一种LNG冷能综合利用系统的制作方法

本发明涉及lng冷能利用领域，尤其涉及一种lng冷能综合利用系统。

背景技术：

天然气是由不同成分按一定的比例组成的混合物，其主要成分是碳氢化合物，包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等，其中甲烷占90％以上。lng即液化天然气(liquefiednaturalgas)，是将气田生产的天然气净化处理后，经一连串超低温液化而获得常压下是液体的天然气，被公认是地球上最干净的化石能源。其具有无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/625，液化天然气的质量仅为同体积水的45％左右。一般液化天然气在普通大气压下，通过降温到约-162℃来液化。

为便于天然气运输，通常将天然气液化为lng。lng目前常用的储存温度为-162℃，用户使用的温度为5℃左右，从储存温度至使用温度的气化过程释放的冷量大约为830kj/kg，若lng拥有的冷能以100％的效率转化为电能，那么每吨lng的冷能可转化为240kwh的电能。由此可见，可供利用的lng冷能是相当可观的。这种冷能从能源品位上来看，具有较高的利用价值，如果通过特定的工艺利用lng冷能，可以达到节省能源、提高经济效益的目的。

lng冷能可采用直接或间接的方法加以利用。lng直接利用方法包括有冷能发电、海水淡化、液化分离空气(液氧、液氮)、轻烃分离、冷冻仓库、液化碳酸、制干冰、空调；间接利用有冷冻食品，低温粉碎废弃物处理，冻结保存，低温医疗，食品保存等。

虽然现有技术下部分装置可实现lng冷能发电，但大多数发电装置存在发电系统复杂，冷能利用率低，所需余热热源温度高以及单位冷能发电量低等技术问题。

技术实现要素：

基于以上所述，本发明的目的在于提供lng冷能综合利用系统，以解决现有技术下的lng发电装置存在的系统复杂、冷能利用率低以及单位冷量发电量低等问题。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种lng冷能综合利用系统，其包括：

lng气化系统，所述lng气化系统包括通过管路依次串联的第一换热器、第三换热器和第六换热器，所述lng气化系统中流通有lng液体，所述lng液体流经所述lng气化系统过程中逐级吸热并气化成气态天然气；

发电循环系统，所述发电循环系统包括第一发电循环系统和第二发电循环系统，所述第一发电循环系统包括通过管路依次串联的第一透平、所述第一换热器、第一增压泵、第二换热器和第四换热器；所述第二发电循环系统包括通过管路依次串联的第二透平，所述第三换热器、第二增压泵和所述第四换热器；所述发电循环系统中循环流动有发电循环工质，所述发电循环工质流经所述第一透平和所述第二透平时做功发电，所述发电循环工质流经所述第一换热器和所述第三换热器时与所述lng液体进行热量交换；

冷能输送系统，所述冷能输送系统包括所述第四换热器、所述第六换热器和通过管路与所述第四换热器和所述第六换热器连通的外部用冷部件，所述冷能输送系统中循环流动有载冷剂，所述载冷剂与所述发电循环工质在所述第四换热器中进行热量交换，所述载冷剂与所述lng液体在所述第六换热器中进行热量交换。

作为优选，所述第一换热器的冷侧入口连通于lng进液管，所述第一换热器的冷侧出口连通于所述第三换热器的冷侧入口，所述第三换热器的冷侧出口连通于所述第六换热器的冷侧入口，所述第六换热器的冷侧出口连通到连燃气管网。

作为优选，所述第一透平的出口连通于所述第一换热器的热侧入口，所述第一换热器的热侧出口连通于所述第一增压泵的入口，所述第一增压泵的出口连通于所述第二换热器的冷侧入口，所述第二换热器的冷侧出口连通于所述第四换热器的冷侧入口。

作为优选，所述第二透平的出口连通于所述第二换热器的热侧入口和所述第三换热器的热侧入口，所述第二换热器的热侧出口和所述第三换热器的热侧出口连通于所述第二增压泵的入口，所述第二增压泵的出口连通于所述第四换热器的冷侧入口，所述第四换热器的冷侧出口连通于所述第一透平和所述第二透平的入口。

作为优选，从所述第二透平的出口流出的所述发电循环工质流量的10％～20％流入所述第二换热器，从所述第二透平的出口流出的所述发电循环工质流量的80％～90％流入所述第三换热器。

