本发明涉及LNG冷能在发电技术领域的应用，特别是涉及一种利用LNG冷能的燃气轮机-氮气布雷顿循环联合发电系统。
背景技术：
近年来我国许多地方遭遇了较为严重的雾霾等环境问题，能源结构的调整转型迫在眉睫。相对目前我国能源结构中占比最大的煤和石油来说，天然气是一种更为清洁的能源，也是我国能源战略行动计划重点发展的对象之一。我国的天然气，很大一部分需要依靠进口。而为了便于储存和长距离运输，通常将天然气低温冷却至液态，即为LNG(液化天然气)。目前，我国沿海地区已建成或在建的LNG接收站已达二十多座，年进口量接近两千万吨。由于LNG的储存温度低至-162℃左右，在提供给终端用户前，需要将其加热气化，此过程中会释放出大量优质冷能。然而，传统的接收站在进行气化时通常采用海水、空气甚至燃烧器作为热源，LNG释放的冷能直接排入环境中，这无疑造成了巨大的冷能浪费。特别是利用海水来气化LNG时，还会造成对环境的冷污染，破坏海洋生态。如若能够合理利用这一部分冷能，不仅可以产生巨大的经济效益，同时也有利于环境的保护。
LNG冷能利用的发电技术主要有以下几类：直接膨胀法、朗肯循环法、复合循环法、以及用于改善布雷顿循环或燃气轮机的动力循环特性。
直接膨胀法先将LNG通过泵进行增压，然后用海水或空气将其加热，利用其压力能直接带动透平，膨胀做工。该方法的流程及所需设备非常简单，但是仅回收了LNG的部分压力能，大部分优质冷能被浪费，回收效率很低。
朗肯循环法将LNG作为冷源，环境作为热源，选用适当介质作为工质组成低温朗肯循环。如果工质选择得当，使得工质的蒸发过程和LNG的气化过程能够较好匹配，则可以有效减少传热损。该方法相较直接膨胀法效率更高，目前已经广泛投入使用，技术成熟，并且可以与直接膨胀法相结合，组成复合循环，进一步提高LNG冷能的利用率。
对于燃气轮机来说，夏季由于环境温度较高，使燃机入口空气温度升高，在一定压比下吸入的空气量减少，使燃机出力下降，影响发电的经济性。同时，夏季通常又是每年用电的高峰时期，燃机出力下降也会影响整体的供电保证。为了避免这样的问题，可以利用LNG冷能对燃气轮机进口空气进行冷却，改善动力系统特性，提高燃机效率。不过由于空气中水蒸气的露点限制，进口空气最低只能冷却到5℃左右，且换热器冷损失较大，所以需要在更低的温度范围对LNG冷能进行进一步利用。
对于闭式布雷顿循环，同样也是利用LNG冷能来冷却压气机进口工质，减小压气机耗功，增大循环温升比，提高循环效率。循环工质可以选择氮气，其优势在于，其跟LNG进行换热的过程中都不会发生相变，能在很低的温度下进行应用，进一步增大循环温升比，与LNG的气化升温过程能够很好匹配，并能够通过梯级利用等方式，进一步减小换热损，提高冷能的利用效率。同时，由于氮气性质比较稳定，不像蒸汽朗肯循环存在汽蚀的问题，有利于延长设备的寿命，降低系统运行维护成本。此外，氮气布雷顿循环较适用于功率等级较小的机组中，其设备结构相比蒸汽朗肯循环更为简单，设备尺寸大大减小，更加适用于在各LNG接收站的灵活布置，便于模块化发展。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用LNG冷能的燃气轮机-氮气布雷顿循环联合发电系统，利用LNG分别将燃气轮机和氮气压气机进口的工质进行冷却，提高循环温比，从而有效提升燃气轮机-氮气布雷顿循环联合发电系统的效率。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种利用LNG冷能的燃气轮机-氮气布雷顿循环联合发电系统，所述发电系统至少包括：燃气轮机循环、氮气布雷顿循环、LNG储罐、调压站；
所述燃气轮机循环包括空气-LNG换热器、压气机、燃烧室、燃气透平、第一发电机；
所述燃气轮机循环中，从所述空气-LNG换热器依次连接所述压气机、燃烧室、燃气透平；所述第一发电机与所述燃气透平相连；
