本發(fā)明屬于液化天然氣(LNG)冷能發(fā)電領(lǐng)域，特別涉及一種利用液化天然氣冷能的兩級(jí)冷凝朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

液化天然氣(LNG)作為21世紀(jì)主要的能源之一，使用前需將其汽化，在其汽化過程中會(huì)釋放出大量的冷能，其值約為830-860kJ/kg。LNG冷能是一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，若LNG具有的冷能以100％的效率轉(zhuǎn)化為電能，那么1tLNG的冷能相當(dāng)于240kW·h的電能。在傳統(tǒng)的汽化工藝中，LNG攜帶的冷量被海水或空氣帶走，造成了能源的極度浪費(fèi)，同時(shí)使得附近海域或站區(qū)環(huán)境受到嚴(yán)重的冷污染。由此可見，有效的回收利用LNG高品位冷能對(duì)能源的充分利用和緩解能源緊張局面而且具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

目前，關(guān)于利用LNG冷能發(fā)電的技術(shù)主要有：利用LNG壓力能的直接膨脹法、利用LNG冷能的朗肯循環(huán)法以及綜合這兩種技術(shù)的聯(lián)合法。

1.直接膨脹法

直接膨脹法是利用LNG的壓力能發(fā)電的一種方式。儲(chǔ)罐中常壓的LNG經(jīng)泵加壓至管網(wǎng)輸送壓力，再蒸發(fā)器加熱汽化后利用高壓天然氣直接驅(qū)動(dòng)透平膨脹機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。蒸發(fā)器熱源可采用海水，也可使用其他熱源。

2.冷媒朗肯循環(huán)法

冷媒朗肯循環(huán)法是利用LNG冷能發(fā)電的一種方式，其過程是LNG通過冷凝器把冷量轉(zhuǎn)化到某一冷媒上，利用LNG與環(huán)境之間的溫度差，推動(dòng)冷媒進(jìn)行蒸汽動(dòng)力循環(huán)，從而對(duì)外做功發(fā)電。其中朗肯循環(huán)法發(fā)電存在單工質(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)、混合工質(zhì)的朗肯循環(huán)系統(tǒng)，通常以低沸點(diǎn)的乙烷、丙烷或者多組分烴類的混合物為工質(zhì)，以海水為熱源，以LNG為冷源，進(jìn)行有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電。

3.聯(lián)合法

聯(lián)合法綜合了直接膨脹法與朗肯循環(huán)法。LNG首先被提升壓力，然后通過冷凝器將冷量釋放給冷媒，推動(dòng)冷媒進(jìn)行朗肯循環(huán)對(duì)外做功，汽化的天然氣再通過透平膨脹做功。

存在如下問題：

直接膨脹法利用了高壓天然氣直接膨脹發(fā)電，但對(duì)于LNG接收站要求汽化后的天然氣可以直接進(jìn)入高壓天然氣官網(wǎng)，壓力在6-10MPa左右，因此為了保證進(jìn)氣壓力，直接膨脹法效率不高、發(fā)電功率低。對(duì)于中間熱載體的朗肯循環(huán)和聯(lián)合法中，由于LNG汽化過程溫度跨度較大，冷熱流換熱溫差過大，很難用單級(jí)冷凝的方式高效地回收LNG的冷能，換熱過程有效能損失較大，這是一直困擾LNG冷能發(fā)電大規(guī)模推廣的主要因素。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種利用液化天然氣冷能的兩級(jí)冷凝朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在不影響供氣需求的前提下，利用LNG的冷能獲得可觀的電能。本發(fā)明是在現(xiàn)有的冷媒的朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)之上進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了LNG冷能的逐級(jí)利用，減少LNG冷能回收過程的有效能損失，提高了LNG冷能的發(fā)電效率。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種利用液化天然氣冷能的兩級(jí)冷凝朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，包括一級(jí)冷凝循環(huán)系統(tǒng)的第一膨脹機(jī)、第一發(fā)電機(jī)、第一冷凝器、第一工質(zhì)泵，二級(jí)冷凝循環(huán)的第二膨脹機(jī)、第二發(fā)電機(jī)、第二冷凝器、第二工質(zhì)泵，以及混合器、蒸發(fā)器、分離器、第一海水泵、第二海水泵和第一加熱器。

