CN208040470U - 嵌套式lng两级并联冷能发电及制冰装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了嵌套式LNG两级并联冷能发电及制冰装置，包括第一级朗肯循环发电装置、第二级朗肯循环发电装置和制冰装置（21），第一级朗肯循环发电装置包括第一工质冷凝器（7）、第一工质泵（2）、第一工质‑冷媒换热器（3）、蒸发器（4）和第一透平发电机组（6）；第二级朗肯循环发电装置包括第二工质冷凝器（20）、NG‑冷媒换热器（19）、第二工质泵（9）、第二工质‑冷媒换热器（10）、预热器（11）、多股流换热器（13）和第二透平发电机组（17）；制冰装置（21）分别与第一工质‑冷媒换热器（3）、第二工质‑冷媒换热器（10）和NG‑冷媒换热器19相连接。本实用新型能充分利用LNG在气化过程中的冷能。

Description

嵌套式LNG两级并联冷能发电及制冰装置

技术领域

本实用新型涉及LNG冷能梯级利用技术领域，具体地说是一种包括两级两工质朗肯循环发电和冷能制冰的嵌套式LNG两级并联冷能发电及制冰装置。

背景技术

液化天然气（LNG）是在低温下以液态形式存在的天然气（NG），其储存温度约在-160℃，较NG更加方便储存与运输，然而LNG通常需要重新气化为NG才能获得广泛应用，LNG气化时释放的冷能大约为840kJ/kg，因此LNG蕴藏的冷能十分巨大，回收这部分冷能具有非常可观的经济和社会效益。如果不回收利用，这部分冷能通常在LNG气化器中被海水或空气带走，无形中造成了巨大的能源浪费。鉴于此，国家发展与改革委员会早在2005年就提出要研究LNG接收站的冷能综合利用问题。

世界各国都在努力探索提高LNG冷能利用率的途径和方法，LNG冷能利用技术包括发电、空气分离、低温干燥、制冰和海水淡化等。冷能发电技术作为LNG冷能利用主要方式之一，其基本原理是通过低温动力循环过程，以LNG为低温冷源，利用低温动力循环产生的机械功驱动发电机组产生电力。随着冷能技术的不断成熟，各种冷能利用方案已经被提出并实施，例如直接膨胀法发电、低温朗肯循环法、直接膨胀法和空分、朗肯循环和直接膨胀法等。中国专利CN106150579A公开了一种横向两级利用LNG跨临界冷能朗肯循环发电系统，该系统以海水为热源，运用LNG冷能完成两级朗肯循环发电，低品质冷能被白白浪费，利用率不高；美国专利US 6089028为一闭环工艺热传导介质来发电。这样的发电方式相对于直接膨胀发电，效率会比较高。但参比其设备投资和LNG冷能利用效率等因素，在经济上有待进一步论证。而且，在第二热交换器中，用海水作为热流，换热以后直接排掉，没有加以利用，使得能量没有得以很好利用。

由此可知，LNG冷能利用方案很多，但是现有的方案一般会存在利用效率不高等问题，使得冷能不能得到充分有效的利用，仍然有不少冷能被白白浪费掉。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种包括两级两工质朗肯循环发电和冷能制冰的嵌套式LNG两级并联冷能发电及制冰装置，以综合利用LNG的冷能并充分提高LNG的冷能利用率。

本实用新型的目的是通过以下技术方案解决的：

一种嵌套式LNG两级并联冷能发电及制冰装置，其特征在于：所述的装置包括第一级朗肯循环发电装置、第二级朗肯循环发电装置和制冰装置，其中第一级朗肯循环发电装置包括第一工质冷凝器、第一工质泵、第一工质-冷媒换热器、蒸发器和第一透平发电机组，第一工质冷凝器分别与LNG入口管、第一透平发电机组的第一工质出口管相连接，且第一工质冷凝器通过带有第一工质泵的管路与第一工质-冷媒换热器相连接，第一工质-冷媒换热器通过管路依次与蒸发器和第一透平发电机组相连接；第二级朗肯循环发电装置包括第二工质冷凝器、NG-冷媒换热器、第二工质泵、第二工质-冷媒换热器、预热器、多股流换热器和第二透平发电机组，第二工质冷凝器分别与第一工质冷凝器、第二透平发电机组的第二工质出口管、NG-冷媒换热器的LNG入口相连接，且第二工质冷凝器通过带有第二工质泵的管路与第二工质-冷媒换热器相连接，第二工质-冷媒换热器通过管路依次与预热器、多股流换热器和第二透平发电机组相连接；所述的制冰装置的冷媒出口经三条冷媒支路分别与第一工质-冷媒换热器、第二工质-冷媒换热器和NG-冷媒换热器19的冷媒入口连接，上述三者的冷媒出口则通过相应管路汇合后与制冰装置的冷媒入口相连接。

