LNG动力船燃料冷能全发电梯级利用系统及利用方法与流程

本发明涉及lng冷能利用领域，特别是lng动力船燃料冷能用于发电的系统及方法。

背景技术：

伴随经济蓬勃发展的是随之而来的各种环境污染及能源匮乏问题，液化天然气(liquefiednaturalgas，lng)因其环保、储量大等特性被国际能源界大力提倡。lng属于低温能源，一般存储在-162℃，根据终端用户的需求不同，lng需经过再气化过程达到相应的温度。传统的lng再气化是利用海水加热，此方法不但使大量的冷能白白流失，而且需消耗大量的泵功。因此，国内外学者对lng冷能回收进行了大量的研究。lng再气化过程中温度跨度大，现有单级利用的效率较低，如利用lng汽化进行空气分离、轻烃分离、发电、海水淡化、冷库、空调等。其中lng冷能发电是最经济的方法，主要有六种，分别为直接膨胀法、朗肯循环法、联合循环法、布雷顿循环法、卡琳娜循环法和多级复合循环法。目前已有的lng冷能发电技术大多围绕朗肯循环来进行。

利用lng冷能的混合工质梯级发电与剩余冷量输出系统及方法(国别：中国，公开号：106939802a，公开日期：2017-7-11)公开了一种三级嵌套式lng冷能利用装置。该系统中lng依次经过第一级至第三级lng冷能发电循环系统后，与冷媒换热，再经海水调温进入用户端；第二级与第三级朗肯循环以海水及冷媒为热源；第一级与第三级朗肯循环以lng为冷源；第二级循环中膨胀做功后的工质与第一级循环中经泵增压后的工质互为冷热源。该套系统中的三级朗肯循环均采用混合工质，因此对工质的配比提出较高的要求，且用海水调温使系统冷能白白损失。

一种液化天然气冷能的能量梯级综合利用方法(国别：中国，公开号：102967099a，公开日期：2013-3-13)公开了首先是运用朗肯循环发电将深冷部分的lng冷能转换为电能；然后利用冷媒将中冷部分的lng冷能回收用于冷库库房供冷，同时，通过控制朗肯循环发电过程中发电工质的汽化压力，使液体发电工质汽化释放出来的冷能与冷库库房所需冷能的温度匹配，将发电工质高压汽化释放的冷能作为冷库库房供冷的冷源；接着，将浅冷部分的lng冷能回收作为冷库厂区空调系统的冷源，向冷库产品加工车间、办公建筑和仓储库房供冷。上述lng冷能梯级利用方法中，冷库及其他建筑区的热负荷的变化需要对这套系统增加较繁琐的控制调节装置。

一种多级耦合lng冷能利用循环发电系统(国别：中国，公开号：106150578a，公开日期：2016-11-23)公开了一种纵式三级分流朗肯循环发电装置。lng作为冷源依次经过三级朗肯循环，第一级与第二级朗肯循环分别以第二级及第三级中膨胀做功后的工质为热源，第三级则以海水为热源；第二级与第三级朗肯循环中的循环工质膨胀做功后分流，分别与lng和上一级增压后的工质进行换热。该发明第三级朗肯循环中采用20℃的海水为热源，冷热源温差较小，因此发电效率较低。

lng冷能梯级利用装置(国别：中国，公开号：205330749u，公开日期：2016-06-22)公开了一种将lng冷能与燃煤废气余热联合应用的装置。分别以采用r1150为工质的朗肯循环与采用r170为工质的朗肯循环利用lng深冷区的冷能与lng中冷区的冷能进行发电，lng浅冷区的冷能用于烟气中二氧化碳液化捕集。该发明中燃煤废气作为热源依次经过第一级和第二级朗肯循环，导致朗肯循环工质与冷热源温差较大，换热器效率较低。

采用冷能轻烃回收的lng冷能梯级利用方法(国别：中国，公开号：107940893a，公开日期：2018-04-20)公开了一种lng冷能梯级利用的方法。将-162～-120℃的深冷区冷能用于轻烃回收，-120～-40℃的中冷区冷能用于油田伴生气凝液回收或干冰制取，-40～-15℃的浅冷区冷能用于海水淡化。该系统对lng冷能有较高的利用率，但系统设备略显复杂，对系统的控制提出更高的要求。

技术实现要素：

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种将lng动力船燃料冷能用于发电的系统及方法，将lng燃料在送入主机利用前需汽化释放的冷能全部用于发电。

