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1、10申请公布号CN104266454A43申请公布日20150107CN104266454A21申请号201410452763X22申请日20140905F25J1/0220060171申请人西安交通大学地址710049陕西省西安市碑林区咸宁西路28号72发明人张荻陈会勇谢永慧74专利代理机构西安通大专利代理有限责任公司61200代理人徐文权54发明名称燃气超临界二氧化碳联合动力的液化天然气生产系统57摘要本发明公开了一种燃气超临界二氧化碳联合动力的液化天然气生产系统，包括三套燃气轮机动力系统、三套超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统和天然气液化生产系统。本发明中燃气轮机使用天然气作为燃料，对于燃。
2、气轮机的排气作为超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统的热源实现燃气超临界二氧化碳联合动力循环，而燃气超临界二氧化碳联合动力循环所产生的动力供应整个液化天然气生产系统所需的动力，整个系统所生产的液化天然气供应输出，提高了系统的效率。本发明能够提供稳定的动力来源，供应整个系统自身使用，生产的液化天然气供应输出，提高了系统整体效率，同时为超临界二氧化碳布雷顿动力循环的运用以及液化天然气的生产提供了新的思路。51INTCL权利要求书2页说明书5页附图1页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图1页10申请公布号CN104266454ACN104266454A1/2页21。
3、燃气超临界二氧化碳联合动力的液化天然气生产系统，其特征在于包括三套燃气轮机动力系统、三套超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统和一套天然气液化生产系统；其中，每一套燃气轮机动力系统包括第一压缩机组1，第一压缩机组1上设有空气入口，第一压缩机组1的气体出口与燃烧器2的气体入口连接，燃烧器2上设有燃料入口，燃烧器2的出口与燃气透平3的进口连接，燃气透平3的出口与换热器4的第一进口连接；每一套超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统包括回热器5，回热器5的低温侧流体入口与第二压缩机组7的流体出口连通，回热器5的低温侧流体出口与对应一套燃气轮机动力系统中换热器4的第二进口相连通，回热器5的高温侧流体进口与蒸汽透平8。
4、的出口连通，回热器5的高温侧流体出口与冷却器6的进口连通，冷却器6的出口与第二压缩机组7的进口连通，对应一套燃气轮机动力系统中换热器4的出口与蒸汽透平8的进口连通；天然气液化生产系统包括分液罐9，分液罐9上设有天然气入口，分液罐9的出口通过管道与过滤器10入口连接，过滤器10的出口与脱CO2塔11的进口连接，脱CO2塔11的出口与干燥器12的入口连接，干燥器12的出口与中压丙烷换热器13的天然气入口连接，中压丙烷换热器13的天然气出口与低压丙烷换热器15的天然气入口连接，中压丙烷换热器13的丙烷出口与中压丙烷制冷循环压缩机14的入口相连，中压丙烷换热器13的丙烷入口与中压丙烷制冷循环压缩机14。
5、的出口相连，低压丙烷换热器15的天然气出口与高压天然气分离器18的入口连接，低压丙烷换热器15的丙烷出口与低压丙烷制冷循环压缩机16的入口相连，低压丙烷换热器15的丙烷入口与低压丙烷制冷循环压缩机16的出口相连，高压天然气分离器18通过管道重新与低压丙烷换热器15连接，作为液相返回的通道，低压丙烷换热器15与高压天然气分离器18之间安装有第一节流阀17，高压天然气分离器18的出口与乙烯换热器19的天然气进口连接，乙烯换热器19的天然气出口与中压LNG换热器21的天然气进口连接，乙烯换热器19的乙烯出口与乙烯制冷循环压缩机20的入口相连，乙烯换热器19的乙烯入口与乙烯制冷循环压缩机20的出口相连。
