CN218407559U - 一种串联双工质循环发电耦合lng冷能利用的联供系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种串联双工质循环发电耦合LNG冷能利用的联供系统，包括串联布置的蒸汽循环发电系统、ORC循环发电系统和LNG冷能梯级利用链；ORC循环发电系统通过ORC冷凝器与LNG冷能梯级利用链相连接，ORC循环发电系统为蒸汽循环发电系统提供冷源，所述LNG冷能梯级利用链包括依次连接的LNG储罐、超低温冷库、低温冷库及海水预冷器，用于向ORC循环发电系统提供冷源，或者向蒸汽循环发电系统、ORC循环发电系统都提供冷源。本实用新型提升了系统的发电效率，并避免了海水温排及冷排的问题，同时进一步充分利用了LNG冷能，节约资源。

Description

一种串联双工质循环发电耦合LNG冷能利用的联供系统

技术领域

本实用新型涉及一种液化天然气冷能利用系统，尤其是涉及一种串联双工质循环发电耦合LNG冷能利用的联供系统。

背景技术

目前，采用先进技术的大型燃煤电站的热功转换效率约为40～48％，而常规压水堆核电的效率为30～36％，其余的能量大多经由汽轮机凝汽器和冷却介质排入大气、河流和海洋，被称为冷端损失，不仅浪费能源，而且会由于冷端开式冷却的“热排水”问题而导致严重的热污染。如何减少冷端损失一直是发电行业关注的焦点。

LNG站液化天然气的储存通常为深冷状态，其长期维持在8.5MPa、 -162℃的低温状态。在将天然气进行气化最终送达用户的过程中，需吸收大量的热。通常，当天然气温度较低时，为回收冷能，会将此时天然气作为冷库的冷源，用于工业、医疗、食品运输等行业。当天然气温度逐渐升高时，会通过大量冷水对天然气进行进一步升温，使天然气达到用户可直接使用的温度。但此时冷水温度会降至较低温度，将此冷水直接排入环境，即“冷排水”，会对生态环境造成破坏。

降低冷源温度是减少蒸汽朗肯循环冷端损失的最有效方法。在内陆电站，冷源温度主要取决于大气干球温度(空冷)或湿球温度(水冷)，受地理位置和气候条件所限，大型电站蒸汽冷凝温度大多在32～50℃。而在近海电站，一般采用表层或浅层海水直接冷凝汽轮机乏汽，冷凝温度大多在 30～40℃，稍低于内陆电站。而适当降低冷凝水温度可显著提高机组的热工转换效率。然而，对于蒸汽轮机来说，随着冷凝温度的降低，乏汽的体积流量急剧增大。研究表明，冷凝温度为15℃时的乏汽体积流量约为33℃时的 2.8倍，相应地，大功率汽轮机的低压缸数量和长度也将同比例增加，在技术上不具有可行性。

海水或河水的温度受太阳辐射和气候的影响较大，通过引入一级LNG低温工质对海水进入系统前进行冷却，一方面可以降低进入冷端系统的海水温度，另一方面可以通过控制系统稳定海水温度，以增强系统稳定性，保证系统安全运行。

近年来，以有机工质作为循环工质的朗肯循环(ORC)受到越来越多的关注。本文研究的低温朗肯循环系统的热端和冷端温度的可能范围极限约为 -60℃到45℃，故需要在此温度范围内筛选高效的工质。工作条件一定时，要保证工质在ORC汽轮机入口处为饱和或过热气体，以避免湿膨胀。并且在选择有机工质时，不但要考虑其具有良好的热力学性能，如适中的压力范围、小的液相比热、液相饱和线要尽量垂直、较小的蒸汽机出口比容(以用来降低系统尺寸)，尽量选择干流体或绝热流体，以避免膨胀过程进入湿蒸汽区，还要考虑有机工质具有良好的环境性能，如对臭氧无破坏作用(ODP为0)，温室效应(GWP)应尽可能低，并具有良好的化学和热稳定性，无毒、容易制取等。下表中列出了一些可能作为ORC工质的制冷剂：

