LNG冷能发电一体化绕管式换热装置、方法和发电系统与流程

本发明属于液化天然气冷能利用领域，具体涉及一种适用于lng冷能发电的一体化绕管式换热装置及换热方法和发电系统。

背景技术：

1、天然气，即ng，作为一种重要的清洁能源，其在全球范围内的使用与需求量正在不断快速提升。为方便运输，ng常被转化为液化天然气，即lng，进行运输，到达接收站后再气化为ng进行使用。-162℃的lng气化为ng过程中会释放出大量的冷能，利用这部分冷能强化热力循环发电可避免能量浪费，实现节能减排，提升工业系统经济效益。

2、在一套冷能发电系统中，需要循环介质冷凝器、lng加热器、lng气化器以及循环介质气化器等多个换热装置，目前技术常采用若干个单独的板式或管壳式换热器，分别用作前述换热装置，完成发电系统内各换热过程。然而，前述技术中各换热装置不仅自身体积庞大，各换热装置连接、各换热装置与系统内除换热装置外的其他设备连接的管路设计十分复杂，也会增加系统建设、调控难度，从而造成发电系统存在建设成本高、应用维护复杂、占地规模庞大等问题。另外，由于循环介质、lng在各换热装置及管线中流动需克服流体重力作用及各类沿程损失，复杂系统下的驱动功耗也会增加系统的运行成本，降低系统的总体收益。

3、因此，如何提升系统换热装置的集成化程度、简化系统结构、缩小装置占地规模、降低系统运行功耗是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术的不足，本发明提供了一种适用于lng冷能发电的一体化绕管式换热装置及换热方法和发电系统。本发明所提供的一体化绕管式换热装置包含冷凝区、加热区与气化区三个绕管换热区域，包括了将lng冷能发电系统中所需的各换热功能，并且提升了换热装置同体积下的换热面积，从而大幅简化系统结构、缩小系统规模与建设成本；本发明可充分利用流体重力驱动系统内的循环介质与lng在各换热区间流动，从而可有效降低系统运行功耗，提升系统综合应用收益。

2、本发明所提供的技术方案如下：

3、一种适用于lng冷能发电的一体化绕管式换热装置，至少包括：

4、壳体；

5、设置在所述壳体内的上部的冷凝区；

6、以及设置在所述壳体内的下部的气化区，其中：

7、在所述冷凝区和所述气化区之间设置加热区，所述冷凝区和所述加热区之间隔离设置，并通过管路连通；所述加热区和所述气化区之间隔离设置，并通过管路连通；

8、或者，在所述冷凝区和所述气化区之间不设置加热区，所述冷凝区和所述气化区之间隔离设置，并通过管路连通。

9、基于上述技术方案，可将lng冷能发电系统中所需的多个换热器集成为一体，在保证装置在低温、高压工况下安全、稳定生产的同时，大幅精简系统结构、缩小换热装置规模。

10、具体的：

11、在所述冷凝区的上部分别设置有冷凝区lng出液管和循环介质进气管，优选的，冷凝区lng出液管高于循环介质进气管；

12、在所述冷凝区的下部分别设置有冷凝区lng进液管和循环介质出液管；

13、在所述冷凝区内设置有连通结构，所述循环介质进气管和所述循环介质出液管通过所述连通结构连通设置；

14、在所述冷凝区内还设置有换热结构，所述冷凝区lng进液管和所述冷凝区lng出液管通过所述换热结构连通设置。

15、具体的：

16、所述加热区的上部设置有加热区lng进液管和加热区出水管，优选的，加热区lng进液管高于加热区出水管；

17、所述加热区的上部设置有加热区lng出液管和加热区进水管；

18、在所述加热区内设置有连通结构，所述加热区lng进液管和所述加热区lng出液管通过所述连通结构连通设置；

19、在所述加热区内还设置有换热结构，所述加热区进水管和所述加热区出水管通过所述换热结构连通设置。

20、具体的：

21、所述气化区的上部分别设置有气化区lng出液管和气化区进水管，优选的，气化区进水管高于气化区lng出液管；

22、所述气化区的下部分别设置有气化区lng进液管和气化区出水管；

23、在所述气化区内设置有连通结构，所述气化区进水管和所述气化区出水管通过所述连通结构连通设置；

24、在所述气化区内还设置有一个换热结构，所述气化区lng进液和所述气化区lng出液管通过所述换热结构连通设置。

25、进一步的：

26、在所述气化区的上部还设置有循环介质出气管；

27、在所述气化区的下部还设置有循环介质进液管；

28、在所述气化区内还设置有另一个换热结构，所述循环介质进液管和所述循环介质出气管通过所述换热结构连通设置。

29、基于上述技术方案，可在气化区对循环介质一同进行加热气化。

30、具体的：

31、所述冷凝区具有循环介质进气管和循环介质出液管；

32、所述循环介质出液管依次通过循环介质泵进液管路和循环介质泵连通所述循环介质进液管，所述循环介质泵设置或不设置介质泵流量调节旁路。

33、基于上述技术方案，在实现循环介质运行管路连通的情况下，进一步的调节循环介质泵。

34、所述连通结构为中心筒。

35、进一步的，在所述冷凝区内，所述换热结构为绕所述中心筒的外周设置的绕管式冷凝换热管束。

36、进一步的，在所述加热区内，所述换热结构为绕所述中心筒的外周设置的绕管式加热换热管束。

37、进一步的，在所述气化区内，各所述换热结构为绕所述中心筒的外周设置的绕管式气化换热管束。

38、基于上述技术方案，通过采用绕管式换热结构，可进一步的精简系统结构、缩小换热装置规模。换热结构也可根据需要，采用其他现有的结构。

39、具体的，所述冷凝区的上端密封设置有顶部封头。

40、具体的，所述气化区的下端密封设置有底部封头。

41、具体的，所述气化区的下端固定设置在底座上。

42、具体的，所述冷凝区和所述气化区之间设置有加热区，所述冷凝区和所述加热区之间设置有冷凝与加热分隔结构，所述冷凝与加热分隔结构为端板结构或上、下双封头结构。

43、具体的，所述冷凝区和所述气化区之间设置有加热区，所述加热区和所述气化区之间设置有加热与气化分隔结构，所述加热与气化分隔结构为端板结构或上、下双封头结构，优选为采用上、下双封头结构。

