本发明涉及液化天然气(LNG)冷能利用发电技术领域，特别是关于一种多级耦合LNG冷能利用循环发电系统。
背景技术：
根据我国能源中长期发展规划，天然气以其高效、清洁的性能和广泛的用途，将成为我国能源发展战略的一个绿色能源支柱之一，并且益呈现增大的趋势。在未来的时间内，我国将会大量进口天然气，其中大部分天然气将以LNG的方式输送到中国。大量进口的LNG，同时携带着大量的冷能，如果不能有效地利用这部分冷能，将会造成巨大的能源浪费和环境危害。因此，合理有效地利用这部分冷能，一方面可以有效的利用LNG的高品位冷能，另一方面，在获得巨大的经济效益的同时，可以减少LNG气化过程中的环境污染。利用动力循环将冷能转化为功是对LNG的一种综合利用形式，这种循环是目前研究尚少的LNG冷能发电低温动力循环。利用LNG冷能发电，可以回收LNG大部分温度段的冷能，而其它的冷能利用方式主要针对某区段温度梯度的LNG部分少量冷能进行回收。然而单级冷能发电系统存在效率低、初投资较大，系统运行不稳定的问题，这些是一直困扰LNG冷能发电大规模推广的主要因素。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的是提供一种运行稳定、安全可靠、高效的多级耦合LNG冷能利用循环发电系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种多级耦合LNG冷能利用循环发电系统，其特征在于：它包括三级LNG冷能利用循环发电系统、海水泵和LNG循环泵；LNG经所述LNG循环泵加压后依次进入第一级LNG冷能利用循环发电系统、第二级LNG冷能利用循环发电系统和第三级LNG冷能利用循环发电系统进行热量交换；20℃的海水热源经所述海水泵加压后，进入所述第三级LNG冷能利用循环发电系统进行热量交换；所述第一级LNG冷能利用循环发电系统包括第一蒸发器、第一汽轮机、第一冷凝器、第一工质泵、第一电动机和在该级系统中循环的第一发电工质，且所述第一蒸发器、第一汽轮机、第一冷凝器、第一工质泵依次通过管道连接构成闭环结构；所述第一蒸发器两端分别设置有第一热源输入端和第一热源输出端，所述第一冷凝器两端分别设置有第一冷源输入端和第一冷源输出端；所述第二级LNG冷能利用循环发电系统与所述第三级LNG冷能利用循环发电系统结构相同；所述第二级LNG冷能利用循环发电系统包括第二蒸发器、第二汽轮机、第二分流器、第二冷凝器、第二混合器、第二 工质泵、第二电动机和在该级系统中循环的第二发电工质；其中，所述第二蒸发器、第二汽轮机、第二分流器依次通过管道连接，所述第二分流器的两输出端分别与所述第二冷凝器和所述第一级LNG冷能利用循环发电系统中所述第一蒸发器的第一热源输入端连接；所述第二冷凝器和所述第一级LNG冷能利用循环发电系统中所述第一蒸发器的第一热源输出端与所述第二混合器的两个输入端连接；所述第二混合器的输出端通过管道与所述第二工质泵连接，所述第二工质泵与所述第二蒸发器通过管道连接后构成闭环结构；所述第二蒸发器两端分别设置有第二热源输入端和第二热源输出端，所述第二冷凝器两端分别设置有第二冷源输入端和第二冷源输出端；且所述第二蒸发器的第二热源输入端与所述第三级LNG冷能利用循环发电系统中第三分流器的一个输出端连接，所述第二蒸发器的第二热源输出端与所述第三级LNG冷能利用循环发电系统中第三混合器的一个输入端连接。
所述第一级LNG冷能利用循环发电系统和第二级LNG冷能利用循环发电系统中的发电工质均采用R1150。
所述第三级LNG冷能利用循环发电系统中的发电工质采用R1270。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用LNG冷能进行发电，不但有效的利用了LNG的高品位冷能，而且减少企业在LNG气化过程的能源、水源消耗，为企业节能减排、提高国家天然气能源综合效益做出贡献。2、本发明由于第三级LNG冷能利用循环发电系统以海水为热源与蒸发器进行换热，第二级LNG冷能利用循环发电系统由第三级LNG冷能利用循环发电系统放热提供热源进行热交换，第一级LNG冷能利用循环发电系统由第二级LNG冷能利用循环发电系统放热提供热源实现热量交换。这样，第一级LNG冷能利用循环发电系统降低了第二级LNG冷能利用循环发电系统的蒸发温度，第二级LNG冷能利用循环发电系统降低了第三级LNG冷能利用循环发电系统蒸发温度，减小了系统每一级循环蒸发温度与冷凝温度的差值，提高了系统冷凝器、蒸发器、汽轮机的损失。3、本发明由于采用三级LNG冷能利用循环发电系统，LNG经过泵加压后，依次经过第一级LNG冷能利用循环发电系统、第二级LNG冷能利用循环发电系统和第三级LNG冷能利用循环发电系统，使系统循环工质温度降低，充分实现换热过程，减少了污染排放，改善了系统性能。4、本发明由于采用R1150、R1270作为冷媒介质，使得系统运行稳定，安全可靠，便于工程实施。本发明结构简单，使用方便，可以广泛应用于LNG冷能发电领域。
附图说明
