基于区域综合能源系统的液化天然气冷能梯级利用方法

1.本发明涉及液化天然气lng冷能利用技术领域，更具体的说是涉及基于区域综合能源系统的液化天然气冷能梯级利用方法，具体是指基于区域综合能源系统的多能流耦合互补优势，实现复合能源管道冷能梯级回收利用，提高能源利用率。


背景技术：

2.相比于天然气，液化天然气lng的能量密度得到了极大的提高(约600倍)，因此以lng的形式传输可以极大的降低传输损耗。在使用时一般又需将lng重新汽化为天然气，汽化过程中放出大量的冷能。从能源品味和能源总量上来看，这种冷能都具有较高的利用价值。但是现在这些能量都在lng的汽化过程中被舍弃，这不仅是能源的浪费，同时也造成了环境的冷污染。
3.冷能的利用方式众多，目前技术较为成熟利用方式有发电、空气分离、低温粉碎、低温仓储、海水淡化、轻烃分离等。但现有研究均局限于冷能单一能源的回收利用，单纯的从用户用冷的角度思考对冷能分配，并未考虑与其他能源系统的互补耦合与联合优化的可能。而基于区域综合能源系统(regional integrated energy system,ries)是一种输入电能、冷能与天然气三种不同能源形式的ries。由于传输、生产、转换与消费等多个环节的耦合，再考虑到运行控制、耦合方式的种种不同，使得ries变得更加复杂。同时，ries需要消耗热量转化为天然气才能使用，每标准立方米管道中的lng气化，便会释放超过3.8
×
105kj的冷能，目前尚未有模型给出对这部分输入冷能的处理方案。
4.如何解决输入冷能的回收利用问题、寻找到输入能量最优的利用途径、运行策略等是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种基于区域综合能源系统的液化天然气冷能梯级利用方法，通过加入了冷能梯级利用模块，对原本释放到空气或水中的输入冷能进行回收，同时与ries中其他设备联合与其他能源进行联合调度，在提高输入能源利用率的同时实现对周围环境冷污染和零排放，实现多种能源之间协调优化运行、提高系统能量使用效率。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.基于区域综合能源系统的液化天然气冷能梯级利用方法，包括：
8.液化天然气流入区域综合能源系统后作为冷源与系统产生的余热进行联合发电，发电后液化天然气释放冷量后气化为低温天然气，低温天然气通过换热器释放剩余冷量转换为常温天然气，剩余冷量用于向区域综合能源系统供冷；
9.常温天然气通过补热器进行补热，转换为满足温度要求的天然气；
10.收集通过联合发电释放的冷量，冷能回收量输入冷能梯级利用模块，将冷能回收量分为高品位冷能和低品位冷能；
11.高品位冷能用于发电，低品位冷能用于向区域综合能源系统供冷。
12.优选的，冷能回收量q
lng
计算公式为：
13.q
lng
(t)＝f
gas
(t)
·
η
lng,r
14.f
gas
(t)＝f
cchp
(t)+f
bl
(t)+lg(t)
15.其中，η
lng,r
表示冷能回收系数，f
gas
表示流入补热器的常温天然气流量，lg表示气负荷，f
cchp
表示系统耗气量，f
bl
表示辅助锅炉耗气量。
16.优选的，高品位冷能用于发电，其发电量p
lng
计算公式为：
17.p
lng
(t)＝q
lng
(t)
·
η
lng,e
·
η
lng,per
[0018][0019]
其中，η
lng,e
表示冷能发电系数，tc表示冷源温度，t0表示环境温度，η
lng,per
表示可用于冷能发电的高品位冷能在总冷能中的占比。
[0020]
优选的，低品位冷能用于向区域综合能源系统供冷，其供冷量qc计算公式为：
[0021]
qc(t)＝q
lng
(t)
·
(1-η
lng,e
·
η
lng,per
)
·
η
lng,c
[0022]
其中，η
lng,e
表示冷能发电系数，η
lng,per
表示可用于冷能发电的高品位冷能在总冷能中的占比，η
lng,c
