专利名称：一种利用液化天然气低温的开式工质循环发电方法
技术领域：
本发明涉及一种利用液化天然气(LNG)低温火的开式工质循环发电的方法，特别涉及一种用于液化天然气(LNG)气化速度较为稳定、天然气管网压力较低、冷能用户的温度较高的系统中的开式工质循环发电方法。
背景技术：
液化天然气(LNG)处于超低温状态，具有0.83MJ/Kg的冷能，如果该冷能以100％的效率转化成动力，则1吨液化天然气(LNG)释放的冷能相当于240KWh左右。因此，回收这部分冷能对液化天然气(LNG)的高效利用具有重大的意义。目前，液化天然气(LNG)冷能回收的方法有多种，包括深冷粉碎，低温冷冻冷藏库，燃气轮机进汽冷却，制造液态二氧化碳和干冰，空气分离，冷能发电等，但这些都是陆续开发的、单一冷能利用项目，迄今还极少有多种冷能用户复合或集成的项目，导致大量超低温位冷能向高温位传递，使得过程火用损较大，宝贵的冷能回收率降低。
美国专利申请第6089028号以50％-50％甲烷-乙烷作为一闭环工艺的热传导介质来发电。液化天然气(LNG)液体通过液化50％-50％甲烷-乙烷而被气化，该液体混合介质然后通过海水气化，而气化的介质用于驱动一涡轮机，该涡轮机驱动一发电机。从涡轮机排除的气化介质然后加热液化天然气(LNG)，使液化天然气(LNG)部分气化而介质液化，然后升温的液化天然气(LNG)进一步用海水加热。而部分在储存灌中的气化气体从另一管道排出，然后用压缩机压缩，再用液化天然气(LNG)降温，进行第二次压缩，再用海水加热，最后送到分配系统。这样的发电方式相对于直接膨胀发电，效率会比较高。但参比其设备投资和液化天然气(LNG)冷能利用效率等因素，在经济上有待进一步论证。而且，在第二热交换器中，用海水作为热流，换热以后直接排掉，没有加以利用，使得能量没有得以很好利用。
美国专利申请第4320303号将丙烷作为一闭环工艺中的热传导介质来发电。液化天然气(LNG)液体通过液化丙烷而被气化，该液体丙烷然后通过海水气化，而气化的丙烷用于驱动一涡轮机，该涡轮机驱动一发电机。从涡轮机排出的气化丙烷然后加热液化天然气(LNG)，使液化天然气(LNG)气化而丙烷液化。这样可以部分的利用冷量，以免用海水直接气化造成能源的浪费，但是由于用丙烷这一单一的介质做制冷剂，使得冷量交换的效率不是很高。同时没有很好的利用液化天然气(LNG)的压力火用，造成发电效率不高。
美国专利申请第4036028号和第4231226号通过冷媒来提供液化天然气(LNG)再气化的热量，该冷媒与轮机排气和组合式循环动力设备进行热交换。尽管这些配置使液化天然气(LNG)再气化的能耗明显减少，但是仍然存在限制完全利用液化天然气(LNG)冷能。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种利用液化天然气低温火用的开式工质循环发电方法。该方法可以在不影响供气需求和冷能利用的前提下，利用液化天然气(LNG)低温火用额外获得可观的电力和更多温度较高的冷量。
本发明的目的通过下述技术方案实现一种利用液化天然气低温火用的开式工质循环发电方法，包括以下工艺条件和工艺步骤(1)液化天然气(LNG)加压液化天然气(LNG)通过低温泵加压到2～3.8MPa；利于下游的膨胀发电，以回收更多的冷能，提高火用效率。
(2)液化天然气(LNG)气化将步骤(1)中加压的液化天然气(LNG)通过冷媒换热器使液化天然气(LNG)气化，并且温度上升到预定温度20～38℃，冷能从液化天然气(LNG)转移到冷媒上；冷媒通过冷媒换热器把冷能输送给冷能用户。
(3)膨胀发电将步骤(2)中加热气化后的天然气通过膨胀发电机组进行发电，膨胀后天然气的温度降低至-60～-85℃；(4)换冷将步骤(3)中膨胀后的天然气再通过冷媒换热器加热升温后进入输送管网。