作为优选，所述发电循环系统还包括第五换热器，所述第五换热器的冷侧入口连通于所述第四换热器的冷侧出口，所述第五换热器的冷侧出口连通于所述第一透平和所述第二透平的入口，所述第五换热器的热侧入口和热侧出口均连通于海水。

作为优选，所述第四换热器的热侧入口和所述第六换热器的热侧入口均连通于海水或所述外部用冷部件的载冷剂出口，所述第四换热器的热侧出口和所述第六换热器的热侧出口均连通于海水或所述外部用冷部件的载冷剂入口。

作为优选，所述第一透平的出口处的所述发电循环工质的温度和压力均低于所述第二透平的出口处的所述发电循环工质的温度和压力。

作为优选，所述发电循环工质为氟利昂、氨、甲烷、乙烷、三氟甲烷或二氟甲烷等工质。

作为优选，所述载冷剂为乙二醇或氯化钙溶液。

本发明的有益效果为：

本发明公开的lng冷能综合利用系统能够有效回收lng冷能，采用单发电循环工质在双循环系统的换热器内进行多级换热，降低lng冷能回收过程中的传热温差，实现高效热电转换，具有显著的经济效益和社会效益，符合节能减排的基本国策，具体具有以下有益效果：

(1)充分利用发电循环工质特性，在相同入口lng温度及冷量的条件下，通过第一发电循环系统及第二发电循环系统相互作用实现lng冷能的梯级利用，降低换热温差，减小不可逆损失，提高换热效率，产生更多电能，冷能利用效率更高；

(2)采用单发电循环工质作为循环工质，相比于多工质系统，循环工质更便于获取；

(3)系统可选用低压发电循环工质，系统压力低，制造及加工成本低；

(4)系统简单，设备结构简单，相同发电量情况下，投资成本降低；

(5)载冷剂所蕴含的冷能可输送至其他用冷用户进行进一步使用，提高能量的利用效率；

(6)系统无需使用高温热源，在常温甚至低温下均能稳定工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的lng冷能综合利用系统的原理图。

图中：1、第一换热器；2、第二换热器；3、第三换热器；4、第四换热器；5、第五换热器；6、第六换热器；7、第一增压泵；8、第二增压泵；9、第一透平；10、第二透平；11、载冷剂；12、海水。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例提供一种lng冷能综合利用系统，该lng冷能综合利用系统包括lng气化系统、发电循环系统和冷能输送系统。其中，lng气化系统包括通过管路依次串联的第一换热器1、第三换热器3和第六换热器6，lng气化系统中流通有lng液体，lng液体流经lng气化系统过程中在第一换热器1、第三换热器3和第六换热器6中逐级吸热并气化成气态天然气。

发电循环系统包括第一发电循环系统和第二发电循环系统，发电循环系统中循环流动有发电循环工质。第一发电循环系统包括通过管路依次串联的第一透平9、第一换热器1、第一增压泵7、第二换热器2和第四换热器4，发电循环工质流经第一透平9时推动第一透平9转动发电，且发电循环工质流经第一换热器1时与lng液体发生热量交换，实现lng冷能的初级利用。

第二发电循环系统包括通过管路依次串联的第二透平10，第三换热器3、第二增压泵8和第四换热器4，发电循环工质流经第二透平10时推动第二透平10转动发电，且发电循环工质流经第三换热器3时与lng液体发生热量交换，实现lng冷能的次级利用。

冷能输送系统包括第四换热器4、第六换热器6和通过管路与第四换热器4和第六换热器6连通的外部用冷部件，冷能输送系统中循环流动有载冷剂11。载冷剂11流经第四换热器4和发电循环工质发生热量交换，载冷剂11流经第六换热器6时与lng液体发生热量交换，从而实现lng冷能的第三级利用。

经过上述三次热量交换，lng中的冷能分级转化到了发电循环工质和载冷剂11中，实现了lng冷能的高效率利用。

在本实施例中，第一换热器1、第二换热器2、第三换热器3、第四换热器4、第六换热器6均具有冷侧流道和热侧流道，冷侧流道和热侧流道的壁面相互抵接，冷侧流道和热侧流道内的介质通过相互抵接壁面实现热量交换。

