CN213478413U - 基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统，属于发电系统技术领域，为解决现有系统结构复杂、冷能利用率低等问题而设计。本实用新型基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统包括发电循环系统、液化天然气气化系统和冷能输送系统，发电循环系统包括透平装置、初始增压泵、末端增压泵、发电中间换热器和发电用冷单位换热器，透平装置被配置为能将发电循环工质由透平装置的中间抽出。本实用新型基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统可充分利用液化天然气中所储存的冷能，并高效率地将该冷能转化为电能，节省能源，提高经济效益，节能减排；无需使用高温热源，在常温甚至低温下均能稳定工作。

Description

基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统

技术领域

本实用新型涉及发电系统技术领域，尤其涉及一种基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统。

背景技术

天然气是一种主要包括碳氢化合物的混合物，包括甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等。气田生产的天然气经过净化处理后可以被使用，为了便于天然气从生产地运输到使用地，通常需要将天然气经一连串超低温液化加工成液化天然气(Liquefied Natural Gas，缩写LNG)。

液化天然气目前常用的储存温度为-162℃，用户使用的温度为5℃左右，从储存温度至使用温度的气化过程中会释放大约830kJ/kg的冷量。若液化天然气拥有的冷能以100％的效率转化为电能，那么每吨液化天然气的冷能可转化为240kWh的电能，能用于发电、海水淡化、液化分离空气(液氧、液氮)以及冷冻食品等各个领域，其中冷能发电被广泛关注。

现有液化天然气冷能发电技术的缺陷包括：发电系统复杂，冷能利用率低，所需余热热源温度高以及单位冷能发电量低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种冷能利用率高的基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统，包括，发电循环系统，包括用于将流体介质中所蕴有的能量转换成机械功的透平装置、用于对发电循环工质进行加压的初始增压泵和末端增压泵、以及用于供所述发电循环工质进行换热的发电中间换热器和发电用冷单位换热器，所述透平装置被配置为能将所述发电循环工质由所述透平装置的中间抽出；所述发电中间换热器的两端分别连接所述初始增压泵和所述末端增压泵，所述发电用冷单位换热器的两端分别连接所述末端增压泵和所述透平装置；液化天然气气化系统，包括通过管路依次连接的初始气化换热器、中间气化换热器和末端气化换热器，液化天然气能依次流经所述初始气化换热器、所述中间气化换热器和所述末端气化换热器并逐渐升温；所述发电循环工质能分别在所述初始气化换热器和所述中间气化换热器处与所述液化天然气进行换热；以及，冷能输送系统，包括发电循环载冷剂供应装置和气化载冷剂供应装置，所述发电循环载冷剂供应装置中的载冷剂能在所述发电用冷单位换热器处与所述发电循环工质进行换热，所述气化载冷剂供应装置中的载冷剂能在所述末端气化换热器处与所述液化天然气进行换热。

特别是，所述发电中间换热器为气液混合器，所述透平装置中的一部分所述发电循环工质与所述初始气化换热器中的所述液化天然气换热后进入所述初始增压泵中，然后进入所述发电中间换热器并与来自所述透平装置的另一部分所述发电循环工质相混合。

特别是，所述透平装置包括第一透平装置和第二透平装置，所述第一透平装置的出口端连接至所述初始气化换热器的侧入口端，所述初始气化换热器的侧出口端连接至所述初始增压泵；所述第二透平装置分别连接至所述发电中间换热器和所述中间气化换热器。

特别是，所述发电循环系统还包括用于供所述发电循环工质进行换热的海水换热器和海水供应装置，所述海水换热器的两端分别连接至所述发电用冷单位换热器和所述透平装置，所述海水供应装置分别连接至所述海水换热器的侧入口端和侧出口端。

