一种燃气余压及LNG冷能综合利用系统与方法

技术领域

本发明属于能源技术领域，涉及高压燃气余压利用、涡流管制冷以及有机朗肯循环(ORC)领域，特别涉及一种基于高压燃气余能利用和LNG冷能综合利用系统与方法。

背景技术

化石能源消耗带来的环境污染、能源危机等问题日益显著，能源是制约国家工地热能、生物质能、余压余热等可再生能源利用技术将成为提高能源利用效率的重要措施。

在目前的工业、钢铁、冶金、化工等行业中，生产过程中经常产生大量的冗余压力能，由于传统节流降压方法为直接排放，未加利用，从而造成剩余压力能量的浪费，高压燃气在降温降压时，会损耗大量的压力和温差，造成资源的极大浪费。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种燃气余压利用和LNG冷能综合利用系统与方法，以期提高高压燃气余压的能量利用率，使整个系统能量的利用最大化，解决用户的用电、用冷、用热和用气问题，减少化石燃料的消耗和温室气体的排放。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种燃气余压及LNG冷能综合利用系统，包括涡流管、第一换热器、膨胀机、第二换热器和第三换热器；所述第一换热器、膨胀机和第二换热器构成回路；所述涡流管的入口接高压燃气，将高压燃气转变为冷气流和热气流；

所述热气流送入第一换热器，所述回路中，有机工质吸收第一换热器交换出的热量，在膨胀机膨胀做功，做功后有机工质在第二换热器与低温LNG换热，换热后有机工质进入第一换热器再次吸热；换热后低温LNG在第三换热器与出第一换热器的燃气换热，得到终端燃气，实现燃气余压及LNG冷能综合利用。

在一个实施例中，所述系统还包括第四换热器；所述第四换热器连接在第一换热器和第三换热器之间，对所述冷气流与出第一换热器的燃气换热，升温后的冷气流汇入或作为终端燃气，降温后的燃气送入第三换热器与换热后低温LNG换热。

在一个实施例中，所述系统还包括低温LNG罐，所述低温LNG罐用于存储并向第二换热器泵入低温LNG与做功后有机工质换热。

在一个实施例中，所述系统还包括透平；所述透平连接在第二换热器与第三换热器之间，换热后低温LNG在透平做功发电，之后再进入。

在一个实施例中，所述第一换热器、第二换热器、第三换热器与第四换热器构成换热器组合；所述膨胀机与透平构成透平膨胀机组合；所述换热器组合与透平膨胀机组合构成燃气余压利用系统；所述换热器组合和透平膨胀机组合采用多级换热、能量分级利用的方式，其中，第一换热器进行第一级换热，第二换热器和第四换热器进行第二级换热，第三换热器进行第三级换热。

在一个实施例中，所述第一换热器、膨胀机与第二换热器构成LNG冷能综合利用系统；其中第一换热器的热源侧入口接涡流管的热气流出口，即为LNG冷能综合利用系统的热源入口，第一换热器的有机工质出口接膨胀机的入口，气态有机工质在膨胀机中膨胀做功，膨胀做功后的有机工质出口接第二换热器的热源侧入口，第二换热器的冷源侧入口接低温LNG，在第二换热器换热后的工质泵入第一换热器参与换热循环。

在一个实施例中，根据整个系统的空间布局，膨胀机、透平以及泵件选择同轴或不同轴，或部分同轴，部分不同轴。

本发明还提供了基于权利要求1所述燃气余压及LNG冷能综合利用方法，流程如下：

将高压燃气通过燃气管路送入涡流管，分成冷气流和热气流两股流体；其中冷气流用于供冷，热气流为所述回路供热，使膨胀机膨胀做功，做功后有机工质在第二换热器与低温LNG换热，换热后有机工质进入第一换热器再次吸热；出第一换热器的燃气与换热后低温LNG在第三换热器换热得到终端燃气，实现燃气余压及LNG冷能综合利用。

