一种工质换热系统及其调控方法与流程

本发明涉及低温冷能发电系统，具体为一种工质换热系统及其调控方法。

背景技术：

1、lng(液化天然气)冷能发电系统是一种高效能源利用方式，其技术原理主要基于lng在气化过程中释放的大量冷能，冷却工质至远低于常温的温度，构建冷端温度更低的动力循环。在传统发电动力循环中，如水蒸汽朗肯循环，最高温度即为水蒸气的气态温度，最低温度即为冷凝器中水蒸气凝结后的环境温度左右，两个温度界限限制了做功介质的做功范围。而循环效率的计算遵循卡诺定理，效率的提高受制于循环最高温度和冷凝温度，因此，引入lng冷能后可以显著加大工质热端冷端温差，提高发电功率以及运行效率。在此过程中，lng本身吸热蒸发气化，同时也获得了能量，温度上升至0摄氏度以上，随后通入天然气管网。

2、但由于lng温度较低，通常在-162摄氏度左右，当前基本采用有机工质、二氧化碳、氨水等作为lng冷能发电的循环工质，而部分工质三相点温度在-100摄氏度以上，在换热器内被lng冷凝的过程中，很容易在lng流量突然波动的时候造成过冷，导致工质温度降低至三相点温度以下，直接凝华。凝华后的循环工质会堵塞换热器通道，造成压力失控，将会带来严重的安全问题，因此，如何快速实时的调控换热器运行工况，消除这一安全隐患，是低温冷能发电系统建设过程中要面临的一大挑战。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明提供了一种工质换热系统及其调控方法。

2、本发明提供了一种工质换热系统，包括：储气罐、储液罐和换热器，换热器具有冷流体区和热流体区，冷流体区内部流通有冷流体，热流体区内部流通有热流体，冷流体与热流体之间相互换热，冷流体流经冷流体区后升温气化，热流体以气态形式经储气罐流出，经过热流体区后被冷却为液体并以液态形式流入储液罐，热流体区包括相互独立设置的主流路换热区和旁路换热区，储气罐、主流路换热区和储液罐依次连接形成主流路，储气罐、旁路换热区和储液罐依次连接形成旁路流路。

3、根据上述技术方案，热流体分别流经相互独立设置的主流路换热区和旁路换热区，并共同与流经冷流体区的冷流体换热，通过调节主流路或旁路流路的流量能够对热流体总流量进行调整，从而维持换热器中冷流体与热流体之间的热量平衡，避免产生过冷或过热的情况。

4、可选地，冷流体区连接有外部冷源和地下管网，外部冷源提供冷流体，冷流体以液态形式通入冷流体区，经过吸热升温气化，以气态形式流出冷流体区后流入地下管网。

5、可选地，外部冷源与冷流体区之间设有流量传感器，通过流量传感器实时监测冷流体的流量。

6、根据上述技术方案，通过流量传感器对流入冷流体区的冷流体流量进行监测，能够便于根据冷流体流量对应调整热流体流量，维持换热器中冷流体与热流体之间的热量平衡。

7、可选地，旁路换热区与储液罐之间还设有电控阀门，电控阀门与流量传感器通信连接，电控阀门根据流量传感器的监测数据调整开度，调控旁路流路中的热流体流量。

8、根据上述技术方案，根据流量传感器的监测得到冷流体流量数据对应调整电动阀门的开度，即可对旁路流路中热流体流量进行快速调节，从而快速调节流经热流体区的热流体总流量，维持换热器中冷流体与热流体之间的热量平衡。

9、可选地，主流路换热区与储液罐之间还设有变频增压泵，变频增压泵与流量传感器通信连接，变频增压泵根据流量传感器的监测数据调整泵频，调控主流路中的热流体流量。

10、根据上述技术方案，根据流量传感器的监测得到冷流体流量数据对应调整变频增压泵的泵频，即可对主流路中热流体流量进行调节，从而调节流经热流体区的热流体总流量，维持换热器中冷流体与热流体之间的热量平衡。

