專利名稱：一種提高液化天然氣冷能發電效率的集成優化方法
技術領域：
本發明屬于液化天然氣(LNG)冷能發電領域，特別涉及一種提高液化天然氣 (LNG)冷能發電效率的集成方法。
背景技術：
天然氣是實現中國能源供應優質化、多元化的重要能源資源。根據國家的能源戰 略規劃，2010年前將在長三角、環渤海地區、泛珠三角地區建設10個左右的LNG接收站，來 提高我國能源消費結構中天然氣的比例。為了便于大量儲存和遠洋輸送，天然氣開采出來 后通常要去除雜質，在低溫下液化，變成液態天然氣，以提高運輸和儲存的效率。常壓下LNG 是一種溫度低至-162. 0°C的液體，由于天然氣供氣壓力要求較高，在供應給下游用戶利用 之前，必須在接收站將其在液態狀態時利用泵將LNG加壓到管網輸送壓力，一般在70 90kg/cm2 (表壓，下文出現的壓力均為表壓)，然后加熱汽化至0. 0°C以上進入管網供給下游 用戶使用。LNG在高壓下汽化過程中放出大量的冷能，其值約為830 860kJ/kg。同時下游 用戶使用天然氣時需調壓至所需壓力，如供給燃氣電廠發電時，管網壓力需要調壓到15 20kg/cm2進燃氣輪機，下游用戶在降壓過程中會釋放大量的壓力能，當80kg/cm2的高壓天 然氣調壓至20kg/cm2作為天然氣發電利用時，高壓管網可回收的壓力能達200kJ/kg。LNG接收站每年進口數百萬噸的液化天然氣，其攜帶的冷量非常巨大，但在接收站 部分冷能通常在天然氣汽化器中隨海水或空氣被舍棄了，同時高壓天然氣在輸送至接收站 電廠等下游用戶使用前，那部分寶貴的壓力能在調壓過程中也白白浪費掉了，導致LNG冷 能的利用效率大大降低。LNG冷能發電是LNG冷能利用中較成熟的工藝，利用LNG汽化為氣體狀態過程中釋 放的冷能及管網下游用戶調壓過程中釋放的壓力能進行發電，不僅可以緩解沿海地區存在 的電力供應緊張的狀況，還可以提高冷量利用率，降低LNG汽化成本和汽化過程中對環境 造成的污染。目前，關于利用LNG冷能發電的技術主要有利用LNG低溫冷量的冷媒循環的朗肯 發電、利用LNG壓力能的直接膨脹發電以及綜合這兩種技術的聯合法發電。1、直接膨脹法。直接膨脹法是利用LNG的壓力能發電的一種方式。如圖1所示儲罐中常壓的LNG 經泵加壓至管網輸送壓力，在蒸發器加熱汽化后利用高壓天然氣直接驅動透平膨脹機，帶 動發電機發電。蒸發器熱源可采用海水，也可使用其它熱源。例如日本東京電力公司的利用LNG壓差發電站，即直接膨脹法發電。LNG首先經泵 加壓提高壓力，然后通過蒸發器加熱汽化，接著進入透平機膨脹做功。直接膨脹法發電方式 系統簡單、投資低，但是效率不高，發電功率較小，每噸LNG的發電量在25. 0 30. Okffh左 右，有效能利用率約為26 31%。2、中間熱載體的朗肯循環法。
中間熱載體的朗肯循環法是利用LNG低溫冷量發電的方式，其過程是將LNG通過 冷凝器把冷量轉化到某一冷媒上，利用LNG與環境之間的溫差，推動冷媒進行蒸汽動力循 環，從而對外做功發電，如圖2所示。其中朗肯循環法發電存在單工質朗肯循環系統、混合 工質的朗肯循環系統，通常以低沸點的R12、R13、R22或乙烷、丙烷或者多組分烴類的混合 物為冷媒，以海水為熱源，以LNG為冷源，進行有機工質朗肯循環發電。美國專利US006089028A中是以50% -50%甲烷-乙烷為工質進行朗肯循環發電。 