CN217632597U - 一种梯级利用的多级冷媒及蒸汽联合发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种能量梯级利用的多级冷媒及蒸汽联合发电系统。采用蒸汽循环发电系统、多级冷媒循环发电系统及LNG冷能梯级利用链共三级工质能源系统，其中蒸汽循环发电系统连接有蒸汽轮机低压缸、交流发电机组、冷凝系统及冷凝泵系统，并与换热器连接有LNG冷能梯级利用链。本实用新型充分利用了LNG存储与天然气使用过程中所蕴含的大量冷能及用户需求之间的温度匹配关系，采用具有较大温度、压力适应范围的冷媒工质(通常为CO₂)，通过系统中温度、压力合理分配，供给不同温度、压力下的不同冷媒循环的热、冷端，实现冷媒不同温度下梯级膨胀做功发电，实现冷能的梯级、高效利用，具有显著的经济效益、社会效益和工程应用前景。

Description

一种梯级利用的多级冷媒及蒸汽联合发电系统

技术领域：

本实用新型涉及能源转换利用技术领域，尤其涉及一种能量梯级利用的多级冷媒及蒸汽联合发电系统。

背景技术：

近年来，随着全球能源问题日益突出，我国对能源高效利用及其相关系统的技术发展给予了越来越多的支持。作为全球工业和能源的重要原料，作为储量丰富的清洁能源，LNG正受到各国日益关注。全球LNG工业发展于上世纪70年代。21世纪初，由于环境等因素，全球LNG容量增长率持续攀升。2009年全球LNG贸易量为2亿吨，美国能源信息署IEA预测到2030年全球LNG贸易量将增加5倍。2012 年中国累计进口LNG1465万吨，同比增长12.2％，是全球第三大LNG 进口国。

LNG是气态天然气通过低温工艺液化并精华而得到的低温液体混合物，常压下温度为-162℃。每生产一吨LNG的动力能源消耗约 850kW·h，而LNG在接收站进行再气化过程中将释放出大量的冷能，约为830kJ/kg。若该冷能完全转化为动力，则一吨LNG可释放的冷量相当于240kW·h。在传统再气化工艺中，LNG携带的冷量被海水或空气带走，不仅造成极大的能源浪费，而且会对周围海域或站区的环境造成冷污染。

LNG气化温度范围为-162℃至常温，其能量品位很高，若将其直接用于常规冷库，在大温差换热过程中将造成大量的

损失，故对 LNG进行梯级利用是较好的方案。常用LNG冷能发电主要有直接膨胀法，利用低温泵对LNG加压至管网输送压力，与海水换热气化成高压天然气后，送至透平膨胀机做功，进而带动发电机发电，为其的温度和压力依据天然气用户的要求调整。但LNG冷能利用率很低，仅 24％。故对LNG冷能进行高效回收、实现能源梯级利用，尤其考虑实现LNG冷能发电领域，仍面临诸多挑战。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供一种能量梯级利用的多级冷媒及蒸汽联合发电系统，以解决现有技术的不足。

本实用新型由如下技术方案实施：一种能量梯级利用的多级冷媒及蒸汽联合发电系统，包括蒸汽循环发电系统、多级冷媒循环发电系统及LNG冷能梯级利用链；

所述蒸汽循环发电系统包括蒸汽轮机低压缸、发电机组、冷凝机组和冷凝泵，所述蒸汽轮机低压缸轴端连接发电机组，所述蒸汽轮机低压缸排汽端连接冷凝机组，所述冷凝机组的冷凝出口连接冷凝泵；

所述多级冷媒循环发电系统包括冷媒汽轮机系统、冷媒梯级蒸发系统与梯级冷端系统，其中：

所述冷媒汽轮机系统包括高温冷媒汽轮机、中温冷媒汽轮机和低温冷媒汽轮机以及发电系统，所述冷媒梯级蒸发系统包括高温蒸发器、中温蒸发器和低温蒸发器，所述梯级冷端系统包括超低温冷凝器与超低温加压泵、次低温冷凝器与次低温加压泵以及低温冷凝器与低温加压泵；所述高温冷媒汽轮机、中温冷媒汽轮机和低温冷媒汽轮机以及发电系统同轴依次连接，所述高温蒸发器输入端连接所述冷凝机组循环水出口，所述高温蒸发器、中温蒸发器和低温蒸发器依次连接，所述高温蒸发器、中温蒸发器和低温蒸发器蒸汽出口还分别连接高温冷媒汽轮机、中温冷媒汽轮机和低温冷媒汽轮机，所述高温冷媒汽轮机、中温冷媒汽轮机和低温冷媒汽轮机排汽端分别连接低温冷凝器、次低温冷凝器、超低温冷凝器，所述低温冷凝器、次低温冷凝器、超低温冷凝器出口分别连接低温加压泵、次低温加压泵、超低温加压泵，所述低温加压泵、次低温加压泵、超低温加压泵分别连接高温蒸发器、中温蒸发器和低温蒸发器冷媒进口；