具体地，在lng气化系统中，第一换热器1的冷侧入口连通于lng进液管，第一换热器1的冷侧出口连通于第三换热器3的冷侧入口，第三换热器3的冷侧出口连通于第六换热器6的冷侧入口，第六换热器6的冷侧出口连通到连燃气管网。从lng进液管流入的-150℃的lng液体依次流经第一换热器1、第三换热器3和第六换热器6的冷侧流道，并经三级热量提升温度升高到可满足工业使用的5℃，之后进入天然气管网，完成整个lng的气化流程。

在第一发电循环系统中，第一透平9的出口连通于第一换热器1的热侧入口，第一换热器1的热侧出口连通于第一增压泵7的入口，第一增压泵7的出口连通于第二换热器2的冷侧入口，第二换热器2的冷侧出口连通于第四换热器4的冷侧入口。即第一换热器1的热侧流道、第一增压泵7、第二换热器2的冷侧流道和第四换热器4的冷侧流道连通依次连通形成发电循环工质流通的第一循环，发电循环工质在第一循环流通过程中完成发电、与lng的热量交换和与载冷剂11的热量交换。

在第二发电循环系统中，第二透平10的出口连通于第二换热器2的热侧入口和第三换热器3的热侧入口，第二换热器2的热侧出口和第三换热器3的热侧出口连通于第二增压泵8的入口，第二增压泵8的出口连通于第四换热器4的冷侧入口，第四换热器4的冷侧出口连通于第一透平9和第二透平10的入口。从第二透平10流出的发电循环工质分为两个支路，分别流入第二换热器2的热侧流道和第三换热器3的热侧流道中，流入第二换热器2中的发电循环工质与第一发电循环中的发电循环工质发生热量交换，流入第三换热器3中的发电循环工质与lng液体发生热量交换。从第二换热器2的热侧流道和第三换热器3的热侧流道流出的发电循环工质汇流入第二增压泵8中，并在第二增压泵8的出口与第一发电循环系统中的发电循环工质汇流并进入第四换热器4中。

为实现lng冷量的梯级利用，满足第二换热器2中两种换热介质的温差条件，在本实施例中，第一透平9的出口处的发电循环工质的温度和压力均低于第二透平10的出口处的发电循环工质的温度和压力。

进一步地，在本实施例中，从第二透平10的出口流出的发电循环工质的流量的10％～20％流入第二换热器2，从第二透平10的出口流出的发电循环工质的流量的80％～90％流入第三换热器3，以实现发电循环工质的合理分配，最大限度地利用lng液体中的冷量。优选地，从第二透平10的出口流出的发电循环工质的流量的15％流入第二换热器2，从第二透平10的出口流出的发电循环工质的流量的85％流入第三换热器3。

在本实施例中，第一透平9和第二透平10是将发电循环工质中蕴有的能量转换成机械功的机器。透平又称涡轮或涡轮机，透平的主要的部件是一个旋转件即转子，或称叶轮，叶轮安装在透平轴上且具有沿均匀排列的叶片，高压气态的发电循环工质流经叶轮的叶片时产生冲击作用，推动叶轮绕透平轴转动，从而驱动透平轴旋转，输出机械功，并进一步转化成电能。

进一步地，在本实施例中，发电循环系统还包括第五换热器5，第五换热器5串联于第四换热器4的下游，第五换热器5的冷侧入口连通于第四换热器4的冷侧出口，第五换热器5的冷侧出口连通于第一透平9和第二透平10的入口，第五换热器5的热侧入口和其冷侧出口均连通于海水12。第五换热器5用于发电循环工质的最后一级温度提升，以使发电循环工质满足第一透平9和第二透平10发电的压力和温度要求。

冷能输送系统用于将lng中的最后一级冷量转化到载冷剂11中，以满足外部用冷部件的降温需求。在本实施例中，冷能输送系统包括两个子系统，分别为第四换热器4与外部用冷部件通过管路连通的第一子系统，和第六换热器6与外部用冷部件通过管路连通的第二子系统。在第一子系统中，第四换热器4的热侧入口连通于外部用冷部件的载冷剂11出口，第四换热器4的热侧出口连通于外部用冷部件的载冷剂11入口，载冷剂11在第四换热器中与发电循环工质发生热量交换，温度降低，回流入外部用冷部件以实现对外部用冷部件的降温。在第二子系统中，第六换热器6的热侧入口连通于外部用冷部件的载冷剂11出口，第六换热器6的热侧出口连通于外部用冷部件的载冷剂11入口，载冷剂11在第六换热器6中与lng液体发生热量交换，温度降低，回流入外部用冷部件以实现对外部用冷部件的降温。