LNG通過冷凝50% -50%甲烷-乙烷氣體，將冷量傳遞給50% -50%甲烷-乙烷，被冷凝的 50% -50%甲烷-乙烷液體混合工質經泵加壓，然后通過海水加熱后汽化，汽化的工質再驅 動蒸汽機發電。用LNG冷凝從蒸汽機排出的汽化介質，使LNG部分氣化而工質液化，升溫的 LNG進一步用海水加熱后送到分配系統。朗肯循環發電的效率也較低，每噸LNG的發電量在 20. 0 24. Okffh左右，有效能利用率21 25%。3、聯合法。聯合法綜合了直接膨脹法與朗肯循環法，其流程如圖3所示。LNG首先被提高壓 力，然后通過冷凝器將冷量釋放給冷媒，推動冷媒進行朗肯循環對外做功，而氣化的天然氣 再通過透平膨脹做功，每噸LNG發電量在40. 0 45. Okw左右，有效能利用率為41. 8 47. 0%。例如日本大阪煤氣公司所屬的泉北LNG基地低溫發電廠采用的直接膨脹-單工質 朗肯循環系統。液化天然氣首先被壓縮提高壓力，然后通過冷凝器將冷量釋放給冷媒，推動 冷媒進行朗肯循環對外做功，而氣化的天然氣再通過透平膨脹做功。每噸液化天然氣發電 量44kW，其中朗肯循環發電20. 4kW，天然氣直接膨脹發電23. 6kW。上述技術中，單一利用壓力能或冷能發電的效率都比較低，聯合法發電工藝不僅 利用了 LNG的低溫冷量，而且還利用了壓力能，其綜合造價低，有利于環保，是LNG冷量發電 的發展趨勢。但是目前聯合法一般也要采用海水加熱，消耗大量的海水，轉移到海水的冷量 也沒有得到利用，同時因受海水溫度的限制，海水能夠將工質加熱的溫度不高，使得透平膨 脹機的熱效率較低，發電量和LNG冷量的利用受到限制。因LNG接受站區域內，包括整個接收站及燃氣聯合循環發電電廠內的行政大樓、 后勤中心、維修廠房及中央控制室等的空調用冰水、空壓機機間冷卻水以及燃氣輪機的進 氣冷卻皆需要大量的冷水，而目前都是以制冷機消耗大量電力產生冰水來滿足生產需要 的。同時燃氣電廠內又有大量的低溫余熱沒有利用，反而消耗大量循環冷卻水冷卻。基于 上述現狀分析，為了更有效的回收LNG的冷量，提高聯合法的發電效率，本發明提出了一種 間接利用LNG冷量制取冰水，來減少海水用量和壓縮制冷的電消耗及利用燃氣電廠低溫余 熱加熱工質，提高利用LNG冷能聯合法發電效率的集成優化方法。
發明內容
為了解決上述現有技術中存在的不足之處，本發明的首要目的在于提供一種提高 液化天然氣冷能發電效率的集成優化方法。該方法是主要針對利用LNG汽化為氣體狀態過 程中釋放的冷能及管網調壓過程中釋放的壓力能進行發電的集成優化技術。本發明是在現 有聯合法發電技術的基礎上，進行了提高LNG冷量發電效率的集成優化改進。本發明包括 冷媒工質的朗肯循環發電系統、冰水系統和天然氣直接膨脹發電系統，首先將液化天然氣與朗肯循環的冷媒工質換熱，將冷能傳遞給工質，然后工質與冷水換熱，生產一定量的冰水 供給接受站區域內的廠房及大樓的空調送風冷卻、壓縮機機間冷卻及燃氣輪機的進氣冷卻 等；同時采用燃氣電廠的低溫余熱加熱汽化后的高壓天然氣，進行直接膨脹發電。為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案一種提高液化天然氣冷能發電效 率的集成優化方法，其特征在于包括以下操作步驟(一 )天然氣直接膨脹發電系統(1)液化天然氣與冷媒工質換熱通過液化天然氣泵把液化天然氣加壓成高壓液體；將高壓液體和在透平膨脹機中 做功后的低壓冷媒工質氣體通過冷媒冷凝器換熱，高壓液體被氣化成高壓天然氣，冷媒工 