LNG經(jīng)過LNG增壓泵加壓后，進(jìn)入一級(jí)冷凝循環(huán)的第一冷凝器，與第一膨脹機(jī)做功后的循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行換熱；換熱后進(jìn)入二級(jí)冷凝循環(huán)的第二冷凝器，與第二膨脹機(jī)做功后的循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行換熱；換熱后進(jìn)入第一加熱器，與經(jīng)第二海水泵加壓的海水進(jìn)行換熱，完成LNG汽化過程，變?yōu)樘烊粴釴G；

第一冷凝器冷凝后的循環(huán)工質(zhì)進(jìn)入第一工質(zhì)泵加壓，第二冷凝器冷凝后的循環(huán)工質(zhì)進(jìn)入第二工質(zhì)泵加壓；第一工質(zhì)泵加壓后的循環(huán)工質(zhì)與第二工質(zhì)泵加壓后的循環(huán)工質(zhì)進(jìn)入混合器混合；經(jīng)混合器混合后的循環(huán)工質(zhì)與經(jīng)第一海水泵加壓的海水在蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行換熱；經(jīng)蒸發(fā)器換熱后的循環(huán)工質(zhì)進(jìn)入分離器分離；經(jīng)分離器分離后的循環(huán)工質(zhì)分別進(jìn)入第一膨脹機(jī)和第二膨脹機(jī)，分別帶動(dòng)第一發(fā)電機(jī)和第二發(fā)電機(jī)發(fā)電；最后經(jīng)第一膨脹機(jī)和第二膨脹機(jī)做功后的工質(zhì)分別進(jìn)入第一冷凝器和第二冷凝器與LNG換熱完成整個(gè)循環(huán)。

本發(fā)明的有益效果：

1.本發(fā)明由于采用LNG冷能進(jìn)行發(fā)電，在不影響供氣需求的前提下有效利用了LNG的高品位冷能，獲得可觀的電能。

2.液化天然氣在汽化過程中會(huì)釋放冷量，這是一個(gè)變溫過程，如果采用單級(jí)冷凝，則工質(zhì)只能在一個(gè)恒定溫度下吸收冷量，其換熱溫差較大，本發(fā)明采用兩級(jí)冷凝系統(tǒng)，加壓后的液化天然氣依次經(jīng)過一級(jí)冷凝循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)和二級(jí)冷凝循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了LNG冷能的逐級(jí)利用，改善了系統(tǒng)的性能，提高了LNG冷能的發(fā)電效率。

3.本發(fā)明采用丙烷作為工質(zhì)，也可采的用混合工質(zhì)，可根據(jù)工程實(shí)際情況選擇合適的工質(zhì)，因而在工質(zhì)選擇上具有靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。

4.本發(fā)明的主要目的是利用LNG冷能發(fā)電，如果有合適的工業(yè)余熱，可以在工質(zhì)汽化后，利用工業(yè)余熱對(duì)工質(zhì)進(jìn)一步加熱，提高工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)的溫度，產(chǎn)生更多電能，進(jìn)一步提高循環(huán)效率，因此本發(fā)明也可同時(shí)利用LNG冷能和工業(yè)余熱，適用性廣。

綜上所述，本發(fā)明以海水作為熱源，丙烷作為工質(zhì)，采用兩級(jí)冷凝系統(tǒng)，可以獲得很高的發(fā)電效率，系統(tǒng)使用方便靈活性好。理論上，采用本發(fā)明的系統(tǒng)，LNG冷能發(fā)電效率比常規(guī)LNG冷能聯(lián)合法發(fā)電的熱效率提高63.47％左右，可廣泛應(yīng)用于LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中利用LNG冷能直接膨脹法發(fā)電示意圖。

圖2是現(xiàn)有技術(shù)中利用LNG冷能朗肯循環(huán)法發(fā)電示意圖。

圖3是現(xiàn)有技術(shù)中利用LNG冷能聯(lián)合法發(fā)電示意圖。

圖4是本發(fā)明利用LNG冷能的兩級(jí)冷凝朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。

圖中：1第一海水泵；2第二海水泵；3第三海水泵；4 LNG增壓泵；5第一工質(zhì)泵；6第二工質(zhì)泵；7蒸發(fā)器；8第一加熱器；9第二加熱器；10第一冷凝器；11第二冷凝器；12第一膨脹機(jī)；13第一發(fā)電機(jī)；14第二膨脹機(jī)；15第二發(fā)電機(jī)；16混合器；17分離器。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

