專利名稱：一種液化天然氣冷能的能量梯級綜合利用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于液化天然氣(LNG)冷能利用領(lǐng)域，具體涉及一種液化天然氣冷能的能量梯級綜合利用方法。
背景技術(shù)：
制冷行業(yè)是耗能大戶，目前制冷設(shè)備所消耗的電能約占全世界生產(chǎn)電能的15%左 右，如何降低制冷行業(yè)的能源消耗是節(jié)能減排的一個重要課題。為了優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，減少二氧化碳排放，我國開始大規(guī)模地開發(fā)和利用天然氣。目前，我國已在廣東、福建、浙江、上海、江蘇、山東、河北、遼寧等沿海地區(qū)規(guī)劃和建設(shè)了多個液化天然氣(LNG)站線項(xiàng)目。據(jù)海關(guān)總署公布數(shù)據(jù)顯示，2010年我國共進(jìn)口了 936萬噸LNG，預(yù)計到2015年我國的LNG進(jìn)口量將達(dá)到4000萬噸。進(jìn)口的LNG是一種-162°C的常壓低溫液體，需要利用泵將LNG增壓到7 10MPa (絕對壓力，下文出現(xiàn)的壓力均為絕對壓力)后，經(jīng)加熱汽化才能進(jìn)入燃?xì)夤芫W(wǎng)供應(yīng)給下游用戶使用。LNG攜帶的冷能是一種非常清潔的綠色能源，不僅可以利用自身的冷能從LNG中分離回收輕烴資源，為乙烯工業(yè)提供優(yōu)質(zhì)原料，而且LNG冷能可用于空氣分離、廢舊橡膠低溫粉碎、冷能發(fā)電、低溫冷庫和CO2捕集等方面，可以節(jié)省大量制冷所需的能耗。LNG接收站和大型低溫冷庫一般都設(shè)在港口附近，將LNG冷能供給冷庫使用，不僅可以為冷庫節(jié)省制冷機(jī)的初始投資和運(yùn)行費(fèi)用，還可以節(jié)約1/3以上的電力消耗。目前，國內(nèi)外有很多的接收站都建設(shè)了利用LNG冷能供冷的大型冷庫，如日本神奈川縣根岸LNG基地的金槍魚超低溫冷庫，自1976年開始營業(yè)至今效果良好。國內(nèi)外已經(jīng)公布或者采用的利用LNG冷能供冷的冷庫工藝主要包括(I)中國實(shí)用新型專利ZL200420114636. O提出了一種采用環(huán)保制冷劑R410A為中間冷媒回收LNG冷能用于低溫冷庫的制冷裝置，該裝置利用R410A蒸汽與LNG換熱，R410A吸收冷能后全部液化，然后再送到冷庫庫房中蒸發(fā)供冷，工藝流程如圖I所示。該方法采用制冷劑的相變來回收和利用LNG冷能，但由于制冷劑的冷凝溫度遠(yuǎn)高于LNG，換熱過程的有效能損失較大，冷能利用效率較低。(2)華南理工大學(xué)(唐賢文，楊澤亮.LNG衛(wèi)星站中的冷能應(yīng)用于冷庫設(shè)計的探討.中山大學(xué)學(xué)報論叢，2007年第27卷第二期)提出了一種利用乙醇為冷媒回收LNG冷能用于冷庫供冷的方法，該方法是利用非相變冷媒的顯熱來回收利用LNG的冷能。由于乙醇液體吸收LNG冷能溫度降低，在冷庫庫房釋放冷能溫度升高。由于冷庫所需的溫度一般在_50°C以上，利用_162°C的LNG直接為冷庫供冷的有效能損失較大，冷能利用效率只有30%左右。(3)中國發(fā)明專利ZL00128935. 7提出了一種液化天然氣氣化時冷量的利用方法，采用循環(huán)水為冷媒與LNG換熱回收冷能，然后降溫后的循環(huán)水作為空調(diào)的制冷源向建筑物供冷。由于水的冰點(diǎn)為0°C，循環(huán)水與_162°C的LNG換熱容易造成水分凍結(jié)引發(fā)堵塞，而且空調(diào)供冷溫度一般在5 18°C之間，直接利用LNG冷能會造成很大的有效能損失。
(4)中國發(fā)明專利ZL03114438. I提出了一種利用液化天然氣冷量的汽車空調(diào)器，設(shè)計了一個以乙二醇水溶液作冷媒的冷能回收蓄冷系統(tǒng)，但乙二醇凝固點(diǎn)溫度還是較高，仍然有可能出現(xiàn)冷媒凍結(jié)堵塞的危險，并且利用_162°C的LNG冷能作為空調(diào)供冷，有效能損失較大。上述這些利用LNG冷能為冷庫供冷或者作為空調(diào)供冷的技術(shù)，都存在傳熱溫差太大，冷能的有效能損失大，利用效率低等缺點(diǎn)。為了提高冷能利用效率，需要與其它冷能利用方式進(jìn)行集成。