質氣體被冷凝成冷媒工質液體；(2)天然氣加熱在海水加熱器中利用海水的熱量對步驟(1)所得高壓天然氣進行加熱，然后利用 低溫熱源進一步加熱，得到溫度為75 88°C，壓力為75 85kg/cm2的高溫高壓天然氣；(3)天然氣膨脹做功將步驟(2)所得的高溫高壓天然氣通過透平膨脹機做功，做功后的天然氣壓力降 低至20 25kg/cm2，溫度降低至8 15°C，得到發電用天然氣；( 二)冷媒朗肯循環發電系統(4)冷媒工質冷凝將步驟(1)所得冷媒工質液體經過冷媒泵加壓至11 13kg/cm2，得到高壓冷媒工 質；(5)冷媒工質汽化將步驟(4)所得高壓冷媒工質在冷媒/冰水換熱器中與冰水系統的冰水回水進行 換熱，高壓冷媒工質的冷量傳遞給冰水回水，降溫后的冰水回水返回冰水系統；將換熱后的 高壓冷媒工質通過冷媒蒸發器加熱汽化，得到壓力為8 9kg/cm2，溫度為26 30°C的高 壓冷媒工質氣體；所述加熱汽化的熱源為低溫熱源；(6)工質膨脹做功將步驟(5)所得高壓冷媒工質氣體通過透平膨脹機做功，驅動發電機發電，做功 后的工質壓力降低至0. 3 0. 5kg/cm2，溫度降低至-36. 1 -32. 5°C，得到低壓冷媒工質 氣體；(三)冰水系統將步驟(5)中降溫后的冰水回水由冰水槽經泵輸送至液化天然氣接受站區域的 建筑內，與空調送風和壓縮機機間冷卻器做熱交換，換熱后冰水回水溫度升高，然后返回至 冷媒/冰水換熱器中，與高壓冷媒工質進行換熱，降溫后的冰水回水再返回冰水槽。步驟(1)所述冷媒工質為丙烷或乙烷、丙烷、二氯二氟甲烷、三氟一氯甲烷和二氟一氯甲烷的混合物。上述冷媒工質的溫焓曲線與LNG的溫焓曲線相匹配。步驟(1)所述高壓液體的壓力為70 90kg/cm2，溫度-140 _150°C。步驟(2)和(5)所述低溫熱源是液化天然氣接收站附近的燃氣發電廠產生的低溫 乏汽。步驟⑵所述低溫熱源的流量為20t/h 25t/h，溫度為145°C 160°C，壓力為3 4kg/cm2 ；步驟(5)所述低溫熱源的流量為30t/h 40t/h，溫度為145°C 160°C，壓力 為 3 4kg/cm2 ο步驟(2)所述利用海水的熱量對步驟(1)所得高壓天然氣進行加熱是將高壓天然氣的溫度升高至5 15°C。步驟(3)所述透平膨脹機的發電功率為5066 5526kW。步驟(4)所述高壓冷媒工質的壓力為11 13kg/cm2，溫度為-35. 7 -35. 5°C ； 步驟(5)所述換熱后的高壓冷媒工質的壓力為10. 3 12. 7kg/cm2，溫度為5 10°C ；所述 冰水回水在換熱前的溫度為14 15°C，在換熱后的溫度為7 8V。步驟(6)所述透平膨脹機的發電功率為3180 3474kW。本發明與現有技術相比，具有如下突出優點和有益效果(1)提高了 LNG冷量回收率本發明設計了冰水冷卻系統，該工藝將LNG的冷能間 接用來冷卻冷水，不僅節省了現有系統的海水使用量，還可獲得一定量的冰水提供給接受 站區域內的廠房及大樓的空調送風冷卻、壓縮機機間冷卻及燃氣輪機的進氣冷卻等；如果 生產1000t/h的冰水，可以節省傳統冷凍冰水機產生冷水的電力消耗2500kW。(2)低溫余熱的回收利用本發明將燃氣電廠的低溫余熱引入系統中，用來加熱 天然氣和冷媒工質，提高天然氣和冷媒工質進透平膨脹機的溫度，從而提高系統的發電效 率，使得每噸LNG的冷量直接膨脹和朗肯循環做功的發電量分別達到35kW和22kW，與現有 工藝相比透平膨脹機的熱效率分別提高了 48. 3%和7. 