表中可能适宜系统温度特点的有机工质

对于典型的ORC系统，系统蒸发压力对其影响是积极的，即蒸发压力的增加可提高热力学第一效率，但蒸发压力的增加会导致循环泵耗功增加明显。ORC通常蒸发压力可在1-3MPa之间，因此，针对此系统的工质选择，需保证工质在此蒸发压力时的蒸发温度与热源温度相匹配。大量相关研究表明，冷凝压力对ORC系统性能的影响随着冷凝压力的增加，ORC系统性能有所降低。但是冷凝压力需大于环境压力，因此可取系统冷凝压力略大于环境压力。在选择工质时，应保证工质在冷凝压力下的冷凝温度与LNG温度相匹配，以减小冷

损失。

由于大型燃煤电站和核电站需要消耗大量的冷却水，故此系统倾向于建在海边。并且最好有与之相匹配的冷库系统提供梯级冷能。如果有可利用的 LNG冷源，就可以通过低温有机朗肯循环回收利用冷能

据分析，若以 -30～-40℃的冷海水为冷源，低温有机朗肯循环的发电功率将达到原燃煤电站的4.0～6.0％，达到压水堆核电站的8.5～9.5％(因核电机组的乏汽余热更多)。以一台100万kW的燃煤发电机组为例，无需增加燃料量，采用本发明的方案每年可多发电3亿度以上，具有巨大的经济效益和广阔的应用前景。

实用新型内容

本实用新型提供了一种串联双工质循环发电耦合LNG冷能利用的联供系统，解决了传统应用的燃气-蒸汽联合循环发电系统，整体发电效率低的问题，其技术方案如下所述：

一种串联双工质循环发电耦合LNG冷能利用的联供系统，包括串联布置的蒸汽循环发电系统、ORC循环发电系统和LNG冷能梯级利用链；ORC循环发电系统通过ORC冷凝器与LNG冷能梯级利用链相连接；

蒸汽循环发电系统包括依次连接的蒸汽轮机低压缸、冷凝器与凝结水泵，蒸汽轮机低压缸连接有第一发电机；

ORC循环发电系统包括依次连接的ORC汽轮机、ORC冷凝器、ORC循环泵以及ORC蒸发器，ORC汽轮机连接有第二发电机；

LNG冷能梯级利用链包括依次连接的LNG储罐、超低温冷库、低温冷库及海水预冷器；

冷凝器内的换热管道与ORC蒸发器内的换热管道相连接。

进一步的，海水预冷器设置在冷凝器换热管道的输入端；ORC冷凝器(7) 设置在超低温冷库与低温冷库之间。

进一步的，海水预冷器设置在ORC蒸发器换热管道的输出端，ORC冷凝器设置在超低温冷库与低温冷库之间。

进一步的，海水预冷器设置在冷凝器换热管道的输入端；ORC冷凝器设置在低温冷库与海水预冷器之间。

进一步的，海水预冷器设置在ORC蒸发器换热管道的输出端，ORC冷凝器设置在低温冷库与海水预冷器之间。

进一步的，蒸汽循环发电系统还包括余热锅炉，余热锅炉设置在凝结水泵与蒸汽轮机低压缸之间，余热锅炉换热管道的输入端连接燃气轮机，余热锅炉连接有第三发电机。

进一步的，海水预冷器的换热管道上还设置海水循环泵。

有效效果：该系统由蒸汽循环发电系统、ORC循环发电系统以及LNG冷能梯级利用链三级系统耦合构成，所涉及温度范围为-162℃～40℃，温差可达200K，对环境有很强的适应性。可根据不同的环境冷却温度调整获得不低于4套系统结构，提高整体能源利用效率，同时解决汽轮发电机组冷端开式冷却系统的“热排水”问题，以及LNG站液化天然气气化的“冷排水”问题，具备生态友好特质。