所述第二透平发电机组的工质出口设有分流器将第二工质输出管路分成第一支路和第二支路，其中第一支路与第二工质冷凝器的第二工质入口连接使一股第二工质在第二工质冷凝器内与经过第一工质冷凝器换热后的高压LNG再次换热，第二支路与第一级朗肯循环发电装置中的蒸发器的第二工质入口连接使另一股第二工质在蒸发器内与第一工质换热后冷凝成液态第二工质，蒸发器第二工质的液态第二工质出口、第二工质冷凝器的液态第二工质出口分别通过管路与合流器的进口相连接使两股液态第二工质合流成一股，合流器的出口经带有第二工质泵的管路与第二工质-冷媒换热器的液态第二工质入口连接使低温液态第二工质与来自制冰装置的冷媒换热。

所述第一透平发电机组的第一工质出口管路与第一工质进口管路之间设有与两者并联的带有第一阀门的第一工质支路；所述第二透平发电机组的第二工质出口管路与第二工质进口管路之间设有与两者并联的带有第二阀门的第二工质支路。

所述制冰装置的冷媒入口前的汇合管路上设有冷媒泵。

所述的LNG入口管（1）送入第一工质冷凝器（7）的LNG为温度为-130℃～-160℃、压力为6～10MPa的高压LNG。

所述的第一级朗肯循环发电装置、第二级朗肯循环发电装置和制冰装置（21）所采用的工质为乙烯、乙烷、丙烯、丙烷中的一种或两种以上的混合工质。

所述制冰装置（21）的冷媒采用CaCl₂溶液、乙醇。

所述的预热器（11）采用的热媒为低于40℃的低品位热媒。

本实用新型相比现有技术有如下优点：

本实用新型利用嵌入式两级并联朗肯循环发电装置，充分利用LNG冷能，LNG经过与两级朗肯循环发电装置的工质和制冰装置的冷媒热交换，最后在多股流换热器内换热，将NG加热至相对较高温度进入外输管网；整个工艺装置充分利用LNG冷能，冷能利用效率大大提高，节约能源，有效利用了废弃的冷能，经济效益非常大，且换热器、冷凝器、加热器的换热管采用如内波外螺纹管、内或外或内外槽道管等独特的高效特型管，大大减少换热设备尺寸，节能效果非常明显；同时工艺装置流程简单、安全可靠。