6、，中压LNG换热器21的出口与中压天然气分离器23连接，中压天然气分离器23通过管道重新与中压LNG换热器21连接，作为气相的回收通道，中压LNG换热器21与中压天然气分离器23之间安装有第二节流阀22，中压天然气分离器23的出口与低压LNG换热器24的进口连接，低压LNG换热器24的出口与低压天然气分离器26的进口连接，低压LNG换热器24与低压天然气分离器26之间安装第三节流阀25，低压天然气分离器26的出口与LNG储槽27的进口连接，低压天然气分离器26和LNG储槽27通过管道重新与低压LNG换热器24连接，作为气相的回收通道，低压LNG换热器24通过管道重新与中压LNG换热器21连接，。
7、作为气相的回收通道；中压丙烷制冷循环压缩机14的转轴与第一套燃气超临界二氧化碳联合动力系统中燃机透平3以及第一套超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统中蒸汽透平8的转轴相连；低压丙烷制冷循环压缩机16的转轴与第二套燃气超临界二氧化碳联合动力系统权利要求书CN104266454A2/2页3中的燃机透平3以及第二套超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统中蒸汽透平8的转轴相连；乙烯制冷循环压缩机20的转轴与第三套燃气超临界二氧化碳联合动力系统中燃机透平3以及第三套超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统中蒸汽透平8的转轴相连。2根据权利要求1所述的燃气超临界二氧化碳联合动力的液化天然气生产系统，其特征在于LNG储槽27。
8、上还设置有LNG外输接口。3根据权利要求1所述的燃气超临界二氧化碳联合动力的液化天然气生产系统，其特征在于每一套燃气轮机动力系统中的换热器4还设有连接烟囱的出口。4根据权利要求1所述的燃气超临界二氧化碳联合动力的液化天然气生产系统，其特征在于分液罐9上还设有去除原料天然气中的液体的出口。5根据权利要求1所述的燃气超临界二氧化碳联合动力的液化天然气生产系统，其特征在于中压丙烷换热器13上还设有连接液相返流冷量回收的接收装置的出口。6根据权利要求1所述的燃气超临界二氧化碳联合动力的液化天然气生产系统，其特征在于中压LNG换热器21上还设有连接液相返流冷量回收的第一接收装置和第二接收装置的出口。权利。
9、要求书CN104266454A1/5页4燃气超临界二氧化碳联合动力的液化天然气生产系统【技术领域】0001本发明属于天然气生产的技术领域，具体涉及一种燃气超临界二氧化碳联合动力的液化天然气生产系统。【背景技术】0002液化天然气LIQUEEDNATURALGAS简称LNG，是如今世界增长最快的一种燃料。LNG是指在超低温162、低压一个大气压条件下的液态天然气，其组分主要为甲烷CH4，LNG无色、无味、无毒并且无腐蚀性，其体积约为同质量气态天然气体积的1/600，也就是说每立方米LNG气化后可得到600立方米的天然气。LNG的密度约为同体积水的45。由于产地不同，LNG的成分也会略有变化，其中。
10、甲烷的变化范围为8598。这正也是不同产地的液化天然气热值和气化率不同的原因，其密度也会出现相应的波动。0003LNG在生产中经过预处理，甲烷的含量超过90。其污染物排放量都有大大的降低。另外，在城市冬季用气高峰期间，LNG可以作为城市燃气调峰的重要手段，所以市场广阔。LNG作为汽车燃料，一氧化碳、碳烟的排放量大幅度降低，对改善环境质量将起到极其重要的作用。国家环境保护法规和汽车尾气排放标准的出台为LNG汽车发展提供了广阔的发展空间，也促进了汽车工业的快速发展。0004基础研究是工业快速发展的必要保障，加速LNG工业的国产化对降低我国的LNG生产成本，推进我国的LNG技术水平的提高具有重要意义。