在一个实施例中，所述的LNG冷能综合利用，首先利用所述热气流将有机有机工质加热成为气态并在膨胀机中膨胀做功，带动发电机产生电能，降温后的有机工质供至第二换热器，在第二换热器中由气态冷凝为液态，其中释放的热量通过LNG吸收，加热后的有机工质泵入第一换热器再次加热，然后送往膨胀机中膨胀做功；在LNG冷能综合利用的过程中，膨胀机中膨胀做功后降温的有机工质所释放的热量由第二换热器传递到透平做功。

在一个实施例中，所述高压燃气的压力范围在0.8～2.5MPa之间，所述冷气流的温度范围在-50℃～-10℃，所述热气流的温度范围在200℃以上，所得三处终端燃气的温度范围在15℃～25℃，压力范围在2000Pa～10000Pa。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、利用涡流管使高压燃气产生漩涡分离出冷、热两股气流的特点，将热气流用于对LNG冷能综合利用系统提供热量，冷气流用于换热后供下游用户使用，使用有机工质作为LNG冷能综合利用系统中循环工质，带动膨胀机膨胀做功产生电能，实现燃气余压利用和LNG冷能综合利用。

2、本发明在对余压利用的过程中，通过换热器对高温压缩燃气所释放的热量进行再利用。

3、本发明利用能量梯级利用原理，对涡流管出口热气流进行高效利用，热气流为LNG冷能综合利用系统提供热量，使燃气在膨胀机中膨胀做功从而带动发电机发电，最终将各部分热量通过各换热器合理地利用起来。

4、本发明同时利用热气流的剩余热量继续对冷气流进行加热并输送至用户。在具有良好的经济效益和环境效益的同时满足用户的用电、用冷、用热和用气需求。

5、本发明通过将燃气输送过程中的余压能量和LNG冷能综合利用系统中的LNG冷能加以利用，实现了高压燃气中所蕴含能量的充分利用，使整个系统能量的利用最大化，并且无需使用额外的化石燃料，可以减少温室气体的排放。

6、本发明系统将涡流管与燃气余压利用系统、LNG冷能综合利用系统进行耦合，结构紧凑，在部件上以及形式上选择的多样性使得整个系统适应性更强，同时流量的合理分配使得系统运行更加的灵活。

7、本发明添加的换热器可以减少LNG冷能综合利用系统的冷源损失，进一步增加循环效率。

总之，与通常的余能利用技术相比，本发明具有很高的能量利用率的同时，可以将燃气余压和LNG冷能结合起来，也会减少能量的损耗的排放，同时还可以解决用户的用电、和用气问题。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

其中1为涡流管；2为第一换热器；3为工质泵；4为膨胀机；5为低温LNG罐；6为LNG泵；7为第二换热器；8为透平；9为第三换热器；10为第四换热器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明为一种燃气余压及LNG冷能综合利用系统，主要包括涡流管1、燃气余压利用系统和LNG冷能综合利用系统，涡流管1将高压燃气转变为冷热气流，燃气余压利用系统利用高压燃气的压力能，LNG冷能综合利用系统则以所得热气流为热量，进行发电和供气，并与燃气余压利用系统耦合。

以上是本发明的主题技术路线，在此基础上，以下做出细节或者进一步优化说明。

1、涡流管1。

涡流管1是本发明的重要部件，其入口接系统外部的高压燃气，将高压燃气转变为冷气流与热气流，其中热气流作为热源供热交换。

2、低温LNG罐5。

低温LNG罐5用于存储并向本发明系统中提供低温LNG，以实现所述的低温LNG冷能综合利用。本发明LNG冷能综合利用系统的能量来源即来自低温LNG罐5，当然，在可行情况下，低温LNG也可采用其他装备存储、供给。

3、燃气余压利用系统。

燃气余压利用系统是本发明的重要部分，其以高压燃气为余压来源，进行余压的利用。

4、LNG冷能综合利用系统。

LNG冷能综合利用系统是本发明的重要部分，其以所述涡流管1输出的热气流为热量，进行发电和供热。

同时，为实现上述利用，本发明还设置了一个ORC子系统，采用沸点较低的有机工质(如R245fa等)作为循环工质。

在本发明系统中，主要的部件主要为包括涡流管1、第一换热器2、膨胀机4、第二换热器7和第三换热器9。其中，第一换热器2、膨胀机4和第二换热器7构成回路，也即前述ORC子系统，可称为ORC回路。

