一种发电系统以及基于该系统的发电方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于化工与低温技术领域，具体涉及一种发电系统以及基于该系统的发电 方法，特别是关于一种"采用混合工质和丙烷工质的两级郎肯循环获取液化天然气冷量的 发电系统及其方法"。
【背景技术】
[0002] 液化天然气（LiquefiedNaturalGas，LNG)是常温天然气经过脱酸、脱水处理，再 经过冷冻工艺液化而形成的一种无色、无味、无毒且透明的低温液体。LNG冷能主要是指利 用LNG与周围环境（如空气、海水）的温度差以及压力差，在趋于平衡的过程中进行回收的 能量。按LNG的温度处于-162°C，含有840kJ/kg的冷计算，一吨LNG到岸可利用的冷畑釣 为250kWh，我国很多LNG接收站的年到岸LNG量为300万吨/年，以此量计算，则年可利用 的气化冷，畑为715亿kWh。目前，国内LNG接收站配套建设的冷能利用装置均为空分设备， 而对于冷能发电的研宄较少。但是空分设备要求LNG接收站附近应有空分产品的市场，而 冷能发电则具有更广的适用性，因而国际上关于利用LNG冷能发电的研宄更多。因此，在目 前回收LNG冷能的诸多方法当中，LNG冷能发电是最可能大规模利用方式，且工业化应用最 广泛，同时也是技术较为成熟的方法。宄其原因，一方面，LNG冷能用于发电系统，其产业链 很短，基本不受其它外界因素干扰；另一方面，利用LNG冷能发电，可回收LNG大部分温度段 的冷能。
[0003] 利用LNG冷能发电的基本原理是通过一个低温动力循环，以LNG为低温冷源，利用 低温动力循环的机械功驱动发电机组产生电力。利用LNG冷能可以采用的发电方式主要 有：直接膨胀法、二次媒体法、联合法、布雷敦循环（气体动力循环）、燃气轮机利用方法以 及多重联合循环发电等等。目前，研宄LNG冷能发电主要着眼于发电流程及如何提高冷能 利用率。已有技术中，专利公开号CN103362579A，名称为"一种回收液化天然气冷能的两级 膨胀发电装置及方法"的专利，公开了一种以乙烷或乙烯为工质，通过回收LNG冷能和余热 进行发电的装置和方法。该方法中LNG经过LNG泵提升压力后进入多股流低温换热器的第 一流道汽化并升温；高压工质气态进入第一透平膨胀机膨胀后输出电力，工质气体分成两 部分，第一部分进入板翅式多股流低温换热器的第二流道吸收LNG冷能冷凝为液体，再用 泵加压；第二部分经第二换热器后进入第二级透平膨胀机膨胀，并进入板翅式多股流低温 换热器的第三流道冷凝为液体，用泵加压后进入第四流道，之后与第一部分工质汇合，汇合 后与冷媒换热，再与环境换热或吸收工业余热后回到第一级透平膨胀机入口，完成循环。该 工艺中循环工质经过串联的两级膨胀，并采用单一循环工质，对液化天然气的低温能利用 有限，另外，并未对LNG的压力能有所利用。专利公开号CN103867894A，名称为"一种利用 液化天然气冷能发电及C02捕集的方法与装置"的专利，该装置中将LNG冷能用于直接膨胀 流程、用于冷却蒸汽动力循环流程和用于降低燃气轮机吸气温度的流程，流程较复杂，并更 适用于有锅炉利用的场合。专利公开号CN103075250A，名称为"一种梯级利用液化天然气 冷能发电的方法"的专利，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， 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。该方法流程复杂， 控制难度较大。专利公开号CN101806293A，名称为"一种提高液化天然气冷能发电效率的 集成优化方法"的专利，该方法包括天然气直接膨胀发电系统和冷媒朗肯循环发电系统以 及取自朗肯循环冷媒冷量的冰水系统三部分，该方法中的朗肯循环工质与液化天然气之间 的换热温差较大。