当然在其他实施例中，当没有外部用冷需求时，第四换热器4的热侧入口和第六换热器6的热侧入口也可以均连通于海水12，且第四换热器4的热侧出口和第六换热器6的热侧入口也均连通于海水12，以利用海水12实现对lng液体和发电循环工质的最后一级升温。

在本实施例中，发电循环工质选用低压工质，可选地，发电循环工质选用氟利昂或其他有机工质，为防止污染环境，发电循环工质选用氨、甲烷、乙烷、三氟甲烷(r23)或二氟甲烷(r32)等工质，优选地，发电循环工质选用氨。本实施例中载冷剂11选用乙二醇或氯化钙溶液，优选地，载冷剂11选用50％的乙二醇溶液，并进一步优选地，在50％的乙二醇水溶液中添加有少量抗泡沫、防腐蚀添加剂。

下面结合附图说明发明提供的lng综合利用系统的工作原理：

第一透平9及第二透平10入口的发电循环工质参数均为0.51mpa，5℃。做功发电后，第一透平9出口发电循环工质的参数变为22kpa，-60℃，第二透平10出口发电循环工质的参数为150kpa，-25℃。

由lng接收站输送来的10mpa，-150℃的lng液体，首先进入第一换热器1与第一透平9排出的发电循环工质进行换热，换热后lng温度升高至-66℃左右。升温后的lng液体继续进入第三换热器3，在第三换热器3内与第二透平10排出的发电循环工质换热，换热后lng温度升高至-33℃左右。换热后的lng继续进入第六换热器6与由外部用冷单位输送来的载冷剂11换热，换热后温度升高至5℃，满足管网输送条件。经过第六换热器6换热之后的成品天然气输出发电系统进入输气母管，最终进入天然气管网，完成整个lng液体的气化过程。

5℃、0.51mpa发电循环工质在第一透平9中做功产生电能，做功之后的发电循环工质温度降低为-60℃，压力降低为22kpa。随后在第一换热器1中与lng液体换热，温度降低为-62℃左右，且被全部液化。液化后的发电循环工质在第一增压泵7的作用下，压力升高至0.6mpa，温度变为-60℃。经过第一增压泵7增压后的发电循环工质进入第二换热器2与从第二透平10出口排出的一部分(15％左右)发电循环工质换热，温度升高为-31℃左右。

5℃、0.51mpa的循环工质在第二透平10中做功产生电能，做功之后的发电循环工质温度降低为-25℃，压力降低为150kpa。该部分发电循环工质被分为两部分，约15％左右的发电循环工质进入第二换热器2与第一发电循环系统中的发电循环工质换热，换热后发电循环工质温度降低为-26℃左右，且全部液化。另外85％的发电循环工质进入第三换热器3与lng液体换热，换热后温度降低至-26℃左右，且全部液化。上述两路发电循环工质混合后经过第二增压泵8将压力升高至0.6mpa左右，温度变为-25℃左右。

第一发电循环中的第二换热器2出口的发电循环工质与经过第二增压泵8升压的发电循环工质混合后进入第四换热器4，混合后的发电循环工质与由外部用冷单位输送来的载冷剂11(乙二醇溶液)换热后温度升高为4℃左右，且达到其饱和状态。第四换热器4出口的发电循环工质在第五换热器5内与海水12换热，全部气化为气态，且温度升高为5℃，压力变为0.51mpa。第五换热器5出口的发电循环工质被分为部分，一部分进入第一透平9，完成第一发电循环，另一部分进入第二透平10，完成第二发电循环。

由外部用冷用户输送回来的10℃左右的载冷剂11在第四换热器4内与发电循环工质进行换热，在第六换热器6内与lng换热，载冷剂11换热后温度降低为-20℃左右，输送回外部用冷用户制冷使用，实现冷能的进一步利用。

当系统没有外部用冷需求时，利用海水12在第四换热器4和第五换热器5中与发电循环工质进行换热、在第六换热器6中与lng进行换热，使得换热后的发电循环工质满足发电需求，且使得换热后的lng满足气化要求。在该工况中，也可以将第四换热器4和第五换热器5合并成一个换热器。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。