一種lng冷能四級回收利用系統及其使用方法

2023-05-27 09:20:26 1

專利名稱：一種lng冷能四級回收利用系統及其使用方法
技術領域：
本發明涉及能量的轉換利用領域，特別涉及一種LNG(液化天然氣)冷能四級回收利用系統及其使用方法。該系統依據LNG的汽化特性曲線對LNG冷能採用四級回收利用的方式，提高了 LNG冷能的回收利用率。
背景技術：
隨著國家對減少碳排放和提高節能效率的要求日益提高，我國的能源消費結構將更加倚重天然氣。未來天然氣的供應中，來自海外的LNG比重佔較大份額。無論是從海外進口的LNG，還是我國製取的LNG，在汽化時要放出大量的冷能，一般為830-860kJ/kg。世界各國都在努力探索提高LNG冷能利用率的途徑和方法，其中發電和供冷是主要途徑。目前，利用LNG冷能發電的方法主要有直接膨脹循環、郎肯循環或二者的複合循環等。由於LNG冷能釋放溫度跨度大，換熱溫差懸殊，造成冷火用損失大，LNG冷能利用效率難於提高，一般LNG冷能利用率只有30%左右。

發明內容
本發明的目的是提供一種LNG冷能四級回收利用系統。該系統依據LNG的汽化特性曲線對LNG冷能採用四級回收利用的方式，提高了 LNG冷能的回收利用率。本發明的另一目的是提供一種所述LNG冷能四級回收利用系統的使用方法。·
所述的LNG冷能四級回收利用系統包括I)、由LNG儲罐、加壓泵、第一冷凝器、第二冷凝器、第三膨脹透平機和換熱器構成的LNG汽化升溫膨脹主迴路，該主迴路與天然氣管網或用戶連接；2)、由第一冷凝器、第一壓縮機、第一蒸發器、第一膨脹透平機和第一發電機構成的第一級郎肯循環發電單元；3)、由第二冷凝器、第二壓縮機、第二蒸發器、第二膨脹透平機和第二發電機構成的第二級郎肯循環發電單元；4)、由氣體第三膨脹透平機和第三發電機構成的膨脹發電單元；5)、由換熱器、循環泵和儲冰槽構成的低溫儲冰供冷單元；在所述LNG汽化升溫膨脹主迴路中，LNG儲罐通過管路依次與加壓泵、第一冷凝器、第二冷凝器、第三膨脹透平機和換熱器連接；在所述第一級郎肯循環發電單元中，第一冷凝器通過管路依次與第一壓縮機、第一蒸發器和第一膨脹透平機連接並回到第一冷凝器構成封閉的循環迴路，在該循環迴路中充有冷媒工質I，第一膨脹透平機通過機械軸與第一發電機連接，第一蒸發器通過另一管路與低溫供冷管路連接；在所述第二級郎肯循環發電單元中，第二冷凝器通過管路依次與第二壓縮機、第二蒸發器和第二膨脹透平機連接並回到第二冷凝器構成封閉的循環迴路，在該循環迴路中充有冷媒工質II，第二膨脹透平機通過機械軸與第二發電機連接，第二蒸發器通過另一管路與低溫供冷管路連接；
在所述膨脹發電單元中，第三膨脹透平機通過機械軸與第三發電機連接；
在所述低溫儲冰供冷單元中，換熱器通過管路依次與循環泵和儲冰槽連接並回到換熱器構成封閉的循環迴路，在該循環迴路中充有冷媒工質III，儲冰槽通過另一管路與低溫供冷管路連接。
優選地，所述冷媒工質I包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、異丁烷、乙烯、丙烯、二氟甲烷、三氟甲烷、二氟乙烷、三氟乙烷、四氟乙烷和五氟乙烷中的一種或兩種以上的混合物。
優選地，所述冷媒工質II包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、異丁烷、乙烯、丙烯、二氟甲烷、三氟甲烷、二氟乙烷、三氟乙烷、四氟乙烷和五氟乙烷中的一種或兩種以上的混合物。
