專利名稱：一種利用液化天然氣冷*的熱力循環(huán)系統(tǒng)和流程的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將利用液化天然氣(LNG)冷傭發(fā)電技術(shù)和二氧化碳(CO2)減排分 離技術(shù)相結(jié)合的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系統(tǒng)及流程。
背景技術(shù)：
目前與本發(fā)明相關(guān)的技術(shù)主要包括利用LNG冷傭發(fā)電技術(shù)和CO2減排分離技術(shù)， 其各自技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和系統(tǒng)特征如下1、利用LNG冷傭發(fā)電技術(shù)天然氣中含有的硫的成分在液化深冷過程中以固體形式析出、分離，因此LNG不 含有硫化物，是一種安全、清潔的能源。天然氣液化過程需要耗費(fèi)大量的能量用以壓縮冷卻 (約為0. 5kffh/kg LNG)，最終得到的LNG處于超低溫狀態(tài)(約為_162°C )，具有相當(dāng)大的物 理冷傭。液化后的天然氣體積縮小約600倍，便于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。LNG在送達(dá)接收站后，先壓 縮升壓再加熱氣化配送用戶。氣化過程將釋放大量的冷傭。目前LNG氣化主要有三種方 式以海水或空氣為熱源通過換熱器加熱氣化(約占50%以上)；浸沒燃燒氣化器加熱氣 化(約占30%以上)，主要用在尖峰負(fù)荷或年平均海水溫度偏低的國家和地區(qū)；通過換熱器 對(duì)LNG的冷傭進(jìn)行回收利用。需要指出的是，前兩種方式都沒有利用LNG的冷傭，而且用 海水來氣化LNG不利于海洋生態(tài)。目前，LNG冷傭已成功應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如液化分離空氣、冷傭發(fā)電、冷凍倉庫、液 化碳酸和干冰生產(chǎn)、低溫粉碎處理廢棄物及低溫醫(yī)療等。其中，尤以日本、美國和歐盟對(duì)LNG 冷擁的利用較為廣泛和充分，其需求量也呈不斷增大的趨勢。日本由于缺乏能源，每年均 大量進(jìn)口 LNG。1996年LNG在日本的能源結(jié)構(gòu)中占11%，到2010年可占到13%。根據(jù)美 國能源信息署(IEA)《年度能源展望2005》預(yù)測，LNG占美國天然氣總消費(fèi)量的比例將從 2002年的增至2015年的15%，到2025年將達(dá)到21%。為了改變能源結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境 狀態(tài)，中國政府十分重視天然氣的開發(fā)和利用。為了引進(jìn)國外LNG，深圳大鵬LNG接收站已 基本建成，并準(zhǔn)備在福建建造第二座LNG接收站。根據(jù)規(guī)劃，2015年中國的LNG進(jìn)口量將達(dá) 到4200萬噸。利用LNG冷傭發(fā)電可以分為兩大類1)以LNG為冷源、環(huán)境或低溫廢熱為熱源組 成相對(duì)獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)；2)利用LNG冷傭改進(jìn)動(dòng)力循環(huán)的特性。利用LNG氣化冷傭的獨(dú)立發(fā)電方式主要有直接膨脹法、閉式Rankine循環(huán)法及 復(fù)合法等。直接膨脹法將高壓LNG用海水加熱到過熱狀態(tài)后送入透平膨脹作功，然后將得 到的低壓天然氣輸送到用戶。該方式的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡單。但是僅僅回收了天然氣的壓力能， LNG氣化冷傭被白白浪費(fèi)。閉式Rankine循環(huán)法是將LNG作為冷源，環(huán)境(通常是海水)作 為熱源，采用某種物質(zhì)為工質(zhì)組成閉式循環(huán)，該方法的冷傭回收率(循環(huán)作功與LNG冷傭 的比值)較高。其中Rankine循環(huán)根據(jù)工作介質(zhì)不同還可以分為單一或共沸工質(zhì)Rankine循環(huán)和非共沸混合工質(zhì)Rankine循環(huán)。一般LNG在亞臨界氣化時(shí)，采用Rankine循環(huán)的效 率較高。日本東京燃?xì)夤驹跈M濱建造的非共沸工質(zhì)LNG冷傭發(fā)電示范機(jī)組，LNG的氣化 能力為5t/h，采用24°C的海水作為熱源，額定發(fā)電功率為130kW。該公司研制的MFR工質(zhì) (主要成分為甲烷、乙烷、丙烷等)可以與LNG的氣化曲線實(shí)現(xiàn)較好的匹配，減少了氣化過 程的傳熱傭損。復(fù)合法綜合了直接膨脹法和閉式Rankine循環(huán)法，低溫的LNG首先被壓縮 增壓，然后通過冷凝器吸熱，帶動(dòng)閉式Rankine循環(huán)對(duì)外作功，最后天然氣通過膨脹透平作 功，復(fù)合法的冷傭回收率較高。1999年程文龍等對(duì)幾種利用LNG冷傭發(fā)電的系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì) 算比較，相同計(jì)算條件下，直接膨脹法、閉式Rankine循環(huán)法和復(fù)合法的冷傭回收率分別為 16. 7%、26.9%和28. 1%。他們提出的復(fù)合法改進(jìn)方案為，Rankine循環(huán)采用了抽氣回?zé)帷?天然氣膨脹采用了二次再熱，使冷傭回收率達(dá)到50%左右。程文龍等2000年對(duì)復(fù)合法改 進(jìn)方案重新進(jìn)行了計(jì)算，用汽輪機(jī)的排氣代替海水作為熱源，使冷傭回收率提高到55%左 右，并且認(rèn)為該系統(tǒng)可以避免海水對(duì)換熱設(shè)備的腐蝕。1997年Chiesa P.對(duì)利用LNG冷傭的發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析和比較了 4個(gè)方 案(1)帶回?zé)岬腂rayton循環(huán)系統(tǒng)。LNG輸送壓力為7. OMPa (用于遠(yuǎn)距離輸送天然氣)， 用氮?dú)庾鳛楣ぷ鹘橘|(zhì)。采用閉式回?zé)岬腂rayton循環(huán)，LNG氣化使壓氣機(jī)進(jìn)口氣體冷卻 到-131.6°C。采用外燃方式，透平進(jìn)氣溫度為830°C。優(yōu)化后的系統(tǒng)效率(熱力學(xué)第一定 律效率，系統(tǒng)對(duì)外作功與消耗的天然氣化學(xué)熱值之比)為59. 75%，擁效率(熱力學(xué)第二定 律效率，系統(tǒng)對(duì)外作功與消耗的天然氣的傭及LNG冷傭之和的比值)為50. 61%。(2)復(fù)合 的氣體循環(huán)系統(tǒng)。LNG輸送壓力為7. OMPa，頂循環(huán)為常規(guī)的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)，底循環(huán)為閉式的 氮?dú)庋h(huán)，壓氣機(jī)入口的氮?dú)鉁囟葹?147. 90C。頂循環(huán)采用GE LM6000-PC燃?xì)廨啓C(jī)，優(yōu)化 后系統(tǒng)效率為63. 31%，擁效率為53. 85%。(3)帶膨脹透平的復(fù)合氣體循環(huán)系統(tǒng)。LNG輸 送壓力為3. OMPa(用于向聯(lián)合循環(huán)電廠輸送天然氣)，除LNG氣化過程外，系統(tǒng)與方案(2) 相同，LNG被壓縮至13. OMPa以改善冷卻過程中與氮?dú)獾臒崞ヅ?，氣化后通過膨脹透平參數(shù) 降為3. OMPa/150C。壓氣機(jī)入口的氮?dú)鉁囟葹?144. 7 V。頂循環(huán)采用Siemens V64. 3A燃 氣輪機(jī)，優(yōu)化后的系統(tǒng)效率達(dá)到66. 19%，傭效率為55. 67%。(4)復(fù)合的氣體-有機(jī)工質(zhì) 循環(huán)系統(tǒng)。LNG輸送壓力為3. OMPa。頂循環(huán)為常規(guī)的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)，底循環(huán)為帶回?zé)岬拈] 式有機(jī)工質(zhì)(CHF3)循環(huán)，CHF3被LNG冷卻后凝結(jié)(_85. 9°C )，通過泵增壓到14. OMPa0在 LNG蒸發(fā)器中3. OMPa的LNG被加熱到飽和氣體狀態(tài)，LNG的過熱通過海水或河水完成。頂 循環(huán)采用GE LM6000-PC燃?xì)廨啓C(jī)，優(yōu)化后的系統(tǒng)效率達(dá)到66. 41 %，傭效率為52. 15%。方 案1由于采用外燃方式，透平初溫受到限制，系統(tǒng)效率不高；相對(duì)于方案1，后三個(gè)方案效率 更高，但是由于采用復(fù)合循環(huán)，系統(tǒng)更為復(fù)雜。利用LNG冷傭改進(jìn)動(dòng)力循環(huán)特性最簡單的方式是利用LNG冷能冷卻循環(huán)水，以提 高凝汽器的真空，從而提高蒸汽動(dòng)力循環(huán)或聯(lián)合循環(huán)的效率。該方式具有技術(shù)成熟、附加投 資少的優(yōu)點(diǎn)，而且在沒有LNG的條件下系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)行。但是該方式對(duì)LNG冷傭利用不 充分，聯(lián)合循環(huán)效率提高不足1%。2000年Desideri U.等提出的系統(tǒng)方案中，利用一部分 LNG使海水溫度降低10°C，其余LNG被余熱鍋爐排煙加熱后送入膨脹透平對(duì)外作功。采用 GE6FA燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)，聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的效率最高達(dá)到57. 