11、可选地，冷流体区中流通的冷流体温度低于热流体区流通的热流体的三相点温度。

12、可选地，热流体为有机工质、二氧化碳或氨水。

13、本发明还提供了一种调控方法，应用于上述工质换热系统，包括以下步骤：冷流体流量监测步骤，通过流量传感器实时监测进入冷流体区的冷流体的流量；

14、热流体流量调控步骤，根据冷流体的流量变化通过控制电控阀门或变频增压泵调控热流体的流量。

15、根据上述技术方案，通过监测进入冷流体区的冷流体的流量，根据冷流体流量实时调节流经热流体区的热流体流量，能够维持换热器中冷流体与热流体之间的热量平衡，避免产生过冷或过热的情况。

16、在本发明提供的调控方法中，可选地，热流体流量调控步骤中，在冷流体的流量快速波动时，通过控制电控阀门调整旁路流路中的热流体流量，包括以下子步骤：

17、冷流体的流量稳定时，电控阀门保持预设开度，维持旁路流通面积不变，保持旁路流路中的热流体流量不变；

18、冷流体的流量快速减小时，电控阀门的开度减小，旁路流通面积减小，旁路流路中的热流体流量减小；

19、冷流体的流量快速增大时，电控阀门的开度增大，旁路流通面积增大，旁路流路中的热流体流量增大。

20、根据上述技术方案，在进入冷流体区的冷流体的流量快速波动时，通过调节电动阀门的开度能够快速调节旁路流路中的热流体流量，从而快速调节流经热流体区的热流体总流量，维持换热器中冷流体与热流体之间的热量平衡。

21、在本发明提供的调控方法中，可选地，热流体流量调控步骤中，在冷流体的流量缓慢波动时，通过控制变频增压泵调整主流路中的热流体流量，包括以下子步骤：

22、冷流体的流量稳定时，变频增压泵保持预设泵频，维持主流路流量不变；

23、冷流体的流量缓慢减小时，变频增压泵的泵频减小，主流路中的热流体流量减小；

24、冷流体的流量缓慢增大时，变频增压泵的泵频增大，主流路中的热流体流量增大。

25、根据上述技术方案，在进入冷流体区的冷流体的流量缓慢波动时，通过调节变频增压泵的泵频能够调节主流路中的热流体流量，使流经主流路的热流体流量跟随冷流体的流量进行缓慢调节，从而调节流经热流体区的热流体总流量，维持换热器中冷流体与热流体之间的热量平衡。

技术特征：

1.一种工质换热系统，其特征在于，包括：储气罐、储液罐和换热器，所述换热器具有冷流体区和热流体区，

2.根据权利要求1所述的工质换热系统，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的工质换热系统，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的工质换热系统，其特征在于，

5.根据权利要求3所述的工质换热系统，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的工质换热系统，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的工质换热系统，其特征在于，

8.一种调控方法，应用于如权利要求1～7任一项所述的工质换热系统，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的调控方法，其特征在于，所述热流体流量调控步骤中，在所述冷流体的流量快速波动时，通过控制所述电控阀门调整旁路流路中的热流体流量，包括以下子步骤：

10.根据权利要求8所述的调控方法，其特征在于，所述热流体流量调控步骤中，在所述冷流体的流量缓慢波动时，通过控制所述变频增压泵调整主流路中的热流体流量，包括以下子步骤：

技术总结
本发明提供了一种工质换热系统及其调控方法。系统包括：储气罐、储液罐和换热器，换热器具有冷、热流体区，热流体区包括相互独立设置的主流路换热区和旁路换热区，储气罐、主流路换热区和储液罐连接形成主流路，储气罐、旁路换热区和储液罐连接形成旁路流路。热流体流经主流路换热区和旁路换热区，共同与流经冷流体区的冷流体换热，通过调节主流路或旁路流路的流量能够调整热流体总流量，从而维持换热器中冷流体与热流体的热量平衡，避免过冷或过热。另外，通过本发明的调控方法，可根据冷流体流量快速波动或缓慢波动对应通过电动阀门或变频增压泵调控热流体流量，从而在各工况下均能实现换热器内的热量平衡。

技术研发人员：杨晓明,肖刚,陈谦,祝培旺,郑星伟,武祎,许开城,李雅娴
受保护的技术使用者：浙江浙能温州液化天然气有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/2/24