一种利用液化天然气冷能发电的系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种利用液化天然气冷能发电的系统，包括第一LNG泵、第二LNG泵、第三LNG泵、低压天然气冷凝器、中压天然气冷凝器、低压冷媒冷凝器、第一液体冷媒泵、第二液体冷媒泵、第三液体冷媒泵、冷媒气化器、高压天然气加热器、高压天然气过热器、冷媒膨胀机、天然气膨胀机、次中压冷媒冷凝器和中压冷媒冷凝器，整个发电过程包括天然气介质朗肯循环和混合冷媒介质朗肯循环两个部分，减少了LNG冷能回收过程中有效能损失，提高了LNG冷能的发电效率。
【专利说明】一种利用液化天然气冷能发电的系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及新能源领域，具体而言，涉及一种利用液化天然气冷能发电的系统。
【背景技术】
[0002]LNG (Liquefied Natural Gas,液化天然气)冷能是一种非常优质的清洁能源，天然气在液化的过程中需要消耗500?600kW h/t的电能，在气化的时候可释放出约230kW h/t冷能。LNG冷能发电是LNG冷能利用中较成熟的工艺，利用LNG气化为气体状态过程中释放的冷能及管网下游用户调压过程中释放的压力能进行发电，是一种大规模回收利用接收站冷能的方式，同时可以为能源紧缺的沿海地区提供大量低碳、绿色的电能。
[0003]目前关于利用LNG冷能发电的技术主要有利用LNG低温冷量的冷媒循环的朗肯发电、利用LNG压力能的直接膨胀发电以及综合这两种技术的联合法发电。
[0004]1、直接膨胀法
[0005]直接膨胀法是利用LNG的压力能发电的一种方式。储罐中常压的LNG经泵加压至管网输送压力，在蒸发器加热气化后利用高压天然气直接驱动透平膨胀机，带动发电机发电。蒸发器热源可采用海水，也可使用其他热源。例如日本东京电力公司的利用LNG压差发电站，即直接膨胀法发电。LNG首先经泵加压提高压力，然后通过蒸发器加热气化，接着进入透平机膨胀做功。直接膨胀法发电方式系统简单、投资低，但是效率不高，发电功率较小，每吨LNG的发电量在25.0?30.0kWh左右，有效能利用率约为26?31%。
[0006]2、中间热载体的朗肯循环法
[0007]中间热载体的朗肯循环法是利用LNG低温冷量发电的方式，其过程是LNG通过冷凝器把冷量转化到某一冷媒上，利用LNG与环境之间的温差，推动冷媒进行蒸汽动力循环，从而对外做功发电。其中朗肯循环法发电存在单工质朗肯循环系统、混合工质的朗肯循环系统，通常以低沸点的R12、R13、R22或乙烷、丙烷或者多组分烃类的混合物为冷媒，以海水为热源，以LNG为冷源，进行有机工质朗肯循环发电。美国专利US6089028A介绍了一种利用50%甲烷加50%乙烷组成的混合物冷媒介质的朗肯循环，在该专利中高压LNG气化释放出来的冷能一部分用于LNG蒸发器压缩的级间冷却，另一部分用于50% -50%甲烷和乙烷混合冷媒气体的冷凝，混合冷媒冷凝后再通过增压后，利用海水等外界热源将其加热气化，然后进入透平中膨胀做功，并带动电动机发电。
[0008]3、联合法
[0009]联合法综合了直接膨胀法与朗肯循环法。LNG首先被提高压力，然后通过冷凝器将冷量释放给冷媒，推动冷媒进行朗肯循环对外做功，而气化的天然气再通过透平膨胀做功。
[0010]例如日本大阪煤气公司所属的泉北LNG基地低温发电厂采用的直接膨胀-单工质朗肯循环系统。液化天然气首先被压缩提高压力，然后通过冷凝器将冷量释放给冷媒，推动冷媒进行朗肯循环对外做功，而气化的天然气再通过透平膨胀做功。
[0011]上述技术中，直接膨胀法单一利用压力能或者冷能发电的效率都比较低，对于LNG接收站而言，基本都要求气化后的天然气可以直接进入高压天然气管网，压力在7?lOMPa左右，因此在绝大多数情况下，为了保证进气压力均无法利用直接膨胀法在LNG接收站利用高压天然气的压力能发电。