本发明发电的能量来自于液化天然气(LNG)的低温火用和压力火用，同时输送给下游冷能用户的冷能量增加。本发明的系统设备主要有低温泵、冷媒换热器、膨胀发电机组，其设置如下液化天然气(LNG)经过低温泵加压后，通过冷媒换热器气化，再通过膨胀发电机组膨胀发电，最后回到冷媒换热器加热升温后进入网管。
本发明适用范围是液化天然气(LNG)气化速度较为稳定、天然气管网压力较低、冷能用户的温度较高的系统。
为了更好地实现本发明，步骤(2)中所述的预定温度优选为20℃。
所述冷媒可以是包括每个分子中含有1至6碳原子的碳氢化合物及其混合物，其中碳氢化合物包括甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)或者乙烯(C2H6)等，但具体选择要根据天然气的气化曲线而定。特别优选的冷媒是按质量百分比计组成为34％乙烷、46％乙烯和20％丙烷的混合物。
所述步骤(4)中天然气加热升温至15℃后进入输送管网。
本发明的原理是液化天然气(LNG)的温焓状态随压力变化较大，其低温火用值也差别较大，如图2所示，显示了液化天然气(LNG)在不同压力下的e-Q曲线，其中曲线1和曲线2的压力分别是5Mpa和0.4Mpa，曲线的积分便是相对环境温度的低温火用值，其差值可以认为是转化成了液化天然气(LNG)的压力火用，即如果把0.4Mpa的液化天然气(LNG)通过高压泵加压5Mpa，则相当于在电能作用下把曲线2的低温火用转化成曲线1的低温火用和压力火用，压力火用用来发电，发电量减掉高压泵的用电量便是低温所得的有效电能。
本发明结合我国经济发展趋势和冷量用户的实际情况，特别是分布于全国各地的数百个液化天然气(LNG)卫星气化站，这些气化站由于处理量较小，管网压力较低，目前只能把液化天然气(LNG)冷能用于低温粉碎、干冰制备、低温冷库项目、室内人造冰雪和冷水空调等的冷能温度较高、品味较低的项目，浪费了大量的液化天然气(LNG)低温火用。因此通过低温泵增压——换冷——膨胀做功几个附加工艺，把液化天然气(LNG)气化过程设计成开式工质循环发电过程，在不影响供气需求和冷能利用的前提下，可以额外获得可观的电力和较多的高温位冷能。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果(1)避免了超低温位冷能向高温位冷能的传递，造成火用损过大，冷能利用率低。
(2)可以在不影响供气需求和冷能利用的前提下，额外获得可观的电力和较多高温位冷能。
(3)用碳氢化合物的混合物作为冷媒，使得冷媒的降温曲线与液化天然气(LNG)的升温曲线尽量接近，以减少换冷过程中的火用损。
(4)液化天然气经过本发明方法利用后，送给冷能用户的火用值减少了109.5kWh/t(LNG)，但为其提供的冷能数量增加了241.9kWh/t(LNG)，增加近16％，同时净发电量41.34～53.2kWh/t(LNG)，发电效率为38％～48.6％。
图1是利用液化天然气低温火用的开式工质循环发电流程模拟图。
图2是不同压力下的液化天然气能级图。
具体实施例方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1如图1所示，本实施例采用1t/h液化天然气(LNG)，液化天然气(LNG)的压力为0.4MPa。温度为-160℃，其质量百分比组成分别为甲烷95％，乙烷3％，丙烷2％；单元设备包括低温泵B4、冷媒换热器B1、膨胀发电机组B5和储罐B7，设备的材质选用耐低温的不锈钢。具体工作步骤和工艺条件如下(1)液化天然气(LNG)加压原料液化天然气(LNG)1t/h通过低温泵B4将压力提升到3Mpa，温度由-160℃变成-155℃，低温泵的功耗为5.57KWh/t(LNG)。