優選地，所述冷媒工質III包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、異丁烷、乙烯、丙烯、二氟甲烷、三氟甲烷、二氟乙烷、三氟乙烷、四氟乙烷和五氟乙烷中的一種或兩種以上的混合物。
所述的LNG冷能四級回收利用系統的使用方法如下
在所述LNG汽化升溫膨脹主迴路中，LNG儲罐輸出的LNG經加壓泵加壓後送至第一冷凝器，在第一冷凝器中LNG吸收冷媒工質I的熱量汽化為天然氣的飽和蒸汽，該飽和蒸汽在第二冷凝器中吸收冷媒工質II的熱量後進入第三膨脹透平機膨脹做功，天然氣膨脹做功降溫後進入換熱器，在換熱器中天然氣吸收冷媒工質III的熱量升溫，升溫後的天然氣進入管網或用戶；
在所述第一級郎肯循環發電單元中，冷媒工質I在第一冷凝器中冷凝為低壓液態，然後經第一壓縮機加壓為高壓液態後進入第一蒸發器，在第一蒸發器中冷媒工質I吸收所述低溫供冷管路的熱量蒸發為高壓氣態，該高壓氣態的冷媒工質I進入第一膨脹透平機，在第一膨脹透平機中膨脹做功降壓為低壓氣態的冷媒工質I，該低壓氣態的冷媒工質I 進入第一冷凝器再次冷凝為低壓液態繼續下一次循環，冷媒工質I在第一膨脹透平機中所做的功轉化為機械能並通過機械軸驅動第一發電機發電；
在所述第二級郎肯循環發電單元中，冷媒工質II在第二冷凝器中冷凝為低壓液態，然後經第二壓縮機加壓為高壓液態後進入第二蒸發器，在第二蒸發器中冷媒工質II吸收所述低溫供冷管路的熱量蒸發為高壓氣態，該高壓氣態的冷媒工質II進入第二膨脹透平機，在第二膨脹透平機中膨脹做功降壓為低壓氣態的冷媒工質II，該低壓氣態的冷媒工質II進入第二冷凝器再次冷凝為低壓液態繼續下一次循環，冷媒工質II在第二膨脹透平機中所做的功轉化為機械能並通過機械軸驅動第二發電機發電；
在所述膨脹發電單元中，天然氣在第三膨脹透平機中所做的功轉化為機械能並通過機械軸驅動第三發電機發電；
在所述低溫儲冰供冷單元中，冷媒工質III在換熱器中向LNG汽化升溫膨脹主迴路中的天然氣釋放熱量，然後經循環泵驅動進入儲冰槽，在儲冰槽中冷媒工質III吸收低溫供冷管路的熱量後再次進入換熱器繼續下一次循環。
本發明具有如下有益效果
本發明依據LNG汽化曲線的分段特性，構建了兩級郎肯循環和一級膨脹循環發電單元，並為提高LNG冷能利用率設置了低溫供冷單元，實現了 LNG冷能四級回收利用。理論計算表明，在SMPa的工作壓力下，所述系統的LNG冷能的綜合利用率可達38%以上，如降低工作壓力，LNG冷能的綜合利用率還可進一步提高。


圖I為本發明實施例I的LNG冷能四級回收利用系統的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明的發明內容作進一步的描述。實施例I如圖I所示，本發明提供的LNG冷能四級回收利用系統包括I)、由LNG儲罐I、加壓泵2、第一冷凝器3、第二冷凝器8、第三膨脹透平機13和換熱器15構成的LNG汽化升溫膨脹主迴路，該主迴路與天然氣管網或用戶連接；