2%，傭效率達(dá)到49. 1%。該方案與Chiesa P.的方案3類似，頂循環(huán)為常規(guī)的燃?xì)廨啓C(jī)開式循環(huán)，底循環(huán)為閉式的氣體循環(huán)； LNG采用兩個(gè)輸送壓力2. 5MPa和7. 3MPa, LNG氣化后一部分以高壓輸出，另一部分從頂循 環(huán)排氣吸熱后通過膨脹透平作功，然后以低壓向用戶輸送。同時(shí)，通過對(duì)以N2、He和CO2為 底循環(huán)工質(zhì)的三種方案的計(jì)算比較，Desideri U.等指出N2工質(zhì)底循環(huán)的系統(tǒng)性能最佳，采 用GE7EA燃?xì)廨啓C(jī)條件下，系統(tǒng)效率最高達(dá)到54. 2%，擁效率達(dá)到47. 5%。利用LNG冷傭改進(jìn)動(dòng)力循環(huán)特性的其它常見方式還包括利用LNG氣化冷擁冷卻 燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)壓氣機(jī)進(jìn)氣等。2000年Hanawa K.提出了利用LNG冷傭的閉式Ericsson循 環(huán)發(fā)電系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)采用三級(jí)壓縮、三級(jí)膨脹，以空氣為工質(zhì)，空氣預(yù)熱器和二級(jí)再熱 器的高溫?zé)嵩磥碜月?lián)合循環(huán)機(jī)組中燃?xì)廨啓C(jī)排氣和余熱鍋爐排氣的混合物，空氣預(yù)冷器和 二級(jí)再熱器的低溫冷源來自LNG的氣化過程。Ericsson循環(huán)效率達(dá)到35-37%，高于相同 條件下的蒸汽底循環(huán)效率(約30%)，與初溫1200°C的Brayton循環(huán)的效率相當(dāng)。LNG氣 化得到的低溫天然氣(_73°C)用于冷卻壓氣機(jī)進(jìn)口空氣，可以使相應(yīng)的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組功率 提高1. 1%，效率提高0.4%。Ericsson循環(huán)具有不消耗額外燃料，無污染及通過冷卻壓氣 機(jī)入口空氣滿足夏季工況下的尖峰負(fù)荷要求等優(yōu)點(diǎn)。但是該方案附加設(shè)備費(fèi)用較高，至今 尚未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。Tsujikawa Y.等2000年提出MGT (Mirror Gas Turbine)利用LNG 7令 傭的發(fā)電系統(tǒng)，以常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)為頂循環(huán)，以倒置的間冷Brayton循環(huán)為底循環(huán)，間冷采用 LNG氣化冷傭。在采用初溫1500°C等級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)的條件下，系統(tǒng)效率(即系統(tǒng)對(duì)外作功 與消耗的天然氣能量、LNG氣化過程釋放冷量之和的比值)達(dá)到55. 5%。用管道輸送LNG時(shí)，受材料和輸送距離的影響，建設(shè)費(fèi)用較高；而輸送已氣化的天 然氣，因管道阻力會(huì)引起壓力下降和溫度升高，從而造成可用能的浪費(fèi)。因此，從能量有效 利用和經(jīng)濟(jì)性兩方面來看利用LNG冷擁發(fā)電的前提是電站要與LNG接收站一體化建設(shè)。從世界范圍內(nèi)的能源利用現(xiàn)狀來分析，2002-2025年，世界天然氣消費(fèi)的年均增長 率為2.3%。預(yù)計(jì)這一時(shí)期天然氣的消費(fèi)量將增加70% (其中，同時(shí)期亞洲新興經(jīng)濟(jì)地區(qū) 的天然氣消費(fèi)將增長三倍)，從26. 05X 1012m3到44. 17X 1012m3，天然氣在總能源消費(fèi)中的 比例將從23%增加到25%。2004-2015年，世界的LNG貿(mào)易量將從1. 32億噸增加到3. 75 億噸。亞太地區(qū)新增加的LNG需求將達(dá)到6500萬噸，主要來自中國、印度和北美洲西海岸 等新興市場?？梢?，研究和開發(fā)高效利用LNG冷傭的發(fā)電技術(shù)具有十分重要的意義。2. 二氧化碳(CO2)減排分離技術(shù)當(dāng)今世界，溫室效應(yīng)引起的全球氣候變暖已經(jīng)引起各國廣泛的重視。導(dǎo)致溫室效 應(yīng)的溫室氣體主要有二氧化碳、甲烷、氟化物和一氧化二氮等。而燃用化石燃料則是導(dǎo)致大 氣中CO2平衡破壞的根本原因?；剂系闹饕梅绞街皇前l(fā)電，國際能源署(IEA)在 2002年度《國際能源展望》中指出從2000年至2030年，發(fā)電部門差不多將占全球二氧化 碳排放增加量的一半。因此，如何降低發(fā)電系統(tǒng)CO2排放水平已成為關(guān)注的焦點(diǎn)。提高系 統(tǒng)效率可以相應(yīng)減少單位發(fā)電的CO2排放量，但是難以實(shí)現(xiàn)大幅減排。因此，開發(fā)在燃料轉(zhuǎn) 化、燃燒過程以及從尾氣中減排分離CO2的技術(shù)將成為今后發(fā)展的主要方向。天然氣發(fā)電系統(tǒng)一般采用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)，目前，分離CO2的技術(shù)大體可以分 為三類(1)從燃燒后的煙氣中分離。該方法主要用作對(duì)現(xiàn)有發(fā)電系統(tǒng)的CO2分離減排措 施。在保持原有的發(fā)電系統(tǒng)基本不變的情況下，可以采用吸收法、吸附法、膜分離及深冷分離等傳統(tǒng)技術(shù)分離回收co2。但是煙氣中CO2濃度低，因此該分離過程伴隨大量的耗功、耗 熱，使系統(tǒng)效率降低約5%，輸出功率降低約10%。(2)02/C02循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于CO2 零排放的動(dòng)力系統(tǒng)。其特點(diǎn)在于以CO2為循環(huán)工質(zhì)、O2 (通過空分裝置制得)為燃料的氧化 劑；當(dāng)CO2冷凝壓力為6-7MPa(相應(yīng)的冷凝溫度為20-30°C )，循環(huán)效率可以達(dá)到35-49%。 Staicovici MD.于2002年在相關(guān)研究中，將熱吸收制冷技術(shù)應(yīng)用于02/C02循環(huán)，使得CO2 的冷凝溫度降至環(huán)境溫度以下(3MPa，5. 5°C )，循環(huán)效率達(dá)到54%。(3)天然氣重整與聯(lián)合 循環(huán)結(jié)合的系統(tǒng)。首先對(duì)天然氣進(jìn)行重整，得到CO和H2,然后通過轉(zhuǎn)化反應(yīng)使CO轉(zhuǎn)化為 CO2，再將CO2分離出來予以回收。得到的富氫燃料通過燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電。1989年，日本中央電力公司利用LNG冷傭?qū)l(fā)電系統(tǒng)分離出的CO2進(jìn)行液化后回 收。1998年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)的報(bào)告對(duì)從混合氣體中分離CO2進(jìn) 行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了 _55°C至0°C之間的壓力和濃度的氣液平衡曲線，對(duì)利用LNG冷傭從 混合氣體中分離CO2的技術(shù)進(jìn)行了研究。2005年，鄧世敏等提出了利用液化天然氣冷傭分 離CO2的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)及流程(專利號(hào)ZL 02107780. 0)。該循環(huán)采用N2作為循環(huán)工 質(zhì)，N2與空氣的混合氣體被LNG冷卻后送入壓氣機(jī)，燃?xì)馔钙脚艢?包括N2、CO2和H2O)通 過LNG氣化單元實(shí)現(xiàn)放熱過程，CO2和H2O分別冷凝為固體和液體后加以分離回收，然后連 同多余的N2 (送入系統(tǒng)的空氣中所含有的那部分N2)被排出系統(tǒng)。該循環(huán)的特點(diǎn)是避免了 空分裝置耗能，將對(duì)LNG冷傭的利用與無功耗分離CO2結(jié)合起來。其系統(tǒng)效率相對(duì)于已有 的LNG冷擁發(fā)電系統(tǒng)提高了 10至15個(gè)百分點(diǎn)。但是該循環(huán)只能分離回收約80%由燃燒 過程產(chǎn)生的CO2,尚未實(shí)現(xiàn)CO2零排放?？梢?，無論是在燃料的轉(zhuǎn)化過程中還是從燃燒后的煙氣中分離CO2,都要消耗額外 的能量，從而使系統(tǒng)效率明顯下降。目前的技術(shù)水平下，CO2分離過程通常會(huì)使系統(tǒng)效率下 降5-10%。因此如何降低分離能耗成為CO2分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用液化天然氣冷傭的熱力循環(huán)(CoolClean Efficient Power，簡稱C00LCEP)系統(tǒng)，主要是針對(duì)世界各地的LNG接收站(包括中國沿海 地區(qū)計(jì)劃建設(shè)的LNG接收站)的動(dòng)力(發(fā)電)循環(huán)系統(tǒng)。目前利用LNG冷傭的動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)多以獨(dú)立的發(fā)電方式為主，LNG冷傭利用并不 充分，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，而且對(duì)天然氣燃燒所產(chǎn)生的CO2缺乏有效的分離回收。