(2)液化天然气(LNG)气化将步骤(1)中加压的液化天然气(LNG)先通过冷媒换热器B1把液化天然气(LNG)完全气化，温度升高到20℃，压力不变(3MPa)，其中冷媒为由按质量百分比计34％乙烷、46％乙烯和20％丙烷组成的混合物。图1所示，冷媒通过冷媒换热器B1和液化天然气LNG换热，温度由25℃降至-106℃，压力不变，后通过储罐B7缓冲，压力由0.5MPa降为0.1MPa，再通过泵B9加压至0.5MPa，然后通过冷媒换热器B3加热至25℃，同时通过低温热源A、低温热源B、低温热源C把冷能输送给下游冷能用户，最后冷媒再回到冷媒换热器B1。
(3)膨胀发电将步骤(2)中加热气化后的天然气通过膨胀发电机组B5膨胀发电，天然气的压力降至0.4MPa，温度由20℃降至-81℃，发电功率为52KWh/t(LNG)。
(4)换冷步骤(3)中膨胀发电以后的气体通过冷媒换热器B1继续加热至15℃后进入输送管网。
液化天然气(LNG)经过该过程后，天然气火用值减少了109.5kWh/t(LNG)，损失的火用一部分用来发电，一部分产生温位较高的冷能，冷能增加值为241.9kWh/t(LNG)，将近16％，同时净发电功率为46.43kWh/t(LNG)，发电效率为42％。
实施例2如图1所示，本实施例采用1t/h液化天然气(LNG)，液化天然气(LNG)的压力为0.4MPa。温度为-160℃，其质量百分比组成分别为甲烷95％，乙烷3％，丙烷2％；单元设备包括低温泵B4、冷媒换热器B1、膨胀发电机组B5和储罐B7，设备的材质选用耐低温的不锈钢。具体工作步骤和工艺条件如下(1)液化天然气(LNG)加压原料液化天然气(LNG)1t/h通过低温泵B4将压力提升到2Mpa，温度由-160℃变成-157℃，低温泵的功耗为3.43KWh/t。
(2)液化天然气(LNG)气化将步骤(1)中加压的液化天然气(LNG)先通过冷媒换热器B1把液化天然气(LNG)完全气化，温度升高到20℃，压力不变(2MPa)，其中冷媒为由按质量百分比计34％乙烷、46％乙烯和20％丙烷组成的混合物。如图1所示，冷媒通过冷媒换热器B1和液化天然气LNG换热，温度由25℃降至-104℃，压力不变，后通过储罐B7缓冲，压力由0.5MPa降为0.1MPa，再通过泵B9加压至0.5MPa，然后通过冷媒换热器B3加热至25℃，同时通过低温热源A、低温热源B、低温热源C把冷能输送给下游冷能用户，最后冷媒再回到冷媒换热器B1。
(3)膨胀发电将步骤(2)中加热气化后的天然气通过膨胀发电机组B5膨胀发电，天然气的压力降至0.4MPa，温度由20℃降至-63℃，发电功率为44.77KWh/t。
(4)换冷步骤(3)中膨胀发电以后的气体通过冷媒换热器B1继续加热至15℃后进入输送管网。
液化天然气(LNG)经过该过程后，天然气火用值减少了109.5kWh/t(LNG)，损失的火用一部分用来发电，一部分产生温位较高的冷能，冷能增加值为241.9kWh/t(LNG)，将近16％，同时净发电功率为41.34kWh/t(LNG)，发电效率为38％。
实施例3如图1所示，本实施例采用1t/h液化天然气(LNG)，液化天然气(LNG)的压力为0.4MPa。温度为-160℃，其质量百分比组成分别为甲烷95％，乙烷3％，丙烷2％；单元设备包括低温泵、冷媒换热器、膨胀发电机组和储罐，设备的材质选用耐低温的不锈钢。具体工作步骤和工艺条件如下(1)液化天然气(LNG)加压原料液化天然气(LNG)1t/h通过低温泵B4将压力提升到3.8Mpa，温度由-160℃变成-154℃，低温泵的功耗为7.3KWh/t。
