地热能驱动的双级有机朗肯循环耦合天然气液化系统

技术领域

本发明涉及天然气液化技术领域，具体涉及一种地热能驱动的双级有机朗肯循环耦合天然气液化系统。

背景技术

天然气作为低碳清洁能源，能够有效改善能源结构、缓解能源紧缺并降低温室气体和污染物排放。天然气经液化后，体积缩小，储运机动性强，不受气源和管网的限制，能够弥补天然气管道输送的局限性。

目前传统的天然气液化流程包括级联式制冷循环、混合制冷剂制冷循环和膨胀制冷循环三种。然而，传统的天然气液化流程是单一耗电流程，存在结构复杂、能耗高等缺点。构建可再生能源驱动的地热能驱动的双级有机朗肯循环耦合天然气液化系统，对降低天然气液化流程的能耗，实现节能减排具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地热能驱动的双级有机朗肯循环耦合天然气液化系统，将一级、二级有机朗肯循环系统和天然气液化工艺相结合，利用地热能有效降低了天然气液化工艺的能耗，具有结构简单、成本低廉、节能高效、实用性强的优点。

基于上述目的，本申请提供的一种地热能驱动的双级有机朗肯循环耦合天然气液化系统，包括：地热水循环系统、冷却系统、一级有机朗肯循环系统、二级有机朗肯循环系统、天然气输送管道和两相分离器；

所述地热水循环系统包括换热器HX1和换热器HX2；所述换热器HX1的第一进口端通过管道与地热井的出口端相连接，所述换热器HX1的第一出口端通过管道与所述换热器HX2的第一进口端连接，所述换热器HX2的第一出口端通过管道与地热井的进口端连接；

所述冷却系统包括冷却器HX3和冷却器HX4；

所述一级有机朗肯循环系统的第一循环侧连接在所述换热器HX2的第二出口端和所述冷却器HX4的第一进口端之间，所述一级有机朗肯循环系统的第二循环侧连接在所述冷却器HX4的第一出口端与所述换热器HX2的第二进口端之间，用于对天然气进行一次冷却；

所述二级有机朗肯循环系统的第一循环侧连接在所述换热器HX1的第二出口端和所述冷却器HX3的第一进口端之间，所述二级有机朗肯循环系统的第二循环侧连接在所述冷却器HX3的第一出口端与所述换热器HX1的第二进口端之间，用于对天然气进行二次冷却；

所述天然气输送管道依次接入所述冷却器HX4的第二进口端、所述冷却器HX4的第二出口端、所述冷却器HX3的第二进口端、所述冷却器HX3的第二出口端及两相分离器的进口端。

进一步地，所述一级有机朗肯循环系统包括膨胀机T2、第一压缩空冷子系统、工质泵P2、换热器HX5；

所述换热器HX2的第二出口端通过管道与所述膨胀机T2的第一进口端连通，所述膨胀机T2的出口端通过管道与所述冷却器HX4的第一进口端连通，所述冷却器HX4的第一出口端通过管道与第一压缩空冷子系统的进口端连通，所述第一压缩空冷子系统的出口端通过管道与所述工质泵P2的进口端连通，所述工质泵P2的出口端通过管道与所述换热器HX5的第一进口端连通，所述换热器HX5的第一出口端通过管道与所述换热器HX2的第二进口端连通。

进一步地，所述第一压缩空冷子系统包括压缩机C5、空气冷却器AC5、压缩机C6、空气冷却器AC6；

所述冷却器HX4的第一出口端通过管道与所述压缩机C5的进口端连通，所述压缩机C5的出口端通过管道与所述空气冷却器AC5的进口端连通，所述空气冷却器AC5的出口端通过管道与所述压缩机C6的进口端连通，所述压缩机C6的出口端通过管道与所述空气冷却器AC6的进口端连通，所述空气冷却器AC6的出口端通过管道与工质泵P2的进口端连通。