所述氮气布雷顿循环包括氮气-LNG换热器、氮气压气机、回热器、烟气-氮气换热器、氮气透平、第二发电机；
从所述氮气-LNG换热器、氮气压气机、回热器、烟气-氮气换热器、氮气透平、回热器形成所述氮气布雷顿循环；所述第二发电机与所述氮气透平相连；
所述燃气轮机循环中燃气透平的烟气出口与所述氮气布雷顿循环中烟气-氮气换热器的烟气入口相连；
所述LNG储罐通过一LNG泵与所述氮气-LNG换热器的天然气入口相连，所述氮气-LNG换热器的天然气出口与所述空气-LNG换热器的天然气入口相连，所述空气-LNG换热器的天然气出口连接至所述调压站；
所述调压站还与所述燃烧室相连，进入所述调压站的天然气一部分通过管道送出，另一部分送入所述燃烧室中与空气混合进行燃烧。
优选地，所述燃气轮机循环的具体结构为：所述空气-LNG换热器的空气出口与所述压气机的空气入口相连，所述压气机的空气出口与所述燃烧室的空气入口相连，所述燃烧室的高温燃气出口与燃气透平的燃气入口相连，燃气透平的烟气出口与烟气-氮气换热器的烟气入口相连；所述第一发电机与所述燃气透平相连。
优选地，所述氮气布雷顿循环的具体结构为：所述氮气-LNG换热器的氮气出口与所述氮气压气机的氮气入口相连，所述氮气压气机的氮气出口与所述回热器的第一氮气入口相连，所述回热器的第一氮气出口与所述烟气-氮气换热器的氮气入口相连，所述烟气-氮气换热器的氮气出口与所述氮气透平的氮气入口相连，所述氮气透平的氮气出口与所述回热器的第二氮气入口相连，所述回热器的第二氮气出口与所述氮气-LNG换热器的氮气入口相连；所述第二发电机与所述氮气透平相连。
更优选地，各个部件之间通过管道相互连接。
如上所述，本发明的利用LNG冷能的燃气轮机-氮气布雷顿循环联合发电系统，具有以下有益效果：
1、利用LNG冷能依次冷却氮气压气机和燃气轮机的进口工质，解决了环境温度较高时，氮气轮机和燃气轮机出力降低的技术问题，增大了循环温比，提高了系统的热效率。
2、氮气布雷顿循环采用氮气作为工质，与燃气轮机或汽轮机相比，使用氮气工质的氮气轮机能在低温状态下运行，在LNG冷能的利用中，不存在低温下的相变等问题，且超临界状态下的LNG容易与氮气的冷却过程相匹配。
3、依次利用氮气-LNG换热器和空气-LNG换热器对不同温段的LNG冷能进行梯级利用，减少了系统的损失，有效提高冷能的利用率。
4、本发明采用的一种利用LNG冷能的燃气轮机-氮气轮机联合发电系统，其具有结构简单紧凑、占用空间小等特点，适合在各LNG接收站进行灵活布置。
附图说明
图1显示为利用LNG冷能的燃气轮机-氮气布雷顿循环联合发电系统的结构示意图。
元件标号说明
1 燃气轮机循环
11 空气-LNG换热器
12 压气机
13 燃烧室
14 燃气透平
15 第一发电机
2 氮气布雷顿循环
21 氮气-LNG换热器
22 氮气压气机
23 回热器
231 回热器的第一氮气入口
232 回热器的第一氮气出口
233 回热器的第二氮气入口
234 回热器的第二氮气出口
24 烟气-氮气换热器
25 氮气透平
26 第二发电机
3 LNG储罐
4 LNG泵
5 调压站
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种利用LNG冷能的燃气轮机-氮气布雷顿循环联合发电系统，所述发电系统至少包括燃气轮机循环1、氮气布雷顿循环2、LNG储罐3、LNG泵4、调压站5。
其中，所述燃气轮机循环1包括空气-LNG换热器11、压气机12、燃烧室13、燃气透平14、第一发电机15；所述燃气轮机循环1中，从所述空气-LNG换热器11依次连接所述压气机12、燃烧室13、燃气透平14；所述第一发电机15与所述燃气透平14相连。
所述燃气轮机循环1中各个部件的具体连接关系为：所述空气-LNG换热器11的空气出口与所述压气机12空气入口相连，所述压气机12的空气出口与所述燃烧室13的空气入口相连，所述燃烧室13的高温燃气出口与燃气透平14的燃气入口相连，燃气透平14的烟气出口与烟气-氮气换热器24的烟气进口相连。各个部件之间通过管道依次连接。所述第一发电机15与所述燃气透平14相连。
