一种天然气冷能联合发电系统的制作方法

1.本发明涉及天然气冷能回收利用领域，尤其涉及一种天然气冷能联合发电系统。


背景技术：

2.随着环境问题的日益严峻以及人们节能环保意识的增强，天然气作为一种清洁能源，在国民的生产生活中得到广泛的应用。液化天然气由于具有能量密度高、储运方便等优点，已成为天然气海上运输的主要模式。液化天然气天然气使用时，需要从
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162摄氏度复温至常温来使用，释放冷能大约为830
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860kj/kg。1吨天然气经换热重新气化在理论上可利用的冷量约250kwh。对于一座年接收能力为300万吨天然气接收终端，年可利用冷能达7.5亿kwh。我国有二十多座天然气接收站，可用冷能十分可观。而传统的气化方法通常是直接通过海水气化器或者空气气化器将天然气气化过程中释放的冷能排放到海水或者空气中，不仅污染了环境，而且造成了极大的冷能浪费。因此，天然气冷能回收利用对实施节能减排战略具有重大意义。
3.目前，天然气冷能利用一般包括空气分离，冷冻仓库，低温破碎，海水淡化，冷能发电等。其中，天然气冷能发电是最具有实际可行性、利用彻底性，同时也是最可能大规模利用的方式。天然气冷能发电技术包括直接膨胀法、朗肯循环法、联合法等传统冷能发电技术，以及新型半导体温差发电技术等。但是上述天然气冷能发电技术不能充分利用天然气的冷能。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种天然气冷能联合发电系统，其将膨胀发电单元、朗肯循环发电单元与半导体温差发电单元相结合，在不改变膨胀发电单元、朗肯循环发电单元结构的前提下，联合半导体温差发电单元。半导体温差发电单元利用天然气输送管道内外温差进行温差发热，充分利用了天然气的冷能，提高了联合发电系统的冷能利用效率，而且还提升了天然气冷能发电项目的可操作性和经济性。
5.为达到上述目的，本发明提供的方案是：
6.一种天然气冷能联合发电系统，包括膨胀发电单元、朗肯循环发电单元和半导体温差发电单元，所述膨胀发电单元包括第一换热器、第一膨胀机、第一发电机和第二换热器，所述朗肯循环发电单元包括第三换热器、第二膨胀机、第二发电机和所述第一换热器，所述第一换热器包括第一天然气输送管和套设在所述第一天然气输送管外的第一液体输送管，所述第二换热器包括第二天然气输送管和套设在所述第二天然气输送管外的第二液体输送管，所述第三换热器包括制冷工质输送管和套设在所述制冷工质输送管的第三液体输送管，所述第一天然气输送管的进口端用于与存储有液化天然气的天然气储罐相连，所述第一天然气输送管的出口端与所述第一膨胀机的入口端相连，所述第一发电机与所述第一膨胀机连接，所述第二天然气输送管的进口端与所述第一膨胀机的出口端相连，所述第二天然气输送管的出口端用于与天然气管网相连，所述第二液体输送管的进口端用于输入
换热海水，所述第二液体输送管的出口端用于输出换热海水，所述制冷工质输送管的进口端与所述第一液体输送管的出口端相连，且所述制冷工质输送管的进口端还用于输入制冷工质，所述制冷工质输送管的出口端与所述第二膨胀机连接，所述第二膨胀机的出口端与所述第一液体输送管的进口端相连，所述第二发电机与第二膨胀机连接，所述第三液体输送管的进口端用于输入换热海水，所述第三液体输送管的出口端用于输出换热海水，所述半导体温差发电单元包括第一发电模块、第二发电模块和第三发电模块，所述第一发电模块包覆在所述第一天然气输送管外侧，所述第二发电模块包覆在所述第二天然气输送管外侧，所述第三发电模块包覆在所述制冷工质输送管外侧。