[0012]而利用LNG冷能的朗肯循环发电方法中，选择采用单一的烃类为冷媒介质来回收冷能，由于单一冷媒介质的液化曲线与LNG的气化曲线相差较多，导致冷能回收过程中有效能损失较大，导致发电效率较低。每吨LNG的发电量在20.0?24.0kffh左右，有效能利用率21?25%。联合法发电工艺一般也要采用海水加热，消耗大量的海水，转移到海水的冷量也没有得到利用，同时因受海水温度的限制，海水能够将工质加热的温度不高，使得透平膨胀机的热效率较低，发电量和LNG冷量的利用受到限制。
实用新型内容
[0013]本实用新型提供一种利用液化天然气冷能发电的系统，用以提高LNG冷量的利用率和发电量。
[0014]为达到上述目的，本实用新型提供了一种利用液化天然气冷能发电的系统，包括:第一 LNG泵、第二 LNG泵、第三LNG泵、低压天然气冷凝器、中压天然气冷凝器、低压冷媒冷凝器、第一液体冷媒泵、第二液体冷媒泵、第三液体冷媒泵、冷媒气化器、高压天然气加热器、高压天然气过热器、冷媒膨胀机、天然气膨胀机、次中压冷媒冷凝器和中压冷媒冷凝器，其中:
[0015]所述低压天然气冷凝器分别与所述第一 LNG泵、所述第二 LNG泵、所述天然气膨胀机相连，所述第一 LNG泵将进入其内的低温LNG增压至9?lOMPa得到的高压LNG送入所述低压天然气冷凝器，所述天然气膨胀机将其末端排出的低压NG送入所述低压天然气冷凝器，该高压LNG和该低压NG在所述低压天然气冷凝器中进行热交换，热交换后的该低压NG被液化成低压LNG进入所述第二 LNG泵增压；
[0016]所述中压天然气冷凝器分别与三通阀、所述天然气膨胀机、所述第三LNG泵相连，经所述低压天然气冷凝器换热后的高压LNG与经所述第二 LNG泵增压后的液体NG在三通阀汇合后进入所述中压天然气冷凝器，所述天然气膨胀机抽出的中压NG进入所述中压天然气冷凝器，混合后的高压LNG与中压NG在所述中压天然气冷凝器中进行热交换，热交换后的中压NG被液化成中压LNG进入所述第三LNG泵增压；
[0017]所述低压冷媒冷凝器分别与三通阀、所述冷媒膨胀机、所述第一液体冷媒泵相连，经所述中压天然气冷凝器换热后的高压LNG与经所述第三LNG泵增压后的LNG在三通阀汇合后进入所述低压冷媒冷凝器，所述冷媒膨胀机输出的低压气体冷媒进入所述低压冷媒冷凝器，混合后的高压LNG与低压气体冷媒在所述低压冷媒冷凝器中进行热交换，高压LNG气化产生高压NG，低压气体冷媒吸收冷量液化为低压液体冷媒并进入所述第一液体冷媒泵增压；
[0018]所述次中压冷媒冷凝器分别与所述低压冷媒冷凝器、所述第一液体冷媒泵、所述冷媒膨胀机、所述第二液体冷媒泵相连，气化后的高压NG进入所述次中压冷媒换热器，经所述第一液体冷媒泵增压后的高压液体冷媒进入所述次中压冷媒冷凝器，所述冷媒膨胀机输出的次中压气体冷媒进入所述次中压冷媒冷凝器，高压NG与增压后的低压液体冷媒、次中压气体冷媒发生热交换，次中压气体冷媒吸收冷能液化为次中压液体冷媒并进入所述第二液体冷媒泵增压；
[0019]所述中压冷媒冷凝器分别与三通阀、所述次中压冷媒冷凝器、所述冷媒膨胀机、所述第三液体冷媒泵相连，次中压液体冷媒经所述第二液体冷媒泵增压后与从所述次中压冷媒冷凝器出来的、增压后的低压液体冷媒在三通阀汇合后进入所述中压冷媒冷凝器，所述冷媒膨胀机将中压气体冷媒送入所述中压冷媒冷凝器，从所述次中压冷媒冷凝器出来的高压NG与增压后的次中压液体冷媒和增压后的低压液体冷媒的混合液、中压气体冷媒在所述中压冷媒冷凝器中进行热交换，中压气体冷媒热交换后变成中压液体冷媒进入所述第三液体冷媒泵进行增压；
[0020]所述冷媒气化器与三通阀、所述冷媒膨胀机相连，从所述中压冷媒冷凝器出来的高压液体冷媒以增压后的中压液体冷媒在三通阀汇合后进入所述冷媒气化器，加热气化为气态进入所述冷媒膨胀机做功；
[0021]所述高压天然气加热器分别与所述中压冷媒冷凝器、所述高压天然气过热器相连，从所述中压冷媒冷凝器出来的换热后的高压NG进入所述高压天然气加热器，与热媒水换热后一部分去往天然气管网，一部分去往高压天然气过热器进一步加热后送往所述天然气膨胀机进行循环发电。