11、。另外，LNG工业是一个技术密集和高附加值的产业，它的工业链中涉及很多设备生产，发展这一工业必将刺激国内相关产业的迅猛发展。利用超临界流体拟临界区物性突变现象，将压缩机运行点设置在拟临界温度附近的大密度区，将换热器运行点设置在拟临界温度之后的低密度区，可以在保证气体冷却的前提下，降低压缩功耗，实现较高的效率。超临界流体的这一性质使其作为能量转换工质时具有明显的优势。二氧化碳CO2由于其临界压力相对适中738MPA，具有较好的稳定性和核物理性质，在一定的温度范围内表现出惰性气体的性质，以及其无毒、储量丰富、天然存在等特性，被认为是最具应用前景的能量传输和能量转换工质之一。由于超临界二氧化碳SCO。
12、2在一定的运行参数范围内密度较大且无相变，因此以超临界二氧化碳SCO2为工质的压缩机、气轮机等动力系统设备结构紧凑、体积较小。布雷顿循环每个组合可以产出20MW的电力，占用空间只有四个立方米。超临界二氧化碳SCO2布雷顿BRAYTON循环轮机通常用于大型热力和核能发电方面，包括下一代动力反应堆，目标是最终取代蒸汽驱动的朗肯循环轮机效率较低，高温条件存在腐蚀性，同时由于需要非常大的轮机和冷凝器来处理多余的蒸汽，占用空间是30倍。【发明内容】0005本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种燃气超临界二氧化碳联合动力的液化天然气生产系统，该生产系统能够提高系统整体效率，同时能为超临界二氧化碳SC。
13、O2布雷顿BRAYTON动力循环的运用提供新思路。说明书CN104266454A2/5页50006为达到上述目的，本发明采用的技术方案是0007燃气超临界二氧化碳联合动力的液化天然气生产系统，包括三套燃气轮机动力系统、三套超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统和一套天然气液化生产系统；其中，0008每一套燃气轮机动力系统包括第一压缩机组，第一压缩机组上设有空气入口，第一压缩机组的气体出口与燃烧器的气体入口连接，燃烧器上设有燃料入口，燃烧器的出口与燃气透平的进口连接，燃气透平的出口与换热器的第一进口连接；0009每一套超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统包括回热器，回热器的低温侧流体入口与第二压缩机组的流。
14、体出口连通，回热器的低温侧流体出口与对应一套燃气轮机动力系统中换热器的第二进口相连通，回热器的高温侧流体进口与蒸汽透平的出口连通，回热器的高温侧流体出口与冷却器的进口连通，冷却器的出口与第二压缩机组的进口连通，对应一套燃气轮机动力系统中换热器的出口与蒸汽透平的进口连通；0010天然气液化生产系统包括分液罐，分液罐上设有天然气入口，分液罐的出口通过管道与过滤器入口连接，过滤器的出口与脱CO2塔的进口连接，脱CO2塔的出口与干燥器的入口连接，干燥器的出口与中压丙烷换热器的天然气入口连接，中压丙烷换热器的天然气出口与低压丙烷换热器的天然气入口连接，中压丙烷换热器的丙烷出口与中压丙烷制冷循环压缩机的入。
15、口相连，中压丙烷换热器的丙烷入口与中压丙烷制冷循环压缩机的出口相连，低压丙烷换热器的天然气出口与高压天然气分离器的入口连接，低压丙烷换热器的丙烷出口与低压丙烷制冷循环压缩机的入口相连，低压丙烷换热器的丙烷入口与低压丙烷制冷循环压缩机的出口相连，高压天然气分离器通过管道重新与低压丙烷换热器连接，作为液相返回的通道，低压丙烷换热器与高压天然气分离器之间安装有第一节流阀，高压天然气分离器的出口与乙烯换热器的天然气进口连接，乙烯换热器的天然气出口与中压LNG换热器的天然气进口连接，乙烯换热器的乙烯出口与乙烯制冷循环压缩机的入口相连，乙烯换热器的乙烯入口与乙烯制冷循环压缩机的出口相连，中压LNG换热器的。