7.优选地，所述第一发电模块包括热电模块以及包括包覆在所述热电模块上的导热板，所述导热板包覆在所述第一天然气输送管外侧。
8.优选地，所述热电模块与所述导热板通过高导热银浆粘结固定。
9.优选地，所述导热板与第一天然气输送管通过高导热银浆粘结固定。
10.优选地，所述导热板为高导热铜板。
11.优选地，所述第二发电模块包括热电模块以及包括包覆在所述热电模块上的导热板，所述导热板包覆在第二天然气输送管外侧。
12.优选地，所述第三发电模块包括热电模块以及包括包覆在所述热电模块上的导热板，所述导热板包覆在制冷工质输送管外侧。
13.优选地，所述第一换热器包括第一天然气进气管、第一天然气出气管、若干根间隔设置的所述第一天然气输送管、第一制冷工质集气管、第一制冷工质集液管、若干根所述第一液体输送管，所述第一液体输送管和所述第一天然气输送管一一对应，每根所述第一天然气输送管的一端均与所述第一天然气进气管连通，另一端均与所述第一天然气出气管连通，所述第一制冷工质集液管套设在所述第一天然气进气管外，所述第一制冷工质集气管套设在所述第一天然气出气管外，每根所述第一液体输送管的一端均与所述第一制冷工质集气管连通，另一端均与所述第一制冷工质集液管连通，所述第一天然气进气管用于与存储有液化天然气的天然气储罐相连，所述第一天然气出气管与所述第一膨胀机的入口端相连，所述第一制冷工质集气管与所述第二膨胀机的出口端相连，所述第一制冷工质集液管与所述制冷工质输送管的进口端相连。
14.优选地，所述第二换热器包括第二天然气进气管、第二天然气出气管、若干根间隔设置的所述第二天然气输送管、第一海水进液管、第一海水出液管、若干根所述第二液体输送管，所述第二液体输送管和所述第二天然气输送管一一对应，每根所述第二天然气输送管的一端与所述第二天然气进气管连通，另一端与所述第二天然气出气管连通，所述第一海水进液管套设在所述第二天然气出气管外，所述第一海水出液管套设在第二天然气进气管外，每根所述第二液体输送管的一端与所述第一海水进液管连通，另一端与所述第一海水出液管连通，所述第二天然气进气管与所述第一膨胀机的出口端相连，所述第二天然气出气管用于与天然气管网相连，所述第一海水进液管用于输入换热海水，所述第一海水出液管用于输出换热海水。
15.优选地，所述第三换热器包括第二制冷工质集气管、第二制冷工质集液管、若干根间隔设置的所述制冷工质输送管、第二海水进液管、第二海水出液管、若干根所述第三液体输送管，所述第三液体输送管和所述制冷工质输送管一一对应，每根所述制冷工质输送管
的一端与所述第二制冷工质集气管连通，另一端与所述第二制冷工质集液管连通，所述第二海水进液管套设在第二制冷工质集气管外，所述第二海水出液管套设在第二制冷工质集液管外，每根所述第三液体输送管的一端与所述第二海水进液管连通，另一端与所述第二海水出液管连通，所述第二制冷工质集气管与所述第二膨胀机连接，所述第二制冷工质集液管与所述第一液体输送管的出口端相连，所述第二海水进液管用于输入换热海水，所述第二海水出液管用于输出换热海水。
16.本发明提供的天然气冷能联合发电系统包括膨胀发电单元、朗肯循环发电单元和半导体温差发电单元，将膨胀发电单元、朗肯循环发电单元与半导体温差发电单元相结合，在不改变膨胀发电单元、朗肯循环发电单元结构的前提下，联合半导体温差发电单元。半导体温差发电单元利用天然气输送管道内外温差进行温差发热，充分利用了天然气的冷能，提高了联合发电系统的冷能利用效率，而且还提升了天然气冷能发电项目的可操作性和经济性。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
18.图1是本发明实施例提供的天然气冷能联合发电系统的结构示意图；
19.图2是本发明实施例提供的第一换热器的内部结构图；
20.图3是本发明实施例提供的第一换热器的侧视图。
21.附图标号说明：
