專利名稱：Lng冷能雙透平發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將LNG的冷能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)，尤其是一種進(jìn)一步利用環(huán)境熱源的雙透平發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
NG (natural gas)代表天然氣，LNG 是液化天然氣(liquefied natural gas)的縮寫，是在常壓下將氣態(tài)的天然氣冷卻至_162°C，使之凝結(jié)成液體，其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/600，LNG的重量僅為同體積水的45%左右。是無色、無味、無毒且無腐蝕的清潔能源。在LNG運(yùn)輸至接收站進(jìn)行使用時，需重新轉(zhuǎn)化為常溫氣體，溫度由_162°C升至常溫，大量的可用冷能釋放出來，其值大約是837kJ/kg，I噸LNG經(jīng)換熱重新氣化在理論上可利用的冷量約為232kW. h。對于一座年接收能力為300萬噸的接收終端，年可利用冷能達(dá)6. 9億kW. h，冷能利用的產(chǎn)量非?？捎^。目前LNG冷能發(fā)電主要有以下2種方式直接膨脹法和低溫朗肯循環(huán)。直接膨脹法的原理為經(jīng)過壓縮泵后的LNG接收來自海水等余熱源的熱量氣化，成為具有一定壓力的氣態(tài)天然氣，即NG后進(jìn)入NG透平膨脹做功，輸出電能。膨脹后的氣體再依據(jù)尾端用戶要求調(diào)整壓力和溫度，送至用戶。這種方式只有一臺透平機(jī)，可稱為LNG冷能單透平發(fā)電系統(tǒng)。直接膨脹如果由于冷能利用效率較低，系統(tǒng)發(fā)電功率較低，為提高冷能利用效率，又出現(xiàn)了以低溫朗肯循環(huán)利用環(huán)境熱源的雙透平發(fā)電系統(tǒng)，低溫朗肯循環(huán)的原理為以LNG作為冷源，以環(huán)境中的低品位能源如海水、太陽能等作為熱源，同時增設(shè)一個有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)，組成閉式的循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)擁有2個透平膨脹機(jī)有機(jī)工質(zhì)透平和NG透平，可稱為LNG冷能雙透平發(fā)電系統(tǒng)。然而，有機(jī)物易燃、易爆易分解，其不穩(wěn)定性會給系統(tǒng)帶來安全隱患，系統(tǒng)中的有機(jī)工質(zhì)在冷凝過程中將發(fā)生從過熱氣體到飽和液體的兩相換熱且壓力發(fā)生改變，不利于一級換熱器的設(shè)計和控制，并且密封性要求高，成本很高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有有機(jī)工質(zhì)循環(huán)的雙透平發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性較差的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種穩(wěn)定性更好的LNG冷能雙透平發(fā)電系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是LNG冷能雙透平發(fā)電系統(tǒng)，包括由LNG源、LNG增壓泵、一級換熱器、NG透平和發(fā)電機(jī)依次連接形成的第一發(fā)電系統(tǒng)，NG透平設(shè)置有NG出口，還包括由CO2循環(huán)泵、第三換熱器、CO2透平和發(fā)電機(jī)依次連接形成的第二發(fā)電系統(tǒng)，CO2透平的CO2出口經(jīng)所述一級換熱器后與CO2循環(huán)泵的進(jìn)口連接，并在第一發(fā)電系統(tǒng)的一級換熱器和NG透平之間設(shè)置有二級加熱器。進(jìn)一步的是，在第二發(fā)電系統(tǒng)中，CO2經(jīng)過CO2循環(huán)泵加壓之后以超臨界狀態(tài)進(jìn)入