8% ；不僅降低了燃氣電廠的循環冷 卻水的消耗，還節省了原流程中海水泵的功耗，發電量提高。(3)本發明利用LNG的冷量冷卻冰水，使得LNG冷量利用率提高，大量冷量得到回 收利用；同時利用燃氣電廠內的低溫余熱作為天然氣的加熱熱源和汽化冷媒工質的熱源， 來提高天然氣及冷媒工質進透平機的溫度，從而提高發電效率；集成優化的流程利用1. Ot LNG的冷量轉換為電力為57kW，與現有工藝相比冷量利用率提高了 29. 5%;LNG冷量利用率 的提高，不僅可以減少LNG的汽化費用，而且可以減少LNG汽化帶來的環境污染問題，可緩 解CO2減排的壓力，對節約資源、提高能源的利用效率、發展循環經濟社會具有十分現實的意義。
圖1為直接膨脹法發電流程圖，其中1為LNG泵，2為蒸發器，3為透平機、4為發電 機，5為加熱器。圖2為中間冷媒的利用LNG冷能的朗肯循環發電流程圖，其中1為冷媒冷凝器，2 為冷媒泵，3為加熱器，4為透平機，5為發電機。圖3為LNG冷量回收聯合法發電流程圖，其中1為加熱器，2為蒸發器，3為冷媒泵， 4為透平機，5為發電機。圖4為本發明集成優化后的利用LNG冷能的朗肯循環和直接膨脹式聯合法發電工 藝圖，其中1為發電機，2為透平機Bl，3為冷媒蒸發器，4為冷媒冷凝器，5為LNG泵，6為海 水加熱器，7為加熱器，8為透平機B2，9為冷媒泵，10為冷媒/冰水換熱器，11為冰水儲槽， 12為泵。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限 于此。實施例1如圖4所示，本實施例為某一個LNG接收站，該接收站接收的LNG 70%用于發電， 30%用于城市燃氣；接收站鄰近有一 450麗的燃氣聯合循環發電廠，LNG汽化后進入輸送 管網的壓力為80kg/cm2，而聯合循環發電廠的燃氣輪機的 進氣壓力只有20kg/cm2左右；LNG 的處理量為150. Ot/h, LNG摩爾組成為甲烷88. 78%、乙烷7. 54%、丙烷2. 59%、異丁烷 0. 56%、正丁烷0. 45%、正戊烷0. 01%、氮氣0. 07% ；實施例采用本發明的朗肯循環和直接 膨脹聯合法的集成優化發電工藝，以利用LNG的冷能和壓力能，其中朗肯循環的冷媒工質 為丙烷，加熱天然氣和朗肯循環丙烷工質的熱源為燃氣電廠產生的低溫乏汽。具體工藝步 驟和工藝條件如下(一 )天然氣直接膨脹發電系統(1)液化天然氣與冷媒工質換熱通過液化天然氣泵把液化天然氣(0. 15kg/cm2)加壓成高壓液體(壓力為 83kg/cm2，溫度為-146.5°C )；將高壓液體和在透平膨脹機中做功后的低壓冷媒工質氣 體(0. 3kg/cm2, -36. 18°C )通過冷媒冷凝器換熱，高壓液體被氣化成高壓天然氣(壓力 降為81kg/cm2，溫度升高為-43. 8rC )，冷媒工質氣體被冷凝成冷媒工質液體(溫度降 為-36. 4°C，壓力為 0. 3kg/cm2)；(2)天然氣加熱在海水加熱器中利用海水(1175t/h，3kg/cm2，26°C )的熱量對步驟(1)所得高 壓天然氣進行加熱，天然氣溫度升高到10°c，壓力為80. 3kg/cm2。換熱后海水的溫度降為 19°C;然后利用燃氣發電廠的低溫熱源(21t/h，150°C，3. 5kg/cm2)對天然氣進一步加熱，得 到溫度為86. 21°C，壓力為79. 6kg/cm2的高溫高壓天然氣；同時乏汽冷凝為凝結水；(3)天然氣膨脹做功將步驟(2)所得的高溫高壓天然氣通過透平膨脹機B2 (功率為5284kW)做功，做 功后的天然氣壓力降低至20. 