本發(fā)明的目的之一是利用LNG的冷傭，較大幅度地提高了動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)的性能。 其中，動(dòng)力循環(huán)由Brayton循環(huán)的回?zé)?燃燒-膨脹作功流程和Rankine循環(huán)的冷凝-液 態(tài)壓縮升壓過程通過回?zé)崞骱蚅NG氣化器耦合聯(lián)接而成。此外，通過將LNG氣化過程與透 平排氣冷凝過程整合，利用LNG實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)工質(zhì)CO2的低溫冷凝，從而提高了循環(huán)溫比，為 高效利用LNG冷傭開拓了新的方向；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了以液態(tài)壓縮升壓過程替代常規(guī)Brayton循 環(huán)的氣態(tài)壓縮過程，從而大幅降低了壓縮耗功。本發(fā)明的另一個(gè)目的就是當(dāng)采用純氧燃燒時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒過程生成的CO2的全部 分離回收。整個(gè)系統(tǒng)以CO2為循環(huán)工質(zhì)，通過LNG氣化過程中對(duì)燃?xì)馔钙脚艢膺M(jìn)行冷卻，大 部分CO2氣體冷凝后繼續(xù)作為循環(huán)工質(zhì)，由天然氣燃燒產(chǎn)生的CO2則隨其它難凝氣體(N2、Ar、O2)經(jīng)進(jìn)一步升壓后實(shí)現(xiàn)冷凝，最后排出系統(tǒng)回收處理。既避免了常規(guī)分離技術(shù)耗功的 缺點(diǎn)，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)CO2的有效回收利用，從而為動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)分離CO2提供了新的途徑。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種利用液化天然氣(LNG)冷傭的回?zé)嵝?Brayton-Rankine熱力循環(huán)系統(tǒng)，其特征是動(dòng)力循環(huán)采用CO2工質(zhì)，由回?zé)嵝虰rayton循環(huán) 的回?zé)醎燃燒-膨脹作功流程和Rankine循環(huán)的冷凝-液態(tài)壓縮升壓過程耦合構(gòu)成；液化 天然氣(LNG)氣化單元與動(dòng)力循環(huán)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)耦合并為其提供低溫冷源，主要設(shè)備包括空分裝置從空氣中分離得到氧氣作為燃燒室中燃燒反應(yīng)的氧化劑，與壓氣機(jī)連 接；LNG氣化器實(shí)現(xiàn)液化天然氣(LNG)的完全吸熱氣化，同時(shí)將燃?xì)馔钙脚艢庵械乃?分完全冷凝，熱側(cè)的兩端分別連接回?zé)崞骱臀鏊鳎鋫?cè)的兩端分別連接LNG混合器(或 CO2冷凝器)和外網(wǎng)供冷器；壓氣機(jī)將空氣或來自空分裝置的O2氣體升壓至Rankine循環(huán)最高壓力，連接工 質(zhì)混合器；間冷壓氣機(jī)對(duì)除水后的燃?xì)馔钙脚艢膺M(jìn)行壓縮升壓，間冷過程采用LNG作為冷 源，間冷壓氣機(jī)的進(jìn)口與析水器連接，出口與CO2冷凝器連接；間冷冷源入口與LNG分流器 連接，出口與LNG混合器連接；CO2冷凝器對(duì)燃?xì)馔钙脚艢庵械腃O2進(jìn)行冷凝，冷凝得到的液態(tài)CO2量需保證動(dòng)力 循環(huán)正常運(yùn)行所需的最小CO2工質(zhì)量，與CO2分離器連接；尾氣壓氣機(jī)將分離器得到的難凝氣體壓縮升壓將其中所含的CO2冷凝，分別連接 CO2分離器和尾氣換熱器；CO2分離器對(duì)冷凝后的燃?xì)馔钙脚艢膺M(jìn)行氣液分離，得到的液態(tài)CO2送往液態(tài)CO2 增壓泵，分別與CO2冷凝器和液態(tài)CO2增壓泵、尾氣壓氣機(jī)連接；燃燒室使天然氣和氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到高溫氣體，分別連接回?zé)崞骱腿細(xì)馔?平；燃?xì)馔钙绞垢邷厝細(xì)馀蛎涀龉?，分別連接燃燒室和回?zé)崞?；發(fā)電機(jī)將燃?xì)馔钙疆a(chǎn)生機(jī)械功轉(zhuǎn)化為電能輸出，與燃?xì)馔钙竭B接；回?zé)崞鲗?duì)CO2氣體、O2氣體組成的混合物流進(jìn)行加熱并冷卻燃?xì)馔钙脚艢?，熱?cè) 分別與燃?xì)馔钙胶蚅NG氣化器連接，冷側(cè)分別與工質(zhì)混合器和燃燒室連接；蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)液態(tài)CO2吸熱氣化同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷輸出，連接液態(tài)CO2增壓泵和工質(zhì)混 合器；析水器將冷凝水自燃?xì)馔钙脚艢庵蟹蛛x排出系統(tǒng)，連接LNG氣化器；工質(zhì)混合器來自蒸發(fā)器和壓氣機(jī)的不同流股在其中混合后送入回?zé)崞鳎籐NG混合器來自CO2冷凝器、尾氣換熱器和燃?xì)馔钙脚艢忾g冷壓氣機(jī)的LNG在其 中混合后送入LNG氣化器；LNG分流器對(duì)LNG進(jìn)行分流，與LNG增壓泵連接；LNG增壓泵將來自LNG接受站的低壓LNG升壓至遠(yuǎn)距離輸送管網(wǎng)的典型壓力 7. 35MPa,與LNG分流器連接；液態(tài)CO2增壓泵將低溫液態(tài)CO2升壓至Rankine循環(huán)對(duì)應(yīng)的最高壓力，分別與CO2 分離器和蒸發(fā)器連接；
外網(wǎng)供冷器利用LNG氣化后得到的具有較低溫度的天然氣作為向外網(wǎng)供冷的冷 源，實(shí)現(xiàn)制冷輸出，連接LNG氣化器。上述各設(shè)備之間的連接均為通常采用的管道連接。所述的利用液化天然氣(LNG)冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán) 系統(tǒng)，其特征在于動(dòng)力循環(huán)包括回?zé)嵝虰rayton循環(huán)的回?zé)?燃燒-膨脹作功流程和 Rankine循環(huán)的冷凝-液態(tài)壓縮升壓過程，兩者通過回?zé)崞骱蚅NG氣化器耦合聯(lián)接。所述的利用液化天然氣(LNG)冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系 統(tǒng)，其特征在于動(dòng)力循環(huán)采用CO2作為基本循環(huán)工質(zhì)，以來自LNG氣化單元的天然氣作為 燃料。所述的利用液化天然氣(LNG)冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系 統(tǒng)，其特征在于環(huán)境壓力水平的低溫LNG先經(jīng)過LNG增壓泵壓縮升至長距離輸送管網(wǎng)所需 的高壓力。所述的利用液化天然氣(LNG)冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系 統(tǒng)，其特征在于LNG經(jīng)LNG氣化器實(shí)現(xiàn)完全氣化，此后得到的天然氣經(jīng)外網(wǎng)供冷器吸熱升 至近環(huán)境溫度，此后分流，約95 %的天然氣送往外網(wǎng)用戶，5 %的天然氣直接送入燃燒室。所述的利用液化天然氣(LNG)冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系 統(tǒng)，其特征在于利用LNG氣化過程產(chǎn)生的低溫使得氣態(tài)0)2液化，然后再通過液態(tài)CO2增壓 泵升至超臨界壓力。所述的利用液化天然氣(LNG)冷擁的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系 統(tǒng)，其特征在于利用燃?xì)馔钙脚艧熢诨責(zé)崞髦袑?duì)送往燃燒室的循環(huán)工質(zhì)與燃燒氧化劑組 成的混合工質(zhì)進(jìn)行預(yù)熱。所述的利用液化天然氣(LNG)冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系 統(tǒng)，其特征在于燃?xì)馔钙脚艢庵兴纸?jīng)LNG氣化器對(duì)低溫LNG放熱實(shí)現(xiàn)冷凝，此后經(jīng) 析水器實(shí)現(xiàn)分離被排出系統(tǒng)。本發(fā)明的利用液化天然氣(LNG)冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系 統(tǒng)流程包括Brayton-Rankine動(dòng)力循環(huán)和LNG氣化單元，兩者通過冷凝器、LNG氣化器、 以及燃燒室進(jìn)口燃料實(shí)現(xiàn)聯(lián)接。動(dòng)力循環(huán)中，低溫液態(tài)CO2工質(zhì)首先被壓縮升壓后流經(jīng)蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)制冷。來自 空分單元的O2升壓后與氣態(tài)CO2工質(zhì)混合，經(jīng)回?zé)徇^程被預(yù)熱后送入燃燒室，O2與來自LNG 氣化單元的天然氣混合完全燃燒，生成的高溫燃?xì)馑腿肴細(xì)馔钙脚蛎浿镰h(huán)境壓力水平實(shí)現(xiàn) 動(dòng)力輸出。燃?xì)馔钙脚艢饨?jīng)回?zé)岷笏腿隠NG氣化單元，經(jīng)冷凝析水后通過間冷壓縮在CO2冷 凝器實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)馔钙脚艢庵薪^大部分CO2冷凝回收并重新用作循環(huán)工質(zhì)，而燃燒生成的CO2 則隨難凝氣體經(jīng)升壓、冷凝后分離回收。