技术方案：一种lng动力船燃料冷能全发电梯级利用系统，包括：

一级朗肯循环发电单元，包括依次通过管道连接形成闭合回路的二级lng换热器、三级lng换热器、一级透平膨胀机、一级lng换热器、一级发电工质泵及在该闭合回路中循环的一级发电工质，一级透平膨胀机驱动一级发电机组工作，一级lng换热器具有一对冷源输入端a和冷源输出端a、一对热源输入端a和热源输出端a，二级lng换热器具有一对冷源输入端b和冷源输出端b、一对冷源输入端c和冷源输出端c、一对热源输入端b和热源输出端b，三级lng换热器具有一对冷源输入端d和冷源输出端d、一对冷源输入端e和冷源输出端e、一对冷源输入端f和冷源输出端f、一对冷源输入端g和冷源输出端g、一对热源输入端c和热源输出端c，一级发电工质泵连入冷源输入端b，冷源输出端b连入冷源输入端d，冷源输出端d连入一级透平膨胀机，一级透平膨胀机连入热源输入端a，热源输出端a连入一级发电工质泵；

二级朗肯循环发电单元，包括依次通过管道连接形成闭合回路的所述三级lng换热器、二级透平膨胀机、所述二级lng换热器、二级发电工质泵及在该闭合回路中循环的二级发电工质，二级透平膨胀机驱动二级发电机组工作，二级发电工质泵连入冷源输入端e，冷源输出端e连入二级透平膨胀机，二级透平膨胀机连入热源输入端b，热源输出端b连入二级发电工质泵；

三级跨临界朗肯循环发电单元，包括依次通过管道连接的所述三级lng换热器、三级发电工质泵、回热器、烟气换热器、三级透平膨胀机，回热器具有一对冷源输入端h和冷源输出端h、一对热源输入端d和热源输出端d，烟气换热器具有一对冷源输入端i和冷源输出端i、一对热源输入端e和热源输出端e，三级发电工质泵连入冷源输入端h，冷源输出端h连入冷源输入端i，冷源输出端i连入三级透平膨胀机，三级透平膨胀机连入热源输入端d，热源输出端d连入热源输入端c，热源输出端c连入三级发电工质泵，形成闭合回路，及在该闭合回路中循环的三级发电工质，热源输入端e连入高温烟气加热，三级透平膨胀机驱动三级发电机组工作，

lng蒸发侧，包括依次通过管道连接的lng储罐、lng增压泵、所述一级lng换热器、所述二级lng换热器、所述三级lng换热器、四级透平膨胀机，lng储罐、lng增压泵依次连接后连入冷源输入端a，冷源输出端a连入冷源输入端c，冷源输出端c连入冷源输入端f，冷源输出端f连入四级透平膨胀机，四级透平膨胀机连入冷源输入端g，冷源输出端g连入动力船主机进气。

进一步的，一级发电工质的露点低于二级发电工质的露点，二级发电工质的露点低于三级发电工质的露点。

进一步的，一级发电工质为乙烷，二级发电工质为丙烷，三级发电工质为二氧化碳。

一种上述的lng动力船燃料冷能全发电梯级利用系统的利用方法：

lng蒸发侧：lng燃料经lng增压泵增压后，依次进入一级lng换热器、二级lng换热器、三级lng换热器换热，lng均吸热升温，汽化后以气态进入四级透平膨胀机做功并降温，而后再次进入三级lng换热器换热，lng吸热升温，使液态低温的lng燃料提升至动力船主机进气要求温度；

一级朗肯循环发电单元：液态的一级发电工质经一级发电工质泵增压后，依次进入二级lng换热器、三级lng换热器换热，一级发电工质均吸热升温，汽化后以气态进入一级透平膨胀机做功并降温，而后进入一级lng换热器换热，一级发电工质冷凝成液体，再循环进入一级发电工质泵；

二级朗肯循环发电单元：液态的二级发电工质经二级发电工质泵增压后，进入三级lng换热器换热，二级发电工质吸热升温，汽化后以气态进入二级透平膨胀机做功并降温，而后进入二级lng换热器换热，二级发电工质冷凝成液体，再循环进入二级发电工质泵；

三级跨临界朗肯循环发电单元：液态的三级发电工质经三级发电工质泵增压后，依次进入回热器、烟气换热器换热，三级发电工质均吸热升温，汽化后以气态进入三级透平膨胀机做功并降温，而后进入回热器换热，最后进入三级lng换热器换热，三级发电工质冷凝成液体，再循环进入三级发电工质泵。