4kg/cm2，溫度降低至10°C，得到發電用天然氣供，給燃氣電 廠；( 二 )冷媒朗肯循環發電系統(4)冷媒工質冷凝將步驟(1)所得冷媒工質液體經過冷媒泵加壓至12kg/cm2，得到溫度為-35. 62°C 的高壓冷媒工質；(5)冷媒工質汽化將步驟(4)所得高壓冷媒工質在冷媒/冰水換熱器中與冰水系統的冰水回水(流 量為600t/h、溫度為14°C )進行換熱，高壓冷媒工質的冷量傳遞給冰水回水，溫度下降到 8°C的冰水回水返回冰水系統；將換熱后的高壓冷媒工質(溫度為5.9°C，壓力為11.3kg/ cm2)通過冷媒蒸發器加熱汽化，得到壓力為8. 6kg/cm2，溫度為26. 3°C的高壓冷媒工質氣 體；所述加熱汽化的熱源為燃氣發電廠的低溫熱源(38.8t/h，150°C，3.5kg/cm2)；(6)工質膨脹做功
將步驟(5)所得高壓冷媒工質氣體通過透平膨脹機(功率為3294kW)做功，驅動發電機發電，做功后的工質壓力降低至0. 3kg/cm2，溫度降低至-36. 18°C，得到低壓冷媒工 質氣體；(三)冰水系統將步驟(5)中溫度下降到8°C的冰水回水由冰水槽經泵輸送至液化天然氣接受 站區域的建筑內，與空調送風和壓縮機機間冷卻器做熱交換，換熱后冰水回水溫度升高到 14°C，然后返回至冷媒/冰水換熱器中，與高壓冷媒工質進行換熱，降溫后的冰水回水再返 回冰水槽。上述實例中150t/h的LNG放出的冷量共發電8578kW，即優化改進的流程利用1. Ot LNG的冷量轉換的電力為57kW，其中朗肯循環發電22kW/t，天然氣直接膨脹發電35kW/t，與 現有工藝相比透平膨脹機的熱效率分別提高了 7. 8%和48. 3%，總的LNG冷量利用率提高 了 29. 5%。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的 限制，其它的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
一種提高液化天然氣冷能發電效率的集成優化方法，其特征在于包括以下操作步驟(一)天然氣直接膨脹發電系統(1)液化天然氣與冷媒工質換熱通過液化天然氣泵把液化天然氣加壓成高壓液體；將高壓液體和在透平膨脹機中做功后的低壓冷媒工質氣體通過冷媒冷凝器換熱，高壓液體被氣化成高壓天然氣，冷媒工質氣體被冷凝成冷媒工質液體；(2)天然氣加熱在海水加熱器中利用海水的熱量對步驟(1)所得高壓天然氣進行加熱，然后利用低溫熱源進一步加熱，得到溫度為75～88℃，壓力為75～85kg/cm2的高溫高壓天然氣；(3)天然氣膨脹做功將步驟(2)所得的高溫高壓天然氣通過透平膨脹機做功，做功后的天然氣壓力降低至20～25kg/cm2，溫度降低至8～15℃，得到發電用天然氣；(二)冷媒朗肯循環發電系統(4)冷媒工質冷凝將步驟(1)所得冷媒工質液體經過冷媒泵加壓至11～13kg/cm2，得到高壓冷媒工質；(5)冷媒工質汽化將步驟(4)所得高壓冷媒工質在冷媒/冰水換熱器中與冰水系統的冰水回水進行換熱，高壓冷媒工質的冷量傳遞給冰水回水，降溫后的冰水回水返回冰水系統；將換熱后的高壓冷媒工質通過冷媒蒸發器加熱汽化，得到壓力為8～9kg/cm2，溫度為26～30℃的高壓冷媒工質氣體；所述加熱汽化的熱源為低溫熱源；(6)工質膨脹做功將步驟(5)所得高壓冷媒工質氣體通過透平膨脹機做功，驅動發電機發電，做功后的工質壓力降低至0.3～0.5kg/cm2，溫度降低至-36.1～-32.5℃，得到低壓冷媒工質氣體；(三)冰水系統將步驟(5)中降溫后的冰水回水由冰水槽經泵輸送至液化天然氣接受站區域的建筑內，與空調送風和壓縮機機間冷卻器做熱交換，換熱后冰水回水溫度升高，然后返回至冷媒/冰水換熱器中，與高壓冷媒工質進行換熱，降溫后的冰水回水再返回冰水槽。
