[发明专利]一种利用LNG冷能的燃气轮机-氮气布雷顿循环联合发电系统

说明书

本发明提供一种利用LNG冷能的燃气轮机‑氮气布雷顿循环联合发电系统，所述发电系统包括：燃气轮机循环、氮气布雷顿循环、LNG储罐、调压站；所述燃气轮机循环包括空气‑LNG换热器、压气机、燃烧室、燃气透平、第一发电机；所述氮气布雷顿循环包括氮气‑LNG换热器、氮气压气机、回热器、烟气‑氮气换热器、氮气透平、第二发电机；所述燃气轮机循环中燃气透平的烟气出口与所述氮气布雷顿循环中烟气‑氮气换热器的烟气入口相连。本发明的发电系统，利用LNG分别将燃气轮机和氮气压气机进口的工质进行冷却，提高循环温比，从而有效提升燃气轮机‑氮气布雷顿循环联合发电系统的效率。

技术领域

本发明涉及LNG冷能在发电技术领域的应用，特别是涉及一种利用LNG冷能的燃气轮机-氮气布雷顿循环联合发电系统。

背景技术

近年来我国许多地方遭遇了较为严重的雾霾等环境问题，能源结构的调整转型迫在眉睫。相对目前我国能源结构中占比最大的煤和石油来说，天然气是一种更为清洁的能源，也是我国能源战略行动计划重点发展的对象之一。我国的天然气，很大一部分需要依靠进口。而为了便于储存和长距离运输，通常将天然气低温冷却至液态，即为LNG(液化天然气)。目前，我国沿海地区已建成或在建的LNG接收站已达二十多座，年进口量接近两千万吨。由于LNG的储存温度低至-162℃左右，在提供给终端用户前，需要将其加热气化，此过程中会释放出大量优质冷能。然而，传统的接收站在进行气化时通常采用海水、空气甚至燃烧器作为热源，LNG释放的冷能直接排入环境中，这无疑造成了巨大的冷能浪费。特别是利用海水来气化LNG时，还会造成对环境的冷污染，破坏海洋生态。如若能够合理利用这一部分冷能，不仅可以产生巨大的经济效益，同时也有利于环境的保护。

LNG冷能利用的发电技术主要有以下几类：直接膨胀法、朗肯循环法、复合循环法、以及用于改善布雷顿循环或燃气轮机的动力循环特性。

直接膨胀法先将LNG通过泵进行增压，然后用海水或空气将其加热，利用其压力能直接带动透平，膨胀做工。该方法的流程及所需设备非常简单，但是仅回收了LNG的部分压力能，大部分优质冷能被浪费，回收效率很低。

朗肯循环法将LNG作为冷源，环境作为热源，选用适当介质作为工质组成低温朗肯循环。如果工质选择得当，使得工质的蒸发过程和LNG的气化过程能够较好匹配，则可以有效减少传热损。该方法相较直接膨胀法效率更高，目前已经广泛投入使用，技术成熟，并且可以与直接膨胀法相结合，组成复合循环，进一步提高LNG冷能的利用率。

对于燃气轮机来说，夏季由于环境温度较高，使燃机入口空气温度升高，在一定压比下吸入的空气量减少，使燃机出力下降，影响发电的经济性。同时，夏季通常又是每年用电的高峰时期，燃机出力下降也会影响整体的供电保证。为了避免这样的问题，可以利用LNG冷能对燃气轮机进口空气进行冷却，改善动力系统特性，提高燃机效率。不过由于空气中水蒸气的露点限制，进口空气最低只能冷却到5℃左右，且换热器冷损失较大，所以需要在更低的温度范围对LNG冷能进行进一步利用。

对于闭式布雷顿循环，同样也是利用LNG冷能来冷却压气机进口工质，减小压气机耗功，增大循环温升比，提高循环效率。循环工质可以选择氮气，其优势在于，其跟LNG进行换热的过程中都不会发生相变，能在很低的温度下进行应用，进一步增大循环温升比，与LNG的气化升温过程能够很好匹配，并能够通过梯级利用等方式，进一步减小换热损，提高冷能的利用效率。同时，由于氮气性质比较稳定，不像蒸汽朗肯循环存在汽蚀的问题，有利于延长设备的寿命，降低系统运行维护成本。此外，氮气布雷顿循环较适用于功率等级较小的机组中，其设备结构相比蒸汽朗肯循环更为简单，设备尺寸大大减小，更加适用于在各LNG接收站的灵活布置，便于模块化发展。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用LNG冷能的燃气轮机-氮气布雷顿循环联合发电系统，利用LNG分别将燃气轮机和氮气压气机进口的工质进行冷却，提高循环温比，从而有效提升燃气轮机-氮气布雷顿循环联合发电系统的效率。