LNG氣化單元中，LNG經(jīng)升壓后經(jīng)CO2冷凝器、尾氣換熱器、間冷壓縮過程、LNG氣 化器從燃?xì)馔钙脚艢釩O2冷凝過程吸熱氣化，最后經(jīng)外網(wǎng)供冷器升溫至近環(huán)境溫度，此后得 到的天然氣被分流為兩股，絕大部分送往外網(wǎng)用戶，小部分送往燃燒室作為燃料。所述的利用液化天然氣(LNG)冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系統(tǒng)流程，其特征在于經(jīng)LNG增壓泵壓縮升壓后的LNG分為三股，分別送往間冷壓氣機(jī)、CO2冷凝器對(duì)燃 氣透平排氣冷凝、尾氣換熱器對(duì)尾氣進(jìn)行冷凝，此后重新匯合送往LNG氣化器?？諝馔ㄟ^空分裝置分離得到氧氣作為氧化劑送入燃燒室。氧氣送入燃燒室與天然氣混合進(jìn)行完全燃燒，反應(yīng)的產(chǎn)物包括H2O和CO2，其中H2O 經(jīng)回?zé)崞?、LNG氣化器冷凝液化后由析水器分離析出。燃?xì)馔钙脚艢庵械腃O2在LNG氣化單元的CO2冷凝器中實(shí)現(xiàn)大部分冷凝，所得的液 態(tài)CO2量恰好滿足循環(huán)工質(zhì)量，作為循環(huán)工質(zhì)送入動(dòng)力循環(huán)。其余難冷凝尾氣包括約88. 7 % CO2 (即燃燒反應(yīng)生成的CO2)、5. 7% Ar,4% N2U. 7% 02，經(jīng)尾氣壓氣機(jī)升壓和尾氣換熱器全 部冷凝為液態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒過程產(chǎn)生的CO2的全部冷凝回收。本發(fā)明還提供一種利用液化天然氣(LNG)冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合 熱力循環(huán)系統(tǒng)流程包括Brayton-Rankine動(dòng)力循環(huán)和LNG氣化單元，兩者通過冷凝器、LNG氣化器、 以及燃燒室進(jìn)口燃料實(shí)現(xiàn)聯(lián)接。動(dòng)力循環(huán)中，低溫液態(tài)CO2工質(zhì)首先被壓縮升壓后流經(jīng)蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)制冷。來 自空分單元的O2升壓后與氣態(tài)CO2工質(zhì)混合，經(jīng)回?zé)徇^程被預(yù)熱后送入燃燒室，O2與來自 LNG氣化單元的天然氣混合完全燃燒，生成的高溫燃?xì)馑腿肴細(xì)馔钙脚蛎浿罜O2冷凝器中冷 凝壓力水平實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出。燃?xì)馔钙脚艢饨?jīng)回?zé)岷笏腿隠NG氣化單元，經(jīng)冷凝析水后在CO2 冷凝器實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣中絕大部分CO2冷凝回收并重新用作循環(huán)工質(zhì)，而燃燒生成的CO2則隨難 凝氣體經(jīng)升壓、冷凝后分離回收。LNG氣化單元中，LNG經(jīng)升壓后經(jīng)CO2冷凝器、尾氣換熱器、LNG氣化器從透平排氣 CO2冷凝過程吸熱氣化，最后經(jīng)外網(wǎng)供冷器升溫至近環(huán)境溫度，此后得到的天然氣被分流為 兩股，絕大部分送往外網(wǎng)用戶，小部分送往燃燒室作為燃料。所述的利用液化天然氣(LNG)冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系統(tǒng) 流程，其特征在于經(jīng)LNG增壓泵壓縮升壓后的LNG分為兩股，分別送往CO2冷凝器對(duì)燃?xì)馔钙脚艢?冷凝、尾氣換熱器對(duì)尾氣進(jìn)行冷凝，此后重新匯合送往LNG氣化器?？諝馔ㄟ^空分裝置分離得到氧氣作為氧化劑送入燃燒室。氧氣送入燃燒室與天然氣混合進(jìn)行完全燃燒，反應(yīng)的產(chǎn)物包括H2O和CO2，其中H2O 經(jīng)回?zé)崞?、LNG氣化器冷凝液化后由析水器分離析出。燃?xì)馔钙脚艢庵械腃O2在LNG氣化單元的CO2冷凝器中實(shí)現(xiàn)大部分冷凝，所得的液 態(tài)CO2量恰好滿足循環(huán)工質(zhì)量，作為循環(huán)工質(zhì)送入動(dòng)力循環(huán)。其余難冷凝尾氣包括約88. 7 % CO2 (即燃燒反應(yīng)生成的CO2)、5. 7% Ar,4% N2U. 7% 02，經(jīng)尾氣壓氣機(jī)升壓和尾氣換熱器全 部冷凝為液態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒過程產(chǎn)生的CO2的全部冷凝回收。高溫燃?xì)庠谌細(xì)馔钙街兄苯优蛎浀紺O2冷凝器的壓力水平，此后經(jīng)回?zé)徇^程和LNG 氣化器冷凝析水后，直接送入CO2冷凝器實(shí)現(xiàn)CO2冷凝。本發(fā)明還提供一種利用液化天然氣(LNG)冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合 熱力循環(huán)系統(tǒng)流程包括Brayton-Rankine動(dòng)力循環(huán)和LNG氣化單元，兩者通過冷凝器、LNG氣化器、以及燃燒室進(jìn)口燃料實(shí)現(xiàn)聯(lián)接。 動(dòng)力循環(huán)中，低溫液態(tài)CO2工質(zhì)首先被壓縮升壓后流經(jīng)蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)制冷?？諝?升壓后與氣態(tài)CO2工質(zhì)混合，經(jīng)回?zé)徇^程被預(yù)熱后送入燃燒室，空氣中的氧氣與來自LNG氣 化單元的天然氣混合完全燃燒，生成的高溫燃?xì)馑腿肴細(xì)馔钙脚蛎浿镰h(huán)境壓力水平實(shí)現(xiàn)動(dòng) 力輸出。燃?xì)馔钙脚艢饨?jīng)回?zé)岷笏腿隠NG氣化單元，經(jīng)冷凝析水后通過間冷壓縮在CO2冷 凝器實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣中絕大部分CO2冷凝回收并重新用作循環(huán)工質(zhì)，而燃燒生成的CO2則隨難凝 氣體排出系統(tǒng)。LNG氣化單元中，LNG經(jīng)升壓后經(jīng)CO2冷凝器、間冷壓縮過程、LNG氣化器從燃?xì)馔?平排氣CO2冷凝過程吸熱氣化，最后經(jīng)外網(wǎng)供冷器升溫至近環(huán)境溫度，此后得到的天然氣被 分流為兩股，絕大部分送往外網(wǎng)用戶，小部分送往燃燒室作為燃料。所述的利用液化天然氣(LNG)冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系統(tǒng) 流程，其特征在于經(jīng)LNG增壓泵壓縮升壓后的LNG分為兩股，分別送往間冷壓氣機(jī)、CO2冷凝器對(duì)燃 氣透平排氣冷凝進(jìn)行冷凝，此后重新匯合送往LNG氣化器?？諝馑腿肴紵遗c天然氣混合進(jìn)行完全燃燒，反應(yīng)后的產(chǎn)物包括H20、CO2, N2, Ar 等，其中H2O經(jīng)回?zé)崞?、LNG氣化器冷凝液化后由析水器分離析出。燃?xì)馔钙脚艢庵械腃O2在LNG氣化單元的CO2冷凝器中實(shí)現(xiàn)大部分冷凝，所得的液 態(tài)CO2量恰好滿足循環(huán)工質(zhì)量，作為循環(huán)工質(zhì)送入動(dòng)力循環(huán)。其余難冷凝尾氣包括約87 % % N2Ul. 5% CO2(即燃燒反應(yīng)生成的CO2)、1% Ar,0.5% O2，直接排入環(huán)境。高溫燃?xì)庠谌細(xì)馔钙街信蛎浀江h(huán)境壓力水平，然后經(jīng)回?zé)徇^程和LNG氣化器冷凝 析水過程后，在間冷壓氣機(jī)中實(shí)現(xiàn)壓縮，升壓至C02冷凝器中所對(duì)應(yīng)的冷凝壓力水平。一種利用液化天然氣(LNG)冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系統(tǒng)流 程包括Brayton-Rankine動(dòng)力循環(huán)和LNG氣化單元，兩者通過冷凝器、LNG氣化器、 以及燃燒室進(jìn)口燃料實(shí)現(xiàn)聯(lián)接。動(dòng)力循環(huán)中，低溫液態(tài)CO2工質(zhì)首先被壓縮升壓后流經(jīng)蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)制冷?？?氣經(jīng)升壓后與氣態(tài)CO2工質(zhì)混合，經(jīng)回?zé)徇^程被預(yù)熱后送入燃燒室，空氣中的O2與來自LNG 氣化單元的天然氣混合完全燃燒，生成的高溫燃?xì)馑腿胪钙脚蛎浿罜O2冷凝器中冷凝壓力 水平實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出。透平排氣經(jīng)回?zé)岷笏腿隠NG氣化單元，經(jīng)冷凝析水后在CO2冷凝器實(shí) 現(xiàn)對(duì)排氣中絕大部分CO2冷凝回收并重新用作循環(huán)工質(zhì)，而燃燒生成的CO2則隨難凝氣體排 出系統(tǒng)。LNG氣化單元中，LNG經(jīng)升壓后經(jīng)CO2冷凝器、LNG氣化器從透平排氣CO2冷凝過程 吸熱氣化，最后經(jīng)外網(wǎng)供冷器升溫至近環(huán)境溫度，此后得到的天然氣被分流為兩股，絕大部 分送往外網(wǎng)用戶，小部分送往燃燒室作為燃料。所述的利用液化天然氣(LNG)冷擁的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系統(tǒng) 流程，其特征在于經(jīng)LNG增壓泵壓縮升壓后的LNG直接送往CO2冷凝器對(duì)透平排氣冷凝此后重新匯 合送往LNG氣化器。空氣送入燃燒室與天然氣混合進(jìn)行完全燃燒，反應(yīng)后的產(chǎn)物包括H20、CO2, N2, Ar等，其中H2O經(jīng)回?zé)崞?