實(shí)施例1

本實(shí)施例采用壓力為0.1MPa，溫度為-162℃的液化天然氣，處理量為3600kg/h，其摩爾組成為：甲烷91.33％，乙烷5.36％，丙烷2.14％，正丁烷0.47％，異丁烷0.46％，正戊烷0.01％，異戊烷0.01％，氮?dú)?.22％。循環(huán)過程所需的工質(zhì)為丙烷，熱源為海水，壓力為0.1MPa，溫度為15℃。

如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中利用LNG冷能直接膨脹法發(fā)電系統(tǒng)由第一海水泵1、第二海水泵2、LNG增壓泵4、蒸發(fā)器7、第一加熱器8、第一膨脹機(jī)12、第一發(fā)電機(jī)13組成。具體工藝步驟和工藝條件如下：

原料液LNG 3600kg/h通過LNG增壓4泵將壓力提高到14.2MPa，溫度由-162℃變?yōu)?155.5℃，LNG增壓泵4消耗功率為38.45KW。加壓后的LNG進(jìn)入蒸發(fā)器7，與經(jīng)第一海水泵1加壓后的海水(壓力為0.3MPa，溫度為15.01℃，第一海水泵1消耗功率為3.81KW)進(jìn)行換熱，LNG完全汽化，溫度升高到13℃，壓力不變(14.2MPa)，完全汽化的LNG進(jìn)入第一膨脹機(jī)12做功，帶動(dòng)第一發(fā)電機(jī)13發(fā)電，NG的壓力降至6MPa，溫度降低至-37.11℃，發(fā)電功率為54.26KW。做功后的低壓NG經(jīng)第一加熱器8與經(jīng)第二海水泵2加壓后的海水(壓力為0.3MPa，溫度變?yōu)?5.01℃，第二海水泵2消耗功率為1.76KW)換熱，使NG溫度達(dá)到10℃，壓力不變(6MPa)，最后進(jìn)入輸送管網(wǎng)。

經(jīng)計(jì)算在此過程中凈輸出功為10.24KW，熱效率為1.3％，效率為2.8％。

如圖2所示，現(xiàn)有技術(shù)中利用LNG冷能的朗肯循環(huán)法發(fā)電系統(tǒng)由第一海水泵1、第二海水泵2、LNG增壓泵4、第一工質(zhì)泵5、蒸發(fā)器7、第一加熱器8、第一冷凝器10、第一膨脹機(jī)12、第一發(fā)電機(jī)13組成。具體工藝步驟和工藝條件如下：

(一)天然氣汽化系統(tǒng)

原料液LNG 3600kg/h通過LNG增壓泵4將壓力提高到6MPa，溫度由-162℃變?yōu)?159.3℃，LNG增壓泵4消耗功率為16.09KW。加壓后的LNG進(jìn)入第一冷凝器10，與第一膨脹機(jī)12中做功后的的低壓冷媒工質(zhì)氣體進(jìn)行換熱，吸收來自冷媒的熱量，LNG被汽化，溫度升高為-56.77℃，壓力不變(6MPa)，冷媒工質(zhì)氣體分別被冷凝成液體，溫度降至-52℃，壓力為64.56kPa。汽化后的LNG進(jìn)入第一加熱器8與經(jīng)第二海水泵2加壓后的海水(壓力為0.3MPa，溫度變?yōu)?5.01℃，第二海水泵2消耗功率為3.11KW)換熱，使NG溫度達(dá)到10℃，壓力不變(6MPa)，最后進(jìn)入輸送管網(wǎng)。

(二)冷媒朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

將所得冷媒工質(zhì)液體(溫度-52℃，壓力64.56kPa)經(jīng)第一工質(zhì)泵5加壓成高壓冷媒工質(zhì)液體，壓力為594.3kPa，溫度為-51.67℃，第一工質(zhì)泵5消耗功率為1.35KW。將高壓冷媒工質(zhì)液體與經(jīng)第一海水泵1加壓后的海水(壓力為0.3MPa，溫度變?yōu)?5.01℃，第一海水泵1消耗功率為4.64KW)在蒸發(fā)器7內(nèi)進(jìn)行熱量交換，使高壓冷媒工質(zhì)汽化，溫度變?yōu)?℃，壓力不變(壓力為594.3kPa)，完全汽化的冷媒工質(zhì)進(jìn)入第一膨脹機(jī)12做功，帶動(dòng)第一發(fā)電機(jī)13發(fā)電，發(fā)電功率為81.13KW。做功后的工質(zhì)壓力降低至64.56kPa，溫度變?yōu)?50.16℃，得到低壓冷媒工質(zhì)氣體。

