Lng冷能雙透平發電系統的製作方法
2024-04-06 19:59:05
專利名稱：Lng冷能雙透平發電系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種將LNG的冷能轉換為電能的發電系統，尤其是一種進一步利用環境熱源的雙透平發電系統。
背景技術：
NG (natural gas)代表天然氣，LNG 是液化天然氣(liquefied natural gas)的縮寫，是在常壓下將氣態的天然氣冷卻至_162°C，使之凝結成液體，其體積約為同量氣態天然氣體積的1/600，LNG的重量僅為同體積水的45%左右。是無色、無味、無毒且無腐蝕的清潔能源。在LNG運輸至接收站進行使用時，需重新轉化為常溫氣體，溫度由_162°C升至常溫，大量的可用冷能釋放出來，其值大約是837kJ/kg，I噸LNG經換熱重新氣化在理論上可利用的冷量約為232kW.h。對於一座年接收能力為300萬噸的接收終端，年可利用冷能達
6.9億kW.h，冷能利用的產量非常可觀。目前LNG冷能發電主要有以下2種方式:直接膨脹法和低溫朗肯循環。直接膨脹法的原理為:經過壓縮泵後的LNG接收來自海水等餘熱源的熱量氣化，成為具有一定壓力的氣態天然氣，即NG後進入NG透平膨脹做功，輸出電能。膨脹後的氣體再依據尾端用戶要求調整壓力和溫度，送至用戶。這種方式只有一臺透平機，可稱為LNG冷能單透平發電系統。直接膨脹如果由於冷能利用效率較低，系統發電功率較低，為提高冷能利用效率，又出現了以低溫朗肯循環利用環境熱源的雙透平發電系統，低溫朗肯循環的原理為:以LNG作為冷源，以環境中的低品位能源如海水、太陽能等作為熱源，同時增設一個有機工質朗肯循環，組成閉式的循環系統，系統擁有2個透平膨脹機:有機工質透平和NG透平，可稱為LNG冷能雙透平發電系統。然而，有機物易燃、易爆易分解，其不穩定性會給系統帶來安全隱患，系統中的有機工質在冷凝過程中將發生從過熱氣體到飽和液體的兩相換熱且壓力發生改變，不利於一級換熱器的設計和控制，並且密封性要求高，成本很高。
實用新型內容為了克服現有有機工質循環的雙透平發電系統穩定性較差的不足，本實用新型所要解決的技術問題是提供一種穩定性更好的LNG冷能雙透平發電系統。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是:LNG冷能雙透平發電系統，包括由LNG源、LNG增壓泵、一級換熱器、NG透平和發電機依次連接形成的第一發電系統，NG透平設置有NG出口，還包括由CO2循環泵、第三換熱器、CO2透平和發電機依次連接形成的第二發電系統，CO2透平的CO2出口經所述一級換熱器後與CO2循環泵的進口連接，並在第一發電系統的一級換熱器和NG透平之間設置有二級加熱器。本實用新型的有益效果是:工質穩定，發電效率較高，一級換熱器設計和控制相對簡單。
圖1是現有直接膨脹法的LNG冷能單透平發電系統的原理圖。圖2是現有低溫朗肯循環的LNG冷能雙透平發電系統的原理圖。圖3是本實用新型的LNG冷能雙透平發電系統的原理圖。圖中標記為，1-LNG源，2-LNG增壓泵，3_ —級換熱器，4-NG透平，5-發電機，6-NG出口，7-有機工質循環泵，8-第二換熱器，9-有機工質透平，10-發電機，Il-CO2循環泵，12-第三換熱器，13-C02透平，14-發電機，15- 二級加熱器，16-工質出口。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型進一步說明。