2.根據權利要求1所述的一種提高液化天然氣冷能發電效率的集成和優化方法，其特 征在于步驟(1)所述冷媒工質為丙烷或乙烷、丙烷、二氯二氟甲烷、三氟一氯甲烷和二氟 一氯甲烷的混合物。
3.根據權利要求1所述的一種提高液化天然氣冷能發電效率的集成和優化方法，其特 征在于步驟(1)所述高壓液體的壓力為70 90kg/cm2，溫度-140 _150°C。
4.根據權利要求1所述的一種提高液化天然氣冷能發電效率的集成和優化方法，其特 征在于步驟(2)和(5)所述低溫熱源是液化天然氣接收站附近的燃氣發電廠產生的低溫乏汽。
5.根據權利要求1或4所述的一種提高液化天然氣冷能發電效率的集成和優化方法， 其特征在于步驟⑵所述低溫熱源的流量為20t/h 25t/h，溫度為145°C 160°C，壓力 為3 4kg/cm2 ；步驟(5)所述低溫熱源的流量為30t/h 40t/h，溫度為145°C 160°C，壓力為3 4kg/cm2。
6.根據權利要求1所述的一種提高液化天然氣冷能發電效率的集成和優化方法，其特 征在于步驟(2)所述利用海水的熱量對步驟(1)所得高壓天然氣進行加熱是將高壓天然 氣的溫度升高至5 15°C。
7.根據權利要求1所述的一種提高液化天然氣冷能發電效率的集成和優化方法，其特 征在于步驟(3)所述透平膨脹機的發電功率為5066 5526kW。
8.根據權利要求1所述的一種提高液化天然氣冷能發電效率的集成和優化方法，其特 征在于步驟(4)所述高壓冷媒工質的壓力為11 13kg/cm2，溫度為-35. 7 -35. 5°C;步 驟(5)所述換熱后的高壓冷媒工質的壓力為10. 3 12. 7kg/cm2，溫度為5 10°C ；所述冰 水回水在換熱前的溫度為14 15°C，在換熱后的溫度為7 8V。
9.根據權利要求1所述的一種提高液化天然氣冷能發電效率的集成優化方法，其特征 在于步驟(6)所述透平膨脹機的發電功率為3180 3474kW。
全文摘要
本發明公開了一種提高液化天然氣冷能發電效率的集成優化方法。該方法包括以下步驟(一)天然氣直接膨脹發電系統；(二)冷媒朗肯循環發電系統；(三)冰水系統。該方法提高了液化天然氣冷量回收率本發明設計了冰水冷卻系統，該工藝將LNG的冷能間接用來冷卻冷水，不僅節省了現有系統的海水使用量，還可獲得一定量的冰水提供給接受站區域內的廠房及大樓的空調送風冷卻、壓縮機機間冷卻及燃氣輪機的進氣冷卻等，節省了傳統冷凍冰水機壓縮制冷的電功耗。低溫余熱的回收利用，提高了LNG冷能發電效率本發明將燃氣電廠的低溫余熱引入系統中，用來加熱天然氣和冷媒工質，提高天然氣和冷媒工質進透平膨脹機的溫度，從而提高系統的發電效率。
文檔編號F01K25/10GK101806293SQ201010123728
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月10日 優先權日2010年3月10日
發明者李亞軍, 金光, 陳行水 申請人:華南理工大學