2)、由第一冷凝器3、第一壓縮機4、第一蒸發器5、第一膨脹透平機6和第一發電機7構成的第一級郎肯循環發電單元；3)、由第二冷凝器8、第二壓縮機9、第二蒸發器10、第二膨脹透平機11和第二發電機12構成的第二級郎肯循環發電單元；4)、由第三膨脹透平機13和第三發電機14構成的膨脹發電單元；5)、由換熱器15、循環泵16和儲冰槽17構成的低溫儲冰供冷單元。在所述LNG汽化升溫膨脹主迴路中，LNG儲罐I通過管路依次與加壓泵2、第一冷凝器3、第二冷凝器8、第三膨脹透平機13和換熱器15連接。在所述第一級郎肯循環發電單元中，第一冷凝器3通過管路依次與第一壓縮機4、第一蒸發器5和第一膨脹透平機6連接並回到第一冷凝器3構成封閉的循環迴路，在該循環迴路中充有冷媒工質I，第一膨脹透平機6通過機械軸與第一發電機7連接，第一蒸發器5通過另一管路與低溫供冷管路連接。在所述第二級郎肯循環發電單元中，第二冷凝器8通過管路依次與第二壓縮機9、第二蒸發器10和第二膨脹透平機11連接並回到第二冷凝器8構成封閉的循環迴路，在該循環迴路中充有冷媒工質II，第二膨脹透平機11通過機械軸與第二發電機12連接，第二蒸發器10通過另一管路與低溫供冷管路連接。在所述膨脹發電單元中，第三膨脹透平機13通過機械軸與第三發電機14連接。在所述低溫儲冰供冷單元中，換熱器15通過管路依次與循環泵16和儲冰槽17連接並回到換熱器15構成封閉的循環迴路，在該循環迴路中充有冷媒工質III，儲冰槽17通過另一管路與低溫供冷管路連接。由於LNG的組分及其含量存在差異，隨著LNG汽化過程中的工作壓力的不同而LNG汽化曲線的分段特性也不同，因此所述冷媒工質I、所述冷媒工質II和所述冷媒工質III需要根據實際情況來選用和調配。實施例2如圖I所示，本發明的LNG冷能四級回收利用系統的使用方法如下在所述LNG汽化升溫膨脹主迴路中，LNG儲罐I輸出的LNG經加壓泵2加壓後送至第一冷凝器3，在第一冷凝器3中LNG吸收冷媒工質I的熱量汽化為天然氣的飽和蒸汽，該飽和蒸汽在第二冷凝器8中吸收冷媒工質II的熱量後進入第三膨脹透平機13膨脹做功，天然氣膨脹做功降溫後進入換熱器15，在換熱器15中天然氣吸收冷媒工質III的熱量升溫，升溫後的天然氣進入管網或用戶；
在所述第一級郎肯循環發電單元中，冷媒工質I在第一冷凝器3中冷凝為低壓液態，然後經第一壓縮機4加壓為高壓液態後進入第一蒸發器5，在第一蒸發器5中冷媒工質 I吸收所述低溫供冷管路的熱量蒸發為高壓氣態，該高壓氣態的冷媒工質I進入第一膨脹透平機6，在第一膨脹透平機6中膨脹做功降壓為低壓氣態的冷媒工質I，該低壓氣態的冷媒工質I進入第一冷凝器3再次冷凝為低壓液態繼續下一次循環，冷媒工質I在第一膨脹透平機6中所做的功轉化為機械能並通過機械軸驅動第一發電機7發電；
在所述第二級郎肯循環發電單元中，冷媒工質II在第二冷凝器8中冷凝為低壓液態，然後經第二壓縮機9加壓為高壓液態後進入第二蒸發器10，在第二蒸發器10中冷媒工質II吸收所述低溫供冷管路的熱量蒸發為高壓氣態，該高壓氣態的冷媒工質II進入第二膨脹透平機11，在第二膨脹透平機11中膨脹做功降壓為低壓氣態的冷媒工質II，該低壓氣態的冷媒工質II進入第二冷凝器8再次冷凝為低壓液態繼續下一次循環，冷媒工質II在第二膨脹透平機11中所做的功轉化為機械能並通過機械軸驅動第二發電機12發電；
在所述膨脹發電單元中，天然氣在第三膨脹透平機13中所做的功轉化為機械能並通過機械軸驅動第三發電機14發電；
在所述低溫儲冰供冷單元中，冷媒工質III在換熱器15中向LNG汽化升溫膨脹主迴路中的天然氣釋放熱量，然 後經循環泵16驅動進入儲冰槽17，在儲冰槽17中冷媒工質 III吸收低溫供冷管路的熱量後再次進入換熱器15繼續下一次循環。
