专利名称：一种梯级利用液化天然气冷能发电的方法
技术领域：
本发明属于液化天然气(LNG)冷能发电领域，具体涉及一种梯级利用液化天然气冷能发电的方法。
背景技术：
为了优化我国的能源结构，提高能源利用效率，减少二氧化碳排放，近年来我国积极发展天然气产业，一方面大力开发国内的天然气资源，另一方面从国外大量进口天然气来弥补国内资源的不足。目前，我国已在广东、福建、浙江、上海、江苏、山东、河北、辽宁等沿海地区规划和建设了多个液化天然气(LNG)站线项目。据海关总署公布数据显示，2010年我国共进口了 936万吨LNG，预计到2015年我国的LNG进口量将达到4000万吨。进口的LNG是一种_162°C的常压低温液体，需要利用泵将LNG增压到7 IOMPa (绝对压力，下文出现的压力均为绝对压力)后，再经加热汽化才能进入燃气管网供应给下游用户使用。常规的LNG汽化方法是采用海水或者空气直接加热，在冬季气温和海水温度较低的地区，还需要燃烧一部分天然气来加热汽化LNG，这样不仅大量宝贵的冷能被海水或空气带走，造成巨大的能源浪费，而且还会对汽化站周边的水体生态环境造成明显的冷污染。LNG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50(T600kWh/t的电能，在汽化的时候可释放出约230kW *h/t冷能。LNG冷能可以用于空气分离、低温冷库、废旧橡胶低温粉碎等方面以减少制冷所需的能耗，但这些冷能利用方式所需的量较小，远小于一个LNG接收站每年数百万吨的汽化量。利用冷能发电设施将LNG冷能转化成为电能，是一种可以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。发达国家非常重视LNG冷能发电技术的研究，国内外目前已有大量的LNG冷能发电的专利申请，国外专利主要有(I)美国专利US2975605介绍了一种以乙烷或丙烷为冷媒的朗肯循环将LNG的低温冷能转换发电的方法。具体工艺为冷媒气体在换热器中与LNG换热而液化，然后通过泵将液体冷媒增压后，利用海水或者空气为热源将其加热汽化，然后在透平中膨胀产生机械能，从而带动电动机发电。(2)美国专利US3018634介绍了一种利用乙烷和丙烷两种冷媒回收冷能发电的朗肯循环。在该方法中以乙烷和丙烷依次与LNG换热，回收冷能而液化，液体乙烷和丙烷通过泵增压后，以空气为热源将其加热汽化并膨胀发电，构造了一个乙烷介质的朗肯循环和一个丙烷介质的朗肯循环，提高了 LNG冷能的利用率。(3)美国专利US3068659介绍了一种梯级膨胀发电的方法。在该方法中以乙烷和丙烷为冷媒依次与LNG换热，回收冷能而液化，液体乙烷和丙烷通过泵增压后通过热源逐级加热并且逐级膨胀，通过多个透平多重膨胀来带动电动机发电，提高发电效率；并且同时还将LNG汽化后得到的高压天然气逐级加热并逐级膨胀，将高压天然气的压力能转换为电倉泛。
(4 )美国专利US3183666介绍了 一种LNG冷能发电与燃气轮机发电结合的方法，在该方法中以乙烷为介质的朗肯循环利用LNG汽化的冷能发电，同时将朗肯循环与燃气燃气轮机发电过程结合起来，利用燃气轮机发电排出的440°C高温烟气作为热源将乙烷蒸汽加热到150°C，提高朗肯循环的发电量。(5)美国专利US4320303介绍了一种以丙烷为介质利用LNG冷能发电的方法，在该方法中以丙烷为中间冷媒与LNG换热，丙烷气体吸收气体而液化，再通过泵增压后利用海水将其加热汽化，然后高压丙烷蒸汽进入透平中膨胀发电。