表示供冷损耗系数。
[0023]
优选的，常温天然气通过补热器进行补热，其补热量所消耗的热量qr计算公式为：
[0024]
qr(t)＝(f
cchp
(t)+f
bl
(t)+lg(t))
·
η
lng,h
[0025]
其中，η
lng,h
表示天然气的补热系数，lg表示气负荷，f
cchp
表示系统耗气量，f
bl
表示辅助锅炉耗气量。
[0026]
本发明具有以下优点：
[0027]
(1)本发明成功地将原本需要耗能且污染环境的lng气化过程转化为了能量供给；
[0028]
(2)在不消耗额外能源、不增加二氧化碳排放的情况下，增加了电能供应；
[0029]
(3)低品位冷能用于供冷，可减少冷负荷对电能与热能的消耗，进一步减少能源的消耗；
[0030]
(4)给出ries系统输入冷能的处理方案；
[0031]
(5)系统可以灵活采用“以热定电”或者“以电定热”的运行方式，以最大程度降低系统整体的运行成本。
附图说明
[0032]
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0033]
图1附图为传输工质状态变化示意图。
[0034]
图2附图为不同压力下释放冷量与温度关系图。
[0035]
图3附图为不同压力下释放冷能与温度关系图。
[0036]
图4附图为低温朗肯法发电流程示意图。
[0037]
图5附图为冷能梯级利用示意图。
[0038]
图6附图为cep-ries系统结构。
[0039]
图7附图为系统能量流示意图。
[0040]
图8附图为ries系统的能量物质流模型。
具体实施方式
[0041]
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做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。
[0042]
本发明实施例公开了一种基于区域综合能源系统的液化天然气冷能梯级利用方法，首先对输入冷能价值进行分析：
[0043]
热力学第一定律称，能量不会凭空产生也不会凭空消失，因此一个过程或者系统内能量在转化与传递的过程中总量不变。但热力学第一定律无法全面评价能量的质量与价值的不同。例如卡诺热机，其效率由式(1)决定：
[0044][0045]
式(1)左端η为卡诺因子；∑ws为系统理论上转化的最大功；q为该状态下的热量；tc为冷源温度；t0为环境温度。由式(1)可以得出，不同温度冷源的热转化为功的效率不同，冷源温度越低，转化效率越高。
[0046]
单纯的以热力学第一定律的冷能平衡计算无法全面的反映出输入冷能的利用价值，引入了有效能概念：(exergy)。一个系统在一定状态下可逆变转为与周围环境平衡状态时所能对外做的最大有用功便称为该系统在该状态下的，而无法做功部分的能量称为(anergy)。因此，可以用来描述能量的价值。在研究输入冷能的过程中，lng是冷能的传输工质。输入冷能的是其传输工质经过一系列的热力学变化，由最初状态(tc、pc)，达到与周围环境平衡的末态(t0、p0)所做的所有有用功，如图1所示。
[0047]
在不考虑输送工质的动能与重力势能的情况下，输入冷能的表达式如式(2)所示：
[0048]ex
＝h-h
0-t0·
(s-s0)
ꢀꢀ
(2)
[0049]
式中，e
x
为冷能的；h、s为单位质量冷能输送工质的焓值与熵值；h0、s0为环境温度下冷能输送工质的焓值与熵值；t0为环境温度。在研究输入冷能的过程中，lng作为冷能的传输工质，其回收利用过程便是通过一系列的热力学变化，将lng气化为常温天然气，热力学状态不再发生变化。因此输入冷能的可以分为热与压力，其大小可由式(3)、(4)表示：
[0050][0051]
[0052]
因此，输入冷能的大小可以由(5)表示：
[0053][0054]
式中，tc、pc为输送工质的初始温度与压力；t0、p0为达到平衡状态后的温度与压力；c
wf
