超临界二氧化碳耦合LNG冷能发电系统及方法与流程

本发明涉及能源利用领域，具体而言，涉及超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统及方法。

背景技术：

常规的lng冷能发电系统是利用lng作为冷源，海水或者河水作为热源，采用有机工质朗肯循环，利用海水中的低品位热能发电的循环系统。以河水、海水作为高温热源，虽然其比热容大、换热效率高，但是海水温度较低，热源与冷源温差较小，整个系统循环效率较低。另一方面，s-co2循环作为闭式布雷顿循环，压气机将消耗大量的能量，降低压气机入口的温度，能够有效的减小压气机的耗功，从而提高s-co2循环发电的效率，通常需控制压气机进口温度在略高于临界点，即35℃左右，但s-co2循环透平排气温度一般较高，以透平进口温度550℃为例，透平排气温度超过440℃，经过二氧化碳回热器后排气温度仍超过100℃，为保证压气机进口温度，通常需要在二氧化碳回热器与压气机之间设置预冷器，将s-co2从超过100℃冷却到35℃左右，这些能量浪费的同时，冷端的建设也增加了系统的成本。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统，以解决现有的lng冷能发电系统和s-co2循环能量浪费较高、系统循环效率较低的问题。

本发明的实施例是这样实现的：

一种超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统，其包括有机工质冷凝器、有机工质循环泵、有机工质蒸发换热器和有机工质透平；

所述有机工质蒸发换热器具有能够相互换热的第一通道和第二通道，所述第一通道作为所述有机工质蒸发换热器的冷端，所述第二通道作为所述有机工质蒸发换热器的热端；

所述有机工质冷凝器、有机工质循环泵、有机工质蒸发换热器的第一通道以及有机工质透平循环串联形成有机工质循环回路；所述有机工质透平连接有机工质发电机，以带动有机工质发电机发电；

其中，所述有机工质冷凝器具有lng进口和天然气出口，用于通过用作冷源的lng；

所述超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统还包括s-co2透平、s-co2回热器、s-co2压气机和s-co2热源加热器；

所述s-co2回热器具有能够相互换热的第三通道和第四通道；所述第三通道作为所述s-co2回热器的冷端，所述第四通道作为所述s-co2回热器的热端；

所述s-co2压气机、s-co2回热器的第三通道、s-co2热源加热器、s-co2透平、s-co2回热器的第四通道、有机工质蒸发换热器的第二通道循环串联形成s-co2循环回路；所述s-co2透平连接s-co2发电机，以带动s-co2发电机发电。

本方案中的超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统工作时，有机工质进入有机工质循环泵升压至工作压力，然后进入有机工质蒸发换热器的第一通道(冷端)经进入有机工质蒸发换热器的第二通道(热端)的s-co2透平排气加热蒸发至高温气体后，进入有机工质透平做功并带动有机工质发电机发电；做功后的有机工质进入有机工质冷凝器经lng进行冷却，然后再次进入有机工质循环泵进行下一次的循环。

在前述有机工质的循环过程中，s-co2进入s-co2压气机升压至工作压力后进入s-co2回热器的第三通道(冷端)，并在其中经进入s-co2回热器的第四通道(热端)的s-co2透平排气进行回热加热；回热加热后的s-co2进入s-co2热源加热器加热至工作温度，再进入s-co2透平膨胀做功并带动s-co2发电机发电；做功后的s-co2进入s-co2回热器的第四通道(热端)经通过s-co2回热器的第三通道(冷端)的s-co2进行回热降温，再进入有机工质蒸发换热器的第二通道(热端)由经过lng冷却后进入有机工质蒸发换热器的第一通道(冷端)的有机工质降温至s-co2压气机的工作温度，然后进入s-co2压气机进行下一次的循环。

本方案中，通过利用s-co2循环乏气余热加热冷能发电系统循环工质，在保证了s-co2循环压气机进口温度的同时，也提高了冷能发电系统循环工质的温度，增加了冷能发电系统热源与冷源温差，提高了冷能发电系统循环效率。同时，由于利用了lng冷却后的冷能发电系统循环工质作为s-co2循环系统冷源，可以省去s-co2循环系统原有的预冷器的设置，降低了系统建设费用。

综合以上论述，本申请中的超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统耦合合理，循环效率高且系统建设费用低。

本申请还提供一种超临界二氧化碳耦合lng冷能发电方法，其基于前述的超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统，所述方法包括以下步骤：

