一种改进的以液化天然气为燃 料的联合循环发电设备 一种使用液化天燃气(“LNG”)与联合循环发电设备相结合来冷却用以冷却和浓化燃气轮机进气的换热流体并冷凝来自汽轮机的废热的方法及系统。再气化后的LNG用作燃气轮机的燃料并可有选择地分配到其它发电设备和天然气分配系统。
现有技术用一废热锅炉来扩展一燃气轮机设备并把该燃气轮机设备与一汽轮机相结合。该燃气轮机和汽轮机各自驱动本身的发电机或通过一共用轴共同驱动一单个发电机。这些联合设备称之为联合循环设备，一般具有优良的转换效率，其转换效率的数量级在50-52％范围内。这种高效率源于把燃气轮机与至少一汽轮机回路相结合。燃气轮机的废气流经废热锅炉并利用这些废气的余热潜能生产用以供给汽轮机所需的蒸汽。在联合循环设备中，LNG用作燃烧能源。
通常要把LNG作为低温液体装入特殊容器中进行海运。在到达接收地时，该低温液体大致处于大气压状态，温度约为-160℃，必须再气化并以环境温度和适当高压(一般达到80个大气压)输给分配系统。将该液体泵压到所需的压力，以便在补充热量和对其再气化时不需压缩作为产品的天然气。
尽管有人已提出许多建议并建造了利用LNG的大量蕴藏冷量(cold potential)的设备，但在大多数接收地这些蕴藏冷量被浪费掉。为避免结冰，不得不用大量海水对LNG直接进行加热。
例如在发明人为门准(Mandrin)等的美国专利US3,978,663中公开了一种利用液态冷却剂冷却进气来提高燃气轮机效率的方法。对进入燃气轮机的吸气部分的空气进行过滤并利用热交换器使其冷却。在流经热交换器时，如氟利昂之类的冷却剂从空气中吸收热量以使LNG气化。在热交换器中利用混合装置作为防止结冰堵塞装置，甲醇被引入空气中，并在收集装置中予以分离，利用废热来蒸发从甲醇和水混合物中分离出的水份。在上述美国专利之后，门准地另一美国专利US4,036,028中公开了与开式循环燃气轮机系统相结合使用复合工作流体的技术。通过热交换器和一种氟利昂载流体(afreon carrier fluid)利用过冷的LNG从进气中吸取热量。注入甲醇之类的防冻液以防止在热交换器内结冰。该文献公开了一种与压缩机串联布置的汽轮机。
在库伊(Kooy)等人的美国专利US4,995,234中也公开了一种发电系统。该专利公开了冷却燃气轮机的进气、通过与冷凝的二氧化碳相互换热来加热LNG、以及利用燃气轮机排气系统来加热用于驱动一气轮机(a gas turbine)的物质。
与之相类似，在诺萨瓦(Nozawa)的美国专利US4,330,998、4,429,536和4,422,298中公开了一种液化天燃气作致冷剂的发电系统。一般说来，这些专利技术要求供给氟利昂并予以压缩和加热。然后压缩/加热后的氟利昂用于驱动高压汽轮机。在热交换器中受氮气和/或LNG的气流冷却之前，氟利昂再次受到加热并通进一低压汽轮机。
在伍利(Woolley)的美国专利US3,605,405和凯勒(Keller)等的美国专利US4,953,479中公开了燃气与蒸汽联合发电设备。凯勒的文献着重公开将甲醇应用于使用燃气轮机和汽轮机系统中的联合循环发电设备，而在该系统中，利用来自燃气轮机的排气生产驱动汽轮机的蒸汽。然后对废蒸汽予以冷凝并再由排气系统予以加热。
