一种提高LNG冷能发电ORC系统安全性的工质储罐及使用方法

技术领域

本发明涉及液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)冷能发电技术领域，具体涉及一种提高LNG冷能发电ORC系统安全性的工质储罐及使用方法。

背景技术

LNG冷能发电有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)系统是常用的LNG冷能发电方式，该发电系统中，储罐内工质被工质泵增压并送至蒸发器，工质在蒸发器吸收热量而气化，气化的高压工质推动膨胀机做功并带动发电机发电，做功完成的工质流向冷凝器，进而冷却液化，冷却液化的工质再次回流到储罐内，完成一个循环。

LNG冷能发电ORC系统正常运行下，工质处于循环状态，系统各单元内工质工况保持稳定；然而LNG冷能发电ORC系统发生故障，工质需要停止循环，无法在冷凝器获得冷量，此时储罐内的工质不可避免因吸收环境热量，温度、压强上升；现有的LNG冷能发电ORC系统工质储罐在压强超标时，通常为确保工质储罐安全性将工质排出并在燃烧塔燃烧；

当前国内工程化应用的LNG冷能发电ORC系统多采用单质循环工质，在系统发生故障时工质少量排出对系统运行影响较小，且系统本身发生故障概率较低。以非共沸混合工质作为ORC系统循环工质，可降低换热

除此之外，现有的工质储罐需要连接安全阀接口、压力表接口、放空口、液位计口、循环工质进口、循环工质出口等多个管口，每个开口都各有位置和尺寸大小要求，当这些开口全部都开设在储罐罐体时，储罐罐体表面开设的开口过多，而过多的开口对储罐罐体的整体强度影响较大。

发明内容

本发明意在提供一种提高LNG冷能发电ORC系统安全性的工质储罐及使用方法，以解决LNG冷能发电ORC系统故障后，工质储罐内工质因吸收环境热量，压强增大而排出的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提高LNG冷能发电ORC系统安全性的工质储罐，用于存储LNG冷能发电ORC系统循环工质，包括罐体，罐体内设有换热管，换热管与ORC系统冷凝器LNG侧管路并联；所述换热管进口通过LNG流入支管与ORC系统冷凝器LNG侧管路入口端的LNG流入管段相连；换热管出口通过LNG流出支管与ORC系统冷凝器LNG侧管路出口端的LNG流出管段相连；LNG流入支管和LNG流出支管上均安装有阀门。

本方案的原理及优点是：

本方案通过研究LNG冷能发电ORC系统的整个构造，通过在ORC系统工质储罐安装与ORC系统冷凝器LNG侧管路并联的换热管，在ORC系统发生故障，工质停止循环时，LNG流入支管和LNG流出支管上的阀门打开，换热管中通入LNG，冷却工质储罐内工质，平衡外界环境进入储罐工质的热量，使储罐内工质工况保持稳定，确保工质储罐的安全性，同时避免工质气化、超压排出；换热管装置结构非常简单，应用方便。

以巧妙的方式，简单的处理，在不增设制冷系统的基础上，实现对储罐内工质热量吸收，解决了工质储罐在ORC系统非循环状态下的工质吸热、压强升高而排出而带来的问题，避免了工质储罐充填工质，极大降低LNG冷能发电ORC系统运作成本，增强了系统运行稳定性。

优选的，作为一种改进，所述换热管为盘管，换热管包括依次连接的进入段、中间段和排出段，进入段、中间段和排出段均呈[型，排出段将进入段围合，中间段将排出段围合。

有益效果：本方案通过呈[型的多段式换热盘管的设置，使得换热管与工质储罐内的工质接触更加均匀，防止因冷源分布不均，罐内工质局部出现气化。

优选的，作为一种改进，所述换热管位于罐体下部。

有益效果：换热管位于罐体下部，使得换热管能够浸在液态工质中，提高换热管的换热效率。

优选的，作为一种改进，所述罐体上连通有伸出罐体外的辅助管，辅助管上设有多个接口，接口按功能需要可作为压力表接口、安全阀接口或放空口。

有益效果：本方案带有多个接口的辅助管的设置，使得多个接口无需像现有技术一样开设在罐体上，极大确保了罐体的强度，同时降低了对罐体的加工难度。

优选的，作为一种改进，所述罐体连接有温度计套管，温度计套管深入到罐体内，温度计套管用于放置温度计，温度计套管用于将罐体内腔与温度计隔离。

有益效果：本方案温度计套管的存在形成对温度计和罐体内工质的隔离，既确保温度得到准确监控，又能保证温度计的安全。

优选的，作为一种改进，所述罐体上设有循环工质进口和循环工质出口，循环工质出口连通在罐体底部。

有益效果：本方案将循环工质出口连通在罐体底部能够确保流出的工质为液态，避免LNG冷能发电ORC系统工质循环时，流向工质泵的工质中含有气态工质的情况。

优选的，作为一种改进，所述罐体上还设有泵回气口，泵回气口与工质泵连通。在LNG冷能发电ORC系统刚启动时，工质泵温度还不是很低，低温工质流到工质泵时会沸腾、气化，此时气化的工质气体再由泵回气口流回罐体内。

本发明还提供一种提高LNG冷能发电ORC系统安全性的工质储罐的使用方法，LNG冷能发电ORC系统包含所述的提高LNG冷能发电ORC系统安全性的工质储罐；还包括如下操作：