(6)美国专利US4330998介绍了一种以氮气和氟利昂为介质利用LNG冷能发电的方法，在该专利中首先利用氮气与LNG换热而液化，液氮通过泵增压后与高温的氟利昂气体换热而全部汽化，高压氮气在透平中膨胀做功，并带动电动机发电；同时氟利昂吸收液氮的冷能而液化，再经泵增压后利用蒸汽加热使其汽化，再膨胀带动发电机组。(7)在美国专利US4995234介绍的利用LNG冷能发电方法中，一方面将LNG增压后加热汽化，通过透平膨胀带动发电机组发电，另一方面设置了一套以二氧化碳为介质的冷能储存和冷能发电的朗肯循环；在用电高峰期间，利用二氧化碳吸收LNG汽化的冷能而液化，再通过泵增压后膨胀做功并带动发电机组发电，而在用电高峰期间，则将利用LNG汽化的冷能二氧化碳气体液化并转化为干冰储存冷能。(8)美国专利US6089028A介绍了一种利用50%甲烷加50%乙烷组成的混合冷媒介质的朗肯循环，在该专利中高压LNG汽化释放出来的冷能一部分用于LNG蒸发汽(BOG)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汽化，然后进入透平中膨胀做功，并带动电动机发电。(9)美国专利US6367258B1介绍了一种将LNG汽化冷能与燃气一蒸汽联合循环发电集成的方法，LNG的冷能通过冷媒为介质用于燃气轮机的进气冷却和降低蒸汽轮机的排汽压力，达到提高燃气一蒸汽联合循环发电效率的目标。近年来，随着我国LNG产业的迅速发展，LNG冷能利用也受到了广泛的关注，我国也申请(公开)了一些冷能发电专利技术。(10)申请的中国发明专利ZL200710027943. 3介绍了一种利用液化天然气低温火
用的开式工质循环发电方法，在该方法中LNG通过泵增压变成高压液体，在换热器中与冷媒换热后全部汽化变成高压天然气，然后高压天然气在透平中膨胀并带动发电机组发电，膨胀后的天然气温度较低与LNG —起在换热器中与冷媒换热，冷媒获得LNG和低温天然气的冷能后向冷库等用户提供冷能。(11)中国发明专利ZL201010123728. 5介绍了一种提高液化天然气冷能发电效率的集成优化方法，在该发明中利用丙烷或者乙烷、丙烷、二氟二氯甲烷、三氟一氯甲烷和二氟一氯甲烷等的混合物为冷媒与增压后的LNG换热而全部液化，同时LNG则吸收热量而全部汽化，再利用海水和附近电厂的低压蒸汽将其加热到较高温度后进入透平中膨胀做功并带动发电机组发电；与此同时，液化的冷媒通过泵增压后先于冰水回水换热，温度升高后利用电厂的低压蒸汽等低温余热加热汽化，然后再通过透平膨胀做功发电，而低温冰水温度降低后通过管道输送可以为行政大楼、后勤中心、维修厂房和中央控制室等提供空调冷水。从上述这些已经申请(公开)的专利可知，现有的利用LNG冷能发电的方法中，发电的技术路线主要包括LNG增压汽化直接膨胀发电以及利用中间冷媒介质的朗肯循环发电两种途径。直接膨胀法发电是利用LNG本身为发电工质，在常压LNG增压过程中，LNG冷能中有一部分会转换为压力能成为高压流体，汽化后的高压天然气直接膨胀可以带动电动机发电，而朗肯循环则是通过冷媒介质利用高压LNG携带的低温冷能来发电。现有技术主要存在如下问题(I)直接膨胀法利用到了高压天然气直接膨胀发电，如美国专利US3068659，中国专利申请200710027943. 3和中国专利ZL201010123728. 5，但对于LNG接收站而言，基本都要求汽化后的天然气可以直接进入高压天然气管网，压力在7 IOMPa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。