如圖1所示，現有直接膨脹法的LNG冷能雙透平發電系統由LNG源1、LNG增壓泵2、一級換熱器3、NG透平4和發電機5依次連接形成，液態的LNG經LNG增壓泵2輸入一級換熱器3中，與海水或其他環境熱源進行換熱後，變為氣態的NG，氣態的NG在NG透平中膨脹做功後由工質出口即NG出口 6流出，帶動發電機5轉動，從而將LNG的冷能轉換為電能。如圖2所示，現有低溫朗肯循環的LNG冷能雙透平發電系統是在現有直接膨脹法的LNG冷能單透平發電系統基礎上疊加了一個由有機工質循環泵7，換熱器8，有機工質透平9，和發電機10依次連接組成的第二發電系統，系統擁有2個透平膨脹機:有機工質透平9和NG透平4，兩套發電系統以一級換熱器3作為結合點，一級換熱器3的管程走LNG，殼程走有機工質，由有機工質透平9的工質出口出來的有機工質作為熱源對LNG進行加熱，LNG轉變成NG進入NG透平4做功發電，有機工質冷凝後，由有機工質循環泵7泵至第二換熱器8，與環境熱源等發生熱交換，再次被加熱後進入有機工質透平9做功發電。如圖3所示，本實用新型的LNG冷能雙透平發電系統包括由LNG源1、LNG增壓泵
2、一級換熱器3、NG透平4和發電機5依次連接形成的第一發電系統，以及由CO2循環泵11、第三換熱器12、C02透平13和發電機14依次連接形成的第二發電系統，CO2透平13的工質出口 16經所述一級換熱器3後與CO2循環泵11的進口連接。該系統中，兩套發電系統仍以一級換熱器3作為結合點，一級換熱器3的管程走LNG，殼程走CO2,由CO2透平13的工質出口 16出來的CO2作為熱源對LNG進行加熱，LNG吸收經CO2透平做功後的CO2熱量，LNG實現第一次受熱，之後以在環境熱量為熱源的二級加熱器15中被二次加熱，達到要求後的氣態NG進入NG透平膨脹做功，乏氣作為尾端所需由NG出口 6輸出，CO2冷凝後，由CO2循環泵11泵至第三換熱器12，與環境熱源等發生熱交換，再次被加熱後進入CO2透平13做功發電。第二發電系統以LNG作為系統冷源，低溫熱源作為系統熱源，CO2的臨界溫度為33.1°C，工程上很容易實現超臨界。在第二發電系統中，由一級換熱器3出來的低壓低溫的CO2經過CO2循環泵11加壓之後以超臨界狀態進入第三換熱器12。因為，提高透平進口的初參數即壓力和溫度是提高系統效率的有效措施，在環境熱源不能使進入CO2透平的蒸氣溫度更大提高的時候，提高蒸氣壓力便成為提高系統效率的有效手段之一，且CO2的臨界壓力相對水蒸汽等常見無機物更低，工程上更易實現，第一發電系統中的受壓元件強度要求也會降低。[0020]熱力學上，只要有溫差有換熱，系統就存在不可逆熱損失，溫差越大，不可逆損失越大。採用超臨界使CO2和換熱介質間變溫特性較好的匹配，減少加熱過程中由於冷熱流體傳熱溫差的不均衡性而引起的額外不可逆熵增，提高動力循環火用效率，從而形成含兩臺發電機的超臨界CO2的LNG冷能雙透平發電系統。超臨界CO2蒸氣在經過透平膨脹做功後，其壓力、溫度都降低很多，作為LNG過冷態液體的一級加熱熱源，其熱量不足以將尾端所需的LNG由過冷態加熱到適合進入NG透平做功的蒸氣狀態，且保證透平出口的乏氣溫度達到能直接進入輸送管線的溫度水平，因此必須增加二級加熱器15，且充分利用環境空氣熱源，將經過一級加熱後的LNG進一步氣化，既能使進入NG透平4的蒸氣具有更多熱量，產生更多電能，同時也可保證NG出口 6流出的乏氣溫度不會因為膨脹做功而成為零下溫度，可直接進入天然氣接收端。