44、具体的，在所述冷凝区和所述气化区之间不设置有加热区，所述冷凝区和所述气化区之间设置冷凝与气化分隔结构，所述冷凝与气化分隔结构为端板结构或上、下双封头结构，优选为采用上、下双封头结构。

45、基于上述技术方案，设置冷凝与加热分隔区或加热与气化的分隔区，两个分隔区可将不同的换热功能区分隔成互不连通的封闭区域；依据分隔区的功能作用及装置结构特点，其可采用一体式结构，即依据两个相邻的被分隔区压差等操作参数设计单一端板，使端板两端分别与两个区域密封连接实现分隔效果；也可采用双封头结构，即在分隔区依据两个换热区的压力等参数分别设置两个封头，分别密封两个不同的换热区从而实现分隔效果。

46、具体的，在所述冷凝区和所述气化区之间设置加热区，所述冷凝区的lng出液管和所述加热区的加热区lng进液管之间通过第一lng连通管路；所述加热区的加热区lng出液管和所述气化区的气化区lng进液管之间通过第二lng连通管路。

47、具体的，在所述冷凝区和所述气化区之间不设置加热区，所述冷凝区的lng出液管和所述气化区的气化区lng进液管之间通过第三lng连通管路。

48、本发明还提供了一种适用于lng冷能发电的换热方法，采用本发明所提供的适用于lng冷能发电的一体化绕管式换热装置进行换热，具体包括以下步骤：

49、lng进液进入所述冷凝区后升温，然后在重力作用下进入到所述加热区中升温，然后在重力作用下进入到所述气化区中升温；

50、或者，lng进液进入所述冷凝区后升温，然后在重力作用下进入到所述气化区中。

51、基于上述技术方案，在实现对lng换热的同时，可充分利用流体重力驱动系统内的lng在各换热区间流动，从而可有效降低系统运行功耗，提升系统综合应用收益。

52、具体的，采用有机或无机循环冷剂作为所述冷凝区的循环介质，例如丙烷、氨水、氟化物等常用循环冷剂。

53、具体的，采用自然水源或人工水源作为所述加热区的热源。

54、具体的，采用自然水源或人工水源作为所述气化区的热源。

55、具体的，所述加热区的热源和所述气化区的热源的成分相同或不同，热源的温度相同或不同。

56、基于上述技术方案，进入装置的循环介质可为丙烷、氨水、氟化物等常用循环冷剂，热源流体可为海水等其他适宜温度的可用流体；循环介质与热源流体的成分组成、流量、压力等，在保证装置安全运行的前提下，均可根据生产需求进行调整，加热区与气化区的热源流体也可根据需求采用不同类型的流体，因此本发明装置对于lng一定范围内的压力、流量变化具有良好的适应能力；当lng与冷凝区循环介质换热后即可达到较高温度时，本发明也可通过取消加热区进一步提升装置的适用性，简化装置结构、缩小装置体积。

57、本发明还提供了一种lng冷能发电系统，采用本发明所提供的适用于lng冷能发电的一体化绕管式换热装置，所述循环介质出气管依次通过膨胀发电机进气管路、膨胀发电机和循环介质进气管路连通所述循环介质进气管，所述膨胀发电机设置或不设置发电机流量调节旁路，优选的设置发电机流量调节旁路，以调节或膨胀发电机的流量。

58、上述技术方案中，lng冷能发电系统中所需的换热功能进行了集成，并且提升了换热装置同体积下的换热面积，从而大幅简化系统结构、缩小系统规模与建设成本；lng冷能发电系统可充分利用流体重力驱动系统内的循环介质与lng在各换热区间流动，从而可有效降低系统运行功耗，提升系统综合应用收益并且。

59、本发明的有益效果是：

60、本发明针对lng冷能发电系统中需要冷凝、加热、气化等多个换热器，从而造成的系统结构复杂、规模庞大、流体驱动功耗大等问题，提出了适用于lng冷能发电的一体化绕管式换热装置；

61、本发明提供的装置内部可完全采用缠绕管式换热结构，将冷凝、加热、气化三个换热区集成于装置的腔体内，因此可大幅简化系统结构与操作控制流程、提升换热装置紧凑度、缩减系统建设投入成本与占地规模；

62、本发明提供的装置中冷凝、加热与气化三个换热区自上而下依次连接，与发电系统中lng在各换热区的流动顺序相一致，这不仅可大幅缩减换热区之间的连接管线结构，也可充分利用lng、循环介质的重力势能驱动流体在各换热区间流动，从而可大幅减少系统运行中的流体驱动功耗；

63、本发明提供的装置可适应lng压力等参数在一定范围内的变化，其对进入装置的热源流体、循环介质的组成、压力、流量没有单一的固定参数限制，相关参数可根据lng处理量、压力等工况条件变化进行调整，装置中的加热区也可根据应用工况需求予以取消，从而使本发明具有较强的工况适应能力。

64、总体上，本发明提供的一体化绕管式换热装置，可广泛应用于lng等流体工业生产过程中的冷能回收利用等技术领域，有助于优化冷能利用系统，提升冷能回收利用的经济效益。