图1是本发明结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括三级LNG冷能利用循环发电系统1、2、3、海水泵4和LNG循环泵5。LNG经LNG循环泵5加压后依次进入第一级LNG冷能利用循环发电系统1、第二级LNG冷能利用循环发电系统2和第三级LNG冷能利用循环发电系统3进行热量交换。20℃的海水热源经海水泵4加压后，进入第三级LNG冷能利用循环发电系统3进行热量交换。
其中，第一级LNG冷能利用循环发电系统1包括蒸发器11、汽轮机12、冷凝器13、工质泵14、电动机15和在该级系统中循环的发电工质，且蒸发器11、汽轮机12、冷凝器13、工质泵14依次通过管道连接构成闭环结构。其中，蒸发器11两端分别设置有热源输入端和热源输出端，冷凝器13两端分别设置有冷源输入端和冷源输出端。
第二级LNG冷能利用循环发电系统2包括蒸发器21、汽轮机22、分流器23、冷凝器24、混合器25、工质泵26、电动机27和在该级系统中循环的发电工质。其中，蒸发器21、汽轮机22、分流器23依次通过管道连接，分流器23的两输出端分别与冷凝器24和第一级LNG冷能利用循环发电系统1中蒸发器11的热源输入端连接。冷凝器24和第一级LNG冷能利用循环发电系统1中蒸发器11的热源输出端与混合器25的两个输入端连接。混合器25的输出端通过管道与工质泵26连接，工质泵26与蒸发器21通过管道连接后构成闭环结构。同样，蒸发器21两端分别设置有热源输入端和热源输出端，冷凝器23两端分别设置有冷源输入端和冷源输出端。第三级LNG冷能利用循环发电系统3的结构与第二级LNG冷能利用循环发电系统2相同，其包括蒸发器31、汽轮机32、分流器33、冷凝器34、混合器35、工质泵36、电动机37和在该级系统中循环的发电工质，且分流器33的一个输出端与第二级LNG冷能利用循环发电系统2中蒸发器21的热源输入端连接，蒸发器21的热源输出端与混合器35的一个输入端连接。
第三级LNG冷能利用循环发电系统3中，工质泵36内液态的发电工质经管道进入蒸发器31，在蒸发器31内与经海水泵4加压后的海水进行热量交换后变为气态流出进入汽轮机32。气态的发电工质在汽轮机32内做功后，进入分流器33分为两部分，一部分作为热源进入第二级LNG冷能利用循环发电系统2中的蒸发器21，另一部分进入冷凝器34吸收LNG的第三段冷量。最终两部分发电工质同时经混合器35混合后进入工质泵36，经工质泵36升压处理后再次进入蒸发器31循环发电。同理，第二级LNG冷能利用循环发电系统2以第三级LNG冷能利用循环发电系统3放热提供的热源吸收LNG的第二段冷量，第一级LNG冷能利用循环发电系统1以第二级LNG冷能利用循环发电系统2放热提供的热源吸收LNG的第一段冷量。
上述实施例中，第一级LNG冷能利用循环发电系统1和第二级LNG冷能利用循环发电系统2中的发电工质采用R1150。
上述实施例中，第三级LNG冷能利用循环发电系统3中发电工质采用R1270。
本发明的工作原理为：
在第三级LNG冷能利用循环发电系统3中，液态发电工质R1270由工质泵36流出后经管道进入蒸发器31。20℃的海水经海水泵4加压变为(20℃，0.2MPa)后作为热源也进入蒸发器31。液态的发电工质R1270在蒸发器31内经定压升温，即与(20℃，0.2MPa)的海水进行热量交换后变为气态流出蒸发器31。气态的发电工质R1270经管道进入汽轮机32带动电动机37发电。发电工质R1270做功后的乏气经汽轮机32排出后进入分流器33分为两部分，一部分进入冷凝器34与从第二级LNG冷能利用循环发电系统2中流出的LNG进行热量交换，此时LNG由(-80℃，0.14MPa)状态变为(-53.2℃，0.14MPa)状态。另一部分作为热源进入第二级LNG冷能利用循环发电系统2中的蒸发器21。最后两部分发电工质R1270以相同的冷凝温度汇合到混合器35。从混合器35流出的发电工质R1270经工质泵36升压后再次进入蒸发器31循环发电。
第二级LNG冷能利用循环发电系统2的工作原理与第三级LNG冷能利用循环发电系统3相同，在此不再赘述。该过程中，从第一级LNG冷能利用循环发电系统1流出的(-100℃，0.14MPa)状态的LNG变为(-80℃，0.14MPa)状态。
第一级LNG冷能利用循环发电系统1中，工质泵14中液态的发电工质R1150经管道进入蒸发器11，在蒸发器11内吸收第二级LNG冷能利用循环系统2循环发电释放的热量加热后，变为气态经管道进入汽轮机12并带动电动机15发电。发电工质R1150在汽轮机12内膨胀做功后的乏气进入冷凝器13。状态为(-162℃，0.14MPa)的LNG经LNG循环泵5加压变为(-162℃，0.6MPa)状态后也进入冷凝器13。在冷凝器13内，发电工质R1150与LNG进行热量交换，此时LNG由(-162℃，0.6MPa)状态变为(-100℃，0.14MPa)状态，并流出到第二级LNG冷能利用循环发电系统2。从冷凝器13流出的发电工质R1150经管道进入工质泵14内升压后，重新进入蒸发器11循环发电。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。