、LNG氣化器冷凝液化后由析水器分離析出。燃?xì)馔钙脚艢庵械腃O2在LNG氣化單元的CO2冷凝器中實(shí)現(xiàn)大部分冷凝，所得的液 態(tài)CO2量恰好滿足循環(huán)工質(zhì)量，作為循環(huán)工質(zhì)送入動(dòng)力循環(huán)。其余難冷凝尾氣包括約87 % % N2Ul. 5% CO2(即燃燒反應(yīng)生成的CO2)、1% Ar,0.5% O2，直接排入環(huán)境。高溫燃?xì)庠谌細(xì)馔钙街信蛎浀江h(huán)境壓力水平，然后經(jīng)回?zé)徇^程和LNG氣化器冷凝 析水過程后，在間冷壓氣機(jī)中實(shí)現(xiàn)壓縮，升壓至CO2冷凝器中所對(duì)應(yīng)的冷凝壓力水平。高溫燃?xì)庠谌細(xì)馔钙街兄苯优蛎浀紺O2冷凝器的壓力水平，此后經(jīng)回?zé)徇^程和LNG 氣化器冷凝析水后，直接送入CO2冷凝器實(shí)現(xiàn)CO2冷凝。本發(fā)明通過系統(tǒng)集成把熱力循環(huán)、LNG冷傭一體化利用和無功耗分離CO2有機(jī)結(jié) 合為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)了熱力循環(huán)(動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng))的高效性和優(yōu)秀的環(huán)保性能；同時(shí)系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，運(yùn)行可靠安全；此外，整個(gè)系統(tǒng)不消耗水，從而大大提高了工程應(yīng)用的范圍； 此外，天然氣燃燒產(chǎn)生的水還可以回收，系統(tǒng)分離得到的低溫液態(tài)CO2便于進(jìn)一步處理或用 于交易；空分過程還可以得到有價(jià)值的副產(chǎn)品-液態(tài)CO2和Ar等?？梢?，整個(gè)循環(huán)是一個(gè) 符合能源有效綜合利用、可持續(xù)發(fā)展原則的極具吸引力的新型動(dòng)力系統(tǒng)。本發(fā)明的系統(tǒng)中，以LNG氣化后得到的天然氣為燃料，以CO2為循環(huán)工質(zhì)；動(dòng)力循 環(huán)一方面采用回?zé)嵝虰rayton循環(huán)的回?zé)?燃燒-膨脹作功流程，充分利用現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī) 初溫高的優(yōu)勢；另一方面采用Rankine循環(huán)的冷凝-液態(tài)壓縮升壓過程，通過回?zé)徇^程從燃 氣透平排氣吸熱，通過有效的熱整合大大減少了換熱過程的不可逆損失，為系統(tǒng)性能的提 高提供了保證；本發(fā)明具有動(dòng)力循環(huán)效率高、系統(tǒng)簡單的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明將LNG氣化系統(tǒng)與動(dòng)力循環(huán)整合，為透平排氣冷凝提供了低溫冷源，一方 面提高了循環(huán)的溫比，另一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)CO2的無功耗冷凝液化分離；同時(shí)還使LNG得以氣 化，因此具有一舉三得的作用。本發(fā)明動(dòng)力循環(huán)以CO2作為循環(huán)工質(zhì)，在燃燒室加入天然氣燃料和氧氣或空氣，兩 者完全燃燒，反應(yīng)生成物H2O和CO2先后通過冷凝液化被分離后排出系統(tǒng)，從而保持了系統(tǒng) 工質(zhì)平衡。天然氣燃燒產(chǎn)生的水蒸汽通過LNG氣化器中凝結(jié)析出，使得循環(huán)中燃燒反應(yīng)產(chǎn)生 的水得以回收。本發(fā)明中，LNG氣化后得到的天然氣溫度(0°C以下)較低，可以先通過外網(wǎng)供冷器 對(duì)外供冷，然后再送往用戶或燃燒室，從而實(shí)現(xiàn)冷電聯(lián)產(chǎn)。本發(fā)明采用空分分離得到的純氧作為天然氣燃料燃燒反應(yīng)的氧化劑時(shí)，燃燒產(chǎn)物 只含有CO2和H2O,為利用LNG冷傭分離CO2創(chuàng)造了條件。目前分離CO2的技術(shù)都伴隨著大量能耗，使系統(tǒng)效率大幅降低。本發(fā)明利用LNG氣 化過程產(chǎn)生的低溫使氣態(tài)的CO2液化；整個(gè)過程不消耗額外的機(jī)械功。因此無功耗分離CO2 又是本發(fā)明的一大特點(diǎn)?；厥誄O2，一方面可以降低溫室氣體的排放，提高發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)保性能；同時(shí)液態(tài) CO2便于進(jìn)一步處理或作為商品出售(液態(tài)二氧化碳被廣泛應(yīng)用于焊接、消防、冷凍食品和 軟飲料等方面)，獲取額外的經(jīng)濟(jì)效益，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。本發(fā)明的提出，基于能量的品位梯級(jí)利用原理和系統(tǒng)集成方法論，采用內(nèi)燃、回 熱、高溫比Brayton循環(huán)與Rankine循環(huán)組成的聯(lián)合循環(huán)，采用天然氣燃料與氧氣完全燃燒方式，以CO2為循環(huán)工質(zhì)，在不消耗額外的能量的前提下，通過與LNG氣化系統(tǒng)的整合，直接 利用LNG低溫冷傭?qū)O2的進(jìn)行液化分離，實(shí)現(xiàn)了 CO2的零排放。因此，該系統(tǒng)具有熱力性 能優(yōu)秀、經(jīng)濟(jì)性好和環(huán)保性強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的利用液化天然氣(LNG)冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine循環(huán) 系統(tǒng)的第一實(shí)施例。圖2為根據(jù)本發(fā)明的利用液化天然氣(LNG)冷擁的回?zé)嵝虰rayton-Rankine循環(huán) 系統(tǒng)的第二實(shí)施例。圖3為根據(jù)本發(fā)明的利用液化天然氣(LNG)冷傭的回?zé)嵝虰rayt0n-Rankine循環(huán) 系統(tǒng)的第三實(shí)施例。圖4為根據(jù)本發(fā)明的利用液化天然氣(LNG)冷傭的回?zé)嵝虰rayt0n-Rankine循環(huán) 系統(tǒng)的第四實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合相應(yīng)附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。第一實(shí)施例參看圖1，本發(fā)明的主要部分為由以CO2為主要循環(huán)工質(zhì)的回?zé)嵝?Brayton-Rankine復(fù)合動(dòng)力循環(huán)及液化天然氣(LNG)氣化單元。其中1_液態(tài)CO2增壓泵； 2-蒸發(fā)器；3-工質(zhì)混合器；4-空分裝置；5-壓氣機(jī)；6-回?zé)崞鳎?-燃燒室；8-燃?xì)馔钙剑?9_發(fā)電機(jī)；10-LNG氣化器；11-析水器；12-間冷壓氣機(jī)；13_C02冷凝器；14_C02分離器； 15-尾氣壓氣機(jī)；16-尾氣換熱器；17-LNG增壓泵；18-LNG分流器；19-LNG混合器、20-外網(wǎng) 供冷器、21-天然氣分流器。上述系統(tǒng)中的連接為公知技術(shù)，本發(fā)明在此不作具體描述。系統(tǒng)流程描述該系統(tǒng)主要包括回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合動(dòng)力循環(huán)和LNG氣化單元，兩者通 過CO2冷凝器、LNG氣化器、以及燃燒室進(jìn)口燃料實(shí)現(xiàn)聯(lián)接。動(dòng)力循環(huán)中，低溫(_50°C )液態(tài)CO2工質(zhì)(Si)首先被液態(tài)CO2增壓泵1升壓至 3MPa (S2)，然后流經(jīng)蒸發(fā)器2實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)制冷過程(S2-S3)。來自空分裝置4的O2 (S4)經(jīng)O2 壓氣機(jī)5升壓后，(S5)與CO2 (S3)混合后(S6)送入回?zé)崞?，經(jīng)回?zé)徇^程(S6-S7)被透平排 氣(SlO)預(yù)熱最終送入燃燒室7，O2與來自LNG氣化單元的天然氣(S8)混合完全燃燒，得 到的高溫燃?xì)?S9，主要為C02、H20和少量N2)送入燃?xì)馔钙?膨脹至環(huán)境壓力水平(S10， 0. IMPa)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出。透平排氣經(jīng)回?zé)岷?Sll)送入LNG氣化單元，經(jīng)LNG氣化器10將 水分冷凝后由析水器11析出(S12)；除水后的透平排氣(S13)經(jīng)過間冷壓氣機(jī)12中的一 級(jí)間冷(S 19b-S20b)壓縮過程(S13-S13a)升至CO2冷凝壓力(S13a)，最終在CO2冷凝器 13中實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣中絕大部分CO2的冷凝并將其作為循環(huán)工質(zhì)(Si)，而燃燒生成的CO2則隨 難凝氣體(S15，主要為N2)經(jīng)尾氣壓氣機(jī)15升壓和尾氣換熱器16冷凝后(S17)被回收。LNG氣化單元中，LNG(S18)經(jīng)LNG增壓泵17升壓至7. 