一種多級耦合LNG冷能利用循環發電系統的製作方法

2023-07-16 13:52:06

本發明涉及液化天然氣(LNG)冷能利用發電技術領域，特別是關於一種多級耦合LNG冷能利用循環發電系統。

背景技術：

根據我國能源中長期發展規劃，天然氣以其高效、清潔的性能和廣泛的用途，將成為我國能源發展戰略的一個綠色能源支柱之一，並且益呈現增大的趨勢。在未來的時間內，我國將會大量進口天然氣，其中大部分天然氣將以LNG的方式輸送到中國。大量進口的LNG，同時攜帶著大量的冷能，如果不能有效地利用這部分冷能，將會造成巨大的能源浪費和環境危害。因此，合理有效地利用這部分冷能，一方面可以有效的利用LNG的高品位冷能，另一方面，在獲得巨大的經濟效益的同時，可以減少LNG氣化過程中的環境汙染。利用動力循環將冷能轉化為功是對LNG的一種綜合利用形式，這種循環是目前研究尚少的LNG冷能發電低溫動力循環。利用LNG冷能發電，可以回收LNG大部分溫度段的冷能，而其它的冷能利用方式主要針對某區段溫度梯度的LNG部分少量冷能進行回收。然而單級冷能發電系統存在效率低、初投資較大，系統運行不穩定的問題，這些是一直困擾LNG冷能發電大規模推廣的主要因素。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的是提供一種運行穩定、安全可靠、高效的多級耦合LNG冷能利用循環發電系統。

為實現上述目的，本發明採取以下技術方案：一種多級耦合LNG冷能利用循環發電系統，其特徵在於：它包括三級LNG冷能利用循環發電系統、海水泵和LNG循環泵；LNG經所述LNG循環泵加壓後依次進入第一級LNG冷能利用循環發電系統、第二級LNG冷能利用循環發電系統和第三級LNG冷能利用循環發電系統進行熱量交換；20℃的海水熱源經所述海水泵加壓後，進入所述第三級LNG冷能利用循環發電系統進行熱量交換；所述第一級LNG冷能利用循環發電系統包括第一蒸發器、第一汽輪機、第一冷凝器、第一工質泵、第一電動機和在該級系統中循環的第一發電工質，且所述第一蒸發器、第一汽輪機、第一冷凝器、第一工質泵依次通過管道連接構成閉環結構；所述第一蒸發器兩端分別設置有第一熱源輸入端和第一熱源輸出端，所述第一冷凝器兩端分別設置有第一冷源輸入端和第一冷源輸出端；所述第二級LNG冷能利用循環發電系統與所述第三級LNG冷能利用循環發電系統結構相同；所述第二級LNG冷能利用循環發電系統包括第二蒸發器、第二汽輪機、第二分流器、第二冷凝器、第二混合器、第二 工質泵、第二電動機和在該級系統中循環的第二發電工質；其中，所述第二蒸發器、第二汽輪機、第二分流器依次通過管道連接，所述第二分流器的兩輸出端分別與所述第二冷凝器和所述第一級LNG冷能利用循環發電系統中所述第一蒸發器的第一熱源輸入端連接；所述第二冷凝器和所述第一級LNG冷能利用循環發電系統中所述第一蒸發器的第一熱源輸出端與所述第二混合器的兩個輸入端連接；所述第二混合器的輸出端通過管道與所述第二工質泵連接，所述第二工質泵與所述第二蒸發器通過管道連接後構成閉環結構；所述第二蒸發器兩端分別設置有第二熱源輸入端和第二熱源輸出端，所述第二冷凝器兩端分別設置有第二冷源輸入端和第二冷源輸出端；且所述第二蒸發器的第二熱源輸入端與所述第三級LNG冷能利用循環發電系統中第三分流器的一個輸出端連接，所述第二蒸發器的第二熱源輸出端與所述第三級LNG冷能利用循環發電系統中第三混合器的一個輸入端連接。

所述第一級LNG冷能利用循環發電系統和第二級LNG冷能利用循環發電系統中的發電工質均採用R1150。

所述第三級LNG冷能利用循環發電系統中的發電工質採用R1270。

本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明由於採用LNG冷能進行發電，不但有效的利用了LNG的高品位冷能，而且減少企業在LNG氣化過程的能源、水源消耗，為企業節能減排、提高國家天然氣能源綜合效益做出貢獻。2、本發明由於第三級LNG冷能利用循環發電系統以海水為熱源與蒸發器進行換熱，第二級LNG冷能利用循環發電系統由第三級LNG冷能利用循環發電系統放熱提供熱源進行熱交換，第一級LNG冷能利用循環發電系統由第二級LNG冷能利用循環發電系統放熱提供熱源實現熱量交換。這樣，第一級LNG冷能利用循環發電系統降低了第二級LNG冷能利用循環發電系統的蒸發溫度，第二級LNG冷能利用循環發電系統降低了第三級LNG冷能利用循環發電系統蒸發溫度，減小了系統每一級循環蒸發溫度與冷凝溫度的差值，提高了系統冷凝器、蒸發器、汽輪機的損失。3、本發明由於採用三級LNG冷能利用循環發電系統，LNG經過泵加壓後，依次經過第一級LNG冷能利用循環發電系統、第二級LNG冷能利用循環發電系統和第三級LNG冷能利用循環發電系統，使系統循環工質溫度降低，充分實現換熱過程，減少了汙染排放，改善了系統性能。4、本發明由於採用R1150、R1270作為冷媒介質，使得系統運行穩定，安全可靠，便於工程實施。本發明結構簡單，使用方便，可以廣泛應用於LNG冷能發電領域。