(5)中國發(fā)明專利ZL201010123728.5提出了一種提高液化天然氣冷能發(fā)電效率的集成優(yōu)化方法，該專利將冷能發(fā)電和空調(diào)供冷進(jìn)行了集成，LNG冷能首先通過冷媒朗肯循環(huán)發(fā)電，然后剩余的淺冷部分冷能通過冰水系統(tǒng)向建筑物供應(yīng)空調(diào)冷能，從而提高LNG冷能的利用效率。從上述現(xiàn)有的報道可知，單一的低溫冷庫利用LNG冷能技術(shù)主要是存在有效能損失大，冷能利用效率低等方面的缺點(diǎn)。一般情況下，冷庫只需要_50°C以上溫度的冷能，而直 接利用-162°C的LNG冷能必然存在大量的有效能損失。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有的天然氣冷能利用方法對冷能利用效率低的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種液化天然氣冷能的能量梯級綜合利用方法，該方法是按照能量梯級利用的原則設(shè)計的，本發(fā)明的方法可以利用LNG冷能向冷庫提供庫房所需的冷能、建筑物所需的空調(diào)冷能，以及冷凍產(chǎn)品加工和照明所需的電能。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種液化天然氣冷能的能量梯級綜合利用方法，首先是運(yùn)用朗肯循環(huán)發(fā)電將深冷部分的LNG冷能轉(zhuǎn)換為電能；然后利用冷媒將中冷部分的LNG冷能回收用于冷庫庫房供冷，同時，通過控制朗肯循環(huán)發(fā)電過程中發(fā)電工質(zhì)的汽化壓力，使液體發(fā)電工質(zhì)汽化釋放出來的冷能可以與冷庫庫房所需冷能的溫度匹配，將發(fā)電工質(zhì)高壓汽化釋放的冷能作為冷庫庫房供冷的冷源；接著，將淺冷部分的LNG冷能回收作為冷庫廠區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的冷源，向冷庫產(chǎn)品加工車間、辦公建筑和倉儲庫房等供冷。具體地，所述的液化天然氣冷能的能量梯級綜合利用方法包括以下步驟(I)發(fā)電工質(zhì)吸收液化天然氣冷能液化將常壓的液化天然氣加壓至7-10MPa，成為高壓LNG，溫度約為-156 _145°C ;高壓LNG在發(fā)電工質(zhì)冷凝器中與發(fā)電工質(zhì)蒸汽換熱，發(fā)電工質(zhì)吸收LNG的冷能后全部液化；(2)朗肯循環(huán)發(fā)電液化后的發(fā)電工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵增壓后，進(jìn)入冷媒冷凝器中與冷庫冷媒換熱，發(fā)電工質(zhì)等壓汽化釋放出冷能后，再利用低溫?zé)嵩磳⑵浼訜嶂?0°c以上，然后進(jìn)入透平膨脹機(jī)中膨脹做功，并帶動發(fā)電機(jī)組發(fā)電；膨脹后的發(fā)電工質(zhì)蒸汽重新回到工質(zhì)冷凝器中與LNG換執(zhí).(3)發(fā)電工質(zhì)汽化供冷在冷媒冷凝器中吸收了發(fā)電工質(zhì)冷能的冷庫冷媒通過冷媒泵被輸送到冷庫庫房；在庫房內(nèi)，液體冷媒等壓汽化，釋放出來的冷能用于庫房產(chǎn)品的冷凍、冷藏；
(4)液化天然氣冷能供冷在步驟(I)中與發(fā)電工質(zhì)換熱后的LNG全部汽化為天然氣，溫度升高；為滿足冷庫庫房對其它溫度冷能的需求，按照露點(diǎn)從低到高，利用多股不同壓力的冷庫冷媒依次與低溫天然氣換熱；冷庫冷媒吸收冷能后全部液化，再通過冷媒泵輸送到相應(yīng)的冷庫庫房進(jìn)行蒸發(fā)供冷；冷庫冷媒的蒸發(fā)壓力通過調(diào)節(jié)冷庫冷媒泵的輸送壓力來控制，使進(jìn)入不同庫房的冷媒的蒸發(fā)溫度與庫房的需求一致；(5)利用液化天然氣冷能向冷庫廠區(qū)空調(diào)供冷步驟(4)中低溫天然氣與冷庫冷媒換熱后，溫度升高至-3(T0°C，從供冷建筑返回的空調(diào)冷凍水與低溫天然氣換熱，空調(diào)冷凍水回收低溫天然氣的冷能后溫度降低至:T7°C，然后通過冷凍水泵輸送到冷庫廠區(qū)內(nèi)的加工車間、辦公建筑和倉儲庫房等地，用于建筑物的空調(diào)供冷；供冷后，冷凍水回水溫度升高至12 20°C，然后再返回到天然氣/冷凍水換熱器中與低溫天然氣換熱，形成空調(diào)供冷循環(huán)； (6)天然氣加熱當(dāng)空調(diào)負(fù)荷較小或者冬季無需供冷時，低溫天然氣經(jīng)過天然氣/冷凍水換熱器后，溫度仍低于5°C，此時再通過天然氣加熱器，利用低溫?zé)嵩磳⑻烊粴饧訜嶂?