(2)液化天然气(LNG)气化将步骤(1)中加压的液化天然气(LNG)先通过冷媒换热器B1把液化天然气(LNG)完全气化，温度升高到38℃，压力不变(3.8MPa)，其中冷媒为由按质量百分比计34％乙烷、46％乙烯和20％丙烷组成的混合物。如图1所示，冷媒通过冷媒换热器B1和液化天然气LNG换热，温度由40℃降至-92℃，压力不变，后通过储罐B7缓冲，压力由0.5MPa降为0.1MPa，再通过泵B9加压至0.5MPa，然后通过冷媒换热器B3加热至40℃，同时通过低温热源A、低温热源B、低温热源C把冷能输送给下游冷能用户，最后冷媒回到冷媒换热器B1。
(3)膨胀发电将步骤(2)中加热气化后的天然气通过膨胀发电机组B5膨胀发电，天然气的压力降至0.4MPa，温度由38℃降至-79℃，发电功率为60.5KWh/t。
(4)换冷步骤(3)中膨胀发电以后的气体通过冷媒换热器B1继续加热至15℃后进入输送管网。
液化天然气(LNG)经过该过程后，火用值减少了109.5kWh/t(LNG)，损失的火用一部分用来发电，一部分产生温位较高的冷能，冷能增加值为241.9kWh/t(LNG)，将近16％，同时净发电功率为53.2kWh/t(LNG)，发电效率为48.6％。从上面三个实施例可以看出，随着压力增加，发电效率也逐渐增加。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种利用液化天然气低温火用的开式工质循环发电方法，其特征在于包括如下工艺条件和工艺步骤(1)液化天然气加压液化天然气通过低温泵加压到2～3.8MPa；(2)液化天然气气化将步骤(1)中加压的液化天然气通过冷媒换热器使液化天然气气化，并且上升到预定温度20～38℃，冷能从液化天然气转移到冷媒上，冷媒通过冷媒换热器把冷能输送给冷能用户；(3)膨胀发电将步骤(2)中加热气化后的天然气通过膨胀发电机组进行发电，膨胀后天然气的温度降低至-60～-85℃；(4)换冷将步骤(3)中膨胀后的天然气再通过冷媒换热器加热升温后进入输送管网。
2.根据权利要求1所述的一种利用液化天然气低温火用的开式工质循环发电方法，其特征在于所述步骤(2)中的预定温度为20℃。
3.根据权利要求1所述的一种利用液化天然气低温火用的开式工质循环发电方法，其特征在于所述的冷媒包括每个分子中含有1至6个碳原子的碳氢化合物或者上述碳氢化合物的混合物。
4.根据权利要求3所述的一种利用液化天然气低温火用的开式工质循环发电方法，其特征在于所述的碳氢化合物包括甲烷、乙烷、丙烷或者乙烯。
5.根据权利要求3所述的一种利用液化天然气低温火用的开式工质循环发电方法，其特征在于所述的冷媒是按质量百分比计组成为34％乙烷、46％乙烯和20％丙烷。
6.根据权利要求1所述的一种利用液化天然气低温火用的开式工质循环发电方法，其特征在于所述步骤(4)中天然气加热升温至15℃后进入输送管网。
全文摘要
本发明公开了一种利用液化天然气低温的开式工质循环发电方法。该方法包括液化天然气加压、液化天然气气化、膨胀发电、换冷。本发明在液化天然气卫星气化站的冷能用于冷库等温度较高的冷能用户、过程损较大和下游管网压力较低的基础上，通过增加泵增压——换冷——高温气化——膨胀做功几个附加工艺过程，在不影响供气需求和冷能利用的前提下，利用液化天然气的低温额外获得可观的电力和更多温度较高的冷量，送给冷能用户的值减少了109.5kWh/t，但为其提供的冷能数量增加了241.9kWh/t，增加近16％，同时净发电量41.34～53.2kWh/t，发电效率为38％～48.6％。
文档编号F17C7/04GK101092888SQ20071002794
公开日2007年12月26日 申请日期2007年5月10日 优先权日2007年5月10日
发明者华贲, 徐文东, 李亚军, 尹华 申请人:华南理工大学