22.1、天然气增压泵；2、第一换热器；21、第一天然气进气管；22、第一天然气出气管；23、第一天然气输送管；24、第一制冷工质集气管；25、第一制冷工质集液管；26、第一液体输送管；3、第一膨胀机；4、第一发电机；5、第二换热器；6、第一海水增压泵；7、制冷工质增压泵；8、第三换热器；9、第二膨胀机；10、第二发电机；11、第二海水增压泵；12、天然气储罐；13、第一发电模块。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。
24.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
25.还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
26.另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
27.如图1至图3所示，其为发明的一种实施例的天然气冷能联合发电系统。
28.请参阅图1
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图3，本发明实施例的天然气冷能联合发电系统包括膨胀发电单元、朗肯循环发电单元和半导体温差发电单元，将膨胀发电单元、朗肯循环发电单元与半导体温差发电单元相结合，在不改变膨胀发电单元、朗肯循环发电单元结构的前提下，联合半导体温差发电单元。半导体温差发电单元利用天然气输送管道内外温差进行温差发热，充分利用了天然气的冷能，提高了联合发电系统的冷能利用效率，而且还提升了天然气冷能发电项目的可操作性和经济性。
29.膨胀发电单元包括第一换热器2、第一膨胀机3、第一发电机4和第二换热器5，第一换热器2的第一天然气输送管23的进口端通过天然气增压泵1与存储有液化天然气的天然气储罐12相连，第一换热器2的第一天然气输送管23的出口端与第一膨胀机3相连，第一发电机4与第一膨胀机3连接，第二换热器5的第二天然气输送管的进口端与第一膨胀机3的出口端相连，第二换热器5的第二天然气输送管的出口端用于与天然气管网相连，第二换热器5的第二液体输送管的进口端用于输入海水，第二换热器5的第二液体输送管的出口端用于输出换热后的海水。
30.朗肯循环发电单元包括第三换热器8、第二膨胀机9、第二发电机10和上述第一换热器2，第三换热器8的制冷工质输送管的进口端与第一换热器2的第一液体输送管26的出口端相连，且第三换热器8的制冷工质输送管的进口端还用于输入制冷工质，第三换热器8的制冷工质输送管的出口端与第二膨胀机9连接，第二膨胀机9的出口端与第一换热器2的第一液体输送管26的进口端相连，第二发电机10与第二膨胀机9连接，第三换热器8的第三液体输送管的进口端用于输入海水，第三换热器8的第三液体输送管的出口端用于输出换热后的海水。
31.制冷工质进入第三换热器8，自下而上流动，海水进入第三换热器8，自上而下流动，制冷工质在第三换热器8内与海水发生热交换，变成制冷工质气体，制冷工质气体进入第二膨胀机9做功，带动第二发电机10发电，实现朗肯循环发电单元的发电。
32.经过第二膨胀机9的制冷工质气体温度降低，进入第一换热器2，自上而下流动，天然气储罐12的液化天然气通过天然气增压泵1增压后进入第一换热器2，自下而上流动，液化天然气在第一换热器2内与制冷工质气体发生热交换，变成高压天然气，高压天然气进入第一膨胀机3做功，带动第一发电机4发电，实现膨胀发电单元的发电，制冷工质气体与天然气换热后冷凝成低温液体，然后进入第三换热器8进行下一轮循环。
33.经过第一膨胀机3的天然气进入第二换热器5，自下而上流动，海水进入第二换热器5，自上而下流动，天然气在第二换热器5内与海水进行热交换后变成气体，并输送至天然气管网。