附图说明

图1是本实用新型所提供的具体实施例一的结构示意图；

图2是本实用新型所提供的具体实施例二的结构示意图；

图3是本实用新型所提供的具体实施例三的结构示意图；

图4是本实用新型所提供的具体实施例四的结构示意图；

图中各标号如下：1.蒸汽轮机低压缸；2.第一发电机；3.ORC汽轮机；4.ORC汽轮发电机；5.ORC蒸发器；6.ORC循环泵；7.ORC冷凝器； 8.LNG储罐；9.超低温冷库；10.低温冷库；11.冷凝器；12.海水预冷器；13.凝结水泵；15.海水循环泵。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1到图4所示，所述串联双工质循环发电耦合LNG冷能利用的联供系统包括了串联布置的蒸汽循环发电系统、ORC循环发电系统和LNG冷能梯级利用链，下面先对三个系统进行描述：

所述蒸汽循环发电系统是把燃气轮机和蒸汽 轮机这两种按不同热力循环工作的热机联合在一起的装置，有时也简称为联合循环系统，以燃气轮机的排热来加热蒸汽，就可以同时取得燃气轮机加热温度较高和蒸汽轮机排热温度较低的双重优点。

所述蒸汽循环发电系统包括依次连接的蒸汽轮机低压缸1、冷凝器11、凝结水泵13及余热锅炉，蒸汽轮机低压缸1连接有第一发电机2，余热锅炉换热管道的输入端连接燃气轮机，燃气轮机连接有第三发电机。

所述蒸汽轮机低压缸1排出的气体通过冷凝器11变成液态泠凝水，所述凝结水泵13将通过冷凝器11换热后形成的液态冷凝水抽出，并经余热锅炉换热后，变成了汽态的冷凝水，通过管道输送到所述蒸汽轮机低压缸1，汽态的冷凝水在所述蒸汽轮机低压缸1内部做功，并转化成机械能。

此外，所述燃气轮机的燃气透平连接有第三发电机，所述燃气透平转动带动第三发电机发电。所述蒸汽轮机低压缸1连接有第一发电机2。

所述ORC循环发电系统包括通过管道依次连接的ORC汽轮机3、ORC冷凝器7、ORC循环泵6以及ORC蒸发器5，ORC汽轮机3连接有第二发电机4； ORC循环泵6将通过ORC冷凝器7换热后形成的液态有机工质抽出，输送到 ORC蒸发器5进行换热，所述液态有机工质经ORC蒸发器5换热后，变成汽态的有机工质并通过管道进入ORC汽轮机3，所述汽态的有机工质在ORC汽轮机3内部做功，并转化成机械能，然后进入ORC冷凝器7换热形成液态有机工质。进一步的，所述ORC汽轮机3连接有第二发电机4，并带动第二发电机4发电，所述有机工质采用R124、R227ea或者R125等低温制冷剂。

所述LNG冷能梯级利用链包括LNG储罐8、超低温冷库9、低温冷库10 及海水预冷器12，所述LNG储罐8中的液态天然气输送到超低温冷库9，所述超低温冷库9中的液态天然气沿管道依次流向低温冷库10及海水预冷器 12，最终流向燃气输送管道，用于向外供送天然气；所述海水预冷器12的换热管道上输入端还设置用于抽取海水的海水循环泵15。

所述蒸汽循环发电系统和ORC循环发电系统术内容都是现有技术，两个系统通过冷凝器11换热管道与ORC蒸发器5串联连接，其中冷凝器11换热管道与ORC蒸发器5的换热管道相通，所述冷凝器11内的冷凝水与其换热管道内的海水进行换热，海水继续流动，然后经冷凝器11换热管道输出的海水与ORC蒸发器5的有机工质进行换热。