使有机工质进入有机工质循环泵升压至工作压力；

有机工质进入有机工质蒸发换热器的第一通道，经进入有机工质蒸发换热器的第二通道的s-co2透平排气加热蒸发至高温气体后，进入有机工质透平做功并带动有机工质发电机发电；

做功后的有机工质进入有机工质冷凝器经lng进行冷却，然后再次进入有机工质循环泵进行下一次的循环；

在前述有机工质的循环过程中，s-co2进入s-co2压气机升压至工作压力后进入s-co2回热器的第三通道，并在其中经进入s-co2回热器的第四通道的s-co2透平排气进行回热加热；

回热加热后的s-co2进入s-co2热源加热器加热至工作温度，再进入s-co2透平膨胀做功并带动s-co2发电机发电；

做功后的s-co2进入s-co2回热器的第四通道经通过s-co2回热器的第三通道的s-co2进行回热降温，再进入有机工质蒸发换热器的第二通道由经过lng冷却后进入有机工质蒸发换热器的第一通道的有机工质降温至s-co2压气机的工作温度，然后进入s-co2压气机进行下一次的循环。

本申请还提供一种超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统，其包括有机工质冷凝器、有机工质循环泵、有机工质蒸发换热器、有机工质透平、有机工质再热换热器以及有机工质透平二；

所述有机工质蒸发换热器具有能够相互换热的第一通道和第二通道，所述第一通道作为所述有机工质蒸发换热器的冷端，所述第二通道作为所述有机工质蒸发换热器的热端；

所述有机工质再热换热器具有能够相互换热的第五通道和第六通道，所述第五通道作为所述有机工质再热换热器的冷端，所述第六通道作为所述有机工质再热换热器的热端；

所述有机工质冷凝器、有机工质循环泵、有机工质蒸发换热器的第一通道、有机工质透平、所述有机工质再热换热器的第五通道、有机工质透平二循环串联形成有机工质循环回路；所述有机工质透平和有机工质透平二分别连接有机工质发电机，以带动有机工质发电机发电；

其中，所述有机工质冷凝器具有lng进口和天然气出口，用于通过用作冷源的lng；

所述超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统还包括s-co2透平、s-co2回热器、s-co2预压气机、s-co2压气机和s-co2热源加热器；

所述s-co2回热器具有能够相互换热的第三通道和第四通道；所述第三通道作为所述s-co2回热器的冷端，所述第四通道作为所述s-co2回热器的热端；

所述s-co2压气机、s-co2回热器的第三通道、s-co2热源加热器、s-co2透平、s-co2回热器的第四通道、有机工质蒸发换热器的第二通道、s-co2预压气机、有机工质再热换热器的第六通道、s-co2压气机依次循环串联形成s-co2循环回路；所述s-co2透平连接s-co2发电机，以带动s-co2发电机发电。

本方案中的超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统工作时，有机工质进入有机工质循环泵升压至工作压力，然后进入有机工质蒸发换热器的第一通道(冷端)经进入有机工质蒸发换热器的第二通道(热端)的s-co2透平排气加热蒸发至高温气体后，进入有机工质透平做功并带动有机工质发电机发电；做功后的有机工质在经过有机工质再热换热器的第五通道时和s-co2预压气机输出的s-co2换热提高温度后进入有机工质透平二中进行再次做功发电，然后有机工质冷凝器经lng进行冷却，再次进入有机工质循环泵进行下一次的循环。

在前述有机工质的循环过程中，s-co2进入s-co2预压气机进行预压冷却后，进入有机工质再热换热器的第六通道中和第五通道中的有机工质换热降温冷却，然后进入s-co2压气机升压至工作压力，再进入s-co2回热器的第三通道(冷端)，并在其中经进入s-co2回热器的第四通道(热端)的s-co2透平排气进行回热加热；回热加热后的s-co2进入s-co2热源加热器加热至工作温度，再进入s-co2透平膨胀做功并带动s-co2发电机发电；做功后的s-co2进入s-co2回热器的第四通道(热端)经通过s-co2回热器的第三通道(冷端)的s-co2进行回热降温，再进入有机工质蒸发换热器的第二通道(热端)由经过lng冷却后进入有机工质蒸发换热器的第一通道(冷端)的有机工质降温至s-co2压气机的工作温度，然后进入s-co2压气机进行下一次的循环。