34.优选地，第一换热器2包括第一天然气进气管21、第一天然气出气管22、若干根间
隔设置的第一天然气输送管23、第一制冷工质集气管24、第一制冷工质集液管25、若干根第一液体输送管26，第一液体输送管26和第一天然气输送管23一一对应，第一液体输送管26间隔套设在第一天然气输送管23外，第一天然气进气管21和第一天然气出气管22均横向设置，每根第一天然气输送管23纵向设置，每根第一天然气输送管23的一端均与第一天然气进气管21连通，另一端均与第一天然气出气管22连通，第一制冷工质集气管24间隔套设在第一天然气出气管22外，第一制冷工质集液管25间隔套设在第一天然气进气管21外，第一制冷工质集气管24套设在第一天然气出气管22外，每根第一液体输送管26纵向设置，每根第一液体输送管26的一端均与第一制冷工质集气管24连通，另一端均与第一制冷工质集液管25连通。第一天然气出气管22与第一膨胀机3的入口端相连，第一制冷工质集气管24与第二膨胀机9的出口端相连，第一制冷工质集液管25与制冷工质输送管的进口端相连。
35.天然气储罐12的液化天然气经第一天然气进气管21进入第一天然气输送管23，液化天然气自下而上流动，经过第二膨胀机9降温的制冷工质气体经第一制冷工质集气管24进入第一液体输送管26，制冷工质气体自上而下流动，为液化天然气的气化提供热量，液化天然气发生热交换后经第一天然气出气管22进入第一膨胀机3，制冷工质气体发生换热后冷凝成低温液体，并经第一制冷工质集液管25进入第三换热器8。
36.第二换热器5的结构与第一换热器2的结构基本一样，第二换热器5包括第二天然气进气管、第二天然气出气管、若干根间隔设置的第二天然气输送管、第一海水进液管、第一海水出液管、若干根第二液体输送管，第二液体输送管和第二天然气输送管一一对应，第二液体输送管间隔套设在第二天然气输送管外，第二天然气进气管和第二天然气出气管均横向设置，每根第二天然气输送管纵向设置，每根第二天然气输送管的一端与第二天然气进气管连通，另一端与第二天然气出气管连通，第一海水进液管间隔套设在第二天然气出气管外，第一海水进液管间隔套设在第二天然气出气管外，第一海水出液管间隔套设在第二天然气进气管外，每根第二液体输送管纵向设置，每根第二液体输送管的一端与第一海水进液管连通，另一端与第一海水出液管连通。所述第二天然气进气管与第一膨胀机3的出口端相连，第二天然气出气管用于与天然气管网相连，第一海水进液管用于输入海水，第一海水出液管用于输出换热后的海水。
37.经过第一膨胀机3的天然气经第二天然气进气管进入第二换热器5，海水经第一海水进液管进入第二换热器5，天然气发生热交换后经第二天然气出气管输送至天然气管网，海水发生换热后经第一海水出液管输出。
38.第三换热器8的结构与第一换热器2的结构基本一样，第三换热器8包括第二制冷工质集气管、第二制冷工质集液管、若干根间隔设置的制冷工质输送管、第二海水进液管、第二海水出液管、若干根第三液体输送管，第三液体输送管和制冷工质输送管一一对应，第三液体输送管间隔套设在制冷工质输送管外，第二制冷工质集气管、第二制冷工质集液管均横向设置，每根制冷工质输送管纵向设置，每根制冷工质输送管的一端与第二制冷工质集气管连通，另一端与第二制冷工质集液管连通，第二海水进液管间隔套设在第二制冷工质集气管外，第二海水出液管间隔套设在第二制冷工质集液管外，每根第三液体输送管纵向设置，每根第三液体输送管的一端与第二海水进液管连通，另一端与第二海水出液管连通，第二制冷工质集气管与第二膨胀机9连接，第二制冷工质集液管与第一液体输送管26的出口端相连，第二海水进液管用于输入海水，第二海水出液管用于输出换热后的海水。
39.本实施例的第一换热器2、第二换热器5和第三换热器8的结构简单，实用性强，而且换热效果优良。