°C以上，然后再進(jìn)入天然氣管網(wǎng)。所述的發(fā)電工質(zhì)為乙烷、乙烯或三氟一氯甲烷(R13)。所述的冷庫冷媒為氨、二氟乙烷(R152A)、四氟乙烷(R134a)或氟利昂R410A。所述的空調(diào)冷凍水為水或乙二醇水溶液。步驟(2)所述的朗肯循環(huán)發(fā)電可以是一個，一般選擇溫度較低、冷能需求最大的庫房與朗肯循環(huán)進(jìn)行集成；如果多個庫房的冷能負(fù)荷需求均較大，可以設(shè)置兩個朗肯循環(huán)與其中溫度較低、冷能需求較大的兩個庫房進(jìn)行集成，兩個朗肯循環(huán)的發(fā)電工質(zhì)可以相同，也可以不同。當(dāng)在步驟(2)中構(gòu)建兩個朗肯循環(huán)時，LNG先與露點(diǎn)溫度較低的發(fā)電工質(zhì)蒸汽換熱，再與露點(diǎn)溫度較高壓力的發(fā)電工質(zhì)蒸汽換熱。朗肯循環(huán)中發(fā)電工質(zhì)的蒸發(fā)溫度分別與不同的冷庫庫房所需的溫度對應(yīng)，并且發(fā)電工質(zhì)的蒸發(fā)溫度比對應(yīng)的冷庫庫房所需冷能的溫度低3 10°C。在步驟(3)中，發(fā)電工質(zhì)的汽化溫度是通過調(diào)節(jié)工質(zhì)泵的輸出壓力來控制，而冷媒在庫房的蒸發(fā)溫度是通過控制冷媒泵的輸出壓力來調(diào)節(jié)。步驟(2)、(6)中所述的低溫?zé)嵩礊楹Ｋ?、空氣或熱水。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果(I)本發(fā)明的冷能利用方法是基于能量梯級利用的原理，LNG冷能中深冷部分用于冷能發(fā)電，中冷部分用于冷庫庫房供冷，而淺冷部分用于空調(diào)供冷，實(shí)現(xiàn)了 LNG冷能的高效梯級利用，滿足大型冷庫對電能和冷能的需求。本發(fā)明通過系統(tǒng)集成，可以使液化天然氣冷能按照溫度從低到高逐級用于發(fā)電、冷庫庫房供冷和廠區(qū)空調(diào)供冷，實(shí)現(xiàn)冷能的梯級利用，使液化天然氣冷能在低溫冷庫中的高效利用。(2)本發(fā)明通過控制朗肯循環(huán)中發(fā)電工質(zhì)的汽化壓力，使得液體發(fā)電工質(zhì)汽化釋放出來的冷能可以與冷庫庫房所需冷能的溫度匹配，可以利用發(fā)電工質(zhì)高壓汽化釋放的冷能向冷庫庫房供冷。常規(guī)利用LNG冷能發(fā)電的朗肯循環(huán)的有效能利用效率只有2(Γ30%，而本發(fā)明由于回收發(fā)電工質(zhì)汽化釋放出來的冷能，朗肯循環(huán)中冷能的有效能利用效率可以達(dá)到40 50%左右。(3)本發(fā)明中LNG的冷能得到了梯級利用，并且為冷庫提供了電能、庫房所需的冷能，以及加工車間等建筑物所需的空調(diào)冷能，LNG冷能的有效能利用效率可以達(dá)到4(Γ50%，而常規(guī)的冷能發(fā)電朗肯循環(huán)效率約為26 31%，而在直接利用LNG冷能的冷庫中，冷能的有效能利用效率一般也是在3(Γ40%之間，本發(fā)明可以大幅提高冷庫中LNG冷能的有效能利用效率。


圖I是現(xiàn)有的LNG冷能利用方法的操作流程圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例I的LNG冷能利用方法的工作流程圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例2的LNG冷能利用方法的工作流程圖；其中1-液化天然氣泵；2，18-發(fā)電工質(zhì)冷凝器；14，3，4，5_冷媒冷凝器；6_天然氣/冷凍水換熱器；7，15-天然氣加熱器；8，9，10, 11-冷媒泵；12-冷凍水泵；13，19-發(fā)電工質(zhì)泵；15，20-發(fā)電工質(zhì)過熱器；16，21-透平膨脹機(jī)；17，22-發(fā)電機(jī)組。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參數(shù)，可參照常規(guī)技術(shù)進(jìn)行。實(shí)施例I—種液化天然氣冷能的能量梯級綜合利用方法，其工藝流程如圖2所示。接收站的液化天然氣(LNG)摩爾組成為甲烷96. 64%，乙烷2. 