[0022]进一步地，所述冷媒气化器、所述高压天然气加热器和所述高压天然气过热器采用热媒水换热。
[0023]进一步地，上述系统还包括热媒水与烟厂气的换热器，从所述热媒水与烟厂气的换热器出来的与烟气换热后的热媒水通过三通阀分别进入所述冷媒气化器、所述高压天然气过热器进行热交换，从所述冷媒气化器、所述高压天然气过热器出来的热媒水通过三通阀汇合后进入所述高压天然气加热器进行热交换，从所述高压天然气加热器出来的热媒水进一步进入所述热媒水与烟厂气的换热器进行热循环。
[0024]进一步地，上述系统所采用的冷媒为混合烃类。
[0025]本实用新型相对于现有技术，具有如下优点:
[0026]1、提高了 LNG冷量回收率，本实用新型设计了两种介质的朗肯循环系统，天然气介质可以直接用LNG气化后得到的天然气，无需另外购置，并且逐级利用了低压天然气、中压天然气、低压冷媒、次中压冷媒和中压冷媒与LNG换热，实现了 LNG冷能的逐级利用；
[0027]2、本实用新型的冷媒工质的朗肯循环，可以采用混合烃类作为冷媒，使得冷媒介质的液化曲线与LNG的气化曲线尽量接近，减少冷能回收过程中有效能损失，提高发电效率；
[0028]3、低温余热的回收利用，将燃气电厂的低温余热引入系统中，用来加热天然气和冷媒工质，提高天然气和低温冷媒工质进入透平膨胀机的温度，从而提高系统的发电效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。
[0030]图1为本实用新型一个实施例的利用液化天然气冷能发电的系统示意图。
[0031]图中标号说明:1，3，5是液化天然气泵；2是低压天然气冷凝器，4是中压天然气冷凝器；6是低压冷媒冷凝器；7，8，9是液体冷媒泵；10是冷媒气化器；11是高压天然气加热器；12是高压天然气过热器；13是冷媒膨胀机；14是天然气膨胀机；15是次中压冷媒冷凝器；16是中压冷媒冷凝器；17是热媒水与烟厂气的换热器。
[0032]相关物流作如下编号:101是增压后的液化天然气(LNG) ；102是与低压天然气换热后高压LNG ; 103是与中压天然气换热后的高压LNG ; 104是与低压冷媒换热后高压LNG气化后产生的高压NG ；105是与次中压冷媒蒸汽和高压液体冷媒换热后的高压NG ；106是与中压冷媒蒸汽和高压液体冷媒换热后的高压NG ；107是与热媒水换热后的高压NG ；108去往管网的高压NG ；109是用于循环发电的高压NG ; 110是与热媒水换热后的高压NG ;111是天然气透平膨胀机抽出的中压NG ；112是出透平膨胀机的低压NG ；113是出天然气冷凝器后的低压LNG ;114是液体NG增加后与高压LNG的混合物流；115是出天然气冷凝器后的中压LNG ；116是中压天然气冷凝器中流出的高压LNG与103的混合物流；201是与热媒水换热后的高压气体冷媒；202是中压气体冷媒；203是次中压气体冷媒；204是低压气体冷媒；205是低压液体冷媒；206是次中压液体冷媒；207是次中压液体冷媒增压后与205增压后的混合液体冷媒；208是中压液体冷媒；209是中压冷媒增压后与高压液体冷媒的混合液体冷媒；301是与高压NG换热的热媒水；302是与烟气换热后的热媒水；303是加热用来循环发电的高压NG的热媒水；304是用来加热低温冷媒的热媒水。
【具体实施方式】
[0033]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0034]图1为本实用新型一个实施例的利用液化天然气冷能发电的系统示意图，如图所示，该系统整个发电过程包括天然气介质朗肯循环和混合冷媒介质朗肯循环两个部分。
[0035]1、天然气介质朗肯循环