附图说明

附图1为本实用新型的嵌套式LNG两级并联冷能发电及制冰的方法的流程图。

其中：1—LNG入口管；2—第一工质泵；3—第一工质-冷媒换热器；4—蒸发器；5—第一阀门；6—第一透平发电机组；7—第一工质冷凝器；8—合流器；9—第二工质泵；10—第二工质-冷媒换热器；11—预热器；12—热媒入口管；13—多股流换热器；14—热媒出口管；15—NG出口管；16—第二阀门；17—第二透平发电机组；18—分流器；19—NG-冷媒换热器；20—第二工质冷凝器；21—制冰装置；22—冷媒泵。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示：一种嵌套式LNG两级并联冷能发电及制冰装置，该装置包括第一级朗肯循环发电装置、第二级朗肯循环发电装置和制冰装置21。其中第一级朗肯循环发电装置包括第一工质冷凝器7、第一工质泵2、第一工质-冷媒换热器3、蒸发器4和第一透平发电机组6，第一工质冷凝器7分别与LNG入口管1、第一透平发电机组6的第一工质出口管相连接，LNG入口管1送入第一工质冷凝器7的LNG为温度为-130℃～-160℃、压力为6～10MPa的高压LNG，且第一工质冷凝器7通过带有第一工质泵2的管路与第一工质-冷媒换热器3相连接，第一工质-冷媒换热器3通过管路依次与蒸发器4和第一透平发电机组6相连接；具体情况为：第一透平发电机组6的工质出口经第一工质出口管与第一工质冷凝器7的第一工质入口连接将第一透平发电机组6出来的第一工质蒸汽送入第一工质冷凝器7中与高压LNG换热冷凝成低温液态第一工质，第一工质冷凝器7的第一工质出口经带有第一工质泵2的管路与第一工质-冷媒换热器3的工质入口连接使低温液态第一工质与来自制冰装置21的冷媒换热，第一工质-冷媒换热器3的工质出口通过管路与蒸发器4的工质入口连接使第一工质进入蒸发器4与来自第二级朗肯循环发电装置的第二工质换热，蒸发器4的工质出口通过管路与第一透平发电机组6的工质入口连接使液态第一工质进入到第一透平发电机组6，液态第一工质经过膨胀降温变成气态后再次进入到第一工质冷凝器7完成第一级朗肯发电循环。第二级朗肯循环发电装置包括第二工质冷凝器20、NG-冷媒换热器19、第二工质泵9、第二工质-冷媒换热器10、预热器11、多股流换热器13和第二透平发电机组17，第二工质冷凝器20分别与第一工质冷凝器7、第二透平发电机组17的第二工质出口管、NG-冷媒换热器19的LNG入口相连接，且第二工质冷凝器20通过带有第二工质泵9的管路与第二工质-冷媒换热器10相连接，第二工质-冷媒换热器10通过管路依次与预热器11、多股流换热器13和第二透平发电机组17相连接；具体情况为：第二工质冷凝器20的LNG入口与第一工质冷凝器7的LNG出口管连接，第二工质冷凝器20的LNG出口管与NG-冷媒换热器19的LNG入口连接，NG-冷媒换热器19的LNG出口管与多股流换热器13的LNG入口连接，使与第一工质换热后的LNG依次进入第二工质冷凝器20、NG-冷媒换热器19和多股流换热器13换热被加热成NG后通过NG出口管15进入天然气外输管网；在第二级朗肯循环发电装置中，第二透平发电机组17的的工质出口设有分流器18将第二工质输出管路分成第一支路和第二支路，其中第一支路与第二工质冷凝器20的第二工质入口连接使一股第二工质在第二工质冷凝器20内与经过第一工质冷凝器7换热后的高压LNG再次换热，第二支路与第一级朗肯循环发电装置中的蒸发器4的第二工质入口连接使另一股第二工质在蒸发器4内与第一工质换热后冷凝成液态第二工质，蒸发器第二工质的液态第二工质出口、第二工质冷凝器20的液态第二工质出口分别通过管路与合流器8的进口相连接使两股液态第二工质合流成一股，合流器8的出口经带有第二工质泵9的管路与第二工质-冷媒换热器10的液态第二工质入口连接使低温液态第二工质与来自制冰装置21的冷媒换热，第二工质-冷媒换热器10的工质出口通过与预热器11的工质入口相连接，预热器11的热媒入口可与热媒入口管12相连接，使第二工质与热媒在预热器11内换热，预热器11的工质出口通过与多股流换热器13的工质入口连接使第二工质、来自预热器11的热媒、来自NG-冷媒换热器19的LNG进行换热，多股流换热器13的工质出口与第二透平发电机组17的工质入口连接使第二工质进入到第二透平发电机组17完成第二级朗肯循环发电；预热器11的热媒出口通过管道与多股流换热器13的热媒入口相连接，多股流换热器13的热媒出口处设有热媒出口管14。制冰装置21的冷媒出口经三条冷媒支路分别与第一工质-冷媒换热器3、第二工质-冷媒换热器10和NG-冷媒换热器19的冷媒入口连接，使其中一股冷媒在第一工质-冷媒换热器3与第一工质换热降温、一股冷媒在第二工质-冷媒换热器10与第二工质换热降温、最后一股冷媒在NG-冷媒换热器19与LNG换热降温；第一工质-冷媒换热器3的冷媒出口、第二工质-冷媒换热器10的冷媒出口、NG-冷媒换热器19的冷媒出口分别经三条冷媒回路与制冰装置21的冷媒入口连接使经换热降温后的三股冷媒再次汇合，在制冰装置21的冷媒进口设有冷媒泵22，降温后的冷媒经冷媒泵22送入制冰装置21，完成制冰循环。