77%，丙烷O. 34%，異丁烷O. 07%, 丁烷O. 08%,氮O. 10% ;低溫冷庫共計三個庫房，庫房A的溫度為_40°C，冷負(fù)荷為6. 8麗；庫房B的溫度為_28°C，冷負(fù)荷6. 1麗；庫房C的溫度_15°C，冷負(fù)荷I. 4MW ;加工車間、辦公建筑和倉儲庫房的空調(diào)冷負(fù)荷為2. 0MW。冷庫共計利用的LNG為85. Ot/h，朗肯循環(huán)選擇的發(fā)電工質(zhì)為乙燒，冷庫冷媒選用的是環(huán)保制冷劑R410A(二氟甲烷和五氟乙烷等質(zhì)量混合物)。冷庫中庫房A、B的冷負(fù)荷均較大，從其中選擇溫度較低的庫房A與朗肯循環(huán)發(fā)電進(jìn)行集成。LNG冷能利用的具體步驟如下(I)發(fā)電工質(zhì)吸收液化天然氣冷能液化利用液化天然氣(LNG)泵I將常壓、85t/h、-162°C的LNG增壓至10. OMPa，增壓后的高壓LNG溫度上升至-155. (TC，然后進(jìn)入發(fā)電工質(zhì)冷凝器2中與發(fā)電工質(zhì)換熱。發(fā)電工質(zhì)為乙烷氣體，從透平膨脹機(jī)16中返回的46. 8t/h、-37. 0°C、0. 14MPa乙烷蒸汽在發(fā)電工質(zhì)冷凝器2中吸收LNG的冷能而全部液化，成為-82. 5°C的低溫液體。(2)朗肯循環(huán)發(fā)電步驟(I)得到的46.8t/h、_82. 5°C、0. 14MPa的乙烷液體經(jīng)發(fā)電工質(zhì)泵13將壓力提升至O. 64MPa，工質(zhì)泵13的功耗16. 3kff ;乙烷液體增壓后進(jìn)入冷媒冷凝器14中與從冷庫庫房A返回的92. Ot/h冷庫冷媒R410A換熱，乙烷液體在O. 64MPa下等壓汽化，釋放出冷能約6. 8麗，變成乙烷蒸汽；在發(fā)電工質(zhì)過熱器15中，利用LNG接收站附近的燃?xì)怆姀S排放的廢熱(如循環(huán)冷凝水或煙氣)加熱得到的3(T40°C低溫?zé)崴?，將乙烷蒸汽進(jìn)一步加熱至15°C，然后過熱的乙烷蒸汽進(jìn)入透平膨脹機(jī)16中膨脹做功并帶動發(fā)電機(jī)組17發(fā)電；乙烷在輸送、汽化和加熱過程的壓力損失約為O. 02MPa，進(jìn)入透平膨脹機(jī)16的乙烷蒸汽壓力約為O. 62MPa，透平膨脹機(jī)16的等熵效率為O. 7，機(jī)械效率為O. 95，乙烷蒸汽膨脹至O. 14MPa可輸出的機(jī)械功為864. 3kW。通過與庫房A進(jìn)行集成，朗肯循環(huán)發(fā)電機(jī)組可向冷庫提供凈功約848kW。(3)發(fā)電工質(zhì)汽化供冷步驟(2)中從冷庫庫房返回的92. Ot/h,-40. 0°C、0. 17MPa的R410A蒸汽在冷媒冷凝器14中與46. 8t/h、-82. 5°C的液體乙烷換熱，R410A吸收乙烷汽化釋放出來的冷能而全部液化，然后R410A液體再經(jīng)冷媒泵8輸送到冷庫庫房A中在O. 17MPa下進(jìn)行等壓汽化，釋放出的冷能用于庫房內(nèi)食品的冷凍，共計可提供_40°C的冷能約6. 8MW。
(4)液化天然氣冷能供冷在步驟(I)中，LNG與發(fā)電工質(zhì)進(jìn)行換熱后而全部汽化為天然氣，溫度升高至-76. 8°C，成為低溫天然氣；為滿足冷庫庫房B、C的冷能需求，低溫天然氣依次在冷媒冷凝器3和冷媒冷凝器4中與冷庫冷媒換熱；在冷媒冷凝器3中，85. Ot/h、-76. 9°C、10. OMPa低溫天然氣與從庫房B返回的85. 3t/h、-28°C、0. 29MPa的R410A蒸汽進(jìn)行換熱，此股R410A蒸汽吸收冷能后全部液化，然后通過冷媒泵9輸送到庫房B中在O. 29MPa下進(jìn)行等壓汽化，向庫房B提供-28°C的冷能約6. 1麗；從冷媒冷凝器3中流出的低溫天然氣溫度升高至-31. 4°C，然后進(jìn)入冷媒冷凝器4中與從庫房C中返回的20. 5t/h、-15. 0°C、0. 49MPa的R410A蒸汽進(jìn)行換熱，該股R410A吸收冷能后全部液化后經(jīng)冷媒泵10輸送到庫房C內(nèi)在