同直接膨脹法相比，本實用新型的發電系統新增了一個超臨界CO2的循環發電系統，以LNG作為CO2循環系統的冷端冷源，以環境熱源作為CO2循環系統的熱端熱源，同樣流量的LNG冷能，在系統中得到了二次利用，避免了在直接膨脹法中的大量冷能被環境熱源消耗，其發電能力大於LNG直接膨脹發電。按工質在T-S圖(溫熵圖)上飽和蒸氣線的斜率，流體可分為幹流體、溼流體和絕熱流體。T-S圖上，曲線經過飽和蒸氣最高點後，斜率為正是幹流體，斜率為負是溼流體，斜率無窮大為等熵流體。對於溼流體，工質在透平中膨脹做功，理論上為絕熱膨脹，熵不改變，所以透平末級的蒸氣很有可能處於含液體的溼蒸氣區域，將對膨脹機葉片產生衝蝕。因此對於溼流體來說，鍋爐的過熱器必須布置有足夠的換熱面積，以提高工質的過熱度，保證乏氣具有較高的幹度。對於幹流體和等熵流體，工質在透平中絕熱膨脹做功，末級乏氣離飽和蒸氣線越來越遠，即所謂的「越做功越乾燥」，此時系統在設計過程時可以依據熱源溫度考慮是否需要布置過熱器，減少換熱面的投資。低溫朗肯循環的LNG冷能雙透平發電系統中，絕大多數適用於做LNG冷能利用的有機化合物都是幹流體性質，在膨脹做功後，為更進一步的回收其能量，系統會根據實際參數增設回熱器，但是經過回熱器之後的有機工質依舊為過熱狀態，所以其系統中的有機工質在一級換熱器3內發生的冷凝過程中將發生從過熱氣體到飽和液體的兩相換熱，且壓力發生改變，不利於一級換熱器3的設計和控制。與之相比，本實用新型發電系統是以CO2為工質，為無機工質，一級換熱器3兩端的工質參數如壓力和溫度均不相同，CO2的成本和非易燃易爆性質決定本實用新型發電系統在製造時的密封、焊接要求要低於低溫朗肯循環的LNG冷能雙透平發電系統，製造成本相對低；且CO2作為冷流體，經過透平做功後乏氣為一定幹度的溼蒸氣，能保證在一級換熱器3中的整個冷凝過程為等壓狀態，使其一級換熱器3的設計可以避免由不等壓和相變換熱帶來的控制問題。一級換熱器3隻對LNG進行預熱，但不發生相變，由二級加熱器15對預熱後的LNG加熱至設計所需參數。為充分利用熱源，可控制由一級換熱器3出來的LNG為熱飽和液體。
權利要求1.LNG冷能雙透平發電系統，包括由LNG源(I )、LNG增壓泵(2)、一級換熱器(3)、NG透平(4)和發電機(5)依次連接形成的第一發電系統，其特徵是:還包括由CO2循環泵(11)、第三換熱器(12)、CO2透平(13)和發電機(14)依次連接形成的第二發電系統，CO2透平(13)的工質出口(16)經所述一級換熱器(3)後與CO2循環泵(11)的進口連接，並在第一發電系統的一級換熱器(3)和NG透平(4)之間設置有二級加熱器(15)。
專利摘要本實用新型公開了一種穩定性更好的LNG冷能雙透平發電系統，其包括由LNG源、LNG增壓泵、一級換熱器、NG透平和發電機依次連接形成的第一發電系統，NG透平設置有NG出口，還包括由CO2循環泵、第三換熱器、CO2透平和發電機依次連接形成的第二發電系統，CO2透平的CO2出口經所述一級換熱器後與CO2循環泵的進口連接，並在第一發電系統的一級換熱器和NG透平之間設置有二級加熱器，工質穩定，發電效率較高。
文檔編號F01K23/04GK203035273SQ201320001739
公開日2013年7月3日 申請日期2013年1月4日 優先權日2013年1月4日
發明者李炎, 陳衝, 肖峰, 黃浩 申請人:成都昊特新能源技術有限公司