(2)在利用LNG冷能的朗肯循环发电方法中，选择采用单一的烃类或氟利昂为冷媒介质来回收冷能，如美国专利US2975605、US3183666、US4320303、US4995234等，由于单一冷媒介质的液化曲线与LNG的汽化曲线相差较多，导致冷能回收过程中有效能损失较大，导致发电效率较低，以海水为热源时，每吨LNG冷能的发电量约2(T25kWh(王坤，液化天然气冷能利用发电技术浅析，《低温工程》，2005)，有效能利用效率约为21% 25%。(3)有些专利采用两种冷媒或者混合冷媒来与LNG换热回收冷能，如US3018634、US3068659、US4330998、US6089028A等，这样虽然可以降低冷媒与LNG换热过程的有效能损失，但是冷媒经泵增压后还有大量的冷能没有利用，直接利用低温热源加热损失掉了 ；而且LNG的冷能温度包括从_160°C到0°C的区间，很难用两种冷媒或一种混合冷媒来高效地回收LNG的冷能，换热过程的有效能损失仍较大，而且混合冷媒在使用过程中一些组分会损失，从而导致混合冷媒的性质改变；并且由于朗肯循环中热源温度较低，冷媒一般无法利用LNG冷能中温度在_40°C以上的部分。(4)为提高朗肯循环中热源的温度，一些专利采用与接收站周边燃气电厂集成的方法，如US3183666采用燃气轮机的高温烟气，ZL201010123728. 5直接抽取低压蒸汽作为热源，这样虽然可以增加冷能发电的效率，但是却会降低燃气电厂的发电效率。美国专利US6367258B1直接将_160°C的LNG冷能用于只需0°C左右冷能的进气冷却和降低汽轮机排汽压力，冷能利用效率很低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种梯级利用液化天然气(LNG)冷能发电的方法，该方法利用汽化的天然气和另一种冷媒作为发电工质，通过控制天然气介质和冷媒介质的压力来实现与LNG的多重梯级换热，一方面解决朗肯循环发电时冷媒回收LNG冷能的过程中有效能损失过大的问题，另一方面通过系统集成将朗肯循环中增压后的液化冷媒携带的冷能再次利用，提高冷能的利用效率；同时，本发明以热媒水为介质利用接收站附近的燃气-蒸汽联合电厂发电后排向大气的烟气余热作为冷能发电的低温热源，不仅可以提高朗肯循环的发电效率，而且余热利用不会对燃气电厂的发电效率产生不利影响，并且可以减少烟气余热对环境造成的热污染。本发明的目的通过下述技术方案实现一种梯级利用液化天然气冷能发电的方法，包括天然气介质朗肯循环和冷媒介质朗肯循环两个部分；所述的天然气介质朗肯循环包括以下步骤( I)天然气介质吸收冷能液化将常压液化天然气(简称LNG)加压至7-10MPa，成为高压LNG，温度约为-156 -145°C;高压LNG与从天然气透平膨胀机中排出的低压天然气在低压天然气冷凝器中换热，使得低压天然气液化成为低压LNG，低压LNG再经LNG泵加压后与从低压天然气冷凝器中流出的高压LNG等压混合；混合后得到的高压LNG在中压天然气冷凝器中与从天然气透平膨胀机中抽出的中压天然气换热，此股中压天然气吸收冷能后液化成为中压LNG，该中压LNG再经泵增压后与从中压天然气冷凝器中流出的高压LNG等压混合，形成高压LNG混合物流；(2)天然气介质膨胀做功步骤(I)中获得的高压LNG混合物流在冷媒介质朗肯循环中释放冷能而全部汽化变成高压天然气流，压力约为6_9MPa，再在高压天然气加热器中利用低温热源将其加热至5-10°C，然后通过分流器从高压天然气流中将用于循环发电的高压天然气介质分出，余下的由LNG汽化而来的高压天然气进入天然气管网；再在高压天然气过热器中利用低温热源将分出来的循环高压天然气介质加热至40-60°C后进入天然气透平膨胀机中做功，并带动发电机组发电；膨胀后低压天然气介质压力降低至0. 