混合发电系统的制作方法

本发明揭示一种混合发电系统，更详细地说，该混合发电系统在lng处理系统把超临界二氧化碳发电系统的工作流体用于lng的气化而提高两个系统的效率。

背景技术：

随着全世界对高效发电的需求逐渐增加，减少公害物质的活动也日益热烈，因此人们为了减少公害物质的发生并且提高发电量而做出了各种努力。作为其一个方案，人们热切地研究了把超临界二氧化碳作为工作流体使用的超临界二氧化碳发电系统(powergenerationsystemusingsupercriticalco2)。

超临界状态的二氧化碳的密度和液体状态相似而粘度则和气体相似，因此能够有效实现装备的小型化，还能大幅减少流体压缩及循环时所需要的电力消耗。与此同时，临界点为摄氏31.4度、72.8大气压，其相比于临界点为摄氏373.95度、217.7大气压的水低了很多，因此比较容易处理。

美国公开专利2014-0102098号揭示了超临界二氧化碳发电系统的一实施例。

但现有的超临界二氧化碳发电系统的容量难以扩容到一定规模以上，因此只能供应所需电力的一部分而已。

另一方面，lng(liquefiednaturalgas，液化天然气)处理系统为了让lng气化而大量使用海水。lng在摄氏零下150度左右的温度下呈液相，为了将其气化成摄氏8度的气体，需要大量供水以防止供应热量的水结冻。因此大量供应摄氏14度左右的海水为lng提供热量而让lng气化。

为了大量供应海水而必须具备海水泵，需要另行配备动力源驱动海水泵。这却会使得整体lng处理系统的效率下降。

因此需要开发出能够提高lng处理系统及超临界二氧化碳发电系统效率的方法。

美国公开专利第2014-0102098号(公开日期：2014.04.17)

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种混合发电系统，其在lng处理系统把超临界二氧化碳发电系统的工作流体用于lng的气化而提高两个系统的效率。

本发明的混合发电系统是一种包括把超临界二氧化碳作为工作流体使用的超临界二氧化碳发电系统、和把lng(液化天然气)予以气化的lng处理系统的混合发电系统，其特征在于，上述工作流体在上述超临界二氧化碳发电系统与上述lng处理系统中的至少任一个中被冷却后再循环到上述超临界二氧化碳发电系统。

上述超临界二氧化碳发电系统包括：压缩器，压缩工作流体；至少一个热交换器，接受外部热源所供应的热来对通过了上述压缩器的上述工作流体的一部分进行加热；至少一个涡轮机，被上述工作流体驱动；至少一个回热器，接受通过了上述压缩器的上述工作流体的一部分，使通过了上述涡轮机的上述工作流体与通过了上述压缩器的上述工作流体进行热交换，使得通过了上述涡轮机的上述工作流体被冷却而通过了上述压缩器的上述工作流体则被加热；起始冷却器，把经过上述涡轮机并且在上述回热器被冷却的上述工作流体加以冷却并供应给上述压缩器；上述lng处理系统包括把上述lng予以气化的多个高压蒸发器。

还包括把经过了上述回热器的上述工作流体予以分流的、安装在上述起始冷却器的入口端的第一控制阀，及安装在上述lng处理系统的入口端的第二控制阀。

上述超临界二氧化碳发电系统启动时，上述第一控制阀开放而上述第二控制阀则闭锁使得上述工作流体经由上述起始冷却器再循环到上述压缩器。

完成了上述超临界二氧化碳发电系统的驱动后，上述第一控制阀及第二控制阀开放而使得上述工作流体分流到上述起始冷却器及上述高压蒸发器。

完成了上述超临界二氧化碳发电系统的驱动后，分流到上述高压蒸发器的上述工作流体在上述高压蒸发器进行热交换被冷却后，再循环到上述压缩器。

完成了上述超临界二氧化碳发电系统的驱动后，分流到上述起始冷却器的上述工作流体在上述高压蒸发器进行热交换被冷却后，再循环到上述压缩器。

驱动上述lng处理系统后，上述第一控制阀闭锁而上述第二控制阀则维持开放状态。

上述第一控制阀的闭锁时刻是上述高压蒸发器所冷却的上述工作流体的流量成为下列流量的时刻：和上述超临界二氧化碳发电系统启动时上述起始冷却器所冷却的上述工作流体的流量对应的流量。