特别是，所述海水换热器中的运行工质为海水，所述发电用冷单位换热器中的载冷剂为乙二醇或CaCl2溶液。

特别是，所述发电用冷单位换热器中的载冷剂为海水。

特别是，所述中间气化换热器至少包括通过管路依次连接的第一中间气化换热器和第二中间气化换热器，所述发电中间换热器包括相连接的第一发电中间换热器和第二发电中间换热器，在所述第一发电中间换热器和所述第二发电中间换热器之间设置有中间增压泵；所述第一中间气化换热器的侧入口端和所述第一发电中间换热器共同连接至所述透平装置的一出口端，所述第二中间气化换热器的侧入口端和所述第二发电中间换热器共同连接至所述透平装置的另一出口端；所述第一中间气化换热器的侧出口端和所述第一发电中间换热器的出口端分别连接至所述中间增压泵，所述第二中间气化换热器的侧出口端和所述第二发电中间换热器的出口端分别连接至所述末端增压泵。

特别是，所述发电循环工质为有机工质。

特别是，所述有机工质为氟利昂或氨气。

特别是，所述初始增压泵出口端处的所述发电循环工质的压力值与所述中间气化换热器侧入口端的所述发电循环工质的压力值的差值在预设范围内。

本实用新型基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统包括发电循环系统、液化天然气气化系统和冷能输送系统，根据系统压力分布进行能量的梯级利用，可充分利用液化天然气中所储存的冷能，并高效率地将该冷能转化为电能，节省能源，提高经济效益，节能减排；可选用低压工质，系统压力低，相应地制造及加工成本低；无需使用高温热源，在常温甚至低温下均能稳定工作。发电循环系统包括用于将流体介质中所蕴有的能量转换成机械功的透平装置，透平装置为中间抽汽式透平，相比于多透平系统而言结构更简单合理，投资费用更低，通过抽汽量即可调节发电量和载冷剂输出冷量的分配；冷能输送系统中的载冷剂所蕴含的冷能可输送至其它用冷用户处进行再利用，提高了能量的利用效率。

附图说明

图1是本实用新型实施例一提供的液化天然气冷能发电系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例二提供的液化天然气冷能发电系统的结构示意图；

图3是本实用新型实施例三提供的液化天然气冷能发电系统的结构示意图。

图中：

11、透平装置；12、初始增压泵；13、末端增压泵；14、发电中间换热器；15、发电用冷单位换热器；16、海水换热器；17、中间增压泵；21、初始气化换热器；22、中间气化换热器；23、末端气化换热器；31、发电循环载冷剂供应装置；32、气化载冷剂供应装置；41、海水供应装置；111、第一透平装置；112、第二透平装置；141、第一发电中间换热器；142、第二发电中间换热器；221、第一中间气化换热器；222、第二中间气化换热器。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

实施例一

本优选实施例公开一种基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统。如图1所示，该液化天然气冷能发电系统包括发电循环系统、液化天然气气化系统和冷能输送系统。

其中，发电循环系统包括透平(turbine)装置11、初始增压泵12、末端增压泵13、发电中间换热器14和发电用冷单位换热器15，透平装置11用于将流体介质中所蕴有的能量转换成机械功，初始增压泵12和末端增压泵13均用于对发电循环工质进行加压，发电中间换热器14和发电用冷单位换热器15均用于供所述发电循环工质进行换热。透平装置11为中间抽汽式透平，可将一部分发电循环工质由透平装置11中间抽出；发电中间换热器14连接在初始增压泵12和末端增压泵13之间，发电用冷单位换热器15连接在末端增压泵13和透平装置11之间。

液化天然气气化系统包括通过管路依次连接的初始气化换热器21、中间气化换热器22和末端气化换热器23，初始气化换热器21的入口端连接液化天然气(LNG)管道，末端气化换热器23的出口端连接天然气(NG)管道，液化天然气能依次流经初始气化换热器21、中间气化换热器22和末端气化换热器23并逐渐升温气化，直至形成天然气。透平装置11的出口端连接至初始气化换热器21的侧入口端，初始气化换热器21的侧出口端连接至初始增压泵12，透平装置11的中间抽汽出口端的一条支路连接至中间气化换热器22，发电循环工质能分别在初始气化换热器21和中间气化换热器22处与液化天然气进行换热；透平装置11的中间抽汽出口端的另一条支路连接至发电中间换热器14，发电中间换热器14的出口端和中间气化换热器22的侧出口端都连接至末端增压泵13。即，发电循环系统和液化天然气气化系统分别在初始气化换热器21和中间气化换热器22处相互联系。