應當理解，以上藉助優選實施例對本發明的技術方案進行的詳細說明是示意性的而非限制性的。本領域的普通技術人員在閱讀本發明說明書的基礎上可以對各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。
權利要求
1.一種LNG冷能四級回收利用系統，其特徵在於，該系統包括 1)、由LNG儲罐(I)、加壓泵(2)、第一冷凝器(3)、第二冷凝器(8)、第三膨脹透平機(13)和換熱器(15)構成的LNG汽化升溫膨脹主迴路，該主迴路與天然氣管網或用戶連接； 2)、由第一冷凝器(3)、第一壓縮機(4)、第一蒸發器(5)、第一膨脹透平機(6)和第一發電機(7)構成的第一級郎肯循環發電單元； 3)、由第二冷凝器(8)、第二壓縮機(9)、第二蒸發器(10)、第二膨脹透平機(11)和第二發電機(12)構成的第二級郎肯循環發電單元； 4)、由第三膨脹透平機(13)和第三發電機(14)構成的膨脹發電單元； 5)、由換熱器(15)、循環泵(16)和儲冰槽(17)構成的低溫儲冰供冷單元； 在所述LNG汽化升溫膨脹主迴路中，LNG儲罐(I)通過管路依次與加壓泵(2)、第一冷凝器(3)、第二冷凝器(8)、第三膨脹透平機(13)和換熱器(15)連接； 在所述第一級郎肯循環發電單元中，第一冷凝器(3)通過管路依次與第一壓縮機(4)、第一蒸發器(5)和第一膨脹透平機(6)連接並回到第一冷凝器(3)構成封閉的循環迴路，在該循環迴路中充有冷媒工質I，第一膨脹透平機(6)通過機械軸與第一發電機(7)連接，第一蒸發器(5)通過另一管路與低溫供冷管路連接； 在所述第二級郎肯循環發電單元中，第二冷凝器(8)通過管路依次與第二壓縮機(9)、第二蒸發器(10)和第二膨脹透平機(11)連接並回到第二冷凝器(8)構成封閉的循環迴路，在該循環迴路中充有冷媒工質II，第二膨脹透平機(11)通過機械軸與第二發電機(12)連接，第二蒸發器(10)通過另一管路與低溫供冷管路連接； 在所述膨脹發電單元中，第三膨脹透平機(13)通過機械軸與第三發電機(14)連接； 在所述低溫儲冰供冷單元中，換熱器(15)通過管路依次與循環泵(16)和儲冰槽(17)連接並回到換熱器(15)構成封閉的循環迴路，在該循環迴路中充有冷媒工質III，儲冰槽(17)通過另一管路與低溫供冷管路連接。
2.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述冷媒工質I包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、異丁烷、乙烯、丙烯、二氟甲烷、三氟甲烷、二氟乙烷、三氟乙烷、四氟乙烷和五氟乙烷中的一種或兩種以上的混合物。
3.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述冷媒工質II包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、異丁烷、乙烯、丙烯、二氟甲烷、三氟甲烷、二氟乙烷、三氟乙烷、四氟乙烷和五氟乙烷中的一種或兩種以上的混合物。
4.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述冷媒工質III包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、異丁烷、乙烯、丙烯、二氟甲烷、三氟甲烷、二氟乙烷、三氟乙烷、四氟乙烷和五氟乙烷中的一種或兩種以上的混合物。