还包括分别安装在上述起始冷却器的排放端及上述高压蒸发器的排放端的温度调节器，由上述第一控制阀及第二控制阀各自分流的上述工作流体的流量随着上述温度调节器的温度而不同。

而且，本发明揭示一种混合发电系统，该混合发电系统包括把超临界二氧化碳作为工作流体使用的超临界二氧化碳发电系统、和把lng(液化天然气)予以气化的lng处理系统，上述工作流体根据控制模式供应到上述超临界二氧化碳发电系统与上述lng处理系统中的任一个中并且被冷却后，再循环到上述超临界二氧化碳发电系统。

上述超临界二氧化碳发电系统包括：压缩器，压缩工作流体；至少一个热交换器，接受外部热源所供应的热来对通过了上述压缩器的上述工作流体的一部分进行加热；至少一个涡轮机，被上述工作流体驱动；至少一个回热器，接受通过了上述压缩器的上述工作流体的一部分，使通过了上述涡轮机的上述工作流体与通过了上述压缩器的上述工作流体进行热交换，使得通过了上述涡轮机的上述工作流体被冷却而通过了上述压缩器的上述工作流体则被加热；起始冷却器，把经过上述涡轮机并且在上述回热器被冷却的上述工作流体加以冷却并供应给上述压缩器；上述lng处理系统包括把上述lng予以气化的多个高压蒸发器，还包括把经过了上述回热器的上述工作流体予以分流的、安装在上述起始冷却器的入口端的第一控制阀，及安装在上述lng处理系统的入口端的第二控制阀。

上述控制模式包括上述超临界二氧化碳发电系统的启动模式、以及上述工作流体的一部分或全部被供应到上述lng处理系统而被冷却的转换模式(switchovermode)。

在上述超临界二氧化碳发电系统的启动模式下，上述第一控制阀开放而上述第二控制阀则闭锁使得上述工作流体经由上述起始冷却器再循环到上述压缩器。

上述转换模式开始时，上述第一控制阀及第二控制阀开放而使得上述工作流体分流到上述起始冷却器及上述高压蒸发器。

上述转换模式开始时，分流到上述高压蒸发器的上述工作流体在上述高压蒸发器进行热交换被冷却后，再循环到上述压缩器。

上述转换模式开始时，分流到上述起始冷却器的上述工作流体在上述高压蒸发器进行热交换被冷却后，再循环到上述压缩器。

上述转换模式结束后，上述第一控制阀闭锁而上述第二控制阀则维持开放状态。

上述第一控制阀的闭锁时刻是上述高压蒸发器所冷却的上述工作流体的流量成为下列流量的时刻：和上述超临界二氧化碳发电系统启动时上述起始冷却器所冷却的上述工作流体的流量对应的流量。

还包括分别安装在上述起始冷却器的排放端及上述高压蒸发器的排放端的温度调节器，由上述第一控制阀及第二控制阀各自分流的上述工作流体的流量随着上述温度调节器的温度而不同。

本发明一实施例的混合发电系统在lng处理系统不使用所需海水而使用超临界二氧化碳发电系统的工作流体，因此能提高超临界二氧化碳发电系统的废热回收效率。而且，还能减少lng处理系统的海水泵所耗动力而得以提高lng处理系统的整体效率。

附图说明

图1是示出本发明一实施例的混合发电系统的模似图。

图2是示出图1所示混合发电系统的超临界二氧化碳发电系统的启动状态的模似图。

图3是示出图1所示混合发电系统的超临界二氧化碳发电系统的启动完毕后转换模式开始状态的模似图。

图4是示出图1所示混合发电系统的转换完毕模式状态的模似图。

图5是示出图2所示混合发电系统的lng处理系统的高压蒸发装置的一例的模似图。

图6是示出图2所示混合发电系统的超临界二氧化碳发电系统启动时的曲线图。

图7是示出图2所示混合发电系统的超临界二氧化碳发电系统启动时起始冷却器出口温度的曲线图。

图8是示出图7所示lng处理系统的高压蒸发装置的出口温度及入口温度开度的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明多样化的实施例的混合发电系统。

图1是示出本发明一实施例的混合发电系统的模似图。

如图1所示，超临界二氧化碳发电系统a通常采取的是用于发电的二氧化碳不排放到外部的闭路循环(closecycle)，工作流体则使用超临界状态的二氧化碳。

超临界二氧化碳发电系统a由于工作流体是超临界状态的二氧化碳而得以利用火力发电厂等处排放出来的排气，其不仅可以作为单独的发电系统使用，还能应用于和火力发电系统的混合发电系统。超临界二氧化碳发电系统的工作流体可以从排气分离出二氧化碳后供应，也可以另行供应二氧化碳。