进一步地，所述二级有机朗肯循环系统包括膨胀机T1、第二压缩空冷子系统、压缩机C4、空气冷却器AC4、工质泵P1；

所述换热器HX1的第二出口端通过管道与所述膨胀机T1的进口端连通，所述膨胀机T1的出口端通过管道与所述冷却器HX3的第一进口端连通，所述冷却器HX3的第一出口端通过管道与所述第二压缩空冷子系统的进口端连通，所述第二压缩空冷子系统的出口端通过管道与压缩机C4的进口端连通，所述压缩机C4的出口端通过管道与所述换热器HX5的第二进口端连通，所述换热器HX5的第二出口端通过管道与所述空气冷却器AC4的进口端连通，所述空气冷却器AC4的出口端通过管道与工质泵P1的进口端连通，所述工质泵P1的出口端通过管道与所述换热器HX1的第二进口端连通。

进一步地，所述第二压缩空冷子系统包括压缩机C1、空气冷却器AC1、压缩机C2、空气冷却器AC2、压缩机C3、空气冷却器AC3；

所述压缩机C1的进口端通过管道与所述冷却器HX3的第一出口端连通，所述压缩机C1的出口端通过管道与空气冷却器AC1的进口端连通，所述空气冷却器AC1的出口端通过管道与所述压缩机C2的进口端连通，所述压缩机C2的出口端通过管道与所述空气冷却器AC2的进口端连通，所述空气冷却器AC2的出口端通过管道与所述压缩机C3的进口端连通，所述压缩机C3的出口端通过管道与空气冷却器AC3的进口端连通，空气冷却器AC3的出口端通过管道与压缩机C4的进口端连通。

进一步地，所述冷却器HX3的第二出口端及两相分离器的进口端之间的天然气输送管道上设置节流阀TV。

进一步地，所述一级有机朗肯循环系统中采用R22作为循环介质。

进一步地，所述二级有机朗肯循环系统中采用R22作为循环介质。

进一步地，所述地热水循环系统中采用地热水热源介质。

采用上述技术方案，本申请提供的地热能驱动的双级有机朗肯循环耦合天然气液化系统，相比于现有技术，具有的技术效果有：

地热水循环系统包括换热器HX1和换热器HX2；换热器HX1的第一进口端通过管道与地热井的出口端相连接，换热器HX1的第一出口端通过管道与换热器HX2的第一进口端连接，换热器HX2的第一出口端通过管道与地热井的进口端连接；地热水通过地热井采集输送至地面，通过换热器HX1和换热器HX2将热量传递给系统中的一级有机朗肯循环系统、二级有机朗肯循环系统，然后回注井里，系统获得稳定热源；上述的双级有机朗肯循环系统将地热水的热量转化发电，同时，一级有机朗肯循环系统低温区域通过冷却器HX4通过对天然气进行一次冷却，二级有机朗肯循环系统低温区域通过冷却器HX3对天然气进行二次冷却，然后，天然气通过气液分离，得到LNG产品；本申请技术方案将一级、二级有机朗肯循环系统和天然气液化工艺相结合，利用地热能有效降低了天然气液化工艺的能耗，具有结构简单、成本低廉、节能高效、实用性强的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的地热能驱动的双级有机朗肯循环耦合天然气液化系统的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，本领域普通技术人员在没有做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。

请参照图1所示，本申请实施例提供的一种地热能驱动的双级有机朗肯循环耦合天然气液化系统，包括：地热水循环系统、冷却系统、一级有机朗肯循环系统、二级有机朗肯循环系统、天然气输送管道和两相分离器；

其中，地热水循环系统包括换热器HX1和换热器HX2；换热器HX1的第一进口端通过管道与地热井的出口端相连接，换热器HX1的第一出口端通过管道与换热器HX2的第一进口端连接，换热器HX2的第一出口端通过管道与地热井的进口端连接；地热水循环系统中采用地热水热源介质。

冷却系统包括冷却器HX3和冷却器HX4；

一级有机朗肯循环系统的第一循环侧连接在换热器HX2的第二出口端和冷却器HX4的第一进口端之间，一级有机朗肯循环系统的第二循环侧连接在冷却器HX4的第一出口端与换热器HX2的第二进口端之间，用于对天然气进行一次冷却；