本方案中，通过利用s-co2循环乏气余热加热冷能发电系统循环工质，在保证了s-co2循环压气机进口温度的同时，也提高了冷能发电系统循环工质的温度，增加了冷能发电系统热源与冷源温差，提高了冷能发电系统循环效率。同时，由于利用了lng冷却后的冷能发电系统循环工质作为s-co2循环系统冷源，可以省去s-co2循环系统原有的预冷器的设置，降低了系统建设费用。

并且设置有机工质再热换热器加热有机工质透平输出的有机工质再用于透平做功，能够进一步提高循环效率和能源的利用。

综合以上论述，本申请中的超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统耦合合理，循环效率高且系统建设费用低。

本申请还提供一种超临界二氧化碳耦合lng冷能发电方法，其基于前述的超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统；所述lng冷能发电方法包括以下步骤：

使有机工质进入有机工质循环泵升压至工作压力，然后进入有机工质蒸发换热器的第一通道，经进入有机工质蒸发换热器的第二通道(热端)的s-co2透平排气加热蒸发至高温气体后，进入有机工质透平做功并带动有机工质发电机发电；

做功后的有机工质在经过有机工质再热换热器的第五通道时和s-co2预压气机输出的s-co2换热提高温度后进入有机工质透平二中进行再次做功发电，然后有机工质冷凝器经lng进行冷却，再次进入有机工质循环泵进行下一次的循环；

在前述有机工质的循环过程中，使s-co2进入s-co2预压气机进行预压冷却后，进入有机工质再热换热器的第六通道中和第五通道中的有机工质换热降温冷却，然后进入s-co2压气机升压至工作压力，再进入s-co2回热器的第三通道，并在其中经进入s-co2回热器的第四通道的s-co2透平排气进行回热加热；

回热加热后的s-co2进入s-co2热源加热器加热至工作温度，再进入s-co2透平膨胀做功并带动s-co2发电机发电；

做功后的s-co2进入s-co2回热器的第四通道经通过s-co2回热器的第三通道的s-co2进行回热降温，再进入有机工质蒸发换热器的第二通道由经过lng冷却后进入有机工质蒸发换热器的第一通道的有机工质降温至s-co2压气机的工作温度，然后进入s-co2压气机进行下一次的循环。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中提及之附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例一中的超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统的示意图；

图2为本发明实施例二中的超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统的示意图。

图标：1-有机工质冷凝器；2-有机工质循环泵；3-有机工质蒸发换热器；4-有机工质透平；5-有机工质再热换热器；6-有机工质透平二；7-s-co2透平；8-s-co2回热器；9-s-co2预压气机；10-s-co2压气机；11-s-co2热源加热器；21-第一通道；22-第二通道；23-第三通道；24-第四通道；25-第五通道；26-第六通道；l1-有机工质循环回路；l2-s-co2循环回路；30-发电机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，本发明的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，本发明的描述中若出现“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

请参见图1，本实施例提供一种超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统，其包括有机工质冷凝器1、有机工质循环泵2、有机工质蒸发换热器3和有机工质透平4。有机工质蒸发换热器3具有能够相互换热的第一通道21和第二通道22，第一通道21作为有机工质蒸发换热器3的冷端，第二通道22作为有机工质蒸发换热器3的热端。有机工质冷凝器1、有机工质循环泵2、有机工质蒸发换热器3的第一通道21以及有机工质透平4循环串联形成有机工质循环回路l1。有机工质透平4连接有机工质发电机30，以带动有机工质发电机30发电。其中，有机工质冷凝器1具有lng进口和天然气出口，用于通过用作冷源的lng。超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统还包括s-co2透平7、s-co2回热器8、s-co2压气机10和s-co2热源加热器11。s-co2回热器8具有能够相互换热的第三通道23和第四通道24。第三通道23作为s-co2回热器8的冷端，第四通道24作为s-co2回热器8的热端。s-co2压气机10、s-co2回热器8的第三通道23、s-co2热源加热器11、s-co2透平7、s-co2回热器8的第四通道24、有机工质蒸发换热器3的第二通道22循环串联形成s-co2循环回路l2。s-co2透平7连接s-co2发电机30，以带动s-co2发电机30发电。