5-1. 5MPa，同时从天然气透平膨胀机中抽出的中压天然气，其压力约为2. 0-4. OMPa ;用于循环发电的天然气介质为LNG汽化量的40-70%，其中从天然气透平膨胀机中抽出的中压天然气介质约占发电天然气介质总量的50-70%o所述的冷媒介质朗肯循环包括以下步骤(I)冷媒介质吸收冷能液化将天然气介质朗肯循环中获得的高压LNG混合物流在低压冷媒冷凝器中与从冷媒透平膨胀机出口排出的低压冷媒蒸汽换热，低压冷媒蒸汽吸收冷能后全部液化，再经冷媒泵增压成为高压液体冷媒，然后与高压天然气混合物流一起进入次中压冷媒冷凝器中与从冷媒透平膨胀机中抽出的次中压冷媒蒸汽换热，次中压冷媒蒸汽吸收冷能液化后再经冷媒泵增压后，再与从低压冷媒冷凝器中流出的高压液体冷媒等压混合成为新的高压液体冷媒流；新的高压液体冷媒流与从次中压冷媒冷凝器流出的高压天然气混合物流一起进入中压冷媒冷凝器与从冷媒透平膨胀机中抽出的中压冷媒蒸汽换热并使其液化，高压天然气混合物流温度升高至-10°c左右后进入天然气加热器，而液化后的中压冷媒经冷媒泵增压后与流出中压冷媒冷凝器的高压冷媒物流等压混合，形成高压液体冷媒混合物流；(2)冷媒介质膨胀做功步骤(I)中获得的高压液体冷媒混合物流，其压力根据冷媒的类型来确定，要求可以利用低温热源使其全部汽化，压力范围约为0. 8-2. OMPa ;在冷媒汽化器中利用电厂余热提供的低温热源将高压液体冷媒混合物流加热至40-60°C，然后进入冷媒透平膨胀机中做功，并带动发电机组发电；循环冷媒量与冷媒类型相关，其范围约为需汽化的LNG摩尔流量的40-60%，膨胀后低压冷媒的泡点温度为-60 -40°C，同时从冷媒透平膨胀机中抽出一股次中压冷媒和一股中压冷媒，次中压冷媒的泡点温度为-30 _15°C，中压冷媒的泡点温度为-10 0°C;膨胀后的低压冷媒和抽出的次中压和中压冷媒返回步骤(I)中与高压LNG混合物流换热。上述两种循环中所涉及的低温热源，以及冷媒介质朗肯循环步骤(I)中-10°C左右的高压天然气混合物流进入天然气加热器后的热源都是采用60 80°C的热媒水，该热媒水是回收建于LNG接收站附近的燃气电厂烟气的余热后形成的。天然气介质朗肯循环的步骤(I)中，所述的与LNG换热的天然气介质压力分为低压和中压两股，低压天然气介质压力约为0.5 1.5MPa，其对应的泡点温度约为-140 -115°C ;中压天然气介质的压力约为2.0 4. OMPa，其对应的泡点温度约为-110 -85°C。冷媒介质朗肯循环中，所述的冷媒介质为乙烷、丙烷、氨、二氧化碳、二氟二氯甲
烷、三氟一氯甲烷、二氟一氯甲烷或四氟乙烷。冷媒介质朗肯循环的步骤(I)中，所述的与高压液化天然气混合物流换热的冷媒介质压力分为低压、次中压和中压三股，低压冷媒介质的泡点温度约为-60°C -40°C;次中压冷媒介质的泡点温度约为_30°C _10°C，中压冷媒介质的泡点温度约为-10°C 0°C。本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果(I)本发明的方法是基于能量梯级利用的原理，逐级利用低压天然气、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，减少传热LNG与发电工质传热过程的有效能损失，冷能发电效率更高。