为单位工质的热容。由式(5)可以看出，输送工质成分的不同，也将影响到的大小。采用某lng接收站的数据作为参考，其组分如表1所示。
[0055]
表1 lng组分
[0056][0057]
在常温条件下，不同压力下(考虑管道特性，选择0.1mpa，0.4mpa，1.0mpa，4.0mpa，7.0mpa进行对比)的输送工质释放的冷量、冷能与温度的关系如图2、3所示。
[0058]
本发明具体包括以下步骤：
[0059]
lng从复合能源管道cep流入ries系统后，首先作为冷源与系统产生的余热进行联合发电，选择低温朗肯循环法作为冷能发电方式，低温朗肯循环法是通过热交换机通过lng气化过程中的冷能存储到循环工质中，既将循环工质液化。经过工质泵加压后将循环工质泵入蒸发器，在蒸发器中与热源换热，提高其温度与压力，使其拥有做工的能力。具有做工能力的工质再压入透平膨胀机膨胀做功，膨胀机带动发电机发电。做工后的工质重新转化为气态，再次进入热交换机吸收冷能后液化，完成整个发电循环。具体流程如图4所示。
[0060]
发电后，lng已经释放了大量冷量并气化为低温天然气，此时再次通过换热器换出剩余的大部分冷能，使得天然气温度接近常温，此时换出的冷能则可用于向ries供冷；
[0061]
经过两轮升温的天然气已经接近常温，但为了满足下游输送管道的温度要求，通过补热器对其进行补热，补热所需要的热量同样可以由ries系统的余热所提供。
[0062]
收集通过联合发电释放的冷量，冷能回收量输入冷能梯级利用模块，将冷能回收量分为高品位冷能和低品位冷能；
[0063]
高品位冷能用于发电，低品位冷能用于向区域综合能源系统供冷。
[0064]
进一步，系统总的冷能回收量q
lng
与气化lng的流量f
gas
有关，其大小为气负荷lg、系统的耗气量f
cchp
与辅助锅炉耗气量f
bl
之和，如式(6)、(7)所示。
[0065]fgas
(t)＝f
cchp
(t)+f
bl
(t)+lg(t)
ꢀꢀ
(6)
[0066]qlng
(t)＝f
gas
(t)
·
η
lng,r
ꢀꢀ
(7)
[0067]
式中，η
lng,r
为系统的冷能回收系数，由换热器的相关参数所决定。
[0068]
回收冷能中的高品位冷能用于发电，其发电量p
lng
如式(8)所示：
[0069]
p
lng
(t)＝q
lng
(t)
·
η
lng,e
·
η
lng,per
ꢀꢀ
(8)
[0070]
式中，η
lng,e
为冷能发电系数，η
lng,pe
r为可用于冷能发电的高品位冷能在总冷能中的占比。
[0071]
低品位冷能用于向ries系统供冷，其供冷量qc如式(9)所示：
[0072]
qc(t)＝q
lng
(t)
·
(1-η
lng,e
·
η
lng,per
)
·
η
lng,c
ꢀꢀ
(9)
[0073]
式中，η
lng,c
为供冷损耗系数。
[0074]
对输出的天然气进行补热所消耗的热量qr如式(10)所示：
[0075]
qr(t)＝(f
cchp
(t)+f
bl
(t)+lg(t))
·
η
lng,h
ꢀꢀ
(10)
[0076]
式中，η
lng,h
为天然气的补热系数，其大小由天然气的比热容c
ng
与下游天然气管网的要求决定。
[0077]
下面结合具体实例，对本发明具体步骤进行说明：
[0078]
以一天24h为运行周期，每1h进行一次优化调整；
[0079]
(1)复合能源管道供能的区域综合能源系统cep-ries系统结构如图6所示，cep-ries的外部能量供应渠道全部由cep实现，是整个系统的能源基础，保证了系统的基本运行；
[0080]
内部能量输送管道由系统内部的区域电网、区域气网、区域冷网、区域热网以及区域lng网络组成，衔接系统内的各类设备；
[0081]
内部能量耦合装置包括了cep终端、调压换热站、复热器、辅助锅炉、冷热电联供模块(combined cooling heating and power，cchp)、冷能梯级利用模块、电制冷机以及电力变压器；
[0082]