16、出口与中压天然气分离器连接，中压天然气分离器通过管道重新与中压LNG换热器连接，作为气相的回收通道，中压LNG换热器与中压天然气分离器之间安装有第二节流阀，中压天然气分离器的出口与低压LNG换热器的进口连接，低压LNG换热器的出口与低压天然气分离器的进口连接，低压LNG换热器与低压天然气分离器之间安装第三节流阀，低压天然气分离器的出口与LNG储槽的进口连接，低压天然气分离器和LNG储槽通过管道重新与低压LNG换热器连接，作为气相的回收通道，低压LNG换热器通过管道重新与中压LNG换热器连接，作为气相的回收通道；0011中压丙烷制冷循环压缩机的转轴与第一套燃气超临界二氧化碳联合动力系统中燃机透平。
17、以及第一套超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统中蒸汽透平的转轴相连；0012低压丙烷制冷循环压缩机的转轴与第二套燃气超临界二氧化碳联合动力系统中的燃机透平以及第二套超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统中蒸汽透平的转轴相连；0013乙烯制冷循环压缩机的转轴与第三套燃气超临界二氧化碳联合动力系统中燃机透平以及第三套超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统中蒸汽透平的转轴相连。0014本发明进一步改进在于LNG储槽上还设置有LNG外输接口。0015本发明进一步改进在于每一套燃气轮机动力系统中的换热器还设有连接烟囱的出口。说明书CN104266454A3/5页60016本发明进一步改进在于分液罐上还设有去除原料天然气。
18、中的液体的出口。0017本发明进一步改进在于中压丙烷换热器上还设有连接液相返流冷量回收的接收装置的出口。0018本发明进一步改进在于中压LNG换热器上还设有连接液相返流冷量回收的第一接收装置和第二接收装置的出口。0019与现有技术相比，本发明具有如下的优点0020本发明燃气轮机动力系统包括压缩机组，该压缩机组的气体出口与燃烧器的入口相连，燃烧器的出口与燃机透平的进口相连，经过预处理的燃料和经由压缩机组压缩的空气在燃烧器中混合燃烧，形成高温燃气进入燃气透平做功，燃气透平输出动力，燃气透平的排气进入换热器进行换热，换热后的乏汽从烟囱排出。0021本发明超临界二氧化碳SCO2布雷顿BRAYTON循环。
19、动力系统包括回热器，回热器的低温侧流体入口与压缩机组的出口连通，回热器的低温侧流体出口与换热器的进口相连通，回热器的高温侧流体进口与气轮机的出口连通，回热器的高温侧流体出口与冷却器的进口连通，低温低压的二氧化碳气体经压缩机组压缩升压，再经回热器高温侧流体预热后，进入换热器进行换热，吸收热量后直接进入蒸汽透平做功，蒸汽透平通过轴系输出动力，做功后的乏气经回热器中低温侧流体冷却后，再由冷却器冷却至所需的压缩机组入口温度，最后从冷却器出口进入压缩机组，实现闭式循环。0022本发明天然气液化装置系统包括分液罐，原料天然气进入天然气液化装置系统后，首先进入分液罐去除原料气中的液体，去除液体后的天然气然后。
20、进入过滤器过滤掉粒径大的液体和固体，过滤后的天然气进入脱CO2塔，用一乙醇胺MEA法脱除CO2，脱CO2后的天然气用分子筛干燥器进行脱水处理。预处理流程中有两台干燥器切换使用，其中一台干燥，另一台再生。净化后的天然气，依次进入利用丙烷制冷循环的中压丙烷换热器和低压丙烷换热器，然后经过第一节流阀节流降温后，进入高压天然气分离器进行气液分离，液相返流，冷量回收，产生的气相依次经过利用乙烯制冷循环的乙烯换热器和中压LNG换热器冷却，冷却后，再经过第二节流阀进行节流降温，节流降温后进入中压天然气分离器，在中压天然气分离器中产生的液相进一步经低压LNG换热器冷却以及第三节流阀节流后进入低压天然气分离器，。