經(jīng)計(jì)算在此過程中凈輸出功為55.94KW，熱效率為6.8％，效率為15.57％。

如圖3所示，現(xiàn)有技術(shù)中利用LNG冷能的聯(lián)合法發(fā)電系統(tǒng)由第一海水泵1、第二海水泵2、第三海水泵3、LNG增壓泵4、第一工質(zhì)泵5、蒸發(fā)器7、第一加熱器8、第二加熱器9、第一冷凝器10、第一膨脹機(jī)12、第一發(fā)電機(jī)13、第二膨脹機(jī)14、第二發(fā)電機(jī)15組成。具體工藝步驟和工藝條件如下：

(一)天然氣直接膨脹發(fā)電系統(tǒng)

原料液LNG 3600kg/h通過LNG增壓泵4將壓力提高到13.8MPa，溫度由-162℃變?yōu)?155.6℃，LNG增壓泵4消耗功率為29.18KW。加壓后的LNG進(jìn)入第一冷凝器10，與第一膨脹機(jī)12中做功后的低壓冷媒工質(zhì)氣體進(jìn)行換熱，吸收來自冷媒的熱量，LNG被部分汽化，溫度升高為-51.29℃，壓力不變(10.8MPa)，冷媒工質(zhì)氣體分別被冷凝成冷媒工質(zhì)液體，溫度降至-47℃，壓力為81.70kPa。部分汽化后的LNG進(jìn)入第一加熱器8與經(jīng)第二海水泵2加壓后的海水(壓力為0.3MPa，溫度變?yōu)?5.01℃，第二海水泵2消耗功率為3.39KW)換熱，使天然氣溫度達(dá)到11℃，壓力不變(10.8MPa)，然后進(jìn)入第二膨脹機(jī)14做功，帶動(dòng)第二發(fā)電機(jī)15發(fā)電，做功后NG壓力降低至6MPa，溫度降低-36.65℃，發(fā)電功率為38.29KW。低壓NG進(jìn)入天然氣第二加熱器9與經(jīng)第三海水泵3加壓后的海水(壓力為0.3MPa，溫度變?yōu)?5.01℃，第三海水泵3消耗功率為1.29KW)進(jìn)行換熱，使NG溫度達(dá)到10℃，壓力不變(6MPa)，最后進(jìn)入輸送管網(wǎng)。

(二)冷媒朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

將冷媒工質(zhì)液體(溫度-41℃，壓力81.70kPa)經(jīng)第一工質(zhì)泵5加壓成高壓冷媒工質(zhì)液體，壓力為590.3kPa，溫度為-46.67℃，第一工質(zhì)泵5消耗功率為1.06KW。所得高壓冷媒工質(zhì)液體與經(jīng)第一海水泵1加壓后的海水(壓力為0.3MPa，溫度變?yōu)?5.01℃，第一海水泵1消耗功率為3.59KW)在蒸發(fā)器7內(nèi)進(jìn)行熱量交換，使高壓冷媒工質(zhì)氣化，溫度變?yōu)?℃，壓力不變(壓力為590.3kPa)，完全氣化的冷媒工質(zhì)進(jìn)入第一膨脹機(jī)12做功，帶動(dòng)第一發(fā)電機(jī)13發(fā)電，發(fā)電功率為58.86KW。做功后的工質(zhì)壓力降低至81.70kPa，溫度降低至--44.52℃，得到低壓冷媒工質(zhì)氣體。

經(jīng)計(jì)算在此過程中凈輸出功為58.64KW，熱效率為6.99％，效率為16.04％。

如圖4所示，本發(fā)明利用LNG冷能的兩級(jí)冷凝循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)由第一海水泵1、第二海水泵2、LNG增壓泵4、第一工質(zhì)泵5、第二工質(zhì)泵6、蒸發(fā)器7、第一加熱器8、第一冷凝器10、第二冷凝器11、第一膨脹機(jī)12、第一發(fā)電機(jī)13、第二膨脹機(jī)14、第二發(fā)電機(jī)15、混合器16、分離器17組成。