涡流管1得到的热气流首先送至第一换热器2向上述回路供热，低温LNG送至第二换热器7向上述回路供冷。在上述的回路中，循环有机工质吸收第一换热器2交换出的热量，在膨胀机4膨胀做功，做功后有机工质又在第二换热器7与低温LNG换热，换热后有机工质进入第一换热器2再次吸热，之后再次进入膨胀机4膨胀做功，完成循环。

示例地，为了实现上述循环，可以在回路中设置工质泵3，该工质泵3具体可置于第二换热器7与第一换热器2的有机工质管路上。相应地，可利用低温LNG罐5通过LNG泵6向第二换热器7泵入低温LNG，该LNG泵6具体可置于低温LNG罐5的出口与第二换热器7的冷源侧入口之间的LNG管路上。

另一方面，在第二换热器7完成换热的低温LNG可进入第三换热器9，与在第一换热器2完成换热的高压燃气再次换热，从第三换热器9的冷源侧出口和热源侧出口，均得到终端燃气，最终实现燃气余压及LNG冷能综合利用。

进一步地，在本发明的一些实施例中，为了处理涡流管1得到的冷气流，系统还包括了第四换热器10，第四换热器10连接在第一换热器2和第三换热器9之间，出涡流管1的冷气流进入第四换热器10的冷源侧入口，出第一换热器2的燃气进入第四换热器10的热源侧入口，两股气流在第四换热器10换热，冷气流升温后从其冷源侧出口排出，汇入终端燃气或直接作为终端燃气。而降温后的燃气则从其热源侧出口排出，送入第三换热器9与换热后低温LNG换热。该实施例对冷气流进行了处理，使得其满足终端燃气的参数要求，以进行应用。

进一步地，在本发明的一些实施例中，为提高热能和压力的利用效率，系统还包括透平8；透平8连接在第二换热器7与第三换热器9之间，换热后低温LNG先在透平8做功发电，之后再进入第三换热器9与出第一换热器2的燃气换热。

在上述实施例中，上述的第一换热器2、第二换热器7、第三换热器9与第四换热器10构成的组合可称之为换热器组合，而膨胀机4与透平8构成的组合可称之为透平膨胀机组合。该换热器组合与透平膨胀机组合即构成了燃气余压利用系统的一种具体结构与部件形式。即整个燃气余压利用系统包含了第一换热器2、膨胀机4、第二换热器7、透平8、第三换热器9、第四换热器10。该换热器组合和透平膨胀机组合采用多级换热、能量分级利用的方式，其中，第一换热器2进行第一级换热，第二换热器7和第四换热器10进行第二级换热，第三换热器9进行第三级换热。

具体地，高压燃气为燃气余压利用系统的入口，第一换热器2的热源侧入口接涡流管1的热气流出口，第一换热器2的热源侧出口接第四换热器10的入口，将热量传递给涡流管1冷端出口燃气，一部分接用户为其提供燃气，另一部分进入第三换热器9继续换热。

第一换热器2的另一热源侧出口接膨胀机4的入口，有机工质在膨胀机4中膨胀做功，带动发电机产生电能。而膨胀做功后的有机工质出口接第二换热器7的热源侧入口，第二换热器7的热源侧出口为高温燃气接透平8，燃气在透平8中膨胀做功，透平8出口的燃气在第三换热器9中再次换热接用户为其提供燃气。

同理，在上述实施例中，第一换热器2、膨胀机4与第二换热器7构成了本发明LNG冷能综合利用系统的一种具体结构和部件形式。即LNG冷能综合利用系统包含了第一换热器2、膨胀机4、第二换热器7；以及必要时还包括了低温LNG罐5、LNG泵6及工质泵3。