本方案中的超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统工作时，有机工质进入有机工质循环泵2升压至工作压力，然后进入有机工质蒸发换热器3的第一通道21(冷端)经进入有机工质蒸发换热器3的第二通道22(热端)的s-co2透平7排气加热蒸发至高温气体后，进入有机工质透平4做功并带动有机工质发电机30发电；做功后的有机工质进入有机工质冷凝器1经lng进行冷却，然后再次进入有机工质循环泵2进行下一次的循环。

在前述有机工质的循环过程中，s-co2进入s-co2压气机10升压至工作压力后进入s-co2回热器8的第三通道23(冷端)，并在其中经进入s-co2回热器8的第四通道24(热端)的s-co2透平7排气进行回热加热；回热加热后的s-co2进入s-co2热源加热器11加热至工作温度，再进入s-co2透平7膨胀做功并带动s-co2发电机30发电；做功后的s-co2进入s-co2回热器8的第四通道24(热端)经通过s-co2回热器8的第三通道23(冷端)的s-co2进行回热降温，再进入有机工质蒸发换热器3的第二通道22(热端)由经过lng冷却后进入有机工质蒸发换热器3的第一通道21(冷端)的有机工质降温至s-co2压气机10的工作温度，然后进入s-co2压气机10进行下一次的循环。

本方案中，通过利用s-co2循环乏气余热加热冷能发电系统循环工质，在保证了s-co2循环压气机进口温度的同时，也提高了冷能发电系统循环工质的温度，增加了冷能发电系统热源与冷源温差，提高了冷能发电系统循环效率。同时，由于利用了lng冷却后的冷能发电系统循环工质作为s-co2循环系统冷源，可以省去s-co2循环系统原有的预冷器的设置，降低了系统建设费用。

综合以上论述，本申请中的超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统耦合合理，循环效率高且系统建设费用低。

本申请还提供一种超临界二氧化碳耦合lng冷能发电方法，其基于前述的超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统，方法包括以下步骤：

使有机工质进入有机工质循环泵2升压至工作压力；

有机工质进入有机工质蒸发换热器3的第一通道21，经进入有机工质蒸发换热器3的第二通道22的s-co2透平7排气加热蒸发至高温气体后，进入有机工质透平4做功并带动有机工质发电机30发电；

做功后的有机工质进入有机工质冷凝器1经lng进行冷却，然后再次进入有机工质循环泵2进行下一次的循环；

在前述有机工质的循环过程中，s-co2进入s-co2压气机10升压至工作压力后进入s-co2回热器8的第三通道23，并在其中经进入s-co2回热器8的第四通道24的s-co2透平7排气进行回热加热；

回热加热后的s-co2进入s-co2热源加热器11加热至工作温度，再进入s-co2透平7膨胀做功并带动s-co2发电机30发电；

做功后的s-co2进入s-co2回热器8的第四通道24经通过s-co2回热器8的第三通道23的s-co2进行回热降温，再进入有机工质蒸发换热器3的第二通道22由经过lng冷却后进入有机工质蒸发换热器3的第一通道21的有机工质降温至s-co2压气机10的工作温度，然后进入s-co2压气机10进行下一次的循环。

实施例二

请参见图2，本申请还提供一种超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统，其包括有机工质冷凝器1、有机工质循环泵2、有机工质蒸发换热器3、有机工质透平4、有机工质再热换热器5以及有机工质透平二6。有机工质蒸发换热器3具有能够相互换热的第一通道21和第二通道22，第一通道21作为有机工质蒸发换热器3的冷端，第二通道22作为有机工质蒸发换热器3的热端。有机工质再热换热器5具有能够相互换热的第五通道25和第六通道26，第五通道25作为有机工质再热换热器5的冷端，第六通道26作为有机工质再热换热器5的热端。有机工质冷凝器1、有机工质循环泵2、有机工质蒸发换热器3的第一通道21、有机工质透平4、有机工质再热换热器5的第五通道25、有机工质透平二6循环串联形成有机工质循环回路l1。有机工质透平4和有机工质透平二6分别连接有机工质发电机30，以带动有机工质发电机30发电。其中，有机工质冷凝器1具有lng进口和天然气出口，用于通过用作冷源的lng。超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统还包括s-co2透平7、s-co2回热器8、s-co2预压气机9、s-co2压气机10和s-co2热源加热器11。s-co2回热器8具有能够相互换热的第三通道23和第四通道24。第三通道23作为s-co2回热器8的冷端，第四通道24作为s-co2回热器8的热端。s-co2压气机10、s-co2回热器8的第三通道23、s-co2热源加热器11、s-co2透平7、s-co2回热器8的第四通道24、有机工质蒸发换热器3的第二通道22、s-co2预压气机9、有机工质再热换热器5的第六通道26、s-co2压气机10依次循环串联形成s-co2循环回路l2。s-co2透平7连接s-co2发电机30，以带动s-co2发电机30发电。