所述冷端系统连接有LNG冷能梯级利用链和海水热交换系统，所述海水热交换系统包括第一换热器、第二换热器，所述第一换热器、第二换热器通过LNG冷链相连接；所述LNG冷能梯级利用链包括LNG 储罐、超低温冷库及低温冷库，所述LNG储罐、超低温冷库及低温冷库依次连接，所述LNG存储罐、超低温冷库及低温冷库输出端还分别连接超低温冷凝器、低温冷凝器、第一换热器。

进一步的，所述海水热交换系统由海水作为蒸汽循环冷源输入，通过第一换热器进入所述海水热交换系统，通过第二换热器流出所述海水热交换系统。

进一步的，所述低温蒸发器海水出口连接第二换热器。

进一步的，所述第一换热器海水出口连接冷凝机组。

进一步的，所述超低温冷凝器LNG出口还连接低温冷端回热器，所述低温冷凝器LNG出口还连接第一换热器。

进一步的，所述第二换热器天然气出口连接城市天然气管网。

本实用新型的优点：

采用蒸汽循环发电系统、多级冷媒循环发电系统及LNG冷能梯级利用链共三级工质能源系统，其中蒸汽循环发电系统连接有蒸汽轮机低压缸、交流发电机组、冷凝系统及冷凝泵系统，并与海水热交换器系统连接有LNG冷能梯级利用链，冷链通过低温工艺将LNG分为 -162℃、-40℃与-20℃共三级冷能，常温冷端环境由海水提供。本实用新型充分利用了LNG存储与天然气使用过程中所蕴含的大量冷能及用户需求之间的温度匹配关系，采用具有较大温度、压力适应范围的冷媒工质(通常为CO2)，通过系统中温度、压力合理分配，供给不同温度、压力下的不同冷媒循环的热、冷端，实现冷媒不同温度下梯级膨胀做功发电，实现冷能的梯级、高效利用，具有显著的经济效益、社会效益和工程应用前景。

附图说明：

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的一种能量梯级利用的多级冷媒及蒸汽联合发电系统的原理图。

具体实施方式：

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，一种能量梯级利用的多级冷媒及蒸汽联合发电系统，包括蒸汽循环发电系统、多级冷媒循环发电系统及LNG冷能梯级利用链；

蒸汽循环发电系统包括蒸汽轮机低压缸1、发电机组2、冷凝机组21和冷凝泵22，蒸汽轮机低压缸1轴端连接发电机组2，蒸汽轮机低压缸1排汽端连接冷凝机组21，冷凝机组21冷凝排水口连接冷凝泵22；

多级冷媒循环发电系统包括冷媒汽轮机系统、冷媒梯级蒸发系统与冷媒梯级冷端系统，其中：冷媒汽轮机系统包括高温冷媒汽轮机3、中温冷媒汽轮机4和低温冷媒汽轮机5以及发电系统6，冷媒梯级蒸发系统包括高温蒸发器20、中温蒸发器19和低温蒸发器18，冷媒梯级冷端系统包括超低温冷凝器17与超低温加压泵16、次低温冷凝器 15与次低温加压泵14以及低温冷凝器13与低温加压泵12；高温冷媒汽轮机3、中温冷媒汽轮机4和低温冷媒汽轮机5以及发电系统6 同轴依次连接，高温蒸发器20输入端连接冷凝机组21循环水出口，高温蒸发器20、中温蒸发器19和低温蒸发器18海水进出口依次连接，高温蒸发器20、中温蒸发器19和低温蒸发器18还分别连接高温冷媒汽轮机3、中温冷媒汽轮机4和低温冷媒汽轮机5，高温冷媒汽轮机3、中温冷媒汽轮机4和低温冷媒汽轮机5分别连接低温冷凝器13、次低温冷凝器15、超低温冷凝器17，低温冷凝器13、次低温冷凝器15、超低温冷凝器17冷媒出口分别连接低温加压泵12、次低温加压泵14、超低温加压泵16，低温加压泵12、次低温加压泵14、超低温加压泵16出口分别连接高温蒸发器20、中温蒸发器19和低温蒸发器18；