0.49MPa下等壓汽化，向庫房C提供_15°C的冷能I. 4MW。(5)利用液化天然氣冷能的冷庫廠區(qū)空調(diào)供冷步驟(4)中從冷媒冷凝器4中輸出的85. 0t/h、10MPa低溫天然氣溫度升高至-17. 8°C，在天然氣/冷凍水換熱器6中，該低溫天然氣與從供冷建筑返回的172. Ot/h、15°C的空調(diào)冷凍水換熱，空調(diào)冷凍水回收低溫天然氣的冷能后溫度降低至5°C，然后通過冷凍水泵12輸送到冷庫廠區(qū)內(nèi)的加工車間、辦公建筑和倉儲庫房等地，可向這些建筑物提供空調(diào)供冷約2. 0MW。供冷后，冷凍水回水溫度升高至15°C，然后再返回到天然氣/冷凍水換熱器6中與低溫天然氣換熱，形成空調(diào)供冷循環(huán)。(6)天然氣加熱在步驟(5)中，低溫天然氣在天然氣/冷凍水換熱器6中換熱后，天然氣溫度升高至5. 8°C，此時天然氣可以直接進(jìn)入高壓天然氣管網(wǎng)。由于空調(diào)負(fù)荷受天氣溫度影響較大，當(dāng)空調(diào)負(fù)荷較小或者冬季無需供冷時，低溫天然氣經(jīng)過天然氣/冷凍水換熱器6后，溫度仍低于5°C，此時再通過天然氣加熱器7，利用海水或者燃?xì)怆姀S廢熱生產(chǎn)的3(T40°C的低溫?zé)崴畬⑻烊粴饧訜嶂?°C以上，然后再進(jìn)入天然氣管網(wǎng)。根據(jù)本實(shí)施例的操作，利用85. 0t/h、_155°C、10. OMPa的LNG可向低溫冷庫的庫房A提供-40°C的冷能6. 8MW,向庫房B提供-28 V的冷能6. 1MW,向庫房C提供-15°C的冷能
1.4MW,向冷庫廠區(qū)內(nèi)的加工車間、辦公建筑和倉儲庫房等建筑提供空調(diào)冷能2. 0MW,同時通過冷能發(fā)電可向冷庫提供動力約848kW。通過計算,采用本實(shí)施例的方法在冷庫中LNG冷能的有效能利用效率可達(dá)到44. 0%。采用現(xiàn)有直接利用LNG冷能進(jìn)行冷庫供冷的方法，如圖I所示的操作流程，向冷庫的A、B、C三個庫房提供相同的冷能和向加工車間、辦公建筑和倉儲庫房提供等量的空調(diào)冷能，需要利用_155°C、10. OMPa的LNG約83. Ot/h, LNG冷能的有效能利用效率為34. 7%。采用本實(shí)施例的方法，可以使LNG冷能的有效能利用效率提高9. 3%，并且可以為冷庫的加工生產(chǎn)和照明等提供電力。實(shí)施例2一種液化天然氣冷能的能量梯級綜合利用方法，其工藝流程如圖3所示。接收站的液化天然氣(LNG)摩爾組成為甲烷96. 64%，乙烷2. 77%，丙烷O. 34%，異丁烷O. 07%，丁烷O. 08%，氮O. 10% ;冷庫共計四個庫房，庫房A的溫度為_45°C，冷負(fù)荷為5. 3麗，庫房B的溫度為-28°C，冷負(fù)荷6. I麗，庫房C的溫度-15°C，冷負(fù)荷4. 8麗，庫房D的溫度_5°C，冷負(fù)荷I. 3麗；加工車間、辦公建筑和倉儲庫房的空調(diào)冷負(fù)荷為I. 4MW。低溫冷 庫共計利用的LNG為85. Ot/h，冷能發(fā)電選擇的發(fā)電工質(zhì)為乙烯，冷庫冷媒選用的是環(huán)保制冷劑R410A (二氟甲烷和五氟乙烷等質(zhì)量混合)。該冷庫中庫房A、B、C的冷負(fù)荷均較大，從其中選擇溫度較低的庫房A和B與朗肯循環(huán)發(fā)電進(jìn)行集成。LNG冷能利用的具體步驟如下(I)發(fā)電工質(zhì)吸收液化天然氣冷能液化利用液化天然氣(LNG)泵I 將 100t/h、0. IMPa, _162°C 的 LNG 增壓至 10. OMPaJI壓后的高壓LNG溫度上升至-155. (TC，然后依次進(jìn)入發(fā)電工質(zhì)冷凝器2和18中與發(fā)電工質(zhì)換熱。發(fā)電工質(zhì)為乙烯氣體，在發(fā)電工質(zhì)冷凝器2中，36. 3t/h、-71.0°C、0. IOMPa的乙烯氣體與LNG換熱，吸收LNG的冷能后全部液化，成為-104. 2°C的乙烯液體。從發(fā)電工質(zhì)冷凝器2流出的LNG溫度上升至-103. (TC，然后進(jìn)入發(fā)電工質(zhì)冷凝器18中與54. Ot/h、O. 88MPa、-18. (TC的乙烯氣體換熱，該股乙烯氣體吸收LNG的冷能全部液化，成為-56. 2°C的乙烯液體。(2)朗肯循環(huán)發(fā)電步驟(I)中從發(fā)電工質(zhì)冷凝器2中輸出的36. 3t/h、_104. 2°C、0. IMPa的乙烯液體經(jīng)發(fā)電工質(zhì)泵13將壓力從O. IOMPa增壓至I. 06MPa，工質(zhì)泵13的功耗22. 6kW，增壓后的乙烯液體進(jìn)入冷媒冷凝器14中與70. 4t/h、-45. 0°C、0. 