具体来说，海水通过冷凝器11内部换热管道的输入端进入，并在冷凝器11内与液态泠凝水进行热交换，海水在与液态泠凝水换热后温度升高，升温后的海水通过ORC蒸发器5的换热管道，在ORC蒸发器5内部与ORC蒸发器5的液态有机工质进行换热，海水在换热后温度降低，通过输出管道回流大海。

在具体应用时，所述ORC循环发电系统为蒸汽循环发电系统提供冷源，通过LNG冷能梯级利用链的超低温冷库和低温冷库的设置，所述LNG冷能梯级利用链可以单独用于给有ORC循环发电系统提供冷源，或者为蒸汽循环发电系统、ORC循环发电系统提供冷源。

第一实施例

如图1所示，ORC冷凝器7设置在超低温冷库与低温冷库之间，通过超低温冷库与低温冷库获取冷源。海水预冷器12设置在冷凝器11换热管道的输入端，用于实现低温冷库10向外输送的天然气，与通过冷凝器11换热管道输入的海水进行换热。

具体的换热过程如下所述：所述超低温冷库9流到所述低温冷库10的天然气经过所述ORC冷凝器7时，在所述ORC冷凝器7处与有机工质进行热交换，使其液化。

所述冷凝器11是将液态泠凝水与海水进行热交换，所述海水在经过海水预冷器12时与低温冷库10向外输送的天然气进行热交换，海水的温度降低后，能够提高冷凝器11的换热效率，海水在与液态泠凝水换热后温度升高；升温后的海水然后与ORC蒸发器5的液态有机工质进行换热，海水在换热后温度降低，通过输出管道回流大海。

在本实施例中，通过ORC循环发电系统，将LNG站低温储能利用与蒸汽循环发电系统的冷端相连，得到的LNG冷能梯级利用、蒸汽循环发电系统多联产系统可满足发电、天然气供给及多级冷储等需求，且能够提升发电系统的能源转换效率。

在本实施例中，系统通过引入海水，解决LNG站液化天然气气化的“冷排水”问题，具备生态友好特质。

进一步，所述ORC循环发电系统以蒸汽循环发电系统冷却海水作为蒸发热源，并以超低温冷库出口天然气工质作为冷源，故需采用低温工质完成 ORC循环，该温度范围内可选工质为R124、R227ea以及R125等低温制冷剂。

在本实施例中，所述ORC汽轮机不局限于发电，也可以拖动泵、风机等其它耗功设备。任何以上述内容为核心基础的描述，只要未脱离所述核心内容的等效实施或者类比变形，均属于本发明专利的权利要求范围。

第二实施例

如图2所示，ORC冷凝器7设置在超低温冷库与低温冷库之间，通过超低温冷库与低温冷库获取冷源。海水预冷器12设置在ORC蒸发器5换热管道的输出端，用于实现低温冷库10向外输送的天然气，与通过冷凝器11换热管道输入的海水进行换热。

在本实施例中，由于系统海水入口温度较低，而通过ORC蒸发器5流出的海水温度偏高，故不必通过LNG冷链对入口海水进行预冷，而是对流出ORC蒸发器5的海水进行了再次冷却，在ORC蒸发器5出口位置增加海水预冷器12对排水进行冷却，保证排水温度与外界水环境接近甚至相同，这就避免系统“热排放”对环境造成的生态破坏。

第三实施例

如图3所示，ORC冷凝器7设置在低温冷库与海水预冷器12之间，通过超低温冷库与低温冷库获取冷源；海水预冷器12设置在冷凝器11换热管道的输入端，用于实现低温冷库10向外输送的天然气，与通过冷凝器11换热管道输入的海水进行换热。

在本实施例中，若外界环境温度较高，则将所述低温冷库系统出口接入 ORC冷凝器7对ORC工质进行降温，所述ORC冷凝器7出口LNG工质则与海水预冷器12连接，实现了ORC循环发电系统与海水循环对LNG冷能的充分利用。由于环境温度较高，对所述ORC蒸发器5出口的海水不再进行降温，可直接排入环境。