二级有机朗肯循环系统的第一循环侧连接在换热器HX1的第二出口端和冷却器HX3的第一进口端之间，二级有机朗肯循环系统的第二循环侧连接在冷却器HX3的第一出口端与换热器HX1的第二进口端之间，用于对天然气进行二次冷却；

天然气输送管道依次接入冷却器HX4的第二进口端、冷却器HX4的第二出口端、冷却器HX3的第二进口端、冷却器HX3的第二出口端及两相分离器的进口端。

优选地，冷却器HX3的第二出口端及两相分离器的进口端之间的天然气输送管道上设置节流阀TV。

本方案中，将一级、二级有机朗肯循环系统和天然气液化工艺相结合，利用地热能有效降低了天然气液化工艺的能耗，具有结构简单、成本低廉、节能高效、实用性强的优点。

一个优选实施方案中，一级有机朗肯循环系统包括膨胀机T2、第一压缩空冷子系统、工质泵P2、换热器HX5；

其中，换热器HX2的第二出口端通过管道与膨胀机T2的第一进口端连通，膨胀机T2的出口端通过管道与冷却器HX4的第一进口端连通，冷却器HX4的第一出口端通过管道与第一压缩空冷子系统的进口端连通，第一压缩空冷子系统的出口端通过管道与工质泵P2的进口端连通，工质泵P2的出口端通过管道与换热器HX5的第一进口端连通，换热器HX5的第一出口端通过管道与换热器HX2的第二进口端连通。

一个优选实施方案中，上述的第一压缩空冷子系统包括压缩机C5、空气冷却器AC5、压缩机C6、空气冷却器AC6；

其中，冷却器HX4的第一出口端通过管道与压缩机C5的进口端连通，压缩机C5的出口端通过管道与空气冷却器AC5的进口端连通，空气冷却器AC5的出口端通过管道与压缩机C6的进口端连通，压缩机C6的出口端通过管道与空气冷却器AC6的进口端连通，空气冷却器AC6的出口端通过管道与工质泵P2的进口端连通。

一个优选实施方案中，本实施例中的二级有机朗肯循环系统包括膨胀机T1、第二压缩空冷子系统、压缩机C4、空气冷却器AC4、工质泵P1；

其中，换热器HX1的第二出口端通过管道与膨胀机T1的进口端连通，膨胀机T1的出口端通过管道与冷却器HX3的第一进口端连通，冷却器HX3的第一出口端通过管道与第二压缩空冷子系统的进口端连通，第二压缩空冷子系统的出口端通过管道与压缩机C4的进口端连通，压缩机C4的出口端通过管道与换热器HX5的第二进口端连通，换热器HX5的第二出口端通过管道与空气冷却器AC4的进口端连通，空气冷却器AC4的出口端通过管道与工质泵P1的进口端连通，工质泵P1的出口端通过管道与换热器HX1的第二进口端连通。

一个优选实施方案中，第二压缩空冷子系统包括压缩机C1、空气冷却器AC1、压缩机C2、空气冷却器AC2、压缩机C3、空气冷却器AC3；

其中，压缩机C1的进口端通过管道与冷却器HX3的第一出口端连通，压缩机C1的出口端通过管道与空气冷却器AC1的进口端连通，空气冷却器AC1的出口端通过管道与压缩机C2的进口端连通，压缩机C2的出口端通过管道与空气冷却器AC2的进口端连通，空气冷却器AC2的出口端通过管道与压缩机C3的进口端连通，压缩机C3的出口端通过管道与空气冷却器AC3的进口端连通，空气冷却器AC3的出口端通过管道与压缩机C4的进口端连通。