5.如權利要求I所述LNG冷能四級回收利用系統的使用方法，其特徵在於， 在所述LNG汽化升溫膨脹主迴路中，LNG儲罐(I)輸出的LNG經加壓泵(2)加壓後送至第一冷凝器(3)，在第一冷凝器(3)中LNG吸收冷媒工質I的熱量汽化為天然氣的飽和蒸汽，該飽和蒸汽在第二冷凝器(8)中吸收冷媒工質II的熱量後進入第三膨脹透平機(13)膨脹做功，天然氣膨脹做功降溫後進入換熱器(15)，在換熱器(15)中天然氣吸收冷媒工質III的熱量升溫，升溫後的天然氣進入管網或用戶； 在所述第一級郎肯循環發電單元中，冷媒工質I在第一冷凝器(3)中冷凝為低壓液態，然後經第一壓縮機(4)加壓為高壓液態後進入第一蒸發器(5)，在第一蒸發器(5)中冷媒工質I吸收所述低溫供冷管路的熱量蒸發為高壓氣態，該高壓氣態的冷媒工質I進入第一膨脹透平機(6)，在第一膨脹透平機(6)中膨脹做功降壓為低壓氣態的冷媒工質I，該低壓氣態的冷媒工質I進入第一冷凝器(3)再次冷凝為低壓液態繼續下一次循環，冷媒工質I在第一膨脹透平機(6)中所做的功轉化為機械能並通過機械軸驅動第一發電機(7)發電；在所述第二級郎肯循環發電單元中，冷媒工質II在第二冷凝器(8)中冷凝為低壓液態，然後經第二壓縮機(9)加壓為高壓液態後進入第二蒸發器(10)，在第二蒸發器(10)中冷媒工質II吸收所述低溫供冷管路的熱量蒸發為高壓氣態，該高壓氣態的冷媒工質II進入第二膨脹透平機11，在第二膨脹透平機11中膨脹做功降壓為低壓氣態的冷媒工質II，該低壓氣態的冷媒工質II進入第二冷凝器(8)再次冷凝為低壓液態繼續下一次循環，冷媒工質II在第二膨脹透平機11中所做的功轉化為機械能並通過機械軸驅動第二發電機(12) 發電；在所述膨脹發電單元中，天然氣在第三膨脹透平機(13)中所做的功轉化為機械能並通過機械軸驅動第三發電機(14)發電；在所述低溫儲冰供冷單元中，冷媒工質III在換熱器(15)中向LNG汽化升溫膨脹主迴路中的天然氣釋放熱量，然後經循環泵(16)驅動進入儲冰槽(17)，在儲冰槽(17)中冷媒工質III吸收低溫供冷管路的熱量後再次進入換熱器(15)繼續下一次循環。
全文摘要
本發明公開了一種LNG冷能四級回收利用系統及其使用方法，該系統包括由LNG儲罐(1)、加壓泵(2)、第一冷凝器(3)、第二冷凝器(8)、第三膨脹透平機(13)和換熱器(15)構成的LNG汽化升溫膨脹主迴路；由第一冷凝器(3)、第一壓縮機(4)、第一蒸發器(5)、第一膨脹透平機(6)和第一發電機(7)構成的第一級郎肯循環發電單元；由第二冷凝器(8)、第二壓縮機(9)、第二蒸發器(10)、第二膨脹透平機(11)和第二發電機(12)構成的第二級郎肯循環發電單元；由第三膨脹透平機(13)和第三發電機(14)構成的膨脹發電單元；由換熱器(15)、循環泵(16)和儲冰槽(17)構成的低溫儲冰供冷單元。理論計算表明，在8MPa的工作壓力下，所述系統的LNG冷能的綜合利用率可達38％以上。
文檔編號F25D3/02GK102943698SQ20111023259
公開日2013年2月27日 申請日期2011年8月15日 優先權日2011年8月15日
發明者廖品常, 付成山 申請人:北京天成山泉電子科技有限公司