进一步的，lng燃料提升至0～60℃、1600kpa作为动力船主机进气。

进一步的，一级朗肯循环发电的发电工质温度区间为-100～10℃，二级朗肯循环发电的发电工质温度区间为-60～10℃，三级跨临界朗肯循环发电的发电工质温度区间为-20～300℃。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明采用横向三级嵌套的朗肯循环发电将lng燃料冷能逐级利用发电，同时在三级朗肯循环发电中利用船舶主机产生的高温烟气作为热源，实现lng冷能的梯级利用，以及烟气低品位余热用于发电；每级采用单一的发电工质，通过控制lng蒸发，达到使用混合发电工质提高系统效率的目的；

2、相比于利用传统朗肯循环发电对lng冷能20～30％的利用效率，本发明横向三级嵌套的朗肯循环发电，极大的提高了lng冷能利用效率，且系统不会太过复杂，对lng冷能的利用效率达到了40～50％。

3、通过本发明系统和方法，将lng冷能全部用于发电，相比于lng冷能的其它利用方式，全发电最经济、适用性最广。

附图说明

图1为本发明系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种lng动力船燃料冷能全发电梯级利用系统，如附图1所示，具体包括以下四个部分。

(1)一级朗肯循环发电单元。

一级朗肯循环发电单元包括依次通过管道连接形成闭合回路的二级lng换热器3、三级lng换热器4、一级透平膨胀机5、一级lng换热器1、一级发电工质泵2及在该闭合回路中循环的一级发电工质乙烷，一级透平膨胀机5驱动一级发电机组工作，一级lng换热器1具有一对冷源输入端a101和冷源输出端a102、一对热源输入端a103和热源输出端a104，二级lng换热器3具有一对冷源输入端b301和冷源输出端b302、一对冷源输入端c303和冷源输出端c304、一对热源输入端b305和热源输出端b306，三级lng换热器4具有一对冷源输入端d401和冷源输出端d402、一对冷源输入端e403和冷源输出端e404、一对冷源输入端f405和冷源输出端f406、一对冷源输入端g407和冷源输出端g408、一对热源输入端c409和热源输出端c410，一级发电工质泵2连入冷源输入端b301，冷源输出端b302连入冷源输入端d401，冷源输出端d402连入一级透平膨胀机5，一级透平膨胀机5连入热源输入端a103，热源输出端a104连入一级发电工质泵2。

(2)二级朗肯循环发电单元。

二级朗肯循环发电单元包括依次通过管道连接形成闭合回路的三级lng换热器4、二级透平膨胀机7、二级lng换热器3、二级发电工质泵6及在该闭合回路中循环的二级发电工质丙烷，二级透平膨胀机7驱动二级发电机组工作，二级发电工质泵6连入冷源输入端e403，冷源输出端e404连入二级透平膨胀机7，二级透平膨胀机7连入热源输入端b305，热源输出端b306连入二级发电工质泵6。

(3)三级跨临界朗肯循环发电单元。

三级跨临界朗肯循环发电单元包括依次通过管道连接的三级lng换热器4、三级发电工质泵8、回热器9、烟气换热器10、三级透平膨胀机11，回热器9具有一对冷源输入端h901和冷源输出端h902、一对热源输入端d903和热源输出端d904，烟气换热器10具有一对冷源输入端i1001和冷源输出端i1002、一对热源输入端e1003和热源输出端e1004，三级发电工质泵8连入冷源输入端h901，冷源输出端h902连入冷源输入端i1001，冷源输出端i1002连入三级透平膨胀机11，三级透平膨胀机11连入热源输入端d903，热源输出端d904连入热源输入端c409，热源输出端c410连入三级发电工质泵8，形成闭合回路，及在该闭合回路中循环的三级发电工质二氧化碳，热源输入端e1003连入船舶主机所产生的高温烟气作为热源加热，三级透平膨胀机11驱动三级发电机组工作。