冷能输送系统包括发电循环载冷剂供应装置31和气化载冷剂供应装置32，发电循环载冷剂供应装置31中的载冷剂能在发电用冷单位换热器15处与发电循环工质进行换热，气化载冷剂供应装置32中的载冷剂能在末端气化换热器23处与液化天然气进行换热。即，冷能输送系统与发电循环系统在发电用冷单位换热器15处相互联系，冷能输送系统与液化天然气气化系统在末端气化换热器23处相互联系。

该基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统通过发电循环系统、液化天然气气化系统和冷能输送系统的合理设置，根据系统压力分布进行能量的梯级利用，可充分利用液化天然气中所储存的冷能，并高效率地将该冷能转化为电能，节省能源，提高经济效益，节能减排；可选用低压工质，系统压力低，相应地制造及加工成本低；无需使用高温热源，在常温甚至低温下均能稳定工作。透平装置11为中间抽汽式透平，相比于多透平系统而言结构更简单合理，投资费用更低，通过抽汽量即可调节发电量和载冷剂输出冷量的分配；冷能输送系统中的载冷剂所蕴含的冷能可输送至其它用冷用户处进行再利用，提高了能量的利用效率。

发电中间换热器14为气液混合器，透平装置11中的一部分发电循环工质与初始气化换热器21中的液化天然气换热后进入初始增压泵12中，然后进入发电中间换热器14并与来自透平装置11的另一部分发电循环工质相混合。采用混合式换热器可避免蒸汽与冷却介质的传热温差，提高传热效率，进而使系统产生更多电能。

在上述结构的基础上，发电循环系统还包括用于供发电循环工质进行换热的海水换热器16和海水供应装置41，海水换热器16的两端分别连接至发电用冷单位换热器15和透平装置11，海水供应装置41分别连接至海水换热器16的侧入口端和侧出口端。海水换热器16中的运行工质为海水，发电用冷单位换热器15中的载冷剂为乙二醇或CaCl₂溶液。

当然，发电用冷单位换热器15中的载冷剂也可以为海水(即，发电循环载冷剂供应装置31所供应的物质为海水)，此时发电用冷单位换热器15和海水换热器16可合并为一个换热器。末端气化换热器23中所用的载冷剂也可以为海水、乙二醇或CaCl₂溶液中的一种(即，气化载冷剂供应装置32所供应的物质为海水、乙二醇或CaCl₂溶液中的一种)，其工作原理和效果是基本相同的，装置结构无需做出改变。

发电循环工质为有机工质，在相同入口液化天然气温度及冷量的条件下，通过透平中间抽汽与各换热器间的相互作用实现冷能的梯级利用，降低换热温差，减小不可逆损失，提高换热效率，产生更多电能，冷能利用效率更高。优选的，有机工质为氟利昂或氨气，产品成熟稳定，使用成本低。

无论是发电循环系统、液化天然气气化系统还是冷能输送系统中均采用单工质作为循环工质，相比于多工质系统而言循环工质便于获取，使用成本低，工作状态更稳定。

在上述结构的基础上，初始增压泵12出口端处的发电循环工质的压力值与中间气化换热器22侧入口端的发电循环工质的压力值(即透平装置11的中间抽汽压力)的差值在预设范围内。优选的，差值≈0，即初始增压泵12出口端处的发电循环工质的压力值等于或基本等于中间气化换热器22侧入口端的发电循环工质的压力值。

具体使用方法：

由液化天然气接收站输送来的10MPa、-150℃的液化天然气，首先进入初始气化换热器21，在初始气化换热器21处液化天然气与透平装置11的排汽循环工质换热，换热后液化天然气的温度升高至-66℃左右；升温后的液化天然气进入中间气化换热器22，在中间气化换热器22处液化天然气与中间抽汽的出口循环工质换热，换热后液化天然气的温度升高至-33℃左右；然后液化天然气进入末端气化换热器23中，在末端气化换热器23处与气化载冷剂供应装置32(用冷单位)输送来的载冷剂换热，换热后液化天然气的温度升高至5℃，形成满足管网输送条件的天然气并进入天然气管网，完成整个液化天然气的气化过程。