13MPa的冷庫冷媒R410A換熱，乙烯液體等壓汽化后變成乙烯蒸汽，然后在發(fā)電工質(zhì)過熱器15中利用LNG接收站附近的燃?xì)怆姀S排放的廢熱加熱得到的3(T40°C低溫?zé)崴畬⒁蚁┱羝訜嶂?5°C，然后進(jìn)入透平膨脹機(jī)16中膨脹做功并帶動發(fā)電機(jī)組17發(fā)電；由于乙烯流體在汽化和加熱過程的壓力損失約為O. 02MPa，進(jìn)入透平膨脹機(jī)16的乙烯蒸汽壓力約為I. 04MPa，透平膨脹機(jī)16的等熵效率為O. 7，機(jī)械效率為O. 95，乙烯蒸汽膨脹至O. IOMPa可輸出的機(jī)械功為988. 7kW。而從發(fā)電工質(zhì)冷凝器18中輸出的54. Ot/h、-56. 2°C、0. 88MPa的乙烯液體經(jīng)發(fā)電工質(zhì)泵19增壓至I. 80MPa，發(fā)電工質(zhì)泵19的功耗37. 2kff,增壓后的乙烯液體進(jìn)入冷媒冷凝器3中與85. 3t/h、-28. (TC、O. 28MPa的R4IOA換熱，乙烯液體等壓汽化后變成乙烯蒸汽，然后在發(fā)電工質(zhì)過熱器20中利用LNG接收站附近的燃?xì)怆姀S排放的廢熱加熱得到的3(T40°C的低溫?zé)崴畬⒁蚁┱羝訜嶂?5°C，然后進(jìn)入透平膨脹機(jī)21中膨脹做功并帶動發(fā)電機(jī)組22發(fā)電；由于乙烯流體在汽化和加熱過程的壓力損失約為O. 02MPa，進(jìn)入透平膨脹機(jī)21中的乙烯蒸汽壓力約為I. 78MPa，透平膨脹機(jī)21的等熵效率為O. 7，機(jī)械效率為O. 95，乙烯蒸汽膨脹至O. 88MPa可輸出的機(jī)械功為493. 3kW。與庫房A和庫房B集成的兩個朗肯循環(huán)發(fā)電裝置共計可向外輸出凈功約1422. 2kff0(3)發(fā)電工質(zhì)汽化供冷
步驟(2)中在冷媒冷凝器14中從冷庫庫房返回的70. 4t/h、-45. 0°C、0. 13MPa的R410A蒸汽與36. 3t/h、-104. 2°C、1. 06MPa的液體乙烯換熱，這股R410A蒸汽吸收乙烯汽化釋放出來的冷能而全部液化，然后R410A液體再經(jīng)冷媒泵8輸送到冷庫庫房A中在O. 13MPa下等壓汽化，釋放出的冷能用于庫房A內(nèi)食品的冷凍，共計可提供_45°C的冷能約5. 3MW。而在冷媒冷凝器3中從冷庫庫房返回的85. 3t/h、_28. 0°C、0. 28MPa的R410A蒸汽與54. Ot/h、-56. 2°C、1. 80MPa的液體乙烯換熱，這股R410A蒸汽吸收乙烯汽化釋放出來的冷能而全部液化，然后R410A液體再經(jīng)冷媒泵9輸送到冷庫庫房B中在O. 28MPa下等壓汽化，釋放出的冷能用于庫房B內(nèi)食品的冷凍，共計可提供_28°C的冷能約6. 1麗。(4)液化天然氣冷能供冷在步驟(I)中，LNG在發(fā)電工質(zhì)冷凝器18中乙烯氣流換熱后而全部汽化為天然氣，溫度升高至-53. 6°C，成為低溫天然氣；為滿足冷庫庫房C、D的冷能需求，低溫天然氣依次在冷媒冷凝器4和5中與冷庫冷媒R410A換熱；在冷媒冷凝器4中，100. Ot/h、-53. 6V低溫天然氣與70. 5t/h、-15°C、0. 46MPa的R410A蒸汽進(jìn)行換熱，此股R410A蒸汽吸收冷能后全部液化，然后通過冷媒泵10輸送到庫房C中在O. 46MPa壓力下等壓汽化，向庫房C提供-28°C的冷能約4. 8MW ;從冷媒冷凝器4中流出的低溫天然氣溫度升高至-20. 8°C，然后進(jìn)入冷媒冷凝器5中與20. Ot/h,-5. (TC、0. 65MPa的R410A蒸汽進(jìn)行換熱，該股R410A吸收冷能后全部液化后經(jīng)冷庫冷媒泵11輸送到冷庫庫房D內(nèi)在O. 65MPa下等壓汽化，向庫房D提供_5°C的冷能I. 3麗。(5)利用液化天然氣冷能的冷庫廠區(qū)空調(diào)供冷步驟(4)中從冷媒冷凝器5中流出的100. Ot/h低溫天然氣溫度升高至-8. 6°C，在天然氣/冷凍水換熱器6中，-8. 6°C的低溫天然氣與從供冷建筑返回的120. 0t/h、15°C的空調(diào)冷凍水換熱，空調(diào)冷凍水回收低溫天然氣的冷能后溫度降低至5°C，然后通過冷凍水泵12輸送到冷庫廠區(qū)內(nèi)的加工車間、辦公建筑和倉儲庫房等地，可向這些建筑物提供空調(diào)供冷約1.4MW。供冷后，冷凍水回水溫度升高至15°C，然后再返回到天然氣/冷凍水換熱器6中與低溫天然氣換熱，形成空調(diào)供冷循環(huán)。(6)天然氣加熱在步驟(5)中，低溫天然氣在天然氣/冷凍水換熱器6中換熱后，天然氣溫度升高至5. 