35MPa(S19，遠(yuǎn)距輸送管網(wǎng) 的典型輸氣壓力)，然后分流為S19a、S19b、S19c三股分別經(jīng)CO2冷凝器13、間冷壓氣機(jī)12和尾氣換熱器16從動(dòng)力循環(huán)高溫排氣吸熱后混合為(S20)送入LNG氣化器10實(shí)現(xiàn)完全氣 化，得到的天然氣(S21)仍具有低于0°C的低溫，因此被送入外網(wǎng)供冷器20進(jìn)一步吸熱升 溫，隨之產(chǎn)生少量的制冷輸出；此后，天然氣(S22)被分流為兩股，絕大部分(S23，約占總量 的95%以上)送往外網(wǎng)用戶，小部分(S8)送往燃燒室7作為燃料。第一實(shí)施例循環(huán)平衡工況狀態(tài)參數(shù)參看表2-1，給出了循環(huán)各流股的溫度、壓力、 流率、摩爾組分等主要狀態(tài)參數(shù)。第一實(shí)施例循環(huán)熱力性能參看表2-2，給出了在表2-1所示平衡工況下，第一實(shí)施 例循環(huán)的主要熱力性能參數(shù)。第二實(shí)施例參看圖2，本發(fā)明的主要部分為由以CO2為主要循環(huán)工質(zhì)的回?zé)嵝?Brayton-Rankine復(fù)合動(dòng)力循環(huán)及液化天然氣(LNG)氣化單元。其中1_液態(tài)CO2增壓泵； 2-蒸發(fā)器；3-工質(zhì)混合器；4-空分裝置；5-壓氣機(jī)；6-回?zé)崞鳎?-燃燒室；8-燃?xì)馔钙剑?9_發(fā)電機(jī)；10-LNG氣化器；11-析水器；13-C02冷凝器；14_C02分離器；15-尾氣壓氣機(jī)； 16-尾氣換熱器；17-LNG增壓泵；18-LNG分流器；19-LNG混合器；20-外網(wǎng)供冷器；21-天然 氣分流器。上述系統(tǒng)中的連接為公知技術(shù)，本發(fā)明在此不作具體描述。系統(tǒng)流程描述該系統(tǒng)主要包括回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合動(dòng)力循環(huán)和LNG氣化單元，兩者通 過CO2冷凝器、LNG氣化器、以及燃燒室進(jìn)口燃料實(shí)現(xiàn)聯(lián)接。動(dòng)力循環(huán)中，低溫(_50°C )液態(tài)0)2工質(zhì)(Si)首先被液態(tài)CO2增壓泵1升壓至 3MPa (S2)，然后流經(jīng)蒸發(fā)器2實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)制冷過程(S2-S3)。來自空分裝置4的O2 (S4)經(jīng)O2 壓氣機(jī)5升壓后(S5)與CO2 (S3)混合后(S6)送入回?zé)崞?，經(jīng)回?zé)徇^程(S6-S7)被透平排 氣(SlO)預(yù)熱，最終送入燃燒室7，O2與來自LNG氣化單元的天然氣(S8)混合完全燃燒，得 到的高溫燃?xì)?S9，主要為C02、H20和少量N2)送入燃?xì)馔钙?膨脹至CO2冷凝器中的冷凝 壓力水平(S10，0.71MPa)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出。透平排氣經(jīng)回?zé)岷?Sll)送入LNG氣化單元，經(jīng) LNG氣化器10將水分冷凝后由析水器11析出(S12)；除水后的透平排氣(S13)在CO2冷凝 器13中實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣中絕大部分CO2的冷凝并將其作為循環(huán)工質(zhì)(Si)，而燃燒生成的CO2則 隨難凝氣體(S15，主要為N2)經(jīng)尾氣壓氣機(jī)15升壓和尾氣換熱器16冷凝后(S17)被回收。LNG氣化單元中，LNG(S18)經(jīng)LNG增壓泵17升壓至7. 35MPa(S19，遠(yuǎn)距輸送管網(wǎng)的 典型輸氣壓力)，然后分流為S19a、S19b兩股分別經(jīng)CO2冷凝器13和尾氣換熱器16從動(dòng)力 循環(huán)高溫排氣吸熱后混合為(S20)送入LNG氣化器10實(shí)現(xiàn)完全氣化，得到的天然氣(S21) 仍具有低于0°C的低溫，因此被送入外網(wǎng)供冷器20進(jìn)一步吸熱升溫，隨之產(chǎn)生少量的制冷 輸出；此后，天然氣(S22)被分流為兩股，絕大部分(S23，約占總量的95%以上)送往外網(wǎng) 用戶，小部分(S8)送往燃燒室7作為燃料。第二實(shí)施例循環(huán)平衡工況狀態(tài)參數(shù)參看表3-1，給出了循環(huán)各流股的溫度、壓力、 流率、摩爾組分等主要狀態(tài)參數(shù)。第二實(shí)施例循環(huán)熱力性能參看表3-2，給出了在表3-1所示平衡工況下，第二實(shí)施 例循環(huán)的主要熱力性能參數(shù)。第三實(shí)施例參看圖3，本發(fā)明的主要部分為由以CO2為主要循環(huán)工質(zhì)的回?zé)嵝?Brayton-Rankine復(fù)合動(dòng)力循環(huán)及液化天然氣(LNG)氣化單元。其中1_液態(tài)CO2增壓泵；2-蒸發(fā)器；3-工質(zhì)混合器；5-壓氣機(jī)；6-回?zé)崞鳎?-燃燒室；8-燃?xì)馔钙剑?-發(fā)電機(jī)； 10-LNG氣化器；11-析水器；12-間冷壓氣機(jī)；13-C02冷凝器；14_C02分離器；17-LNG增壓 泵；18-LNG分流器；19-LNG混合器；20-外網(wǎng)供冷器；21-天然氣分流器。上述系統(tǒng)中的連接為公知技術(shù)，本發(fā)明在此不作具體描述。系統(tǒng)流程描述該系統(tǒng)主要包括回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合動(dòng)力循環(huán)和LNG氣化單元，兩者通 過CO2冷凝器、LNG氣化器、以及燃燒室進(jìn)口燃料實(shí)現(xiàn)聯(lián)接。動(dòng)力循環(huán)中，低溫(_50°C )液態(tài)CO2工質(zhì)(Si)首先被液態(tài)CO2增壓泵1升壓至 3MPa(S2)，然后流經(jīng)蒸發(fā)器2實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)制冷過程(S2-S3)?？諝?S4)經(jīng)壓氣機(jī)5升壓后(S5) 與CO2 (S3)混合后(S6)送入回?zé)崞?，經(jīng)回?zé)徇^程(S6-S7)被透平排氣(SlO)預(yù)熱，最終送 入燃燒室7，空氣中的O2與來自LNG氣化單元的天然氣(S8)混合完全燃燒，得到的高溫燃 氣(S9，主要為C02、N2*H20)送入燃?xì)馔钙?膨脹至環(huán)境壓力水平(S10，0. IMPa)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力 輸出。透平排氣經(jīng)回?zé)岷?Sll)送入LNG氣化單元，經(jīng)LNG氣化器10將水分冷凝后由析水 器11析出(S12)；除水后的透平排氣(S13)經(jīng)過間冷壓氣機(jī)12中的一級(jí)間冷(S17b-S18b) 壓縮過程(S13-S13a)升至CO2冷凝壓力(S13a)，最終在CO2冷凝器13中實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣中絕 大部分CO2的冷凝并將其作為循環(huán)工質(zhì)(Si)，而燃燒生成的CO2則隨難凝氣體(S15，主要為 N2)排出系統(tǒng)。LNG氣化單元中，LNG(S16)經(jīng)LNG增壓泵17升壓至7. 35MPa(S17，遠(yuǎn)距輸送管網(wǎng)的 典型輸氣壓力)，然后分流為S17a、S17b兩股分別經(jīng)CO2冷凝器13、間冷壓氣機(jī)12從動(dòng)力 循環(huán)高溫排氣吸熱后混合為(S18)送入LNG氣化器10實(shí)現(xiàn)完全氣化，得到的天然氣(S19) 仍具有低于0°C的低溫，因此被送入外網(wǎng)供冷器20進(jìn)一步吸熱升溫，隨之產(chǎn)生少量的制冷 輸出；此后，天然氣(S20)被分流為兩股，絕大部分(S21，約占總量的95%以上)送往外網(wǎng) 用戶，小部分(S8)送往燃燒室7作為燃料。第三實(shí)施例循環(huán)平衡工況狀態(tài)參數(shù)參看表4-1，給出了循環(huán)各流股的溫度、壓力、 流率、摩爾組分等主要狀態(tài)參數(shù)。第三實(shí)施例循環(huán)熱力性能參看表4-2，給出了在表4-1所示平衡工況下，第三實(shí)施 例循環(huán)的主要熱力性能參數(shù)。第四實(shí)施例參看圖4，本發(fā)明的主要部分為由以CO2為主要循環(huán)工質(zhì)的回?zé)嵝?Brayton-Rankine復(fù)合動(dòng)力循環(huán)及液化天然氣(LNG)氣化單元。其中1_液態(tài)CO2增壓 泵；2-蒸發(fā)器；3-工質(zhì)混合器；5-壓氣機(jī)；6-回?zé)崞鳎?-燃燒室；8-燃?xì)馔钙剑?-發(fā)電機(jī)； 10-LNG氣化器；11-析水器；13-C02冷凝器；H-CO2分離器；17-LNG增壓泵；20-外網(wǎng)供冷 器；21-天然氣分流器。上述系統(tǒng)中的連接為公知技術(shù)，本發(fā)明在此不作具體描述。系統(tǒng)流程描述該系統(tǒng)主要包括回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合動(dòng)力循環(huán)和LNG氣化單元，兩者通 過CO2冷凝器、LNG氣化器、以及燃燒室進(jìn)口燃料實(shí)現(xiàn)聯(lián)接。動(dòng)力循環(huán)中，低溫(_50°C )液態(tài)0)2工質(zhì)(Si)首先被液態(tài)CO2增壓泵1升壓至 3MPa(S2)，然后流經(jīng)蒸發(fā)器2實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)制冷過程(S2-S3)?？諝?S4)經(jīng)壓氣機(jī)5升壓后， (S5)與CO2 (S3)混合后(S6)送入回?zé)崞?，經(jīng)回?zé)徇^程(S6-S7)被透平排氣(SlO)預(yù)熱，最終送入燃燒室7，空氣中的O2與來自LNG氣化器單元的天然氣(S8)混合完全燃燒，得到 的高溫燃?xì)?S9，主要為C02、H20和少量N2)送入燃?xì)馔钙?