(一)液化天然氣氣化系統(tǒng)

原料液LNG 3600kg/h通過LNG增壓泵4將壓力提高到6MPa，溫度由-162℃變?yōu)?159.3℃，LNG增壓泵4消耗功率為16.09KW。加壓后的LNG首先進(jìn)入一級(jí)冷凝循環(huán)，在第一冷凝器10中與第一膨脹機(jī)12中做功后的的低壓冷媒工質(zhì)氣體進(jìn)行換熱，吸收來自冷媒的熱量，提升LNG的溫度，溫度升高至-107℃，壓力不變(6MPa)，冷媒工質(zhì)氣體分別被冷凝成冷媒工質(zhì)液體，溫度降至-102℃，壓力為2.595kPa。接著加熱后的LNG進(jìn)入二級(jí)冷凝循環(huán)，在第二冷凝器11中與第二膨脹機(jī)14中做功后的的低壓冷媒工質(zhì)氣體進(jìn)行換熱，吸收來自冷媒的熱量，使LNG部分汽化，溫度升高至-52℃，壓力不變(6MPa)，二級(jí)冷凝循環(huán)中冷媒工質(zhì)氣體分別被冷凝成冷媒工質(zhì)液體，溫度降至-47℃，壓力為81.67kPa。部分汽化的LNG進(jìn)入第一加熱器8與經(jīng)第二海水泵2加壓后的海水(壓力為0.3MPa，溫度變?yōu)?5.01℃，第二海水泵2消耗功率為2.7KW)換熱，使NG溫度達(dá)到10℃，壓力不變(6MPa)，最后進(jìn)入輸送管網(wǎng)。

(二)冷媒朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

將所得一級(jí)冷凝循環(huán)中冷媒工質(zhì)液體(溫度-102℃，壓力2.595kPa)經(jīng)第一工質(zhì)泵5加壓成高壓冷媒工質(zhì)液體，壓力為653.9kPa，溫度為-101.7℃，第一工質(zhì)泵5消耗功率為0.49KW。同時(shí)將所得二級(jí)冷凝循環(huán)中冷媒工質(zhì)液體(溫度-35℃，壓力137.4kPa)經(jīng)第二工質(zhì)泵6加壓至相同壓力653.9kPa，溫度變?yōu)?46.67℃，第二工質(zhì)泵6消耗功率為1.01KW。將兩股壓力相同的冷媒工質(zhì)液體經(jīng)混合器16混合，溫度變?yōu)?63.34℃。然后將混合后的高壓冷媒工質(zhì)液體與經(jīng)第一海水泵1加壓的海水(壓力為0.3MPa，溫度變?yōu)?5.01℃，第一海水泵1消耗功率為7.76KW)在蒸發(fā)器7內(nèi)進(jìn)行熱量交換，使高壓冷媒工質(zhì)氣化，溫度升高至11℃，壓力不變(壓力為653.9kPa)。接著高壓工質(zhì)氣體進(jìn)入分流器17分流：一股流量為1404kg/h，進(jìn)入一級(jí)冷凝循環(huán)的第一膨脹機(jī)12做功，帶動(dòng)第一發(fā)電機(jī)13發(fā)電，發(fā)電功率為63.92KW，做功后的工質(zhì)壓力降低至2.595kPa，溫度降低至-102℃；另一股流量為2992kg/h進(jìn)入二級(jí)冷凝循環(huán)的第二膨脹機(jī)14做功，帶動(dòng)第二發(fā)電機(jī)15發(fā)電，發(fā)電功率為60.03KW，做功后的工質(zhì)壓力降低至81.67kPa，溫度降低至-47℃，得到低壓冷媒工質(zhì)氣體。

經(jīng)計(jì)算在此過程中凈輸出功為95.9KW，熱效率為10.92％，效率為26.23％。

通過上述具體實(shí)施方式，本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有的LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)無論是凈輸出功還是效率都有顯著提高。在相同條件下，與相對(duì)較優(yōu)的現(xiàn)有聯(lián)合法相比，凈輸出功提高了63.47％，熱效率提高了56.13％，效率提高了63.52％。

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(jiǎn)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)。