冷端系统连接有LNG冷能梯级利用链和海水热交换系统，海水热交换系统包括第一换热器11、第二换热器10，第一换热器11、第二换热器10通过LNG冷链管道相连接；LNG冷能梯级利用链包括LNG 储罐7、超低温冷库8及低温冷库9，LNG储罐7、超低温冷库8及低温冷库9依次连接，LNG存储罐7、超低温冷库8及低温冷库9输出端还分别连接超低温冷端回热器17、低温冷端回热器13、第一换热器11。

本实施例中，海水热交换系统由海水作为冷源输入，通过第一换热器11进入海水热交换系统，通过第二换热器10流出海水热交换系统。

本实施例中，第一换热器11海水输出端连接冷凝机组21，多级冷媒循环发电系统的热能由蒸汽循环发电系统冷端(即冷凝机组21) 经第一换热器11加热后的海水提供。

本实施例中，低温蒸发器18海水输出端连接第二换热器10，海水为高温蒸发器20、中温蒸发器19和低温蒸发器18提供热能后，最终通过第二换热器10输出到海水出口。

本实施例中，低温冷凝器13的超低温天然气输出端还连接第一换热器11，LNG经过超低温冷凝器17、次低温冷凝器15、低温冷凝器13冷凝后，最终携带剩余冷量通过低温冷凝器13输送到第一换热器11，将海水冷却并输送到冷凝机组21，用来冷凝低压缸排汽。低压缸排汽经过冷凝机组21冷却后成为冷凝水，经过冷凝泵22循环再利用，经加热为蒸汽后进入汽轮机逐级做功，并再次经过蒸汽轮机低压缸1时驱动发电机组1。而海水经冷凝机组21加热后依次进入后续的高温蒸发器20、中温蒸发器19和低温蒸发器18作为冷媒热源。

本实施例中，第二换热器10还连接天然气出口，海水经过高温蒸发器20、中温蒸发器19和低温蒸发器18逐级吸热后，并经过第二换热器10冷却后，排出环境。而天然气则经过第二换热器10后温度上升至可供用户直接使用。

如图1所示，多级冷媒循环发电系统的热源由经蒸汽循环发电系统冷端(即冷凝机组21)加热后的海水提供，分级以及进入高温蒸发器20、中温蒸发器19和低温蒸发器18，用来分别加热不同梯级温度下的冷媒。同时，分别经过高温蒸发器20、中温蒸发器19和低温蒸发器18加热后，分别带动高温冷媒汽轮机3、中温冷媒汽轮机4 和低温冷媒汽轮机5工作，实现通过发电系统6进行多级冷媒循环发电。高温蒸发器20、中温蒸发器19和低温蒸发器18的冷媒分别由低温加压泵12、次低温加压泵14、超低温加压泵16提供循环动力，冷媒在蒸发器中蒸发，吸收海水的热量后，驱动汽轮机工作，同时被吸收热量后的海水最后通过第二换热器10后从海水出口排出。高温冷媒汽轮机3、中温冷媒汽轮机4和低温冷媒汽轮机5的排汽余热又分别由低温冷凝器13、次低温冷凝器15、超低温冷凝器17中的低温天然气吸收。

低温加压泵12、次低温加压泵14、超低温加压泵16分别将来自于低温冷凝器13、次低温冷凝器15、超低温冷凝器17的冷媒进行加压，因为LNG储罐7、超低温冷库8及低温冷库9输出到低温冷凝器 13、次低温冷凝器15、超低温冷凝器17的低温天然气经过汽轮机冷媒排汽加热后，携带有热量，天然气的体积变大，为了提升天然气输送效率，可在天然气管路设置多级加压泵加压，提升单位时间供给用户的天然气量。

以下结合具体实施例说明本实用新型原理：

若以CO₂作为多级冷媒循环发电工质，对于高温冷媒循环，高温蒸发器入口海水温度控制在25～35℃，并采用低温冷库入口和中温冷媒循环冷凝器出口的混合LNG作为冷源，此时CO₂蒸发温度控制在 20～25℃，蒸发压力在7MPa左右，冷凝温度控制在-15～-10℃，可实现跨/超临界CO₂循环，具有良好的循环特性。

对于中温冷媒循环，中温蒸发器入口海水温度控制在15～20℃，并采用低温冷媒循环冷凝器出口LNG作为冷源，此时CO₂蒸发温度控制在10～15℃，蒸发压力在4～5MPa，冷凝温度控制在-25℃左右，可实现亚临界CO₂循环，具有类似朗肯循环的效果。

对于低温冷媒循环，低温蒸发器入口海水温度控制在5～10℃，并采用超低温冷库入口LNG作为冷源，此时CO₂蒸发温度控制在-5～5 ℃，蒸发压力在3MPa左右，冷凝温度控制在-35～-45℃，可实现低温亚临界CO₂循环，可满足低温条件下的类朗肯循环。