专利公开号CN102996378A，名称为"以烃类混合物为工质回收液化天然 气冷能发电的方法"的专利，该方法是一种以LNG为低温热源，以环境或工艺余热为高温热 源的动力循环工艺流程用于产生电力。该流程仅对LNG的部分冷能通过朗肯循环部分加以 利用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种可以充分利用液化天 然气冷能和压力能的LNG冷能利用系统和方法。通过二级串联的丙烷朗肯循环回收一级朗 肯循环增压后的液化混合工质冷媒携带的冷能，提高冷能的利用效率；同时，本发明可以借 助于LNG接收站独有的地理优势，利用海水作为朗肯循环的高温热源。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0006] 本发明提供一种发电系统，其包括混合工质朗肯循环膨胀做功部、丙烷工质朗肯 循环膨胀做功部和天然气直接膨胀发电部，所述混合工质朗肯循环膨胀做功部包括依次相 连的混合工质加压泵、混合工质-丙烷换热器、混合工质-海水换热器、混合工质膨胀机与 发电机、混合工质-海水换热器，具体为：所述混合工质加压泵的出口连接混合工质-丙烷 换热器的入口，所述混合工质-丙烷换热器的出口连接混合工质-海水换热器的入口，所述 混合工质-海水换热器的出口连接所述混合工质膨胀机与发电机的入口，所述混合工质膨 胀机与发电机的出口连接LNG-混合工质换热器的入口，所述LNG-混合工质换热器的出口 连接所述的混合工质加压泵的入口；
[0007] 所述丙烷工质朗肯循环膨胀做功部，包括依次相连的丙烷工质加压泵、丙烷-海 水换热器、丙烷工质膨胀机与发电机、混合工质-丙烷换热器，具体为：所述丙烷工质加压 泵的出口连接丙烷-海水换热器的入口，所述丙烷-海水换热器的出口连接所述丙烷工质 膨胀机与发电机的入口，所述丙烷工质膨胀机与发电机的出口连接混合工质-丙烷换热器 的入口，所述混合工质-丙烷换热器的出口连接所述的丙烷工质加压泵的入口。
[0008] 所述天然气直接膨胀发电部包括依次相连的LNG加压泵、LNG-混合工质换热器、 LNG-海水汽化器、天然气膨胀机与发电机、天然气-海水换热器，具体为：所述LNG加压泵 的一端连接一LNG的源头，所述LNG加压泵的另一端连接至所述LNG-混合工质换热器的入 口，所述LNG-混合工质换热器的低温侧出口连接LNG汽化器的入口，所述LNG-海水汽化器 的出口连接所述天然气膨胀机与发电机的入口，所述天然气膨胀机与发电机的出口连接所 述天然气加热器的入口，所述天然气-海水换热器的出口连接至外输管网。
[0009] 作为优选方案，所述丙烷-海水换热器、混合工质-海水换热器、LNG-海水汽化器、 天然气-海水换热器的高温热源均来自于海水、空气或工业废热。
[0010] 本发明还提供一种基于本发明所述发电系统的发电方法，其包括如下步骤：
[0011] A、天然气介质一级直接膨胀：来自于储罐的原料液化天然气经所述的LNG增压 泵增压后，依次进入LNG-混合工质换热器和LNG-海水汽化器，实现完全气化并升温后， 以6~lOMPa的高压气体状态进入天然气膨胀机与发电机内膨胀至外输管网要求的输送 压力并降温，天然气膨胀机与发电机的输出功用于驱动发电机产生电力，高压天然气通过 天然气膨胀机与发电机后，变为符合外输管网压力要求的低温气态天然气，之后进入天然 气-海水换热器加热至符合外输管网所要求的温度后输出用于供气或外输；
[0012] 为满足燃气下游用户或长输燃气管网的压力要求，将常压液化天然气（简称LNG) 加压至8-10MPa，成为高压LNG，温度范围为-156. 5~-158. 3°C;高压LNG与从混合工质透 平膨胀机9中排出的低压混合工质在混合工质冷凝器2中换热，使得高压液化天然气温度 升高或温度升高的同时实现部分气化。释放冷能后的高压LNG通过海水汽化器3,吸热气化 并升温，高压气化天然气进入透平膨胀机4膨胀做功，并带动发电机