以氨气作为发电循环工质，透平装置11入口工质参数均为0.51MPa、5℃，出口参数为22kPa、-60℃，中间抽汽参数为150kPa、-25℃。0.51MPa、5℃的发电循环工质在透平装置11中做功产生电能，做功之后的发电循环工质温度降低为-60℃，压力降低为22kPa；然后发电循环工质在初始气化换热器21处与液化天然气换热，发电循环工质的温度降低为-62℃左右且被全部液化；液化后的发电循环工质在初始增压泵12的作用下压力升高至150kPa，温度变为-61℃；经过初始增压泵12的液氨进入发电中间换热器14并在此处与透平装置11的中间抽汽的一部分发电循环工质相混合，混合后发电循环工质的温度升高为-26℃左右，且仍为液态；透平装置11的中间抽汽的一部分发电循环工质在中间气化换热器22处与液化天然气换热，换热后这部分发电循环工质的温度降低至-26℃左右，且全部液化。上述两路发电循环工质混合后经过末端增压泵13将压力升高至0.6MPa左右，温度变为-25℃左右；然后发电循环工质进入发电用冷单位换热器15，在发电用冷单位换热器15处发电循环工质与发电循环载冷剂供应装置31(用冷单位)输送来的载冷剂换热，换热后发电循环工质的温度升高为4℃左右，且达到其饱和状态；然后发电循环工质进入海水换热器16中，在海水换热器16处发电循环工质与海水换热后全部气化为气态，且温度升高为5℃，压力变为0.51MPa；然后该发电循环工质进入透平装置11，完成发电循环。

由用冷用户输送回来的10℃左右的载冷剂分别经过在发电用冷单位换热器15处与发电循环工质换热、以及在末端气化换热器23处与液化天然气换热后温度降低为-20℃左右，输送回用冷用户制冷使用，实现冷能的进一步利用。

实施例二

本实施例公开一种基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统，其结构以及工作原理都与实施例一基本相同。如图2所示，不同之处在于，透平装置11包括第一透平装置111和第二透平装置112，第一透平装置111的出口端连接至初始气化换热器21的侧入口端，初始气化换热器21的侧出口端连接至初始增压泵12；第二透平装置112分别连接至发电中间换热器14和中间气化换热器22；海水换热器16冷侧出口分为两部分，一部分连接至第一透平装置111，另一部分连接至第二透平装置112。

即，在实施例一的基础上，将透平装置分为两个独立的结构，第一透平装置111直接将发电循环工质膨胀至最终排汽状态，第二透平装置112将发电循环工质膨胀至上述中间抽汽状态，其它的工作过程与实施例一相同，此处不再赘述。

实施例三

本实施例公开一种基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统，其结构以及工作原理都与实施例一基本相同。如图3所示，不同之处在于，中间气化换热器22至少包括通过管路依次连接的第一中间气化换热器221和第二中间气化换热器222，发电中间换热器14包括相连接的第一发电中间换热器141和第二发电中间换热器142，在第一发电中间换热器141和第二发电中间换热器142之间设置有中间增压泵17；第一中间气化换热器221的侧入口端和第一发电中间换热器141共同连接至透平装置11的一出口端，第二中间气化换热器222的侧入口端和第二发电中间换热器142共同连接至透平装置11的另一出口端；第一中间气化换热器221的侧出口端和第一发电中间换热器141的出口端分别连接至中间增压泵17，第二中间气化换热器222的侧出口端和第二发电中间换热器142的出口端分别连接至末端增压泵13。该结构进一步提高了系统循环效率及单位液化天然气的冷能发电量。

将透平装置11中间抽汽调整为两路，第一路仍按照实施例一中的方式进行换热；第二路抽汽压力相比于第一路抽汽压力更高，也分为两部分，一部分与经过中间增压泵17增压后的发电循环工质相混合，另一部分在第二中间气化换热器222处与液化天然气换热，然后上述两部分发电循环工质再进行混合，由末端增压泵13升压至最终压力，然后发电循环工质依次经过发电用冷单位换热器15和海水换热器16，在发电用冷单位换热器15和海水换热器16处发电循环工质升温气化，然后发电循环工质进入透平装置11，完成发电循环。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统，其特征在于，包括，