第四实施例

如图4所示，ORC冷凝器7设置在低温冷库与海水预冷器12之间，通过超低温冷库与低温冷库获取冷源。海水预冷器12设置在ORC蒸发器5换热管道的输出端，用于实现低温冷库10向外输送的天然气，与通过冷凝器 11换热管道输入的海水进行换热。

在本实施例中，若外界环境温度较低，则冷凝器11入口海水温度不需 LNG工质降温，可直接进入冷凝系统；将所述低温冷库系统出口接入ORC冷凝器7对ORC工质进行降温，所述ORC冷凝器7出口LNG工质则与海水冷却器12连接，实现了ORC循环与海水循环对LNG冷能的充分利用。

在实施例一的基础上，可以得到以下实施例的具体换热描述，因此不再赘述。

本实用新型通过LNG冷能梯级利用链的设计，提升了串联双工质循环发电耦合LNG冷能利用的联供系统的整体发电效率，解决了海水温排及冷排，避免了海水温度过高或者过低破坏当地生态养殖环境，同时进一步充分利用了LNG冷能梯级利用链，节约资源。LNG冷能系统的天然气，在低温储能转化利用完后，可直接连接燃气输送管道用于对外供气。

Claims (7)

1.一种串联双工质循环发电耦合LNG冷能利用的联供系统，其特征在于：包括串联布置的蒸汽循环发电系统、ORC循环发电系统和LNG冷能梯级利用链；ORC循环发电系统通过ORC冷凝器(7)与LNG冷能梯级利用链相连接；

蒸汽循环发电系统包括依次连接的蒸汽轮机低压缸(1)、冷凝器(11)与凝结水泵(13)，蒸汽轮机低压缸(1)连接有第一发电机(2)；

ORC循环发电系统包括依次连接的ORC汽轮机(3)、ORC冷凝器(7)、ORC循环泵(6)以及ORC蒸发器(5)，ORC汽轮机(3)连接有第二发电机(4)；

LNG冷能梯级利用链包括依次连接的LNG储罐(8)、超低温冷库(9)、低温冷库(10)及海水预冷器(12)；

冷凝器(11)内的换热管道与ORC蒸发器(5)内的换热管道相连接。

2.根据权利要求1所述的串联双工质循环发电耦合LNG冷能利用的联供系统，其特征在于：海水预冷器(12)设置在冷凝器(11)换热管道的输入端；ORC冷凝器(7)设置在超低温冷库与低温冷库之间。

3.根据权利要求1所述的串联双工质循环发电耦合LNG冷能利用的联供系统，其特征在于：海水预冷器(12)设置在ORC蒸发器(5)换热管道的输出端，ORC冷凝器(7)设置在超低温冷库与低温冷库之间。

4.根据权利要求1所述的串联双工质循环发电耦合LNG冷能利用的联供系统，其特征在于：海水预冷器(12)设置在冷凝器(11)换热管道的输入端；ORC冷凝器(7)设置在低温冷库(10)与海水预冷器(12)之间。

5.根据权利要求1所述的串联双工质循环发电耦合LNG冷能利用的联供系统，其特征在于：海水预冷器(12)设置在ORC蒸发器(5)换热管道的输出端，ORC冷凝器(7)设置在低温冷库(10)与海水预冷器(12)之间。

6.根据权利要求1所述的串联双工质循环发电耦合LNG冷能利用的联供系统，其特征在于：蒸汽循环发电系统还包括余热锅炉，余热锅炉设置在凝结水泵(13)与蒸汽轮机低压缸(1)之间，余热锅炉换热管道的输入端连接燃气轮机，余热锅炉连接有第三发电机。

7.根据权利要求1-6任一所述的串联双工质循环发电耦合LNG冷能利用的联供系统，其特征在于：海水预冷器(12)的换热管道上还设置海水循环泵(15)。

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