40.进一步地，制冷工质经第二制冷工质集液管进入第三换热器8，海水经第二海水进液管进入第三换热器8，制冷工质发生热交换后经第二制冷工质集气管进入第二膨胀机9，海水发生换热后经第二海水出液管输出。
41.进一步地，海水经第一海水增压泵6增压后进入第二换热器5，制冷工质经制冷工质增压泵7增压后进入第三换热器8，海水经第二海水增压泵11增压后进入第三换热器8。
42.优选地，第一膨胀机3为透平膨胀机，第二膨胀机9为透平膨胀机。
43.优选地，制冷工质为甲烷、丙烷或混合有机工质等。
44.半导体温差发电单元包括若干个第一发电模块13、若干个第二发电模块和若干个第三发电模块，一个第一发电模块13包覆在第一天然气输送管23外侧，第一发电模块13位于第一天然气输送管23与第一液体输送管26之间，一个第二发电模块包覆在第二天然气输送管外侧，第二发电模块位于第二天然气输送管与第二液体输送管之间，一个第三发电模块包覆在制冷工质输送管外侧，第三发电模块位于制冷工质输送管与第三液体输送管之间，也就是说，第一发电模块13浸泡在制冷工质中，利用第一天然气输送管23内的天然气和第一液体输送管26内的制冷工质之间的温差直接发电。第二发电模块浸泡在海水中，利用第二天然气输送管内的天然气和第二液体输送管内的海水之间的温差直接发电。第三发电模块浸泡在海水中，利用制冷工质输送管的制冷工质和第三液体输送管内的海水之间的温差直接发电。
45.半导体温差发电单元直接固定在第一换热器2、第二换热器5、第三换热器8上，不额外增加设备。
46.可以理解地，半导体温差发电单元包括第一发电模块13、第二发电模块和第三发电模块中的至少一个，为了最大化利用天然气冷能，半导体温差发电单元包括第一发电模块13、第二发电模块和第三发电模块三者。
47.可以理解地，每个第一发电模块13、每个第二发电模块和每个第三发电模块是独立工作的，在后期使用时，可以将若干个第一发电模块13串联或者并联使用，可以将若干个第二发电模块串联或者并联使用，可以将若干个第三发电模块串联或者并联使用，可以将若干个第一发电模块13、第二发电模块、第三发电模块串联或者并联使用。
48.第一发电模块13、第二发电模块和第三发电模块的结构一样，在此，以第一发电模块13举例说明，第一发电模块13包括热电模块以及包括包覆在热电模块上的导热板，导热板一端包覆第一天然气输送管23上，作为半导体温差发电单元的冷端，另一端浸泡在流动的制冷工质中，作为半导体温差发电单元的热端。基于热电模块的塞贝克效应，利用天然气和制冷工质之间的温差，实现半导体温差发电单元直接发电。
49.可以理解地，由于第二发电模块的存在，将海水与第二天然气输送管分离，避免海水直接与第二天然气输送管换热，有效缓解了传统天然气海水气化器管道结冰问题。
50.优选地，导热板为高导热铜板，如此，第一发电模块13的热端导热效果更好，第一发电模块13的冷端和热端之间的温差更大，从而能够提高第一发电模块13的发电效率。
51.优选地，热电模块和导热板通过高导热银浆粘结固定，四周密封，能够防止海水侵蚀。
52.优选地，导热板与第一天然气输送管23通过高导热银浆粘结固定。
53.半导体温差发电技术是利用热电材料的塞贝克效应直接将热能转化为电能的技术，只要存在温差就可以产生电能，具有无噪音、体积小、全固态等特点，是一种较为理想的能量回收技术。基于上述优点，半导体温差发电装置与传统冷能发电系统联合，可以直接安装在系统的换热器管道外壁，不改变天然气冷能发电系统的管道布置，应用起来非常灵活、方便；还可以进一步提高联合发电系统的冷能利用效率，充分利用天然气的冷能。
54.而且半导体温差发电单元利用海水或制冷工质作为热源，由于流体流动换热系数较高，可使半导体温差发电单元冷、热端温差更大，发电效率较高。
55.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。