9°C，此時天然氣可以直接進(jìn)入高壓天然氣管網(wǎng)。由于空調(diào)負(fù)荷受天氣溫度影響較大，當(dāng)空調(diào)負(fù)荷較小或者冬季無需供冷時，低溫天然氣經(jīng)過天然氣/冷凍水換熱器6后，溫度仍低于5°C，此時再通過天然氣加熱器7，利用海水或者周邊燃?xì)怆姀S廢熱生產(chǎn)的3(T40°C的低溫?zé)崴畬⑻烊粴饧訜嶂?°C以上，然后再進(jìn)入天然氣管網(wǎng)。根據(jù)本實(shí)施例的操作，利用100t/h、-155°C、10. OMPa的LNG可向低溫冷庫的庫房A提供-45°C的冷能5. 3MW,向庫房B提供-28 V的冷能6. 1MW,向庫房C提供-15°C的冷能
4.8MW,向庫房D提供-5°C的冷能I. 3MW,向冷庫廠區(qū)內(nèi)的加工車間、辦公建筑和倉儲庫房等建筑提供空調(diào)冷能I. 4MW,同時通過冷能發(fā)電可向冷庫提供1422. 4kff電力。通過計算，采用本實(shí)施例的方法LNG冷能的有效能利用效率可達(dá)到45. 7%。采用現(xiàn)有直接利用LNG冷能進(jìn)行冷庫供冷的方法，如圖I所示的操作流程，向冷庫的A、B、C、D四個庫房提供相同的冷能和向加工車間、辦公建筑和倉儲庫房提供等量的空調(diào)冷能，需要利用_155°C、10. OMPa的LNG約95. 6t/h，LNG冷能的有效能利用效率為31. 2%。由此可見，采用本實(shí)施例的方法可以使LNG冷能在冷庫中的有效能利用效率提高14. 5%，并且可以為冷庫的加工生產(chǎn)和照明等提供電力。
上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種液化天然氣冷能的能量梯級綜合利用方法，其特征在于包括以下步驟 首先是運(yùn)用朗肯循環(huán)發(fā)電將深冷部分的LNG冷能轉(zhuǎn)換為電能；然后利用冷媒將中冷部分的LNG冷能回收用于冷庫庫房供冷，同時，通過控制朗肯循環(huán)發(fā)電過程中發(fā)電工質(zhì)的汽化壓力，使液體發(fā)電工質(zhì)汽化釋放出來的冷能與冷庫庫房所需冷能的溫度匹配，將發(fā)電工質(zhì)高壓汽化釋放的冷能作為冷庫庫房供冷的冷源；接著，將淺冷部分的LNG冷能回收作為冷庫廠區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的冷源，向冷庫產(chǎn)品加工車間、辦公建筑和倉儲庫房供冷。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液化天然氣冷能的能量梯級綜合利用方法，其特征在于包括以下步驟 (1)發(fā)電工質(zhì)吸收液化天然氣冷能液化 將常壓的液化天然氣加壓至7-10MPa，成為高壓LNG，溫度為-156 _145°C ;高壓LNG在發(fā)電工質(zhì)冷凝器中與發(fā)電工質(zhì)蒸汽換熱，發(fā)電工質(zhì)吸收LNG的冷能后全部液化； (2)朗肯循環(huán)發(fā)電 液化后的發(fā)電工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵增壓后，進(jìn)入冷媒冷凝器中與冷庫冷媒換熱，發(fā)電工質(zhì)等壓汽化釋放出冷能后，再利用低溫?zé)嵩磳⑵浼訜嶂?0°C以上，然后進(jìn)入透平膨脹機(jī)中膨脹做功，并帶動發(fā)電機(jī)組發(fā)電；膨脹后的發(fā)電工質(zhì)蒸汽重新回到工質(zhì)冷凝器中與LNG換熱； (3)發(fā)電工質(zhì)汽化供冷 在冷媒冷凝器中吸收了發(fā)電工質(zhì)冷能的冷庫冷媒通過冷媒泵被輸送到冷庫庫房；在庫房內(nèi)，液體冷媒等壓汽化，釋放出來的冷能用于庫房產(chǎn)品的冷凍、冷藏； (4)液化天然氣冷能供冷 在步驟(I)中與發(fā)電工質(zhì)換熱后的LNG全部汽化為天然氣，溫度升高；按照露點(diǎn)從低到高，利用多股不同壓力的冷庫冷媒依次與低溫天然氣換熱；冷庫冷媒吸收冷能后全部液化，再通過冷媒泵輸送到相應(yīng)的冷庫庫房進(jìn)行蒸發(fā)供冷；冷庫冷媒的蒸發(fā)壓力通過調(diào)節(jié)冷庫冷媒泵的輸送壓力來控制，使進(jìn)入不同庫房的冷媒的蒸發(fā)溫度與庫房的需求一致； (5)利用液化天然氣冷能向冷庫廠區(qū)空調(diào)供冷 