本实用新型的三级冷媒循环做功发电系统相对独立运行，各级冷媒之间无直接能量和物质交换。LNG最终升温转化为气体，温度不低于5℃，供给最终用户直接燃烧使用。由于涉及CO₂跨临界循环，需根据不同温度、压力条件选择适用于不同条件下的CO₂膨胀机。常用的CO₂跨临界膨胀机包括三级膨胀机、喷射式膨胀机、单缸滚动活塞膨胀机或双缸滚动活塞膨胀机等。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种梯级利用的多级冷媒及蒸汽联合发电系统，其特征在于，包括蒸汽循环发电系统、多级冷媒循环发电系统及LNG冷能梯级利用链；

所述蒸汽循环发电系统包括蒸汽轮机低压缸(1)、发电机组(2)、冷凝机组(21)和冷凝泵(22)，所述蒸汽轮机低压缸(1)轴端连接发电机组(2)，所述蒸汽轮机低压缸(1)排汽端连接冷凝机组(21)，所述冷凝机组(21)的冷凝出口连接冷凝泵(22)；

所述多级冷媒循环发电系统包括冷媒汽轮机系统、冷媒梯级蒸发系统与梯级冷端系统，其中：

所述冷媒汽轮机系统包括高温冷媒汽轮机(3)、中温冷媒汽轮机(4)和低温冷媒汽轮机(5)以及发电系统(6)，所述冷媒梯级蒸发系统包括高温蒸发器(20)、中温蒸发器(19)和低温蒸发器(18)，所述冷端系统包括超低温冷凝器(17)与超低温加压泵(16)、次低温冷凝器(15)与次低温加压泵(14)以及低温冷凝器(13)与低温加压泵(12)；所述高温冷媒汽轮机(3)、中温冷媒汽轮机(4)和低温冷媒汽轮机(5)以及发电系统(6)同轴依次连接，所述高温蒸发器(20)输入端连接所述冷凝机组(21)循环水出口，所述高温蒸发器(20)、中温蒸发器(19)和低温蒸发器(18)依次连接，所述高温蒸发器(20)、中温蒸发器(19)和低温蒸发器(18)冷媒蒸汽出口还分别连接高温冷媒汽轮机(3)、中温冷媒汽轮机(4)和低温冷媒汽轮机(5)，所述高温冷媒汽轮机(3)、中温冷媒汽轮机(4)和低温冷媒汽轮机(5)分别连接低温冷凝器(13)、次低温冷凝器(15)、超低温冷凝器(17)，所述低温冷凝器(13)、次低温冷凝器(15)、超低温冷凝器(17)冷媒出口分别连接低温加压泵(12)、次低温加压泵(14)、超低温加压泵(16)，所述低温加压泵(12)、次低温加压泵(14)、超低温加压泵(16)分别连接高温蒸发器(20)、中温蒸发器(19)和低温蒸发器(18)冷媒进口；

所述冷端系统连接有LNG冷能梯级利用链和海水热交换系统，所述海水热交换系统包括第一换热器(11)、第二换热器(10)，所述第一换热器(11)、第二换热器(10)通过LNG冷链相连接；所述LNG冷能梯级利用链包括LNG储罐(7)、超低温冷库(8)及低温冷库(9)，所述LNG储罐(7)、超低温冷库(8)及低温冷库(9)依次连接，所述LNG储罐(7)、超低温冷库(8)及低温冷库(9)输出端还分别连接超低温冷凝器(17)、低温冷凝器(13)、第一换热器(11)。

2.根据权利要求1所述的一种梯级利用的多级冷媒及蒸汽联合发电系统，其特征在于，所述海水热交换系统由海水作为蒸汽循环冷源输入，通过第一换热器(11)进入所述海水热交换系统，通过第二换热器(10)流出所述海水热交换系统。

3.根据权利要求1所述的一种梯级利用的多级冷媒及蒸汽联合发电系统，其特征在于，所述低温蒸发器(18)海水出口连接第二换热器(10)。

4.根据权利要求2所述的一种梯级利用的多级冷媒及蒸汽联合发电系统，其特征在于，所述第一换热器(11)海水出口连接冷凝机组(21)。

5.根据权利要求1所述的一种梯级利用的多级冷媒及蒸汽联合发电系统，其特征在于，所述超低温冷凝器(15)LNG出口还连接低温冷凝器(13)，所述低温冷凝器(13)LNG出口还连接第一换热器(11)。

6.根据权利要求1所述的一种梯级利用的多级冷媒及蒸汽联合发电系统，其特征在于，所述第二换热器(10)天然气出口连接城市天然气管网。

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