(4)lng蒸发侧。

lng蒸发侧包括依次通过管道连接的lng储罐12、lng增压泵13、一级lng换热器1、二级lng换热器3、三级lng换热器4、四级透平膨胀机14，lng储罐12、lng增压泵13依次连接后连入冷源输入端a101，冷源输出端a102连入冷源输入端c303，冷源输出端c304连入冷源输入端f405，冷源输出端f406连入四级透平膨胀机14，四级透平膨胀机14连入冷源输入端g407，冷源输出端g408连入动力船主机进气。

lng蒸发侧同时嵌套于一级朗肯循环发电单元、二级朗肯循环发电单元、三级跨临界朗肯循环发电单元中，一级朗肯循环发电单元嵌套于二级朗肯循环发电单元、三级跨临界朗肯循环发电单元中，二级朗肯循环发电单元嵌套于三级跨临界朗肯循环发电单元中。一级lng换热器共同用于lng蒸发侧、一级朗肯循环发电单元，二级lng换热器共同用于lng蒸发侧、一级朗肯循环发电单元、二级朗肯循环发电单元，三级lng换热器共同用于lng蒸发侧、一级朗肯循环发电单元、二级朗肯循环发电单元、三级跨临界朗肯循环发电单元。一级朗肯循环发电的发电工质温度区间为-100～10℃，二级朗肯循环发电的发电工质温度区间为-60～10℃，三级跨临界朗肯循环发电的发电工质温度区间为-20～300℃。一级朗肯循环发电单元、二级朗肯循环发电单元、三级跨临界朗肯循环发电单元中，各级单元采用单一的发电工质，露点逐级升高，lng先与露点较低的发电工质蒸汽换热，再与露点较高的发电工质蒸汽换热，将lng燃料冷能逐级利用发电，实现冷能的梯级利用。

结合某大型远洋船舶，说明本发明lng动力船燃料冷能全发电梯级利用系统的利用方法。采用的lng燃料其摩尔成分及含量为氮气0.07％、甲烷95.85％、乙烷3.1％、丙烷0.85％、异丁烷0.05％、正丁烷0.07％、戊烷0.01％。

从lng储罐12出来的lng燃料为600kpa、-162℃，船舶主机进气所需lng汽化流量为2560kg/h，经lng增压泵13增压到2985kpa，lng增压泵耗功5.146kw，进入一级lng换热器1中与一级发电工质乙烷换热至-86.29℃，再进入二级lng换热器3中与二级发电工质丙烷换热至-38.44℃，再进入三级lng换热器4中与三级发电工质二氧化碳换热至2℃，然后以气态进入四级透平膨胀机14膨胀做功至1600kpa、-30.23℃，四级透平膨胀机输出功为38.33kw，而后再次进入三级lng换热器4中与三级发电工质二氧化碳换热至2℃，最后进入船舶主机燃烧。

从一级透平膨胀机5出来的110kpa、-63.59℃的一级发电工质乙烷，流量为2595kg/h，进入一级lng换热器1中与lng换热，冷凝至-89.18℃，经一级发电工质泵2增压至770kpa，一级发电工质泵耗功1.161kw，再进入二级lng换热器3中与二级发电工质丙烷换热至-38.44℃，再进入三级lng换热器4中与三级发电工质二氧化碳换热至2℃，然后以气态进入一级透平膨胀机5膨胀做功完成循环，一级透平膨胀机输出功为63.35kw。

从二级透平膨胀机7出来的124kpa、-30.44℃的二级发电工质丙烷，流量为4247kg/h，进入二级lng换热器3中与一级发电工质乙烷及lng换热至-39.47℃，经二级发电工质泵6增压到420kpa，二级发电工质泵耗功0.8049kw，再进入三级lng换热器4中与三级发电工质二氧化碳换热至2℃，然后以气态进入二级透平膨胀机7膨胀做功完成循环，二级透平膨胀机输出功为48.44kw。

从三级透平膨胀机11出来的3100kpa、77.42℃的三级发电工质二氧化碳，流量为9633kg/h，进入回热器9与经冷凝增压后的低温二氧化碳换热至10℃后，进入三级lng换热器4中冷凝至-7℃，经三级发电工质泵8增压到20000kpa，三级发电工质泵耗功62.08kw，再依次进入回热器9预热至41.37℃、进入烟气换热器10与烟气换热至220℃，然后以气态进入三级透平膨胀机11膨胀做功完成循环，三级透平膨胀机输出功为244.8kw。温度为380℃，压力为100kpa，流量为5000kg/h的烟气进入烟气换热器10与二氧化碳进行换热，出口温度90.39℃。

在该船舶上，采用600kpa、-162℃、2560kg/h的lng燃料为冷源，100kpa、380℃的船舶主机烟气为热源，利用三级嵌套的朗肯循环发电将lng燃料冷能及烟气低品位余热用于发电，一级朗肯循环发电输出功为38.33kw，二级朗肯循环发电输出功为63.35kw，三级跨临界级朗肯循环发电输出功为244.8kw，系统总效率为48.06％。