第三換熱器。
本發(fā)明的有益效果是工質(zhì)穩(wěn)定，發(fā)電效率較高，一級換熱器設(shè)計和控制相對簡單。


圖1是現(xiàn)有直接膨脹法的LNG冷能單透平發(fā)電系統(tǒng)的原理圖。圖2是現(xiàn)有低溫朗肯循環(huán)的LNG冷能雙透平發(fā)電系統(tǒng)的原理圖。圖3是本發(fā)明的LNG冷能雙透平發(fā)電系統(tǒng)的原理圖。圖中標(biāo)記為，1-LNG源，2-LNG增壓泵，3_ —級換熱器，4-NG透平，5_發(fā)電機(jī)，6-NG出口，7-有機(jī)工質(zhì)循環(huán)泵，8-第二換熱器，9-有機(jī)工質(zhì)透平，10-發(fā)電機(jī)，Il-CO2循環(huán)泵，12-第三換熱器，13-C02透平，14-發(fā)電機(jī)，15- 二級加熱器，16-工質(zhì)出口。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。如圖1所示，現(xiàn)有直接膨脹法的LNG冷能雙透平發(fā)電系統(tǒng)由LNG源1、LNG增壓泵2、一級換熱器3、NG透平4和發(fā)電機(jī)5依次連接形成，液態(tài)的LNG經(jīng)LNG增壓泵2輸入一級換熱器3中，與海水或其他環(huán)境熱源進(jìn)行換熱后，變?yōu)闅鈶B(tài)的NG，氣態(tài)的NG在NG透平中膨脹做功后由工質(zhì)出口即NG出口 6流出，帶動發(fā)電機(jī)5轉(zhuǎn)動，從而將LNG的冷能轉(zhuǎn)換為電能。如圖2所示，現(xiàn)有低溫朗肯循環(huán)的LNG冷能雙透平發(fā)電系統(tǒng)是在現(xiàn)有直接膨脹法的LNG冷能單透平發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)上疊加了一個由有機(jī)工質(zhì)循環(huán)泵7，換熱器8，有機(jī)工質(zhì)透平9，和發(fā)電機(jī)10依次連接組成的第二發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)擁有2個透平膨脹機(jī)有機(jī)工質(zhì)透平9和NG透平4，兩套發(fā)電系統(tǒng)以一級換熱器3作為結(jié)合點(diǎn)，一級換熱器3的管程走LNG，殼程走有機(jī)工質(zhì)，由有機(jī)工質(zhì)透平9的工質(zhì)出口出來的有機(jī)工質(zhì)作為熱源對LNG進(jìn)行加熱，LNG轉(zhuǎn)變成NG進(jìn)入NG透平4做功發(fā)電，有機(jī)工質(zhì)冷凝后，由有機(jī)工質(zhì)循環(huán)泵7泵至第二換熱器8，與環(huán)境熱源等發(fā)生熱交換，再次被加熱后進(jìn)入有機(jī)工質(zhì)透平9做功發(fā)電。如圖3所示，本發(fā)明的LNG冷能雙透平發(fā)電系統(tǒng)包括由LNG源1、LNG增壓泵2、一級換熱器3、NG透平4和發(fā)電機(jī)5依次連接形成的第一發(fā)電系統(tǒng)，以及由CO2循環(huán)泵11、第三換熱器12、C02透平13和發(fā)電機(jī)14依次連接形成的第二發(fā)電系統(tǒng)，CO2透平13的工質(zhì)出口 16經(jīng)所述一級換熱器3后與CO2循環(huán)泵11的進(jìn)口連接。