膨脹至CO2冷凝器中的冷凝壓 力水平(S10，0. 71MPa)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出。透平排氣經(jīng)回?zé)岷?Sll)送入LNG氣化單元，經(jīng)LNG 氣化器10將水分冷凝后由析水器11析出(S12)；除水后的透平排氣(S13)在CO2冷凝器 13中實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣中絕大部分CO2的冷凝并將其作為循環(huán)工質(zhì)(Si)，而燃燒生成的CO2則隨 難凝氣體(S15，主要為N2)排出系統(tǒng)。LNG氣化單元中，LNG (S16)經(jīng)LNG增壓泵17升壓至7. 35MPa(S17，遠(yuǎn)距輸送管網(wǎng) 的典型輸氣壓力)，然后經(jīng)CO2冷凝器13從動(dòng)力循環(huán)高溫排氣吸熱后(S18)送入LNG氣化 器10實(shí)現(xiàn)完全氣化，得到的天然氣(S19)仍具有低于0°C的低溫，因此被送入外網(wǎng)供冷器 20進(jìn)一步吸熱升溫，隨之產(chǎn)生少量的制冷輸出；此后，天然氣(S20)被分流為兩股，絕大部 分(S21，約占總量的95%以上)送往外網(wǎng)用戶，小部分(S8)送往燃燒室7作為燃料。第四實(shí)施例循環(huán)平衡工況狀態(tài)參數(shù)參看表5-1，給出了循環(huán)各流股的溫度、壓力、 流率、摩爾組分等主要狀態(tài)參數(shù)。第四實(shí)施例循環(huán)熱力性能參看表5-2，給出了在表5-1所示平衡工況下，第二實(shí)施 例循環(huán)的主要熱力性能參數(shù)。本發(fā)明的系統(tǒng)在平衡工況性能參數(shù)見表1。有關(guān)條件為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況下，壓 氣機(jī)效率88 % ；燃燒室燃燒效率100 %，壓損為3 % ；燃?xì)馔钙降褥匦?0 %，回?zé)崞鞴?jié)電溫 差45K ；LNG氣化器最小換熱溫差8K，壓損為2_3%，LNG的摩爾成分為90. 82% CH4,4. 97% C2H6,2. 93% C3H8U. 01% C4H10、0. 27% N2。第一實(shí)施例中，如表2-2所示，燃?xì)馔钙竭M(jìn)氣溫度為900°C，進(jìn)入燃?xì)馔钙焦べ|(zhì)流 率為64. 4kg/s，燃?xì)馔钙匠隹趬毫?. lMPa，LNG質(zhì)量流率為61. 9kg/s，系統(tǒng)輸入的燃料流 率為0. 788kg/s，機(jī)組凈輸出功率達(dá)到20麗，冷傭輸出為4. 1麗，發(fā)電效率達(dá)到51. 6%，傭 效率達(dá)到37. 3%。CO2冷凝器冷凝溫度為_50°C，CO2回收率為99. 8%。第二實(shí)施例中，如表3-2所示，燃?xì)馔钙竭M(jìn)氣溫度為900°C，進(jìn)入燃?xì)馔钙焦べ|(zhì)流 率為105. 2kg/s，燃?xì)馔钙匠隹趬毫?. 72MPa，LNG質(zhì)量流率為95. 5kg/s，系統(tǒng)輸入的燃料 流率為0. 688kg/s，機(jī)組凈輸出功率達(dá)到20麗，冷傭輸出為8. 96MW，發(fā)電效率達(dá)到59. 1%， 傭效率達(dá)到39. 8%。CO2冷凝器冷凝溫度為_50°C，CO2回收率為98. 6%。第三實(shí)施例中，如表4-2所示，燃?xì)馔钙竭M(jìn)氣溫度為1240°C，進(jìn)入燃?xì)馔钙焦べ|(zhì)流 率為178. 6kg/s，燃?xì)馔钙匠隹趬毫?. lMPa，LNG質(zhì)量流率為240kg/s，系統(tǒng)輸入的燃料流 率為2. 967kg/s，機(jī)組凈輸出功率達(dá)到92MW，冷傭輸出為24. 9MW，發(fā)電效率達(dá)到63%，傭效 率達(dá)到47. 5%。CO2冷凝器冷凝溫度為_87°C，CO2回收率為3. 5%。第四實(shí)施例中，如表5-2所示，燃?xì)馔钙竭M(jìn)氣溫度為1240 °C，進(jìn)入燃?xì)馔钙焦べ|(zhì)流 率為150. 7kg/s，燃?xì)馔钙匠隹趬毫?. 55MPa, LNG質(zhì)量流率為209kg/s，系統(tǒng)輸入的燃料 流率為1. 42kg/s，機(jī)組凈輸出功率達(dá)到53. 8MW,冷擁輸出為34. 5MW,發(fā)電效率達(dá)到67. 1 %， 傭效率達(dá)到49. 6%。CO2冷凝器冷凝溫度為_87°C，CO2回收率為2. 6%。目前的發(fā)電系統(tǒng)中分離CO2使系統(tǒng)效率降低5-10%。而本系統(tǒng)由于采用了系統(tǒng) 集成和無功耗分離CO2技術(shù)使得其效率相對(duì)于現(xiàn)有的單純利用LNG冷擁發(fā)電的系統(tǒng)提高了 5-11%。同時(shí)，已有的利用LNG冷傭發(fā)電并分離CO2的最優(yōu)系統(tǒng)(鄧世敏等提出的循環(huán))對(duì)天然氣燃燒產(chǎn)生CO2的回收率只能達(dá)到約80%，而本發(fā)明則可以全部回收這部分CO2，從 而實(shí)現(xiàn)了 CO2零排放。因此本發(fā)明的系統(tǒng)在利用LNG冷傭提高系統(tǒng)效率和分離CO2方面都 取得了突破。本發(fā)明的系統(tǒng)和流程可以回收天然氣燃燒生成的全部二氧化碳和水，具有優(yōu)秀的 環(huán)保性能和良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。本發(fā)明作為一個(gè)二氧化碳零排放的動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)，其流程簡單、運(yùn)行可靠性高，使 用常規(guī)的動(dòng)力循環(huán)設(shè)備(如燃?xì)廨啓C(jī)等)，不消耗水，在發(fā)電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無耗功分離CO2, 因此具有廣闊的工程應(yīng)用前景。表1系統(tǒng)主要性能參數(shù)
環(huán)境狀態(tài)溫度[°C]25壓力[MPa]0.1CO2冷凝器冷凝壓力[MPa]0.7冷凝溫度『C]-50燃?xì)馔钙竭M(jìn)氣壓力[MPa]2.8等熵效率[%]90壓氣機(jī)效率[%]88泵效率[%]80燃燒室效率[%]100壓損[%]3冋熱器節(jié)點(diǎn)溫差[K]45壓損[%]3LNG氣化單元節(jié)點(diǎn)溫差[K]8壓損[%]2 3空分裝置空分耗功[kJ/kg02]812燃料低位熱值[kJ/kg]49200效率機(jī)械效率X發(fā)電機(jī)效率[%]96摩爾組分LNG氧氣CH4 [%]90.82C2H6 [%]4.97C3H8 [%]2.93C4H10 [%]1.01N2 [%]0.272O2 [%]95Ar [%]3表2-2、3-2、4-2、5-2中效率的計(jì)算公式發(fā)電效率=凈輸出功率/(天然氣消耗量X天然氣低位熱值)=凈輸出功率/燃料能輸入
火用效率=(凈輸出功率+冷火用輸出)/(天然氣消耗量X天然氣低位熱值+LNG流率X LNG的單位冷火用)=(凈輸出功率+冷火用輸出)/(燃料能輸入+LNG冷火用輸入)CO2回收率=冷凝回收的液態(tài)C02質(zhì)量流率/燃燒過程生成的C02質(zhì)量流率
表2-2.第一實(shí)施例循環(huán)熱力性能
Oi <(N ο'O) O(N OmmOOOO1 OOr-H in， OOO1—(CS OOOOOOOOOSO1OO U卜 o\卜 OS卜 OSOO00 CS as00 CS asO(N ΓΛ σ\<Ν CO α\C^ CPSro Os ONΓΛ Os σ\σ\G\ OOOC Os OSOOOOOOOOo\· OOO; OOO fN XOOOOOOOOVO<0(N KTiOOOOOOOOOOOOOOOI 01H^D IOOOOOOOοOOOOOOOOOOOO X ^JiOOOOOOOOs (SοOOOOOOOOOs c-iC\ (SON CNOs HOs r4OS CS0\ CNON CNOOKOOOOOOOοOOOOOOOOinmmOO￡ υO(shè)OOOOOO00 O OsοOOOOOOOO00 字OO 字00 OOO S00 妄00 家00 SOO OOOfS OOOOOs O OsvqOr-H Oι—i OT-H OI-HOOO00 1—1OOOOOOOOO00 1—100 r—lrs ZOOO(NCN Ν O(N Om ο(N OCN dIN OΓΛ(N OCN O(N dm —Om Om Om OΓΠ dm Ocn Om Om Om —m —IΡ9 9I 敗 9 II 60.364 II 68Z.￡ II 68Γ￡ II ￡S9 ￡9 II 99' 9 II SSL'O II 1忡卞9I IVVV9 I\tVP9I 1.684 II L9L'Z9 II L9L'Z9 \I LSL'Z9 I9917；I LZZO II Z￡6-\9 II 訌 6· 19 II ZLV99 II ￡50'I II LOL't II Z￡6'\9 II ZX6.19 I[ΖΧ6 9 II 99VZ I99VZ I■R PhS卜 OI 8967； ICSΓ δ CO II IP6 Z II Z16Z II mz I卜00 (NI SOIO II 901 0 II eoro II eoro II ML'0 II IUO IOOΙ0Γ0V) ΓΟ1—1CSCNCN —2g00m mlI ζ'ο -1vq I00CNI 9'Z9￡ Io\ CS (NI 2'SZP I90O σ\CN O 卜OO00OI Ζ 9- II ζ'ο -1I 9 91- II IOs cn00vq0 VLZlI-Hm 蓉00CSmC/5v C/D00Os VDO c/oI-H t/5Cj W2I ^is IC/5C/I\o CO(X)00 1—tI S19a II qeis ICO00(N 00CS CN COΓ C/2