处于循环内的超临界二氧化碳(以下称为工作流体)通过了压缩器后再通过加热器之类的热源被加热成高温高压的工作流体并且驱动涡轮机。发电机或压缩器连接到涡轮机并且利用连接到发电机的涡轮机产生电力，利用连接到压缩器的涡轮机驱动压缩器。通过了涡轮机的工作流体则在经过热交换器时被冷却，冷却的工作流体重新被供应到压缩器而在循环(cycle)内循环。可以配备多个涡轮机或热交换器。

根据本发明多样化的实施例的超临界二氧化碳发电系统的意义包括在循环内流动的工作流体全部处于超临界状态的系统，还包括工作流体的大部分处于超临界状态而其余则处于次临界状态的系统。

而且，本发明的多样化的实施例中工作流体所使用的是二氧化碳，在此，二氧化碳包括化学意义上纯粹的二氧化碳、多少含有一般观点上的杂质的状态的二氧化碳、以及一种以上的流体作为添加物被混合到二氧化碳的状态的流体。

在本发明中，术语“低温”及“高温”是具有相对意义的术语，其不能按照以特定温度为基准值而将高于该值者称为高温、低于该值者称为低温的意义阐释。术语“低压”及“高压”也应以相对意义阐释。

本发明的各构成要素由供工作流体流动的移送管(标示了数字的各条管路)连接，即使没有特别提及，工作流体也应该被理解为顺着移送管流动。然而，由多个构成要素实现了一体化时，一体化的构成要素内会存在着实际发挥出移送管作用的零件乃至领域，即使此时也理应阐释为工作流体沿着移送管流动。如果是具备其它功能的流路，则会进一步说明。关于工作流体的流动，将以移送管的编号进行说明。

lng处理系统b通常指的是利用船舶移送液化天然气后供应给陆地处理设施的设备。

船舶设有lng储存罐及供应泵，把摄氏零下160度左右的超低温状态的lng供应给处理系统。lng在被移送到处理系统之前经过冷凝器及高压泵，然后被移送到处理系统内的高压蒸发装置。lng在高压蒸发装置和海水泵所供应的海水进行热交换进行气体化后被移送给供应商。被取热后冷却的海水则排放到处理系统的外部。

本发明揭示了下列方法，亦即，配备多个高压蒸发装置(请参阅图5)，其中一部分和海水进行热交换把lng予以气体化，其余则和超临界二氧化碳发电系统的工作流体进行热交换把lng予以气体化

为了说明时的方便，本发明在lng处理系统中只标示高压蒸发装置地对lng处理系统进行说明。

而且，本发明所说明的超临界发电系统仅仅是一个例示而已，本发明并不限制所揭示的构成要素的数量与配置。

图2是示出图1所示混合发电系统的超临界二氧化碳发电系统的启动状态的模似图，图3是示出图1所示混合发电系统的超临界二氧化碳发电系统的启动完毕后转换模式开始状态的模似图，图4是示出图1所示混合发电系统的转换完毕模式状态的模似图。图5是示出图2所示混合发电系统的lng处理系统的高压蒸发装置的一例的模似图，图6是示出图2所示混合发电系统的超临界二氧化碳发电系统启动时的曲线图，图7是示出图2所示混合发电系统的超临界二氧化碳发电系统启动时起始冷却器出口温度的曲线图，图8是示出图7所示lng处理系统的高压蒸发装置的出口温度及入口温度开度的曲线图。

如图2所示，本发明一实施例的超临界二氧化碳发电系统a包括：泵或压缩器100，用于工作流体的压缩及循环；至少一个回热器200，加热工作流体；至少一个热交换器300，从作为外部热源的废热气体回收废热后进一步加热工作流体；至少一个涡轮机400，被工作流体驱动并且产生电力；起始冷却器500，发挥出用于冷却工作流体的冷凝器作用。本实施例将以下列配置进行说明，亦即，热交换器300由第一热交换器310及第二热交换器330构成，压缩器100及回热器200则各自配备一个，涡轮机400由第一涡轮机410及第二涡轮机430构成。