(2)本发明采用天然气和冷媒作为介质构建利用LNG冷能发电的朗肯循环，天然气介质可以直接用LNG汽化后得到的天然气，无需另外购置；而且本发明通过调控天然气介质和冷媒介质的压力来实现从深冷到浅冷梯级利用LNG冷能，比使用多种不同沸点的冷媒介质方案操作方便，减少冷媒购置费用。(3)本发明的方法中将液化后的介质(天然气介质和冷媒介质)增压后再用于后续介质的液化，如低压液体天然气增压后用于中压天然气的液化、低压液体冷媒增压后用于次中压和中压冷媒的液化，这样提高了朗肯循环中冷能的利用效率。(4)本发明的方法利用热媒水回收LNG接收站附近的燃气电厂排向大气中的烟气余热作为朗肯循环的低温热源，不仅可以提高朗肯循环中的发电效率，而且不会降低燃气电厂的发电效率，并可以减少电厂烟气对大气环境的热污染。(5)本发明的方法通过多级梯级回收利用LNG冷能，回收烟气热量提高朗肯循环的热源温度，采用本发明的方法，每吨LNG冷能的发电量可达到40 45kWh，比常规利用LNG冷能发电的朗肯循环效率提高60 80%。
图1是本发明的梯级利用液化天然气冷能发电的方法的工作流程图；其中1，3，6-液化天然气(LNG)泵A，B，C ;2_低压天然气冷凝器；4，7-LNG混合器A, B ;5_中压天然气冷凝器；8_低压冷媒冷凝器；9，11，14-液体冷媒泵A，B，C ；10-次中压冷媒冷凝器；12，15-液体冷媒混合器A，B ；13-中压冷媒冷凝器；16_冷媒汽化器；17_冷媒透平膨胀机；18，23-发电机组A，B ;19_高压天然气加热器；20_高压天然气分流器；21_高压天然气过热器；22_天然气透平膨胀机；24_烟气换热器；25，29-热媒水输送管道；26_热媒水分流器；27-热媒水混合器；28_热媒水泵；
物流图示如下:
权利要求
1.一种梯级利用液化天然气冷能发电的方法，其特征在于包括天然气介质朗肯循环和冷媒介质朗肯循环两个部分；所述的天然气介质朗肯循环包括以下步骤:(1)天然气介质吸收冷能液化将常压液化天然气加压至7-10MPa，成为高压LNG，温度为-156 _145°C ;高压LNG与从天然气透平膨胀机中排出的低压天然气在低压天然气冷凝器中换热，使得低压天然气液化成为低压LNG，低压LNG再经LNG泵加压后与从低压天然气冷凝器中流出的高压LNG等压混合；混合后得到的高压LNG在中压天然气冷凝器中与从天然气透平膨胀机中抽出的中压天然气换热，此股中压天然气吸收冷能后液化成为中压LNG，该中压LNG再经泵增压后与从中压天然气冷凝器中流出的高压LNG等压混合，形成高压LNG混合物流；(2)天然气介质膨胀做功步骤(I)中获得的高压LNG混合物流在冷媒介质朗肯循环中释放冷能而全部汽化变成高压天然气流，压力为6-9MPa，再在高压天然气加热器中利用低温热源将其加热至5-10°C，然后通过分流器从高压天然气流中将用于循环发电的高压天然气介质分出，余下的由LNG汽化而来的高压天然气进入天然气管网；再在高压天然气过热器中利用低温热源将分出来的循环高压天然气介质加热至40-60°C后进入天然气透平膨胀机中做功，并带动发电机组发电；膨胀后低压天然气介质压力降低至0.5-1.5MPa，同时从天然气透平膨胀机中抽出的中压天然气，其压力为2.0-4.0MPa ;用于循环发电的天然气介质为LNG汽化量的50-70%，其中从天然气透平膨胀机中抽出的中压天然气介质占发电天然气介质总量的50-70% ；所述的冷媒介质朗肯循环包括以下步骤:(1)冷媒介质吸收冷能液化将天然气介质朗肯循环中获得的高压LNG混合物流在低压冷媒冷凝器中与从冷媒透平膨胀机出口排出的低压冷媒蒸汽换热，低压冷媒蒸汽吸收冷能后全部液化，再经冷媒泵增压成为高压液体冷媒，然后与高压天然气混合物流一起进入次中压冷媒冷凝器中与从冷媒透平膨胀机中抽出的次中压冷媒蒸汽换热，次中压冷媒蒸汽吸收冷能液化后再经冷媒泵增压后，再与从低压冷媒冷凝器中流出的高压液体冷媒等压混合成为新的高压液体冷媒流；新的高压液体冷媒流与从次中压冷媒冷凝器流出的高压天然气混合物流一起进入中压冷媒冷凝器与从冷媒透平膨胀机中抽出的中压冷媒蒸汽换热并使其液化，高压天然气混合物流温度升高至-10°C后进入天然气加热器，而液化后的中压冷媒经冷媒泵增压后与流出中压冷媒冷凝器的高压冷媒物流等压混合，形成高压液体冷媒混合物流；(2)冷媒介质膨胀做功冷媒汽化器利用低温热源将步骤(I)中获得的高压液体冷媒混合物流加热至40-60°C，然后进入冷媒透平膨胀机中做功，并带动发电机组发电；循环冷媒量为需汽化的LNG摩尔流量的40-60%，膨胀后低压冷媒的泡点温度为-60 _40°C，同时从冷媒透平膨胀机中抽出一股次中压冷媒和一股中压冷媒，次中压冷媒的泡点温度为-30 -15°C，中压冷媒的泡点温度为-10 0°C;膨胀后的低压冷媒和抽出的次中压和中压冷媒返回步骤(I)中与高压LNG混合物流换热。
2.根据权利要求1所述的梯级利用液化天然气冷能发电的方法，其特征在于:两种循环中所涉及的低温热源，以及冷媒介质朗肯循环步骤(I)中-10°C的高压天然气混合物流进入天然气加热器后的热源都是采用60 80°C的热媒水，该热媒水是回收建于LNG接收站附近的燃气电厂烟气的余热后形成的。
3.根据权利要求1所述的梯级利用液化天然气冷能发电的方法，其特征在于:天然气介质朗肯循环的步骤(I)中，所述的与LNG换热的天然气介质压力分为低压和中压两股，低压天然气介质压力约为0.5 1.5MPa，其对应的泡点温度约为-140 _115°C;中压天然气介质的压力约为2.0 4.0MPa，其对应的泡点温度约为-110 _85°C。
4.根据权利要求1所述的梯级利用液化天然气冷能发电的方法，其特征在于:冷媒介质朗肯循环中，所述的冷媒介质为乙烷、丙烷、氨、二氧化碳、二氟二氯甲烷、三氟一氯甲烷、二氟一氯甲烷或四氟乙烷。
5.根据权利要求1所述的梯级利用液化天然气冷能发电的方法，其特征在于:冷媒介质朗肯循环的步骤(I)中，所述的与高压液化天然气混合物流换热的冷媒介质压力分为低压、次中压和中压三股，低压冷媒介质的泡点温度约为-60°C -40°C;次中压冷媒介质的泡点温度约为_30°C -10°C ，中压冷媒介质的泡点温度约为-10°C 0°C。
全文摘要
本发明公开了一种梯级利用液化天然气冷能发电的方法，该方法包括天然气介质朗肯循环和冷媒介质朗肯循环两个部分，是利用汽化的天然气和另一种冷媒作为发电工质，通过控制天然气介质和冷媒介质的压力来实现与LNG的多重梯级换热，一方面解决朗肯循环发电时冷媒回收LNG冷能的过程中有效能损失过大的问题(本发明方法比常规利用LNG冷能发电的朗肯循环效率提高60～80%)，另一方面通过系统集成将朗肯循环中增压后的液化冷媒携带的冷能再次利用，提高冷能的利用效率；同时，本发明以热媒水为介质利用接收站附近的燃气-蒸汽联合电厂发电后排向大气的烟气余热作为冷能发电的低温热源，不仅可以提高朗肯循环的发电效率，而且余热利用不会对燃气电厂的发电效率产生不利影响，并且可以减少烟气余热对环境造成的热污染。
文档编号F25J1/00GK103075250SQ20121044550
公开日2013年5月1日 申请日期2012年11月8日 优先权日2012年11月8日
发明者熊永强 申请人:暨南大学