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690Z60S *0. 7MPa為工質(zhì)在CO2冷凝器中的冷凝壓力，6MPa為尾氣在尾氣換熱器中的冷凝 壓力。[
CO2冷凝壓力[MPa]0.7/6*燃?xì)馔钙竭M(jìn)氣參數(shù)[°C/MPa]900/2.8燃?xì)馔钙脚艢鈪?shù)fC/MPa]700/0.71LNG 流率[kg/s]95.54天然氣流率[kg/s]0.689單位燃料M [MJ/kg]50.95天然氣低位熱值[MJ/kg]49.2透平作功[Μ W)26.535空分耗功[MW]2.338液態(tài)CO2增壓泵[MW]0.269壓氣機(jī)耗功[MW]0.924尾氣壓氣機(jī)耗功[MW]0.264LNG增壓泵耗功[MW]1.906凈輸出功[MW]20制冷量[MW]56.95冷輸出[MW]8.963CO2回收率[%]98.6熱效率[%]59.1m效率[%]39.8*0. 7MPa為工質(zhì)在CO2冷凝器中的冷凝壓力，6MPa為尾氣在尾氣換熱器中的冷凝 壓力。表4-1.第三實(shí)施例循環(huán)平衡工況狀態(tài)參數(shù) 表4-2.第三實(shí)施例循環(huán)熱力性能
表5-1.第四實(shí)施例循環(huán)平衡工況狀態(tài)參數(shù)
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〔0165〕媧 5-2. ^Himas^ff^
IND
權(quán)利要求
一種利用LNG冷的回?zé)嵝虰rayton Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系統(tǒng)，動(dòng)力循環(huán)采用CO2工質(zhì)，由回?zé)嵝虰rayton Rankine動(dòng)力循環(huán)單元和LNG氣化單元構(gòu)成，系統(tǒng)能量輸出包括功、冷兩種形式，主要設(shè)備包括LNG氣化器，其熱側(cè)分別連接回?zé)崞骱臀鏊?，冷?cè)分別連接CO2冷凝器和外網(wǎng)供冷器，用于實(shí)現(xiàn)LNG的吸熱氣化，同時(shí)將燃?xì)馔钙脚艢庵械乃滞耆淠?；壓氣機(jī)連接工質(zhì)混合器，將空氣或來自空分裝置的O2氣體升壓至Rankine循環(huán)最高壓力；CO2冷凝器與CO2分離器連接，對(duì)燃?xì)馔钙脚艢庵械腃O2進(jìn)行冷凝，冷凝得到的液態(tài)CO2量需保證動(dòng)力循環(huán)正常運(yùn)行所需的最小CO2工質(zhì)量；CO2分離器，其進(jìn)口連接CO2冷凝器，出口連接液態(tài)CO2增壓泵，對(duì)冷凝后的燃?xì)馔钙脚艢膺M(jìn)行氣液分離，得到的液態(tài)CO2送往液態(tài)CO2增壓泵；燃燒室，分別連接回?zé)崞骱腿細(xì)馔钙?，使天然氣和氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到高溫氣體；燃?xì)馔钙椒謩e連接燃燒室和回?zé)崞?，使高溫燃?xì)馀蛎涀龉Γ换責(zé)崞鞯臒醾?cè)分別與燃?xì)馔钙胶蚅NG氣化器連接，冷側(cè)分別與工質(zhì)混合器和燃燒室連接，該回?zé)崞魇菍?duì)CO2氣體、O2氣體組成的混合物流進(jìn)行加熱并冷卻燃?xì)馔钙脚艢?；發(fā)電機(jī)與燃?xì)馔钙竭B接，將燃?xì)馔钙疆a(chǎn)生機(jī)械功轉(zhuǎn)化為電能輸出；蒸發(fā)器連接液態(tài)CO2增壓泵和工質(zhì)混合器，實(shí)現(xiàn)液態(tài)CO2吸熱氣化同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷輸出；LNG增壓泵連接CO2冷凝器，將來自LNG接受站的低壓LNG升壓至遠(yuǎn)距離輸送管網(wǎng)的典型壓力7.35MPa；外網(wǎng)供冷器連接LNG氣化器，利用LNG氣化后得到的具有較低溫度的天然氣作為向外網(wǎng)供冷的冷源，實(shí)現(xiàn)制冷輸出。F2009100873558C0000011.tif
2.如權(quán)利要求1所述的利用LNG冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系統(tǒng)， 其中，壓氣機(jī)的進(jìn)口連接空分裝置，用于從空氣中分離得到氧氣作為燃燒室中燃燒反應(yīng)的 氧化劑。
3.如權(quán)利要求1所述的利用LNG冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系統(tǒng)， 其中，析水器和CO2冷凝器之間連接有間冷壓氣機(jī)，對(duì)除水后的燃?xì)馔钙脚艢膺M(jìn)行壓縮升 壓，間冷過程采用LNG作為冷源；該間泠壓氣機(jī)的進(jìn)口與析水器連接，出口與CO2冷凝器連 接；間冷冷源入口連接LNG分流器，出口連接LNG混合器。
4.如權(quán)利要求1所述的利用LNG冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系統(tǒng)， 其中，CO2分離器連接有尾氣壓氣機(jī)，將CO2分離器得到的難凝氣體壓縮升壓使其中所含的 CO2冷凝，該尾氣壓氣機(jī)連接有尾氣換熱器。
5.如權(quán)利要求4所述的利用LNG冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系統(tǒng)， 其中，LNG分流器分別連接CO2冷凝器、間冷壓氣機(jī)和尾氣換熱器。
6.如權(quán)利要求1所述的利用LNG冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系統(tǒng)， 其中，LNG混合器分別連接CO2冷凝器、尾氣換熱器和間冷壓氣機(jī)，將來自CO2冷凝器、尾氣 換熱器和間冷壓氣機(jī)的LNG混合后送入LNG氣化器。
7.一種利用液化天然氣(LNG)冷傭的回?zé)嵝虰rayton-Rankine復(fù)合熱力循環(huán)系統(tǒng)流程，該系統(tǒng)包括Brayton-Rankine動(dòng)力循環(huán)和LNG氣化單元，該主要流程為動(dòng)力循環(huán)中，液態(tài)CO2工質(zhì)被壓縮升壓后流經(jīng)蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)制冷，O2與氣態(tài)CO2工質(zhì) 混合，經(jīng)回?zé)徇^程被預(yù)熱后送入燃燒室，O2與來自LNG氣化單元的天然氣混合完全燃燒，生 成的高溫燃?xì)馑腿肴細(xì)馔钙脚蛎浿镰h(huán)境壓力水平實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出；燃?xì)馔钙脚艢饨?jīng)回?zé)岷笏腿隠NG氣化單元，經(jīng)冷凝析水后通過間冷壓縮對(duì)排氣中絕大 部分CO2冷凝回收并重新用作循環(huán)工質(zhì)，而燃燒生成的CO2則隨難凝氣體經(jīng)升壓、冷凝后分 離回收；LNG氣化單元中，LNG從燃?xì)馔钙脚艢釩O2冷凝過程吸熱氣化，經(jīng)外網(wǎng)供冷器升溫至近 環(huán)境溫度，此后得到的天然氣被分流為兩股，絕大部分送往外網(wǎng)用戶，小部分送往燃燒室作 為燃料。
8.如權(quán)利要求7所述的流程，其中，LNG增壓壓縮升壓后對(duì)燃?xì)馔钙脚艢饫淠笾匦聟R 合送往LNG氣化單元；或LNG增壓壓縮升壓后分為兩股，分別對(duì)燃?xì)馔钙脚艢饫淠蛯?duì)尾氣進(jìn)行冷凝，此后重新 匯合送往LNG氣化單元，或LNG經(jīng)增壓壓縮升壓后分為三股，分別經(jīng)間冷壓縮、CO2冷凝及對(duì)尾氣冷凝后，重新匯合 送往LNG氣化單元。
9.如權(quán)利要求7所述的流程，其中，氧氣是通過空分裝置分離得到的。
10.如權(quán)利要求7所述的流程，其中，高溫燃?xì)庠谌細(xì)馔钙街信蛎浀紺O2冷凝的壓力水 平，此后經(jīng)回?zé)徇^程和LNG氣化單元冷凝析水后，直接實(shí)現(xiàn)CO2冷凝。
全文摘要
一種利用液化天然氣冷的熱力循環(huán)系統(tǒng)和流程，由Brayton-Rankine動(dòng)力循環(huán)和LNG氣化單元組成。其中，動(dòng)力循環(huán)采用CO2循環(huán)工質(zhì)，由回?zé)嵝虰rayton循環(huán)的回?zé)?燃燒-膨脹作功流程和Rankine循環(huán)的冷凝-液態(tài)壓縮升壓過程耦合構(gòu)成，通過回?zé)釂卧獙?shí)現(xiàn)循環(huán)內(nèi)部有效的熱整合；同時(shí)通過系統(tǒng)耦合將LNG氣化單元作為動(dòng)力循環(huán)的冷源，使得動(dòng)力循環(huán)冷凝過程獲得遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度的冷源，從而在不消耗機(jī)械功的前提下將燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的CO2全部從循環(huán)中分離出來。本發(fā)明的熱力性能有了較大提高，同時(shí)該系統(tǒng)在采用純氧燃燒技術(shù)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)CO2零排放，因此具有良好的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和廣闊的工程應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)F02G5/00GK101922352SQ20091008735
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2009年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月17日
發(fā)明者劉猛, 張娜, 諾姆里奧 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所