在上述装置中，第一级朗肯循环发电装置、第二级朗肯循环发电装置和制冰装置21所采用的工质为乙烯、乙烷、丙烯、丙烷中的一种或两种以上的混合工质，即第一工质和第二工质采用乙烯、乙烷、丙烯、丙烷中的一种或两种以上的混合工质，第一工质和第二工质可以是相同工质，也可以是不同工质；制冰装置21的冷媒采用CaCl₂溶液、乙醇，但不限于此；预热器11采用的热媒为低于40℃的低品位热媒，该热源可选用海水，但并不仅限于海水，还可利用其它低品位热源如低于40℃的循环水、空气，还可以结合实际与太阳能利用、工业余热利用结合等。

另外第一透平发电机组6的第一工质出口管路与第一工质进口管路之间设有与两者并联的带有第一阀门5的第一工质支路，第一阀门5在装置正常工作情况下处于关闭状态，异常情况打开以保护第一透平发电机组6；第二透平发电机组17的第二工质出口管路与第二工质进口管路之间设有与两者并联的带有第二阀门16的第二工质支路，第二阀门16在装置正常工作情况下处于关闭状态，异常情况打开以保护第二透平发电机组17。同时上述装置中采用的换热器、冷凝器、加热器的换热管采用如内波外螺纹管、内或外或内外槽道管等独特的高效特型管，大大减少换热设备尺寸，节能效果非常明显。

该嵌套式LNG两级并联冷能发电及制冰装置的运行流程包括第一级朗肯循环发电、第二级朗肯循环发电和制冰，其中，第一级朗肯循环发电中的第一发电工质、第二级朗肯循环发电中的第二发电工质以及制冰中的冷媒之间互相嵌套换热，以充分利用冷能，运行方法的具体步骤如下：a、温度为-130℃～-160℃、压力为6～10MPa的高压LNG进入第一工质冷凝器7与来自第一透平发电机组6的气态第一工质换热，气态第一工质被高压LNG冷凝成低温液态，液态第一工质经加压后进入第一工质-冷媒换热器3与来自制冰装置21的一股冷媒换热，之后液态第一工质进入蒸发器4中与来自第二级朗肯循环发电的其中一股第二发电工质换热，接着液态第一工质进入到第一透平发电机组6经过膨胀降温发电后变成气态再次回流到第一工质冷凝器7与高压LNG换热，完成第一级朗肯循环发电；b、经过第一工质冷凝器7换热后的高压LNG依次进入第二工质冷凝器20和NG-冷媒换热器19被气化成低温NG，低温NG再经过多股流换热器13被加热成高于0℃的NG后进入天然气外输管网；其中经过第一工质冷凝器7换热后的高压LNG进入第二工质冷凝器20与来自第二透平发电机组17的气态第二工质换热，气态第二工质被高压LNG冷凝成低温液态，液态第二工质经加压后进入第二工质-冷媒换热器10与来自制冰装置21的一股冷媒换热，之后液态第二工质进入预热器11与热媒换热，接着液态第二工质进入多股流换热器13与来自预热器11的热媒、来自NG-冷媒换热器19的低温NG进行换热，最后液态第二工质进入第二透平发电机组17经过膨胀降温发电后变成气态再次回流到第二工质冷凝器20与经过第一工质冷凝器7换热后的高压LNG换热，完成第二级朗肯循环发电；c、步骤（a）中的第一工质-冷媒换热器3、步骤（b）中的第二工质-冷媒换热器10以及NG-冷媒换热器19所采用的三股冷媒分别与对应的第一工质、第二工质、LNG换热降温后再次汇合后回流至制冰装置21，完成制冰循环。