21、在低压天然气分离器中，气相返流冷量回收，液相流入LNG储罐储存。0023本发明使用天然气作为燃气轮机的燃料，对于燃气轮机的排气作为超临界二氧化碳SCO2布雷顿BRAYTON循环动力系统的热源实现燃气超临界二氧化碳联合动力循环，而燃气超临界二氧化碳联合动力循环所产生的动力供应整个液化天然气LNG生产系统所需的动力，整个系统所生产的液化天然气LNG供应输出，既提供了稳定的动力来源，又提高了系统的整体效率。综合了燃气轮机动力系统、超临界二氧化碳SCO2布雷顿BRAYTON循环动力系统和天然气液化生产系统，提供稳定的动力来源，供应整个系统自身使用，生产的液化天然气LNG供应输出，提高了系统整体效率，同。
22、时为超临界二氧化碳SCO2布雷顿BRAYTON动力循环的运用以及液化天然气LNG的生产提供了新的思路。【附图说明】0024图1是本发明燃气超临界二氧化碳联合动力的液化天然气生产系统的结构示意图。说明书CN104266454A4/5页70025图中1、第一压缩机组，2、燃烧器，3、燃气透平，4、换热器组，5、回热器，6、冷却器，7、第二压缩机组，8、蒸汽透平，9、分液罐，10、过滤器，11、脱CO2塔，12、干燥器，13、中压丙烷换热器，14、中压丙烷制冷循环压缩机，15、低压丙烷换热器，16、低压丙烷制冷循环压缩机，17、第一节流阀，18、高压天然气分离器，19、乙烯换热器，20、乙烯制冷循环。
23、压缩机，21、中压LNG换热器，22、第二节流阀，23、中压天然气分离器，24、低压LNG换热器，25、第三节流阀，26、低压天然气分离器，27、LNG储罐。【具体实施方式】0026下面结合附图对本发明做进一步详细说明。0027参见图1，本发明燃气超临界二氧化碳联合动力的液化天然气生产系统，包括燃气轮机动力系统、超临界二氧化碳SCO2布雷顿BRAYTON循环动力系统和天然气液化生产系统。0028其中，燃气轮机动力系统包括第一压缩机组1、燃烧器2、燃气透平3和换热器4，第一压缩机组1上设有空气入口，燃烧器2上设有燃料入口，第一压缩机组1的气体出口与燃烧器2的入口连通，燃烧器2的出口与燃气透平3的。
24、进口相连通，燃气透平3的出口与换热器4的第一进口相连通；经预处理的燃料和经由第一压缩机组1压缩的空气在燃烧器2中混合燃烧，形成高温燃气进入燃气透平3中做功，燃气透平3通过轴系输出动力，燃气透平3的排气进入换热器组4进行换热，换热后从烟囱排出。在燃气透平3后设置有换热器组4，实现燃气轮机动力系统和超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统之间的能量传递。0029超临界二氧化碳SCO2布雷顿BRAYTON循环动力系统使用超临界二氧化碳为工质，包括回热器5、冷却器6、第二压缩机组7和蒸汽透平8，回热器5的低温侧流体入口与第二压缩机组7的流体出口连通，回热器5的低温侧流体出口与对应一套燃气轮机动力系统中换热器4。
25、的第二进口相连通，回热器5的高温侧流体进口与蒸汽透平8的出口连通，回热器5的高温侧流体出口与冷却器6的进口连通，冷却器6的出口与第二压缩机组7的进口连通，对应一套燃气轮机动力系统中换热器4的出口与蒸汽透平8的进口连通；低温低压的CO2气体经第二压缩机组7压缩升压后，沿低温侧流体管道进入回热器5，经回热器5中高温侧流体预热后，进入换热器4进行换热，超临界流体吸收热量后，直接进入蒸汽透平8做功，蒸汽透平8通过轴系输出动力，做功后的乏气沿高温侧流体管道进入回热器5，经回热器5中低温侧流体冷却后，进入冷却器6，由冷却器6冷却至所需的压缩机组入口温度，最后从冷却器出口进入第二压缩机组7，实现闭式循环。0。