在LNG冷能发电ORC系统工质处于非循环状态下时，LNG通入工质储罐内的换热管，并通过调节阀门开度控制换热管内LNG流量，以控制换热管换热量；在LNG冷能发电ORC系统中工质处于循环状态时，截止LNG流向换热管。

附图说明

图1为本发明实施例的工质储罐的剖视示意图。

图2为本发明实施例工质储罐内换热管的俯视图。

图3为本发明实施例的工质储罐位于LNG冷能发电ORC系统中时的结构简要示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：罐体1、罐体内腔11、循环工质进口12、循环工质出口13、保温层14、换热管2、换热管进口21、换热管出口22、进入段23、中间段24、排出段25、辅助管3、压力表接口31、安全阀接口一32、安全阀接口二33、放空口34、温度计套管4、液位计口5、泵后回气口6、排污口7、底座8、LNG流入支管911、LNG流入管段912、LNG流出支管913、LNG流出管段914、调节阀915、开关阀916/917/918、工质储罐94、工质泵95、蒸发器96、膨胀机97、发电机98、冷凝器99。

实施例

结合图1至图3，一种提高LNG冷能发电ORC系统安全性的工质储罐，罐体内腔11用于存储LNG冷能发电ORC系统循环用工质，罐体1上安装有循环工质进口12和循环工质出口13。选定罐体1材料，根据罐体1内工质工作压力和温度，确定罐体1壁厚。

罐体内腔11中设置换热管2，换热管2位于罐体1下部，换热管2内能够通入LNG，换热管进口21、换热管出口22与罐体1焊接；换热管2为盘管，换热管2包括依次连接的进入段23、中间段24和排出段25，进入段23、中间段24和排出段25均呈[型，排出段25将进入段23围合，中间段24将排出段25围合。

换热管2与冷凝器99的LNG侧管路并联；冷凝器LNG侧管路与LNG流入管段912和LNG流出管段914连接，换热管进口21经LNG流入支管911与LNG流入管段912连接，换热管出口22经LNG流出支管913与LNG流出管段914连接；LNG流入支管911上安装有调节阀915，LNG流入管段912上安装有开关阀916，LNG流出支管913上安装有开关阀917，LNG流出管段914上安装有开关阀918。

选定换热管2型式、材料和口径，根据LNG压强选定换热管2的壁厚；设定换热管2的LNG流量，根据换热管进口21的LNG温度、罐体1与环境换热量、换热管表面特性换热管2外工质物性，计算换热管2换热面积和管长；校核换热管进口21和换热管出口22压差，其压差应小于LNG流入支管911与LNG流出支管913的设计压差；换热管2换热面积应留有一定余量。

罐体1上连通有伸出罐体1外的辅助管3，辅助管3上设有多个接口，多个接口分别为压力表接口31、安全阀接口一32、安全阀接口二33、放空口34，压力表接口31用于安装压力表，安全阀接口一32、安全阀接口二33用于安装安全阀，压力表接口31用于安装压力表，放空口34连接通向燃烧塔的管道，该管道安装有开关阀，罐体1吹扫时，开关阀打开。根据工质工作压力、温度，确定辅助管3壁厚。

罐体1连接有温度计套管4，温度计套管4深入到罐体1内，温度计套管4用于放置温度计，温度计套管4用于将罐体内腔11与温度计进行隔离。罐体1上设置有液位计口5，液位计口用于插入液位计。根据工质工作压力、温度，确定温度计套管4壁厚。

此外，罐体1上还安装有泵回气口6，泵回气口6用于与工质泵95连通，泵后回气口6用于在LNG冷能发电ORC系统刚启动时，工质泵95的温度还不是很低，低温工质流到工质泵95时会沸腾、气化，此时气化的工质气体再由泵回气口6送回罐体1内。

罐体1底部还安装有排污口7；此外，为使得罐体1得到支撑，在罐体1底部固定有底座8。

LNG冷能发电ORC系统包括上述工质储罐94、工质泵95、蒸发器96、膨胀机97、发电机98和冷凝器99，工质泵95的输入端与工质储罐94的循环工质出口13连通，蒸发器96连接在工质泵95与膨胀机97之间，蒸发器96用于加热工质泵95泵送出来的工质，工质气体在膨胀机97中膨胀做功向外输出机械能，输出的机械能通过发电机98转化为电能，膨胀机97与冷凝器99的工质侧管段连通，冷凝器99用于冷却循环工质。

一种提高LNG冷能发电ORC系统安全性的工质储罐的使用方法，在LNG冷能发电ORC系统中的工质处于非循环状态下时，关闭开关阀916、开关阀918，而打开调节阀915、开关阀917，使得LNG能经过LNG流入支管911进入到换热管2内，再从LNG流出支管913流出，通过调节阀915控制换热管2中LNG流量和换热管2的换热量，确保换热管2带走的罐体1内工质热量等于罐体1内工质从环境吸收的热量，稳定罐体1内工质温度、压强和气相摩尔分数，避免罐体1内工质因压强超标而排出。

当LNG冷能发电ORC系统中的工质处于循环状态下时，通过打开开关阀916、开关阀918，而关闭调节阀915、开关阀917，换热管2不再承担换热作用。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。