該系統(tǒng)中，兩套發(fā)電系統(tǒng)仍以一級換熱器3作為結(jié)合點(diǎn)，一級換熱器3的管程走LNG，殼程走CO2,由CO2透平13的工質(zhì)出口 16出來的CO2作為熱源對LNG進(jìn)行加熱，LNG吸收經(jīng)CO2透平做功后的CO2熱量，LNG實現(xiàn)第一次受熱，之后以在環(huán)境熱量為熱源的二級加熱器15中被二次加熱，達(dá)到要求后的氣態(tài)NG進(jìn)入NG透平膨脹做功，乏氣作為尾端所需由NG出口 6輸出，CO2冷凝后，由CO2循環(huán)泵11泵至第三換熱器12，與環(huán)境熱源等發(fā)生熱交換，再次被加熱后進(jìn)入CO2透平13做功發(fā)電。第二發(fā)電系統(tǒng)以LNG作為系統(tǒng)冷源，低溫?zé)嵩醋鳛橄到y(tǒng)熱源，CO2的臨界溫度為33. 1°C，工程上很容易實現(xiàn)超臨界。優(yōu)選在第二發(fā)電系統(tǒng)中，由一級換熱器3出來的低壓低溫的CO2經(jīng)過CO2循環(huán)泵11加壓之后以超臨界狀態(tài)進(jìn)入第三換熱器12。因為，提高透平進(jìn)口的初參數(shù)即壓力和溫度是提高系統(tǒng)效率的有效措施，在環(huán)境熱源不能使進(jìn)入CO2透平的蒸氣溫度更大提高的時候，提高蒸氣壓力便成為提高系統(tǒng)效率的有效手段之一，且CO2的臨界壓力相對水蒸汽等常見無機(jī)物更低，工程上更易實現(xiàn)，第一發(fā)電系統(tǒng)中的受壓元件強(qiáng)度要求也會降低。熱力學(xué)上，只要有溫差有換熱，系統(tǒng)就存在不可逆熱損失，溫差越大，不可逆損失越大。采用超臨界使CO2和換熱介質(zhì)間變溫特性較好的匹配，減少加熱過程中由于冷熱流體傳熱溫差的不均衡性而引起的額外不可逆熵增，提高動力循環(huán)火用效率，從而形成含兩臺發(fā)電機(jī)的超臨界CO2的LNG冷能雙透平發(fā)電系統(tǒng)。超臨界CO2蒸氣在經(jīng)過透平膨脹做功后，其壓力、溫度都降低很多，作為LNG過冷態(tài)液體的一級加熱熱源，其熱量不足以將尾端所需的LNG由過冷態(tài)加熱到適合進(jìn)入NG透平做功的蒸氣狀態(tài)，且保證透平出口的乏氣溫度達(dá)到能直接進(jìn)入輸送管線的溫度水平，因此必須增加二級加熱器15，且充分利用環(huán)境空氣熱源，將經(jīng)過一級加熱后的LNG進(jìn)一步氣化，既能使進(jìn)入NG透平4的蒸氣具有更多熱量，產(chǎn)生更多電能，同時也可保證NG出口 6流出的乏氣溫度不會因為膨脹做功而成為零下溫度，可直接進(jìn)入天然氣接收端。同直接膨脹法相比，本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)新增了一個超臨界CO2的循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，以LNG作為CO2循環(huán)系統(tǒng)的冷端冷源，以環(huán)境熱源作為CO2循環(huán)系統(tǒng)的熱端熱源，同樣流量的LNG冷能，在系統(tǒng)中得到了二次利用，避免了在直接膨脹法中的大量冷能被環(huán)境熱源消耗，其發(fā)電能力大于LNG直接膨脹發(fā)電。按工質(zhì)在T-S圖(溫熵圖)上飽和蒸氣線的斜率，流體可分為干流體、濕流體和絕熱流體。T-S圖上，曲線經(jīng)過飽和蒸氣最高點(diǎn)后，斜率為正是干流體，斜率為負(fù)是濕流體，斜率無窮大為等熵流體。對于濕流體，工質(zhì)在透平中膨脹做功，理論上為絕熱膨脹，熵不改變，所以透平末級的蒸氣很有可能處于含液體的濕蒸氣區(qū)域，將對膨脹機(jī)葉片產(chǎn)生沖蝕。因此對于濕流體來說，鍋爐的過熱器必須布置有足夠的換熱面積，以提高工質(zhì)的過熱度，保證乏氣具有較高的干度。