26、030天然气液化装置系统包括依次连接的分液罐9、过滤器10、脱CO2塔11、干燥器12、中压丙烷换热器13、中压丙烷制冷循环压缩机14、低压丙烷换热器15、低压丙烷制冷循环压缩机16、第一节流阀17、高压天然气分离器18、乙烯换热器19、乙烯制冷循环压缩机20、中压LNG换热器21、第二节流阀22、中压天然气分离器23、低压LNG换热器24、第三节流阀25、低压天然气分离器26和LNG储槽27，分液罐9上设有天然气入口；原料天然气进入天然气液化装置系统后，首先进入分液罐9去除原料气中的液体，去除液体后的天然气然后进入过滤器10过滤掉粒径大的液体和固体，过滤后的天然气进入脱CO2塔11，用一乙醇。
27、胺MEA法脱除CO2，脱CO2后的天然气用分子筛干燥器12进行脱水处理。预处理流程中有两台干燥器切换使用，其中一台干燥，另一台再生。净化后的天然气，依次进入利用中压丙烷说明书CN104266454A5/5页8制冷循环压缩机14驱动的中压丙烷换热器13和低压丙烷制冷循环压缩机16驱动的低压丙烷换热器15，然后经过第一节流阀17节流降温后，进入高压天然气分离器18进行气液分离，液相返流，冷量回收，产生的气相依次经过乙烯制冷循环压缩机20驱动的乙烯换热器19和中压LNG换热器21冷却，冷却后，再经过第二节流阀22进行节流降温，节流降温后进入中压天然气分离器23，在中压天然气分离器23中产生的液相进一。
28、步经低压LNG换热器24冷却以及第三节流阀25节流后进入低压天然气分离器26，在低压天然气分离器26中，气相返流冷量回收，液相流入LNG储罐27储存。其中，第一节流阀17、第二节流阀22以及第三节流阀25分别用以实现气液分离。0031此外，中压丙烷制冷循环压缩机14的转轴与第一套燃气超临界二氧化碳联合动力系统中燃机透平3以及第一套超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统中蒸汽透平8的转轴相连，通过该燃机透平3和蒸汽透平8给中压丙烷制冷循环压缩机14提供动力；低压丙烷制冷循环压缩机16的转轴与第二套燃气超临界二氧化碳联合动力系统中的燃机透平3以及第二套超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统中蒸汽透平8的转轴相。
29、连，通过该燃机透平3和蒸汽透平8给低压丙烷制冷循环压缩机16提供动力；乙烯制冷循环压缩机20的转轴与第三套燃气超临界二氧化碳联合动力系统中燃机透平3以及第三套超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统中蒸汽透平8的转轴相连，通过该燃机透平3和蒸汽透平8给乙烯制冷循环压缩机20提供动力。0032进一步地，LNG储槽27上还设置有LNG外输接口。每一套燃气轮机动力系统中的换热器4还设有连接烟囱的出口。分液罐9上还设有去除原料天然气中的液体的出口。中压丙烷换热器13上还设有连接液相返流冷量回收的接收装置的出口。中压LNG换热器21上还设有连接液相返流冷量回收的第一接收装置和第二接收装置的出口。0033本发明的。
30、超临界二氧化碳SCO2布雷顿BRAYTON循环动力系统中，由于超临界二氧化碳SCO2在一定的运行参数范围内密度较大且无相变，因此以超临界二氧化碳SCO2为工质的压缩机、气轮机等动力系统设备结构紧凑、体积较小，既节约成本，又节省空间。0034天然气液化装置系统中，可以充分利用天然气气井自身高压的特点12MPA，以气体压力为能量，采取分离、脱水、脱CO2、脱重烃等预处理后，经过分级制冷、部分液化工艺，使天然气液化。本发明与国外通常采用的“氮气甲烷”混合制冷循环工艺相比，具有收率高、投资少、能耗低、运行费用低、运行可靠等特点。说明书CN104266454A1/1页9图1说明书附图CN104266454A。