在上述方法中，从第二透平发电机组17出来的气态第二工质分成两股，其中一股进入第一级朗肯循环发电流程的蒸发器4中与第一工质换热后冷凝成液态第二工质，另一股进入第二工质冷凝器20内与经过第一工质冷凝器7换热后的高压LNG再次进行换热冷凝成液态第二工质，两股液态第二工质合流成一股加压后进入第二工质-冷媒换热器10与来自制冰装置21的一股冷媒换热。

下面通过具体实施例对本实用新型的工艺做进一步的说明。

实施例一

如图1所示，整个装置由第一级朗肯循环发电装置、第二级朗肯循环发电装置和制冰装置21组成。工作时，经LNG入口管1输入的温度为-130℃～-160℃、压力为6～10MPa的高压LNG依次通过第一级朗肯循环发电装置，第二级朗肯循环发电和制冰装置21后，被气化成温度为-15℃的低温NG，低温NG继续经过多股流换热器13被加热成0℃以上、压力为6～10MPa的NG，进入天然气外输管网。

第一级朗肯循环发电装置：以乙烯为第一工质，自第一透平发电机组6出来的常压、温度为-96℃的气态乙烯在第一工质冷凝器7中被温度为-130℃～-160℃、压为力6～10MPa的高压LNG冷凝成常压、温度为-96℃的液态乙烯，经第一工质泵2加压至1～3MPa后送入第一工质-冷媒换热器3与来自制冰装置21的温度为-10℃的冷媒换热，将冷媒温度从-10℃降至-35℃，第一工质的温度升至-50℃后进入到蒸发器4中与来自第二级朗肯循环发电装置中的丙烯换热，之后第一工质进入到第一透平发电机组6，第一工质经过膨胀降温后再次进入到第一工质冷凝器7与高压LNG换热，完成一次朗肯发电循环。

第二级朗肯循环发电装置：以丙烯为第二工质，自第二透平发电机组17出来的常压、温度为-42℃的气态丙烯分成两股，一股进入在第二工质冷凝器20中被-102℃、压力为6～10MPa的高压LNG冷凝成温度为-42℃的液态丙烯，另一股进入第一级朗肯循环发电装置中的蒸发器4与第一工质乙烯换热冷凝成温度为-42℃的液态第二工质，两股工质经合流器8合流成一股，由第二工质泵9加压至1～3MPa后送入第二工质-冷媒换热器10中，丙烯与来自制冰装置21的温度为-10℃的冷媒换热，丙烯的温度从-42℃升至-15℃，冷媒降至-35℃，丙烯经过预热器11被海水加热，进入多股流换热器13中与来自预热器11的海水、经过NG--冷媒换热器19换热后的温度为-15℃压力为6～10MPa的NG换热，进入第二透平发电机组17，完成一次朗肯发电循环。

制冰装置：从制冰装置21出来温度为-10℃的冷媒分成三股，其中一股冷媒在第一工质-冷媒换热器3内与第一工质换热降温，另一股在第二工质-冷媒换热器10内与第二工质换热降温，最后一股在NG-冷媒换热器19内与LNG换热降温，三股冷媒经过换热被降温至-35℃后再次汇合，经过冷媒泵22送入制冰装置21，完成制冰循环。