[0036]首先需气化的低温LNG经过LNG泵I之后增压至9?lOMPa，成为高压液体101，101与天然气透平膨胀机末端排出的112在天然气换热器2中发生换热，112液化为低压LNGl 13 ；113经过LNG泵3增压后与从2中出来的物流102等压混合形成物流114 ; 114与出天然气膨胀机中的中压NGlll发生换热后，中压NGlll被液化成中压LNG115，经增压后与103等压混合形成高压LNG混合物流116。高压LNG混合物流116在冷媒介质朗肯循环吸收了热量，全部气化成高压NG。再经过天然气加热器107的热媒水加热后，然后通过分流器分成用于循环发电的高压天然气介质109，其余的进入天然气管网108。108再次与热媒水换热后，进入天然气透平膨胀机中膨胀做功，膨胀机中间抽出的中压NGlll和膨胀机末端出口低压NG112。
[0037]2、冷媒介质朗肯循环
[0038]天然气介质朗肯循环中获得的高压LNG混合物流116在冷媒冷凝器6中与从冷媒透平膨胀机中末端出口排出的低压冷媒蒸汽204换热，吸收热量后高压LNG气化，然后进入次中压冷媒换热器；而低压冷媒蒸汽也吸收冷量后全部液化成205，增压后经过次中压冷媒换热器与刚才气化的高压NG以及次中压冷媒蒸汽203发生换热，次中压冷媒也成为液态冷媒206，经增压后变成中压液态冷媒，与高压液态冷媒混合后形成207在中压冷媒换热器中与高压NG105以及中压冷媒蒸汽202发生换热。中压冷媒蒸汽液化成208经增压后从中压冷媒换热器流程的液态冷媒混合形成高压液态冷媒209。高压液态冷媒经过冷媒加热器，全部气化成气态，然后进入透平膨胀机做功。
[0039]在整个发电过程中，热媒水与高温烟厂气发生换热后，分成两部分，一部分用来给冷媒加热器换热，另一部分用来给天然气介质朗肯循环中的加热器加热，然后两部分热媒水混合后与物流107发生换热后，返回与烟厂气再次换热。
[0040]本实用新型的上述方案是在现有联合法发电技术的基础上，进行提高LNG冷量发电效率的优化改进，包括天然气介质朗肯循环和混合冷媒工质的朗肯循环发电系统两个部分。两个循环中所涉及的低温热源，都可以采用60?80°C的热媒水，该热媒水可以是回收建于LNG接收站附近的燃气电厂烟气的余热后形成的。
[0041]本实用新型相对于现有技术，具有如下优点:
[0042]1、提高了 LNG冷量回收率，本实用新型设计了两种介质的朗肯循环系统，天然气介质可以直接用LNG气化后得到的天然气，无需另外购置，并且逐级利用了低压天然气、中压天然气、低压冷媒、次中压冷媒和中压冷媒与LNG换热，实现了 LNG冷能的逐级利用；
[0043]2、本实用新型的冷媒工质的朗肯循环，可以采用混合烃类作为冷媒，使得冷媒介质的液化曲线与LNG的气化曲线尽量接近，减少冷能回收过程中有效能损失，提高发电效率；
[0044]3、低温余热的回收利用，将燃气电厂的低温余热引入系统中，用来加热天然气和冷媒工质，提高天然气和低温冷媒工质进入透平膨胀机的温度，从而提高系统的发电效率。
[0045]本领域普通技术人员可以理解:附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。
[0046]本领域普通技术人员可以理解:实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
[0047]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种利用液化天然气冷能发电的系统，其特征在于，包括:第一 LNG泵、第二 LNG泵、第三LNG泵、低压天然气冷凝器、中压天然气冷凝器、低压冷媒冷凝器、第一液体冷媒泵、第二液体冷媒泵、第三液体冷媒泵、冷媒气化器、高压天然气加热器、高压天然气过热器、冷媒膨胀机、天然气膨胀机、次中压冷媒冷凝器和中压冷媒冷凝器，其中: 所述低压天然气冷凝器分别与所述第一 LNG泵、所述第二 LNG泵、所述天然气膨胀机相连，所述第一 