态的0.605MPaG。再次条件下，LNG全部蒸发的温度为-54.125℃。此时，为了利用LNG的全部冷热使混合工作流体的冷凝器后端的温度与LNG蒸发后的温度相差3℃，作为达到-51.125℃的温度的二氧化碳和乙烯的组分，较佳为10mo l％的二氧化碳和90mo l％的乙烯。
在上表5中，设计了一种使用LNG冷热的发电工艺，如图5所示，在该工艺中各以90mo l％和10mo l％的组分使用了二氧化碳和乙烷的混合工作流体。在此，E3为混合工作流体冷凝器，因与LNG进行热交换，实际上与E4是同一个热交换器。
下表7集中表示二氧化碳和乙烷的几种物性。
[表7]
| 组分 | CO2 | C2H6 |
| Pc(bar) | 73.83 | 48.72 |
| 熔点(℃) | -56.57 | -182.8 |
| 临界温度(℃) | 31.6 | 32.17 |
| -51.125℃下的蒸汽压力 | 6.518 | 5.317 |
下表8概略整理了图5的计算机模拟结果。
[表8]
| 项目 | 结果 | 单位 |
| LNG质量流量 | 631.81 | kg/h |
| 第一个涡轮机的电力 | 15.25 | kW |
| 第一个涡轮机的效率 | 85 | ％ |
| 第一个涡轮机的后端压力 | 16.918 | bar |
| 第一个涡轮机的后端温度 | -22.538 | ℃ |
| 第一个涡轮机的入口温度 | 69.215 | ℃ |
| 第二个涡轮机的电力 | 9.96 | kW |
| 第二个涡轮机的效率 | 85 | ％ |
| 第二个涡轮机的后端压力 | 8.627 | Bar |
| 第二个涡轮机的后端温度 | 30.414 | ℃ |
| 第二个涡轮机的入口温度 | 69 | ℃ |
| 工作流体蒸发器后端温度 | 69.215 | ℃ |
| 工作流体冷凝器后端温度 | -51.125 | ℃ |
| 工作流体循环流量 | 1,000 | kg/h |
| 泵所需电力 | 2.1030 | kW |
| 泵效率 | 85 | ％ |
| 工作流体冷凝器负载 | 0.0984x106 | kcal/h |
| 工作流体蒸发器负载 | 0.0930x106 | kcal/h |
| 泵后端压力 | 47.67 | bar |
如上表8所示，首先，由于为利用LNG的全部潜热，LNG在在蒸发器E4中全部蒸发称为饱和蒸汽的温度为-54.125℃，将工作流体冷凝器E3末端的温度设定为-54.125℃，此时，在涡轮机EX1、EX2末端膨胀至称为饱和液体的压力。混合工作流体的预期熔点(或冰点)为-69.193℃，因此存在约15℃的余量。泵P1后端的压力为67.67bar，这是混合工作流体的临界压力的95％。工作流体蒸发器E1末端和两个涡轮机EX1、EX2之间的加热器E2末端温度设定为69℃。这在图5中被确定为防止在第一个涡轮机EX1后端产生冷凝液的最低温度。如果在第一各涡轮机EX1的后端发生冷凝，则发电量会减少。由于两种成分的临界温度都在30℃附近，而泵P1末端的压力设定为两种混合工作流体的临界压力的95％，因此当加热至饱和蒸汽时，蒸发器E1末端的温度将低于30℃。
根据上表8，从1ton/h的LNG的冷热获得的净电力为36.573kW。这比使用丙烷作为工作流体时获得的35.768kW的净功率略高，但工作流体蒸发器后端的温度为69.215℃。这明显低于丙烷工作流体的蒸发器后端温度120℃。可以看出，是因为使用了工艺中可使用的废热，因此达到了足够低的温度。此外，与使用丙烷作为工作流体的利用LNG的冷热发电工艺相比，该工艺具有不消耗92.24kg/h的天然气的优点。
上述实施例仅用以说明本发明而非限制。
因此，本说明书所公开的实施例用以说明本发明而非限制本发明，本发明的思想和范围不受这些实施例的限制。而在不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种LNG冷热发电，包括：由二氧化碳和乙烷组成的工作流体、泵、蒸发器、涡轮机及冷凝器。
2.根据权利要求1所述的LNG冷热发电，其特征在于：二氧化碳和乙烷的摩尔比为85～95:15～0.5。
3.根据权利要求1所述的LNG冷热发电，其特征在于：所述工作流体用于闭合朗肯循环。
4.根据权利要求1所述的LNG冷热发电，其特征在于：供应的LNG的供应压力调整为成为饱和液体状态的压力。
5.根据权利要求1所述的LNG冷热发电，其特征在于：将冷凝器后端的温度调整为LNG的饱和蒸汽温度。
6.根据权利要求1所述的LNG冷热发电，其特征在于：将泵后端的压力调整至混合工作流体的临界压力。
7.根据权利要求3所述的LNG冷热发电，其特征在于：所述循环包括两个涡轮机及其之间的加热器。
8.根据权利要求7所述的LNG冷热发电，其特征在于：所述加热器加热工作流体以防止其凝结。
9.根据权利要求1所述的LNG冷热发电，其特征在于：蒸发器或加热器或两者利用工艺中的废热。
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