本实用新型利用嵌入式两级并联朗肯循环发电装置，充分利用LNG冷能，LNG经过与两级朗肯循环发电装置的工质和制冰装置的冷媒热交换，最后在多股流换热器内换热，将NG加热至相对较高温度进入外输管网；整个工艺装置充分利用LNG冷能，冷能利用效率大大提高，节约能源，有效利用了废弃的冷能，经济效益非常大，且换热器、冷凝器、加热器的换热管采用如内波外螺纹管、内或外或内外槽道管等独特的高效特型管，大大减少换热设备尺寸，节能效果非常明显；同时工艺装置流程简单、安全可靠。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动、修饰、替代、组合、简化，均落入本实用新型保护范围之内；本实用新型未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种嵌套式LNG两级并联冷能发电及制冰装置，其特征在于：所述的装置包括第一级朗肯循环发电装置、第二级朗肯循环发电装置和制冰装置（21），其中第一级朗肯循环发电装置包括第一工质冷凝器（7）、第一工质泵（2）、第一工质-冷媒换热器（3）、蒸发器（4）和第一透平发电机组（6），第一工质冷凝器（7）分别与LNG入口管（1）、第一透平发电机组（6）的第一工质出口管相连接，且第一工质冷凝器（7）通过带有第一工质泵（2）的管路与第一工质-冷媒换热器（3）相连接，第一工质-冷媒换热器（3）通过管路依次与蒸发器（4）和第一透平发电机组（6）相连接；第二级朗肯循环发电装置包括第二工质冷凝器（20）、NG-冷媒换热器（19）、第二工质泵（9）、第二工质-冷媒换热器（10）、预热器（11）、多股流换热器（13）和第二透平发电机组（17），第二工质冷凝器（20）分别与第一工质冷凝器（7）、第二透平发电机组（17）的第二工质出口管、NG-冷媒换热器（19）的LNG入口相连接，且第二工质冷凝器（20）通过带有第二工质泵（9）的管路与第二工质-冷媒换热器（10）相连接，第二工质-冷媒换热器（10）通过管路依次与预热器（11）、多股流换热器（13）和第二透平发电机组（17）相连接；所述的制冰装置（21）的冷媒出口经三条冷媒支路分别与第一工质-冷媒换热器（3）、第二工质-冷媒换热器（10）和NG-冷媒换热器（19）的冷媒入口连接，上述第一工质-冷媒换热器（3）、第二工质-冷媒换热器（10）和NG-冷媒换热器（19）的冷媒出口则通过相应管路汇合后与制冰装置（21）的冷媒入口相连接。

2.根据权利要求1所述的两级并联冷能发电及制冰装置，其特征在于：所述第二透平发电机组（17）的的工质出口设有分流器（18）将第二工质输出管路分成第一支路和第二支路，其中第一支路与第二工质冷凝器（20）的第二工质入口连接使一股第二工质在第二工质冷凝器（20）内与经过第一工质冷凝器（7）换热后的高压LNG再次换热，第二支路与第一级朗肯循环发电装置中的蒸发器（4）的第二工质入口连接使另一股第二工质在蒸发器（4）内与第一工质换热后冷凝成液态第二工质，蒸发器第二工质的液态第二工质出口、第二工质冷凝器（20）的液态第二工质出口分别通过管路与合流器（8）的进口相连接使两股液态第二工质合流成一股，合流器（8）的出口经带有第二工质泵（9）的管路与第二工质-冷媒换热器（10）的液态第二工质入口连接使低温液态第二工质与来自制冰装置（21）的冷媒换热。

3.根据权利要求1所述的两级并联冷能发电及制冰装置，其特征在于：所述第一透平发电机组（6）的第一工质出口管路与第一工质进口管路之间设有与两者并联的带有第一阀门（5）的第一工质支路；所述第二透平发电机组（17）的第二工质出口管路与第二工质进口管路之间设有与两者并联的带有第二阀门（16）的第二工质支路。

4.根据权利要求1所述的两级并联冷能发电及制冰装置，其特征在于：所述制冰装置（21）的冷媒入口前的汇合管路上设有冷媒泵（22）。

5.根据权利要求1所述的两级并联冷能发电及制冰装置，其特征在于：所述的LNG入口管（1）送入第一工质冷凝器（7）的LNG为温度为-130℃～-160℃、压力为6～10MPa的高压LNG。

6.根据权利要求1所述的两级并联冷能发电及制冰装置，其特征在于：所述的第一级朗肯循环发电装置、第二级朗肯循环发电装置和制冰装置（21）所采用的工质为乙烯、乙烷、丙烯、丙烷中的一种或两种以上的混合工质。

7.根据权利要求1所述的两级并联冷能发电及制冰装置，其特征在于：所述制冰装置（21）的冷媒采用CaCl₂溶液、乙醇。

8.根据权利要求1所述的两级并联冷能发电及制冰装置，其特征在于：所述的预热器（11）采用的热媒为低于40℃的低品位热媒。