压缩器100被后述的第二涡轮机430驱动(请参阅图2的虚线)，把经过起始冷却器500冷却的低温工作流体的一部分移送到回热器200，其余则被移送到第二热交换器330。

回热器200让通过了压缩器100的工作流体和通过了涡轮机400的工作流体进行热交换。经过涡轮机400后在回热器200初步冷却的工作流体则被供应给起始冷却器500重新冷却后循环到压缩器100。在回热器200和经过了涡轮机400的工作流体进行热交换后被加热的工作流体则和在第二热交换器330初步加热的工作流体混合后被移送到第一热交换器310。

第一及第二热交换器310、330把诸如发电厂的锅炉所排放的排气等具备废热的气体以下称为废热气体)作为热源使用，其功能为，让废热气体和在循环(cycle)内循环的工作流体进行热交换而利用废热气体所供应的热量加热工作流体。

而且，第一及第二热交换器310、330可以根据废热气体的温度相对性地区分成低温、中温、高温等。亦即，热交换器越接近流入废热气体的入口端侧越能在高温进行热交换，越接近排放废热气体的出口端侧越能在低温进行热交换。

在本实施例中，第一热交换器310可以是相比于第二热交换器330使用相对高温或相对中温废热气体的热交换器，第二热交换器330可以是使用相对中温或相对低温的废热气体的热交换器。亦即，以从流入废热气体的入口端到排放端侧依次配置第一热交换器310、第二热交换器330为例进行说明。

涡轮机400由第一涡轮机410及第二涡轮机430构成，被工作流体驱动后把连接到这些涡轮机中的至少某一个涡轮机的发电机450驱动而产生电力。涡轮机让工作流体在通过第一涡轮机410及第二涡轮机430时膨胀，因此还能发挥出膨胀器(expander)的作用。在本实施例中，发电机450连接到第一涡轮机410产生电力而第二涡轮机430则驱动压缩器100。因此，第一涡轮机410可以是比第二涡轮机430相对高压的涡轮机。

起始冷却器500发挥出把空气或冷却水作为制冷剂使用并且把通过了回热器200的工作流体予以冷却的冷凝器作用。通过了回热器200的工作流体的一部分或全部被供应到起始冷却器500冷却后重新循环到压缩器100。超临界二氧化碳发电系统的工作流体可以根据混合发电系统的驱动模式而让一部分分流到lng处理系统b。将在后面对其进行说明。

在本发明中，起始冷却器500发挥下列作用，亦即，在超临界二氧化碳发电系统a启动时冷却工作流体以便避免影响lng处理系统b的运转状态。

因此，优选地，超临界二氧化碳发电系统a启动时，工作流体只在超临界二氧化碳发电系统a内部循环，为此，起始冷却器500的入口端和lng处理系统b的入口端各自设有控制阀1100。因此，超临界二氧化碳发电系统a启动时，设于起始冷却器500入口端的第一控制阀600开放而设于lng处理系统b入口端的第二控制阀700则闭锁(请参阅图2)。

lng处理系统b设有多个高压蒸发器1000，冷却水或超临界二氧化碳发电系统的工作流体流入各高压蒸发器1000并且和lng进行热交换后离开高压蒸发器1000。

海水在宽度方向的一侧供应到一部分高压蒸发器1000，被取热后冷却的海水则被排放到系统外部，从长度方向的一侧流入并且接受热量后气化的天然气ng则在长度方向的另一侧离开高压蒸发器1000。

而且，一部分高压蒸发器1000a在一侧接受超临界二氧化碳发电系统a的工作流体(宽度方向的一侧)，被取热后冷却的工作流体则重新供应给超临界二氧化碳发电系统a的压缩器(宽度方向的另一侧)。lng在高压蒸发器1000a的长度方向的一侧流入并且被加热气化后从长度方向的另一侧离开。

各高压蒸发器1000的lng入口端设有流量控制阀1100，在把工作流体作为气化热源使用的高压蒸发器1000的lng出口端及工作流体出口端各自设有温度传感器1200。lng的流量控制则和流量调节器1300联动，该流量调节器1300则和设于lng入口端的流量控制阀1100联动(后面将对此进行说明)。

本发明的混合发电系统的控制可以如下所述地分类后进行。

亦即，超临界二氧化碳发电系统a启动时独立于lng处理系统b地驱动的状态的启动模式，把超临界二氧化碳发电系统a的工作流体的一部分供应给lng处理系统b的转换模式(switchovermode)。而且，转换模式可以分成开始时和完毕时地进行控制。