发电循环系统，包括用于将流体介质中所蕴有的能量转换成机械功的透平装置(11)、用于对发电循环工质进行加压的初始增压泵(12)和末端增压泵(13)、以及用于供所述发电循环工质进行换热的发电中间换热器(14)和发电用冷单位换热器(15)，所述透平装置(11)被配置为能将所述发电循环工质由所述透平装置(11)的中间抽出；所述发电中间换热器(14)的两端分别连接所述初始增压泵(12)和所述末端增压泵(13)，所述发电用冷单位换热器(15)的两端分别连接所述末端增压泵(13)和所述透平装置(11)；

液化天然气气化系统，包括通过管路依次连接的初始气化换热器(21)、中间气化换热器(22)和末端气化换热器(23)，液化天然气能依次流经所述初始气化换热器(21)、所述中间气化换热器(22)和所述末端气化换热器(23)并逐渐升温；所述发电循环工质能分别在所述初始气化换热器(21)和所述中间气化换热器(22)处与所述液化天然气进行换热；以及，

冷能输送系统，包括发电循环载冷剂供应装置(31)和气化载冷剂供应装置(32)，所述发电循环载冷剂供应装置(31)中的载冷剂能在所述发电用冷单位换热器(15)处与所述发电循环工质进行换热，所述气化载冷剂供应装置(32)中的载冷剂能在所述末端气化换热器(23)处与所述液化天然气进行换热。

2.根据权利要求1所述的基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统，其特征在于，所述发电中间换热器(14)为气液混合器，所述透平装置(11)中的一部分所述发电循环工质与所述初始气化换热器(21)中的所述液化天然气换热后进入所述初始增压泵(12)中，然后进入所述发电中间换热器(14)并与来自所述透平装置(11)的另一部分所述发电循环工质相混合。

3.根据权利要求2所述的基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统，其特征在于，所述透平装置(11)包括第一透平装置(111)和第二透平装置(112)，所述第一透平装置(111)的出口端连接至所述初始气化换热器(21)的侧入口端，所述初始气化换热器(21)的侧出口端连接至所述初始增压泵(12)；所述第二透平装置(112)分别连接至所述发电中间换热器(14)和所述中间气化换热器(22)。

4.根据权利要求1所述的基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统，其特征在于，所述发电循环系统还包括用于供所述发电循环工质进行换热的海水换热器(16)和海水供应装置(41)，所述海水换热器(16)的两端分别连接至所述发电用冷单位换热器(15)和所述透平装置(11)，所述海水供应装置(41)分别连接至所述海水换热器(16)的侧入口端和侧出口端。

5.根据权利要求4所述的基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统，其特征在于，所述海水换热器(16)中的运行工质为海水，所述发电用冷单位换热器(15)中的载冷剂为乙二醇或CaCl₂溶液。

6.根据权利要求1所述的基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统，其特征在于，所述发电用冷单位换热器(15)中的载冷剂为海水。

7.根据权利要求1所述的基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统，其特征在于，所述中间气化换热器(22)至少包括通过管路依次连接的第一中间气化换热器(221)和第二中间气化换热器(222)，所述发电中间换热器(14)包括相连接的第一发电中间换热器(141)和第二发电中间换热器(142)，在所述第一发电中间换热器(141)和所述第二发电中间换热器(142)之间设置有中间增压泵(17)；所述第一中间气化换热器(221)的侧入口端和所述第一发电中间换热器(141)共同连接至所述透平装置(11)的一出口端，所述第二中间气化换热器(222)的侧入口端和所述第二发电中间换热器(142)共同连接至所述透平装置(11)的另一出口端；所述第一中间气化换热器(221)的侧出口端和所述第一发电中间换热器(141)的出口端分别连接至所述中间增压泵(17)，所述第二中间气化换热器(222)的侧出口端和所述第二发电中间换热器(142)的出口端分别连接至所述末端增压泵(13)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统，其特征在于，所述发电循环工质为有机工质。

9.根据权利要求8所述的基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统，其特征在于，所述有机工质为氟利昂或氨气。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的基于压力分布的中间抽汽式液化天然气冷能发电系统，其特征在于，所述初始增压泵(12)出口端处的所述发电循环工质的压力值与所述中间气化换热器(22)侧入口端的所述发电循环工质的压力值的差值在预设范围内。

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