一个优选实施方案中，一级有机朗肯循环系统中采用R22作为循环介质。

一个优选实施方案中，二级有机朗肯循环系统中采用R22作为循环介质。

下面说明本申请实施例中提供的地热能驱动的双级有机朗肯循环耦合天然气液化系统的工作原理：

中低温地热水流股1，先通过换热器HX1，形成流股2，将一部分热量用来气化二级有机朗肯循环系统中流股25，中低温地热水流股1温度降低一些后，进入换热器HX2，再次气化一级有机朗肯循环系统中流股12，地热水的热量被充分利用后，低温地热水流股3回注地热井，该地热水循环流程简单，需要设备较少，且实现了地热水热量的梯级利用。

一级有机朗肯循环系统中，高压循环工质流股12，在换热器HX2中与温度较低的地热水换热，蒸发气化后的流股4进入膨胀机T2膨胀做功，膨胀机T2的出口形成的乏气流股5处于低温低压状态，通过冷却器HX4对原料气进行预冷却，流股6温度提高，但压力依然较低，通过压缩机C5提高压力，流股7温度进一步提高，采用空冷器AC5降温后，流股8还未实现循环工质液化，继续通过压缩机C6提高压力，形成流股9，空冷器AC6降温，流股10处于液态，再经工质泵P2加压后，流股11进入换热器HX5与二级有机朗肯循环系统中的工质流股22换热，流股22在二级有机朗肯循环系统中经压缩机C4压缩后温度较高，在换热器HX5中对流股11进行预热，预热后温度提高，形成的高压流股12进入换热器HX2时所需热量较少，与二次换热的地热水能够匹配。

二级有机朗肯循环系统中，高压循环工质流股25，在换热器HX1中与地热水进行一次换热，气化后流股13进入膨胀机T1做功发电，完成热功转换，出口乏气流股14，处于低温低压状态，在冷却器HX3中对原料气进行再冷却，冷却结束后流股15进入压缩机C1提高压力形成流股16，再通过空冷器AC1降温形成流股17，为了使循环工质液化，该循环采用逐级升压降温的方式，流股17通过压缩机C2后形成流股18，经过空冷器AC2后形成流股19，经过压缩机C3后形成流股20，经过空气冷却器AC3后形成流股21，再次经过压缩机C4后形成的流股22温度较高，在换热器HX5中对一级朗肯循环系统中的流股11进行预热，温度降低，形成流股23，再次进入空气冷却器AC4降温后，循环工质液化，流股24经工质泵加压后，高压循环工质流股25在换热器HX1中吸热气化，完成一次二级有机朗肯循环。

天然气液化流程依然采用逐级降温液化，在冷却器HX4中低温流股5对原料气流股26进行一次冷却，形成气流股27，再次进入冷却器HX3，低温流股14对原料气进行二次冷却，原料气流股28再通过节流阀节流降温后形成原料气流股29，经气液两相分离器进行气液分离，进而得到LNG产品。

本发明所提供的一种新型液化工艺流程地热能驱动的双级有机朗肯循环耦合天然气液化工艺流程，对改善传统高能耗液化工艺流程，合理利用低品位热源有一定指导作用。

本申请实施例中提供的地热能驱动的双级有机朗肯循环耦合天然气液化系统，至少具有以下优点：

地热水循环系统包括换热器HX1和换热器HX2；换热器HX1的第一进口端通过管道与地热井的出口端相连接，换热器HX1的第一出口端通过管道与换热器HX2的第一进口端连接，换热器HX2的第一出口端通过管道与地热井的进口端连接；地热水通过地热井采集输送至地面，通过换热器HX1和换热器HX2将热量传递给系统中的一级有机朗肯循环系统、二级有机朗肯循环系统，然后回注井里，系统获得稳定热源；上述的双级有机朗肯循环系统将地热水的热量转化发电，同时，一级有机朗肯循环系统低温区域通过冷却器HX4通过对天然气进行一次冷却，二级有机朗肯循环系统低温区域通过冷却器HX3对天然气进行二次冷却，然后，天然气通过气液分离，得到LNG产品；本申请技术方案将一级、二级有机朗肯循环发电系统和天然气液化工艺相结合，利用地热能有效降低了天然气液化工艺的能耗，具有结构简单、成本低廉、节能高效、实用性强的优点。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。