所述氮气布雷顿循环2包括氮气-LNG换热器21、氮气压气机22、回热器23、烟气-氮气换热器24、氮气透平25、第二发电机26；从所述氮气-LNG换热器21、氮气压气机22、回热器23、烟气-氮气换热器24、氮气透平25、回热器23形成所述氮气布雷顿循环1；所述第二发电机26与所述氮气透平25相连。
所述氮气布雷顿循环2中各个部件的具体连接关系为：所述氮气-LNG换热器21的氮气出口与所述氮气压气机22的氮气入口相连，所述氮气压气机22的氮气出口与所述回热器23的第一氮气入口231相连，所述回热器23的第一氮气出口232与所述烟气-氮气换热器24的氮气入口相连，所述烟气-氮气换热器24的氮气出口与所述氮气透平25的氮气入口相连，所述氮气透平25的氮气出口与所述回热器23的第二氮气入口233相连，所述回热器23的第二氮气出口234与氮气-LNG换热器21的氮气入口相连。各个部件之间通过管道依次相连。所述第二发电机26与所述氮气透平25相连。
所述发电系统中，所述LNG储罐3通过一LNG泵4与所述氮气-LNG换热器21的天然气入口相连，所述氮气-LNG换热器21的天然气出口与所述空气-LNG换热器11的天然气入口相连，所述空气-LNG换热器11的天然气出口连接至所述调压站5。
另外，所述发电系统中，所述燃烧室13的天然气入口还与所述调压站5相连，进入所述调压站5的天然气一部分通过管道送出，另一部分送入所述燃烧室13中与空气混合进行燃烧.
本实施例中，所述发电系统的工作流程如下：
一方面，对于液化天然气(LNG)，首先，LNG从所述LNG储罐3出来后通过所述LNG泵4进行加压；接着，LNG通过所述氮气-LNG换热器21，释放冷能，对所述氮气-LNG换热器21中的氮气进行预冷，将氮气冷却到-70℃的低温；之后，LNG再通过所述空气-LNG换热器11，对燃气轮机循环1的进口空气进行预冷，将空气冷却到5℃左右，同时LNG自身恢复到常温，成为普通天然气，进入调压站5；最后，通过调压站5，将一部分天然气通过管道向外部用户输出，另一部分天然气则输往燃烧室13，作为燃气轮机的燃料。
另一方面，对于燃气轮机循环1，首先，空气从空气-LNG换热器11的空气入口进入系统，利用LNG冷能进行预冷，被冷却至5℃左右，然后再进入压气机12中进行压缩。被压缩后的空气在燃烧室13中与调压站5送来的天然气一起混合燃烧，生成的高温高压燃气在燃气透平14中膨胀做工，带动第一发电机15进行发电。从燃气透平14中出来的的烟气温度仍然很高，接着进入烟气-氮气换热器24中进行换热，为氮气布雷顿循环2提供热源，最后作为废气排出。
再一方面，对于氮气布雷顿循环2，首先，该循环中的氮气通过烟气-氮气换热器24吸收烟气的热量，温度升高到550℃，然后进入氮气透平25中膨胀做功，带动第二发电机26进行发电。做工后的氮气从氮气透平25出口进入回热器23(从第二氮气入口233进、第二氮气出口234出)进行回热。从回热器23的第二氮气出口234出来的氮气再经过氮气-LNG换热器21，被LNG冷却至-70℃低温。冷却后的氮气再进入氮气压气机22进行升压，然后进入回热器23(从第一氮气入口231进、第一氮气出口232出)，被氮气透平25排出的较高温度的氮气加热，最后从回热器23第一氮气出口232出来的氮气再进入烟气-氮气换热器24中吸收热量，完成氮气布雷顿循环的整个过程。
需要说明的是，上述实施例中，对于氮气布雷顿循环2中氮气压气机进口(即氮气-LNG换热器出口)的低温氮气，理论上氮气压气机进口的氮气温度越低，循环的效率越高，但是需要综合考虑工程造价和实际情况进行确定，不限于实施例中的参数。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。