以capstone c200型微型燃气发电机组为例，cchp发电量p
cchp
(t)与供热量q
cchp
(t)表示为：
[0083]
p
cchp
(t)＝f
cchp
(t)
·
η
cchp,e
(t)
[0084]qcchp
(t)＝(1-η
cchp,e
(t))
·
η
cchp,h
[0085]
η
cchp,e
(t)＝a
·
f3(t)-b
·
f2(t)+c
·
f(t)+d
[0086]
式中，η
cchp,e
为发电机的发电效率，a、b、c、d为发电机效率系数，为正常数；η
cchph
,为热回收系数。
[0087]
吸收式制冷机利用燃气发电机产生的余热进行制冷，其制冷量可表示为：
[0088]qabc
(t)＝q
ref
(t)
·cabc
[0089]
式中，q
ref
(t)为吸收式制冷机的耗热量；c
abc
为吸收式制冷机的能效比，其大小与所用与制冷的预热温度、流量以及制冷机的制冷效率有关。
[0090]
设置有电制冷机与辅助锅炉用以辅助cchp系统，其输出功率表示为：
[0091]qec
(t)＝p
ec
(t)
·
cop
ec
[0092]qbl
(t)＝f
bl
(t)
·
η
bl
[0093]
式中，p
ec
为电制冷机的耗电量；cop
ec
为电制冷机的能效比；η
bl
为辅助锅炉的制热效率；q
ec
为电制冷机功率；q
bl
为辅助锅炉功率；f
bl
为辅助锅炉耗气量。
[0094]
cchp发电机组的运行还受到爬坡约束以及启停时间的约束，表达式为：
[0095]
p
cchp
(t)-p
cchp
(t-1)≤p
cchp,up
[0096]
p
cchp,down
≤p
cchp
(t)-p
cchp
(t-1)
[0097]
式中，p
cchp
为cchp发电功率，p
cchp,up
、p
cchp,down
为爬坡功率限制。
[0098]
系统的负荷能量物质平衡约束包括电负荷平衡、热负荷平衡、冷负荷平衡以及天然气流平衡，系统需要满足每种负荷的实时供应，如式所示：
[0099]
le(t)＝p
grid
(t)+p
cchp
(t)+p
lng
(t)-p
ec
(t)
[0100]
lh(t)＝q
bl
(t)+q
cchp
(t)-qr(t)-q
ref
(t)
[0101]
lc(t)＝q
ec
(t)+q
abc
(t)+qc(t)
[0102]fgrid
(t)＝lg(t)+f
cchp
(t)+f
bl
(t)+l
lng
(t)
[0103]
式中，le为系统电负荷；lh为系统热负荷；lc为系统冷负荷；lg为系统气负荷；l
lng
为系统lng负荷；qr为天然气进行补热所消耗的热量；p
grid
为电网购电量；f
grid
为气网购气量；f
cchp
为cchp的耗气量。
[0104]
(2)用某lng接收站的数据作为参考，其组分如表1所示，在常温条件下，不同压力下的输送工质释放的冷量、冷能与温度的关系如图2、3所示；
[0105]
(3)将电价根据高峰、平段和低谷三个时段采用分时电价，具体的电价见表2；
[0106]
表2分时电价与分时气价
[0107][0108]
(4)输入冷能采用两级利用方案，高品位冷能用于发电；低品位冷能通过换热回收，直接向ries供冷。低温朗肯法发电流程如图4所示，建立冷能梯级利用方案，具体如图5所示；
[0109]
(5)系统的内部能流如图7所示，燃气发电机从区域气网获取天然气进行发电，发电后排放的热量通过吸收式制冷机制冷或由余热回收锅炉回收用于供热。为保证负荷得到充分满足，有需要的时候电制冷机可以直接耗电供冷，辅助锅炉可以直接耗气供热。
[0110]
(6)由图6的ries系统，并在此基础上对系统内各元件进行建模，得到了ries系统的能量物质流模型，如图8所示。
[0111]
(7)因为采取梯级利用的方式，输入冷能在向系统供冷之外还可以用于发电，可以更加灵活的参与多能流的联合调度，可以看出，过剩的冷能转化为电能供应，系统的弃冷量大大减少。该例中，有一定比例的电负荷由冷能发电来满足，同时也应注意到，有时仍然需要一定比例的电能用于制冷，但制冷所用的电能远低于冷能发电所产生的电量。