本方案中的超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统工作时，有机工质进入有机工质循环泵2升压至工作压力，然后进入有机工质蒸发换热器3的第一通道21(冷端)经进入有机工质蒸发换热器3的第二通道22(热端)的s-co2透平7排气加热蒸发至高温气体后，进入有机工质透平4做功并带动有机工质发电机30发电；做功后的有机工质在经过有机工质再热换热器5的第五通道25时和s-co2预压气机9输出的s-co2换热提高温度后进入有机工质透平二6中进行再次做功发电，然后有机工质冷凝器1经lng进行冷却，再次进入有机工质循环泵2进行下一次的循环。

在前述有机工质的循环过程中，s-co2进入s-co2预压气机9进行预压冷却后，进入有机工质再热换热器5的第六通道26中和第五通道25中的有机工质换热降温冷却，然后进入s-co2压气机10升压至工作压力，再进入s-co2回热器8的第三通道23(冷端)，并在其中经进入s-co2回热器8的第四通道24(热端)的s-co2透平7排气进行回热加热；回热加热后的s-co2进入s-co2热源加热器11加热至工作温度，再进入s-co2透平7膨胀做功并带动s-co2发电机30发电；做功后的s-co2进入s-co2回热器8的第四通道24(热端)经通过s-co2回热器8的第三通道23(冷端)的s-co2进行回热降温，再进入有机工质蒸发换热器3的第二通道22(热端)由经过lng冷却后进入有机工质蒸发换热器3的第一通道21(冷端)的有机工质降温至s-co2压气机10的工作温度，然后进入s-co2压气机10进行下一次的循环。

本方案中，通过利用s-co2循环乏气余热加热冷能发电系统循环工质，在保证了s-co2循环压气机进口温度的同时，也提高了冷能发电系统循环工质的温度，增加了冷能发电系统热源与冷源温差，提高了冷能发电系统循环效率。同时，由于利用了lng冷却后的冷能发电系统循环工质作为s-co2循环系统冷源，可以省去s-co2循环系统原有的预冷器的设置，降低了系统建设费用。

并且设置有机工质再热换热器5加热有机工质透平4输出的有机工质再用于透平做功，能够进一步提高循环效率和能源的利用。

综合以上论述，本申请中的超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统耦合合理，循环效率高且系统建设费用低。

本申请还提供一种超临界二氧化碳耦合lng冷能发电方法，其基于前述的超临界二氧化碳耦合lng冷能发电系统；lng冷能发电方法包括以下步骤：

使有机工质进入有机工质循环泵2升压至工作压力，然后进入有机工质蒸发换热器3的第一通道21，经进入有机工质蒸发换热器3的第二通道22(热端)的s-co2透平7排气加热蒸发至高温气体后，进入有机工质透平4做功并带动有机工质发电机30发电；

做功后的有机工质在经过有机工质再热换热器5的第五通道25时和s-co2预压气机9输出的s-co2换热提高温度后进入有机工质透平二6中进行再次做功发电，然后有机工质冷凝器1经lng进行冷却，再次进入有机工质循环泵2进行下一次的循环；

在前述有机工质的循环过程中，使s-co2进入s-co2预压气机9进行预压冷却后，进入有机工质再热换热器5的第六通道26中和第五通道25中的有机工质换热降温冷却，然后进入s-co2压气机10升压至工作压力，再进入s-co2回热器8的第三通道23，并在其中经进入s-co2回热器8的第四通道24的s-co2透平7排气进行回热加热；

回热加热后的s-co2进入s-co2热源加热器11加热至工作温度，再进入s-co2透平7膨胀做功并带动s-co2发电机30发电；

做功后的s-co2进入s-co2回热器8的第四通道24经通过s-co2回热器8的第三通道23的s-co2进行回热降温，再进入有机工质蒸发换热器3的第二通道22由经过lng冷却后进入有机工质蒸发换热器3的第一通道21的有机工质降温至s-co2压气机10的工作温度，然后进入s-co2压气机10进行下一次的循环。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。