如前所述，如图2所示超临界二氧化碳发电系统a启动时一样地让工作流体循环的控制状态相当于启动模式。

如图3所示，转换模式开始时第一控制阀600及第二控制阀700全部被控制成开放，如图4所示，转换模式完毕时第一控制阀600闭锁而第二控制阀700则开放。下面进一步详细说明。

如图3所示，利用起始冷却器500稳定地完成了超临界二氧化碳发电系统a的起动的话，lng处理系统的高压蒸发器10～50(请参阅图7与图8转换模式开始时，工作流体在起始冷却器500的前端分流后各自供应到起始冷却器500及lng处理系统b。为此，第一控制阀600及第二控制阀700全部开放。

被起始冷却器500冷却的工作流体不直接供应给超临界二氧化碳发电系统a而先供应给lng处理系统b。经过了lng处理系统b的话，工作流体的温度会比超临界二氧化碳发电系统a单独驱动时低而得以提高热交换效率(将在图6及图7的说明中对此进行详细说明)。

对于供应给起始冷却器500及lng处理系统b的工作流体的流量分配，可以利用各自设于起始冷却器500后端及lng处理系统b的高压蒸发器1000后端的温度测量仪610实现。

完成了把工作流体供应给lng处理系统b的转换(switchover)的话，如图4所示，停止起始冷却器500的驱动而进行lng处理系统b的高压蒸发器1000的单独运转。因此，第一控制阀600闭锁而第二控制阀700则开放。

下面简单说明前述启动及转换时的控制流，如图6所示，超临界二氧化碳发电系统a启动时，起始冷却器500开始运转并且在工作流体的流量(flowrate)维持一定时间以上时(图6的水平区段)开始把工作流体供应给lng处理系统b。lng处理系统b的工作流体的冷却处理流量维持一定以上时停止起始冷却器500的驱动(图6的起始冷却器流量零点)并且只以lng处理系统b进行工作流体的冷却。lng处理系统b由于配备多个高压蒸发器1000而使得气化的lng的量会随着控制时间而增加，凭此增加工作流体的处理流量。

图6所示各点的起始冷却器500与高压蒸发器1000的温度变化如图7所示。亦即，起始冷却器500起动时起始冷却器的出口温度大约为摄氏20度的话，开始转换而开始驱动高压蒸发器1000的话工作流体的温度开始逐渐下降。之后，起始冷却器500停止驱动后开始只以高压蒸发器1000冷却工作流体的话，高压蒸发器1000后端的工作流体温度可能会下降到摄氏零下40度以下。

如果是把超临界二氧化碳作为工作流体使用的超临界二氧化碳发电系统，得力于超临界二氧化碳的特性而即使在工作流体温度为摄氏零下30度至50度范围下也能驱动系统。如果是lng处理系统，不可能为了防止冷却水结冻而让海水温度下降到摄氏0度以下。但适用超临界二氧化碳发电系统的工作流体时能让温度下降到摄氏零下50度而得以减少海水的使用量。因此能减少海水供应泵所耗费的动力。

而且，即使是超临界二氧化碳发电系统，也能把温度相比于使用起始冷却器500时较低的工作流体供应给系统内部，因此能提高热交换效率而相比于现有循环能提高性能大约15％至20％。

而且，如图8所示，可以通过温度传感器1200监视lng排放端的温度后控制lng的流量。在正常运转范围下不调节lng的流量控制阀1100，但是lng排放端的温度低于正常范围时能够关闭流量控制阀1100使得流入高压蒸发器1000的lng的流量减少，从而能够提高lng排放端的温度而得以恢复到正常范围(其配置图形请参阅图5)。

与此相反地，lng排放端的温度高于正常运转范围的话，打开lng的流量控制阀1100增加lng的流量，从而让lng排放端的温度下降而得以恢复到正常范围。

前文结合附图说明的本发明的实施例不得阐释为限定本发明的技术思想。本发明的权利范围只能由权利要求书上记载的事项限定，本发明所属技术领域中具有通常知识者能以各种形态改良及修改本发明的技术思想。因此只要该改良及修改对于具有通常知识者为不言自明者，其当属于本发明的权利范围。

符号说明

a：超临界二氧化碳发电系统

100：压缩器200：回热器

300：热交换器400：涡轮机

500：起始冷却器

b：lng处理系统

10～50：高压蒸发器