[0112]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0113]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。
对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.基于区域综合能源系统的液化天然气冷能梯级利用方法，其特征在于，包括：液化天然气流入区域综合能源系统后作为冷源与系统产生的余热进行联合发电，发电后液化天然气释放冷量后气化为低温天然气，低温天然气通过换热器释放剩余冷量转换为常温天然气，剩余冷量用于向区域综合能源系统供冷；常温天然气通过补热器进行补热，转换为满足温度要求的天然气；收集通过联合发电释放的冷量，冷能回收量输入冷能梯级利用模块，将冷能回收量分为高品位冷能和低品位冷能；高品位冷能用于发电，低品位冷能用于向区域综合能源系统供冷。2.根据权利要求1所述的基于区域综合能源系统的液化天然气冷能梯级利用方法，其特征在于，冷能回收量q
lng
计算公式为：q
lng
(t)＝f
gas
(t)
·
η
lng,r
f
gas
(t)＝f
cchp
(t)+f
bl
(t)+l
g
(t)其中，η
lng,r
表示冷能回收系数，f
gas
表示流入补热器的常温天然气流量，l
g
表示气负荷，f
cchp
表示系统耗气量，f
bl
表示辅助锅炉耗气量。3.根据权利要求1所述的基于区域综合能源系统的液化天然气冷能梯级利用方法，其特征在于，高品位冷能用于发电，其发电量p
lng
计算公式为：p
lng
(t)＝q
lng
(t)
·
η
lng,e
·
η
lng,per
其中，η
lng,e
表示冷能发电系数，t
c
表示冷源回收量回收的冷源温度，t0表示环境温度，η
lng,per
表示可用于冷能发电的高品位冷能在所有梯级利用的总冷能中的占比。4.根据权利要求1所述的基于区域综合能源系统的液化天然气冷能梯级利用方法，其特征在于，低品位冷能用于向区域综合能源系统供冷，其供冷量q
c
计算公式为：q
c
(t)＝q
lng
(t)
·
(1-η
lng,e
·
η
lng,per
)
·
η
lng,c
其中，η
lng,e
表示冷能发电系数，η
lng,per
表示可用于冷能发电的高品位冷能在所有梯级利用的总冷能中的占比，η
lng,c
表示供冷损耗系数。5.根据权利要求1所述的基于区域综合能源系统的液化天然气冷能梯级利用方法，其特征在于，常温天然气通过补热器进行补热，其补热量所消耗的热量q
r
计算公式为：q
r
(t)＝(f
cchp
(t)+f
bl
(t)+l
g
(t))
·
η
lng,h
其中，η
lng,h
表示天然气的补热系数，l
g
表示气负荷，f
cchp
表示系统耗气量，f
bl
表示辅助锅炉耗气量。

技术总结
本发明公开了一种基于区域综合能源系统的液化天然气冷能梯级利用方法，包括：液化天然气流入区域综合能源系统后作为冷源与系统产生的余热进行联合发电，发电后液化天然气释放冷量后气化为低温天然气，低温天然气通过换热器释放剩余冷量转换为常温天然气，剩余冷量用于向区域综合能源系统供冷；常温天然气通过补热器进行补热，转换为满足温度要求的天然气；收集通过联合发电释放的冷量，冷能回收量输入冷能梯级利用模块，将冷能回收量分为高品位冷能和低品位冷能；高品位冷能用于发电，低品位冷能用于向区域综合能源系统供冷。能够对冷能进行回收，实现多种能源之间协调优化运行、提高系统能量使用效率。提高系统能量使用效率。提高系统能量使用效率。


技术研发人员：李茜 党一中 宾帆 张安安 杨威 田园茂 张航 王雯铎 魏江山 任家华
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2022.09.08
技术公布日：2023/5/30