步驟(4)中低溫天然氣與冷庫冷媒換熱后，溫度升高至-3(T0°C，從供冷建筑返回的空調(diào)冷凍水與低溫天然氣換熱，空調(diào)冷凍水回收低溫天然氣的冷能后溫度降低至:T7°C，然后通過冷凍水泵輸送到冷庫廠區(qū)內(nèi)的加工車間、辦公建筑和倉儲庫房，用于建筑物的空調(diào)供冷；供冷后，冷凍水回水溫度升高至12 20°C，然后再返回到天然氣/冷凍水換熱器中與低溫天然氣換熱，形成空調(diào)供冷循環(huán)； 在步驟(3)中，發(fā)電工質(zhì)的汽化溫度是通過調(diào)節(jié)工質(zhì)泵的輸出壓力來控制，冷媒在庫房的蒸發(fā)溫度是通過控制冷媒泵的輸出壓力來調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的液化天然氣冷能的能量梯級綜合利用方法，其特征在于 步驟(2)所述的朗肯循環(huán)是一個或兩個； 當(dāng)朗肯循環(huán)是一個時，選擇溫度較低、冷能需求最大的庫房與朗肯循環(huán)進(jìn)行集成； 當(dāng)朗肯循環(huán)是兩個時，選擇溫度較低、冷能需求較大的兩個庫房進(jìn)行集成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的液化天然氣冷能的能量梯級綜合利用方法，其特征在于當(dāng)采用兩個朗肯循環(huán)時，其發(fā)電工質(zhì)可以相同，也可以不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的液化天然氣冷能的能量梯級綜合利用方法，其特征在于當(dāng)兩個朗肯循環(huán)的發(fā)電工質(zhì)不同時，LNG先與露點(diǎn)溫度較低的發(fā)電工質(zhì)蒸汽換熱，再與露點(diǎn)溫度較高壓力的發(fā)電工質(zhì)蒸汽換熱。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的液化天然氣冷能的能量梯級綜合利用方法，其特征在于朗肯循環(huán)中發(fā)電工質(zhì)的蒸發(fā)溫度分別與不同的冷庫庫房所需的溫度對應(yīng)，并且發(fā)電工質(zhì)的蒸發(fā)溫度比對應(yīng)的冷庫庫房所需冷能的溫度低3 10°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的液化天然氣冷能的能量梯級綜合利用方法，其特征在于所述的發(fā)電工質(zhì)為乙烷、乙烯或三氟一氯甲烷。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的液化天然氣冷能的能量梯級綜合利用方法，其特征在于所述的冷庫冷媒為氨、二氟乙烷、四氟乙烷或氟利昂。
9.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的液化天然氣冷能的能量梯級綜合利用方法，其特征在于 所述的空調(diào)冷凍水為水或乙二醇水溶液。
10.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的液化天然氣冷能的能量梯級綜合利用方法，其特征在于步驟(2)、(6)中所述的低溫?zé)嵩礊楹Ｋ?、空氣或熱水?br> 全文摘要
本發(fā)明公開了一種液化天然氣冷能的能量梯級綜合利用方法，首先是運(yùn)用朗肯循環(huán)發(fā)電將深冷部分的LNG冷能轉(zhuǎn)換為電能；然后利用冷媒將中冷部分的LNG冷能回收用于冷庫庫房供冷，同時，通過控制朗肯循環(huán)發(fā)電過程中發(fā)電工質(zhì)的汽化壓力，使液體發(fā)電工質(zhì)汽化釋放出來的冷能與冷庫庫房所需冷能的溫度匹配，將發(fā)電工質(zhì)高壓汽化釋放的冷能作為冷庫庫房供冷的冷源；接著，將淺冷部分的LNG冷能回收作為冷庫廠區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的冷源，向冷庫產(chǎn)品加工車間、辦公建筑和倉儲庫房供冷。本發(fā)明通過系統(tǒng)集成，可以使液化天然氣冷能按照溫度從低到高逐級用于發(fā)電、冷庫庫房供冷和廠區(qū)空調(diào)供冷，實(shí)現(xiàn)冷能的梯級利用，使液化天然氣冷能在低溫冷庫中的高效利用。
文檔編號F24F5/00GK102967099SQ20121044545
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月8日
發(fā)明者熊永強(qiáng) 申請人:暨南大學(xué)