對于干流體和等熵流體，工質(zhì)在透平中絕熱膨脹做功，末級乏氣離飽和蒸氣線越來越遠(yuǎn)，即所謂的“越做功越干燥”，此時系統(tǒng)在設(shè)計過程時可以依據(jù)熱源溫度考慮是否需要布置過熱器，減少換熱面的投資。低溫朗肯循環(huán)的LNG冷能雙透平發(fā)電系統(tǒng)中，絕大多數(shù)適用于做LNG冷能利用的有機(jī)化合物都是干流體性質(zhì)，在膨脹做功后，為更進(jìn)一步的回收其能量，系統(tǒng)會根據(jù)實際參數(shù)增設(shè)回?zé)崞?，但是?jīng)過回?zé)崞髦蟮挠袡C(jī)工質(zhì)依舊為過熱狀態(tài)，所以其系統(tǒng)中的有機(jī)工質(zhì)在一級換熱器3內(nèi)發(fā)生的冷凝過程中將發(fā)生從過熱氣體到飽和液體的兩相換熱，且壓力發(fā)生改變，不利于一級換熱器3的設(shè)計和控制。與之相比，本發(fā)明發(fā)電系統(tǒng)是以CO2為工質(zhì)，為無機(jī)工質(zhì)，一級換熱器3兩端的工質(zhì)參數(shù)如壓力和溫度均不相同，CO2的成本和非易燃易爆性質(zhì)決定本發(fā)明發(fā)電系統(tǒng)在制造時的密封、焊接要求要低于低溫朗肯循環(huán)的LNG冷能雙透平發(fā)電系統(tǒng)，制造成本相對低；且CO2作為冷流體，經(jīng)過透平做功后乏氣為一定干度的濕蒸氣，能保證在一級換熱器3中的整個冷凝過程為等壓狀態(tài)，使其一級換熱器3的設(shè)計可以避免由不等壓和相變換熱帶來的控制問題。一級換熱器3只對LNG進(jìn)行預(yù)熱，但不發(fā)生相變，由二級加熱器15對預(yù)熱后的LNG加熱至設(shè)計所需參數(shù)。為充分利用熱源，可控制由一級換熱器3出來的LNG為熱飽和液體。
權(quán)利要求
1.LNG冷能雙透平發(fā)電系統(tǒng)，包括由LNG源(I )、LNG增壓泵(2)、一級換熱器(3)、NG透平(4)和發(fā)電機(jī)(5)依次連接形成的第一發(fā)電系統(tǒng)，其特征是還包括由CO2循環(huán)泵(11)、第三換熱器(12)、CO2透平(13)和發(fā)電機(jī)(14)依次連接形成的第二發(fā)電系統(tǒng)，CO2透平(13)的工質(zhì)出口( 16 )經(jīng)所述一級換熱器(3 )后與CO2循環(huán)泵(11)的進(jìn)口連接，并在第一發(fā)電系統(tǒng)的一級換熱器(3)和NG透平(4)之間設(shè)置有二級加熱器(15)。
2.如權(quán)利要求1所述的LNG冷能雙透平發(fā)電系統(tǒng)，其特征是在第二發(fā)電系統(tǒng)中，CO2經(jīng)過CO2循環(huán)泵(11)加壓之后以超臨界狀態(tài)進(jìn)入第三換熱器(12 )。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種穩(wěn)定性更好的LNG冷能雙透平發(fā)電系統(tǒng)，其包括由LNG源、LNG增壓泵、一級換熱器、NG透平和發(fā)電機(jī)依次連接形成的第一發(fā)電系統(tǒng)，NG透平設(shè)置有NG出口，還包括由CO2循環(huán)泵、第三換熱器、CO2透平和發(fā)電機(jī)依次連接形成的第二發(fā)電系統(tǒng)，CO2透平的CO2出口經(jīng)所述一級換熱器后與CO2循環(huán)泵的進(jìn)口連接，并在第一發(fā)電系統(tǒng)的一級換熱器和NG透平之間設(shè)置有二級加熱器，工質(zhì)穩(wěn)定，發(fā)電效率較高。
文檔編號F01K23/04GK103016084SQ20131000123
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者李炎, 陳沖, 肖峰, 黃浩 申請人:成都昊特新能源技術(shù)有限公司