LNG泵将进入其内的低温LNG增压至9?1MPa得到的高压LNG送入所述低压天然气冷凝器，所述天然气膨胀机将其末端排出的低压NG送入所述低压天然气冷凝器，该高压LNG和该低压NG在所述低压天然气冷凝器中进行热交换，热交换后的该低压NG被液化成低压LNG进入所述第二 LNG泵增压； 所述中压天然气冷凝器分别与三通阀、所述天然气膨胀机、所述第三LNG泵相连，经所述低压天然气冷凝器换热后的高压LNG与经所述第二 LNG泵增压后的液体NG在三通阀汇合后进入所述中压天然气冷凝器，所述天然气膨胀机抽出的中压NG进入所述中压天然气冷凝器，混合后的高压LNG与中压NG在所述中压天然气冷凝器中进行热交换，热交换后的中压NG被液化成中压LNG进入所述第三LNG泵增压； 所述低压冷媒冷凝器分别与三通阀、所述冷媒膨胀机、所述第一液体冷媒泵相连，经所述中压天然气冷凝器换热后的高压LNG与经所述第三LNG泵增压后的液体NG在三通阀汇合后进入所述低压冷媒冷凝器，所述冷媒膨胀机输出的低压气体冷媒进入所述低压冷媒冷凝器，混合后的高压LNG与低压气体冷媒在所述低压冷媒冷凝器中进行热交换，高压LNG气化产生高压NG，低压气体冷媒吸收冷量液化为低压液体冷媒并进入所述第一液体冷媒泵增压； 所述次中压冷媒冷凝器分别与所述低压冷媒冷凝器、所述第一液体冷媒泵、所述冷媒膨胀机、所述第二液体冷媒泵相连，气化后的高压NG进入所述次中压冷媒换热器，经所述第一液体冷媒泵增压后的高压液体冷媒进入所述次中压冷媒冷凝器，所述冷媒膨胀机输出的次中压气体冷媒进入所述次中压冷媒冷凝器，高压NG与增压后的低压液体冷媒、次中压气体冷媒发生热交换，次中压气体冷媒吸收冷能液化为次中压液体冷媒并进入所述第二液体冷媒泵增压； 所述中压冷媒冷凝器分别与三通阀、所述次中压冷媒冷凝器、所述冷媒膨胀机、所述第三液体冷媒泵相连，次中压液体冷媒经所述第二液体冷媒泵增压后与从所述次中压冷媒冷凝器出来的、增压后的低压液体冷媒在三通阀汇合后进入所述中压冷媒冷凝器，所述冷媒膨胀机将中压气体冷媒送入所述中压冷媒冷凝器，从所述次中压冷媒冷凝器出来的高压NG与增压后的次中压液体冷媒和增压后的低压液体冷媒的混合液、中压气体冷媒在所述中压冷媒冷凝器中进行热交换，中压气体冷媒热交换后变成中压液体冷媒进入所述第三液体冷媒泵进行增压； 所述冷媒气化器与三通阀、所述冷媒膨胀机相连，从所述中压冷媒冷凝器出来的高压液体冷媒以增压后的中压液体冷媒在三通阀汇合后进入所述冷媒气化器，加热气化为气态进入所述冷媒膨胀机做功； 所述高压天然气加热器分别与所述中压冷媒冷凝器、所述高压天然气过热器相连，从所述中压冷媒冷凝器出来的换热后的高压NG进入所述高压天然气加热器，与热媒水换热后一部分去往天然气管网，一部分去往高压天然气过热器进一步加热后送往所述天然气膨胀机进行循环发电。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷媒气化器、所述高压天然气加热器和所述高压天然气过热器采用热媒水换热。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括热媒水与烟厂气的换热器，从所述热媒水与烟厂气的换热器出来的与烟气换热后的热媒水通过三通阀分别进入所述冷媒气化器、所述高压天然气过热器进行热交换，从所述冷媒气化器、所述高压天然气过热器出来的热媒水通过三通阀汇合后进入所述高压天然气加热器进行热交换，从所述高压天然气加热器出来的热媒水进一步进入所述热媒水与烟厂气的换热器进行热循环。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所采用的冷媒为混合烃类。
【文档编号】F01K17/02GK204238992SQ201420614292
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年10月22日 优先权日:2014年10月22日
【发明者】王红, 郑雪枫, 吴笛, 穆长春, 张鹏 申请人:中国寰球工程公司