附圖說明

圖1是本發明結構示意圖

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。

如圖1所示，本發明包括三級LNG冷能利用循環發電系統1、2、3、海水泵4和LNG循環泵5。LNG經LNG循環泵5加壓後依次進入第一級LNG冷能利用循環發電系統1、第二級LNG冷能利用循環發電系統2和第三級LNG冷能利用循環發電系統3進行熱量交換。20℃的海水熱源經海水泵4加壓後，進入第三級LNG冷能利用循環發電系統3進行熱量交換。

其中，第一級LNG冷能利用循環發電系統1包括蒸發器11、汽輪機12、冷凝器13、工質泵14、電動機15和在該級系統中循環的發電工質，且蒸發器11、汽輪機12、冷凝器13、工質泵14依次通過管道連接構成閉環結構。其中，蒸發器11兩端分別設置有熱源輸入端和熱源輸出端，冷凝器13兩端分別設置有冷源輸入端和冷源輸出端。

第二級LNG冷能利用循環發電系統2包括蒸發器21、汽輪機22、分流器23、冷凝器24、混合器25、工質泵26、電動機27和在該級系統中循環的發電工質。其中，蒸發器21、汽輪機22、分流器23依次通過管道連接，分流器23的兩輸出端分別與冷凝器24和第一級LNG冷能利用循環發電系統1中蒸發器11的熱源輸入端連接。冷凝器24和第一級LNG冷能利用循環發電系統1中蒸發器11的熱源輸出端與混合器25的兩個輸入端連接。混合器25的輸出端通過管道與工質泵26連接，工質泵26與蒸發器21通過管道連接後構成閉環結構。同樣，蒸發器21兩端分別設置有熱源輸入端和熱源輸出端，冷凝器23兩端分別設置有冷源輸入端和冷源輸出端。第三級LNG冷能利用循環發電系統3的結構與第二級LNG冷能利用循環發電系統2相同，其包括蒸發器31、汽輪機32、分流器33、冷凝器34、混合器35、工質泵36、電動機37和在該級系統中循環的發電工質，且分流器33的一個輸出端與第二級LNG冷能利用循環發電系統2中蒸發器21的熱源輸入端連接，蒸發器21的熱源輸出端與混合器35的一個輸入端連接。

第三級LNG冷能利用循環發電系統3中，工質泵36內液態的發電工質經管道進入蒸發器31，在蒸發器31內與經海水泵4加壓後的海水進行熱量交換後變為氣態流出進入汽輪機32。氣態的發電工質在汽輪機32內做功後，進入分流器33分為兩部分，一部分作為熱源進入第二級LNG冷能利用循環發電系統2中的蒸發器21，另一部分進入冷凝器34吸收LNG的第三段冷量。最終兩部分發電工質同時經混合器35混合後進入工質泵36，經工質泵36升壓處理後再次進入蒸發器31循環發電。同理，第二級LNG冷能利用循環發電系統2以第三級LNG冷能利用循環發電系統3放熱提供的熱源吸收LNG的第二段冷量，第一級LNG冷能利用循環發電系統1以第二級LNG冷能利用循環發電系統2放熱提供的熱源吸收LNG的第一段冷量。

上述實施例中，第一級LNG冷能利用循環發電系統1和第二級LNG冷能利用循環發電系統2中的發電工質採用R1150。

上述實施例中，第三級LNG冷能利用循環發電系統3中發電工質採用R1270。

本發明的工作原理為：

在第三級LNG冷能利用循環發電系統3中，液態發電工質R1270由工質泵36流出後經管道進入蒸發器31。20℃的海水經海水泵4加壓變為(20℃，0.2MPa)後作為熱源也進入蒸發器31。液態的發電工質R1270在蒸發器31內經定壓升溫，即與(20℃，0.2MPa)的海水進行熱量交換後變為氣態流出蒸發器31。氣態的發電工質R1270經管道進入汽輪機32帶動電動機37發電。發電工質R1270做功後的乏氣經汽輪機32排出後進入分流器33分為兩部分，一部分進入冷凝器34與從第二級LNG冷能利用循環發電系統2中流出的LNG進行熱量交換，此時LNG由(-80℃，0.14MPa)狀態變為(-53.2℃，0.14MPa)狀態。另一部分作為熱源進入第二級LNG冷能利用循環發電系統2中的蒸發器21。最後兩部分發電工質R1270以相同的冷凝溫度匯合到混合器35。從混合器35流出的發電工質R1270經工質泵36升壓後再次進入蒸發器31循環發電。

第二級LNG冷能利用循環發電系統2的工作原理與第三級LNG冷能利用循環發電系統3相同，在此不再贅述。該過程中，從第一級LNG冷能利用循環發電系統1流出的(-100℃，0.14MPa)狀態的LNG變為(-80℃，0.14MPa)狀態。

第一級LNG冷能利用循環發電系統1中，工質泵14中液態的發電工質R1150經管道進入蒸發器11，在蒸發器11內吸收第二級LNG冷能利用循環系統2循環發電釋放的熱量加熱後，變為氣態經管道進入汽輪機12並帶動電動機15發電。發電工質R1150在汽輪機12內膨脹做功後的乏氣進入冷凝器13。狀態為(-162℃，0.14MPa)的LNG經LNG循環泵5加壓變為(-162℃，0.6MPa)狀態後也進入冷凝器13。在冷凝器13內，發電工質R1150與LNG進行熱量交換，此時LNG由(-162℃，0.6MPa)狀態變為(-100℃，0.14MPa)狀態，並流出到第二級LNG冷能利用循環發電系統2。從冷凝器13流出的發電工質R1150經管道進入工質泵14內升壓後，重新進入蒸發器11循環發電。

上述各實施例僅用於說明本發明，其中各部件的結構、連接方式和製作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護範圍之外。