其中第一换热器2的热源侧入口接涡流管1的热气流出口，第一换热器2的热源侧出口(即有机工质出口)为LNG冷能综合利用系统的热源入口，第一换热器2的热源侧出口接膨胀机4的入口，气态有机工质在膨胀机4中膨胀做功，带动发电机产生电能。

而膨胀做功后的有机工质出口接第二换热器7的热源侧入口，第二换热器7的冷源侧入口为低温LNG，低温LNG由低温LNG罐5提供，第二换热器7冷源侧出口接工质泵3的冷源测入口，第二换热器7换热后的有机工质在工质泵3的输送下，在第一换热器2中被热气流的预热再次加热，参与换热循环。

本发明可在膨胀机4和透平8之间以及工质泵3和LNG泵6之间添加一个共用的回热器，回热器中两侧分别通入膨胀机4的排气和LNG泵6加压后的LNG，液态有机工质被膨胀机10的排汽加热后进入透平8，膨胀机4的排汽被液态有机工质冷却后进入工质泵3。

基于上述系统，本发明的工作流程如下：

首先利用上游高压燃气管道输送高压燃气(压力范围一般在0.8～2.5MPa之间)，通入涡流管1中，高压燃气被涡流管分离为冷气流和热气流两股流体，冷气流的温度范围在-50℃～-10℃，热气流的温度范围在200℃以上。两股流体的温度可以通过调节热气端的阀进行调整。冷气流用来向用户供冷，热气流通入第一换热器2作为热源为LNG冷能综合利用系统提供热量，在第一换热器2中有机工质被加热至高温高压气态，并进入膨胀机4膨胀做功，从而带动发电机发电。膨胀过后的有机工质进入第二换热器7与低温LNG换热，被冷凝为液态，然后通过工质泵3输送至第一换热器2利用涡流管1出口热流进行预热，预热之后的有机工质进入膨胀机4进行下一轮循环，在预热过程中消耗掉部分热量的热气通往热用户进行供热。同时膨胀之后的有机工质在第二换热器7中冷凝所释放的热量通过低温LNG进行吸收，低温LNG被加热后进入透平8做功。在透平8出口的燃气进一步经过第三换热器9余能利用，余气向用户端供气。其中第一换热器2的冷源测出口温度可根据所使用的LNG的热力学性质进行调整，以产生高温高压的气态有机工质进入膨胀机4膨胀做功。同理，第二换热器7的冷源测出口温度也可根据所使用有机工质以及系统具体需求进行调整。本发明最终得到的，所得三处终端燃气的温度范围在15℃～25℃，压力范围在2000Pa～10000Pa。

本发明中LNG泵6、工质泵3、透平8和膨胀机4可以根据整个系统的空间布局，选择同轴和不同轴，也可以部分泵和膨胀机同轴，部分不同轴；膨胀机4与发电机同轴连接。

本发明在入口处以及系统中某些管道之间均有控制阀，且都为电磁式，并且可带有射频控制装置。本发明工质泵可带有变频设施，可安装射频控制装置。

综上，本发明利用涡流管的特性，将涡流管与燃气余压利用系统、LNG冷能综合利用系统进行耦合，结构紧凑。涡流管冷气流出口用于供冷，根据梯级能量利用原理，将涡流管热气流出口的能量有效的利用起来，为LNG冷能综合利用系统，利用LNG膨胀做功产生电能，热气流的余热用来对冷气进行二次加热，为用户提供燃气。同时利用LNG对冷能综合利用系统的级间冷却过程所释放的热量进行吸收，使整个系统能量利用率最大化。同时，燃气余压利用系统的多样性和LNG冷能综合利用系统形式的多样性意味着系统可以灵活多变。可以根据实际需求通过调节涡流管热气端的阀、燃气流量、LNG泵流量等对系统的供能形式做出调整。本发明所述的系统具有很高的能量利用率，以高压燃气作为能量来源，在减少碳排放的同时满足用户的用电、用冷、用热和用气需求，可根据实际需求灵活改变系统配置，且对环境友好，节能减排。