前述的或其它利用LNG的发电系统都没有提出如何达到燃汽轮机的最高效率和最大容量的问题，尤其是这些文献都没有给出在暧热气候(当气温最高时出现峰值电耗)下达到燃气轮机的最高效率和最大容量的方案。燃气轮机的效率和功率通常随着温度的升高而降低。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于发电和从LNG之类的液化低温物质生成气态碳氢化合物的联合发电系统。
本发明的另一目的是提供一种采用如LNG之类的液化低温物质来浓化(通过降低空气温度)进气以在较热气候下使燃气轮机的效率和功率达到最大值的联合发电系统。
总的来说，本发明实现了一种系统和方法，特别是在环境温度超过60°F时，该系统和方法能将联合循环设备的容量提高9％，效率提高约2％。LNG燃料供给系统与联合循环设备结合在一起使用。联合循环设备包括一套燃气轮机设备、一废热锅炉和一套汽轮机设备。在LNG燃料供给系统中，一次换热流体受到冷却，然后在燃气轮机的工作过程中利用该流体来冷却和浓化燃气轮机的进气。该一次换热流体也应用于汽轮机的工作过程来冷凝来自汽轮机的废蒸汽。最后，一次换热流体再循环到LNG燃料供给系统，使该流体在其中再次冷却。一次换热流体流过一个闭合回路，一面冷却和浓化进气，一面冷凝从汽轮机中排出的蒸汽，并且在LNG燃料供给系统中再次将其冷却。
LNG燃料供给系统包括LNG供给线、一再气化器和一冷却器。在LNG燃烧供给系统中，二次换热流体流过一个闭合回路。二次换热流体与在其中将LNG转换成天然气的再气化器和在其中冷却一次换热流体的冷却器处于热交换关系。将一部分天然气用作燃气轮机设备中的燃烧室的燃料。在气化器内二次换热流体由正在膨胀的LNG来冷却，并且在冷却器中该二次换热流体冷却一次换热流体。LNG在不使用昂贵的海水气化器和/或不使用热源燃料的情况下再气化。
在本发明的优选实施例中，一次换热流体，即水流经LNG燃料供给系统内的水冷却器(热交换器)。二次换热流体，即水/乙二醇混合物冷却一次换热流体，然后一次换热流体流到燃气轮机设备的热交换器内。以再气化后的LNG为燃料的燃气轮机设备驱动一发电机。燃气轮机设备有一进气通道、一热交换器、一水分离器、一空气压缩机、一燃烧室、一燃气轮机和一排气通道。热交换器位于进气通道内。一次换热流体流经热交换器并为浓化和冷却流向空气压缩机的进气流提供冷却后的致冷剂流。
废热锅炉位于燃气轮机排气通道的下游并与该排气通道相连通。燃气轮机的废气把流经该锅炉的水流转换成高压蒸汽。
汽轮机设备包括一汽轮机和一废蒸汽冷却器。来自锅炉中的高压蒸汽用于驱动汽轮机，来自该汽轮机中的废蒸汽流入一个冷凝器中。一次换热流体流经该冷凝器并冷凝废蒸汽。然后一次换热流体返回并流经LNG燃料供给系统中的冷却器。
附图是体现一本发明的系统的工作流程图。
参照附图，本发明的系统包括一液化天然气(LNG)燃料供给系统8和一联合循环发电站设备，该设备又包括一套燃气轮机设备10、一套汽轮机设备40和一设在这两套设备之间的废热锅炉36。图中未示出用于换热流体的循环泵。
LNG燃料供给系统8包括一燃料贮存罐12、一泵14、一再气化器16和一冷却器(热交换器)18。闭合回路20用来使水/乙二醇混合物在再气化器16和冷却器18之间流动沟通。天然气从再气化器16流到燃气轮机设备10和其它发电设备和/或一天然气分配系统。燃气轮机设备包括一进气通道22、一容纳在进气通道内的热交换器24和位于一空气压缩机28上游的一下游水和颗粒过滤器26。
来自LNG燃料供应系统8中冷却器18的水流经热交换器24。进气流过该热交换器并被冷却和浓化。经冷却和浓化的空气流入空气压缩机28。
燃烧室30接收来自空气压缩机28的进气并将进气与来自再气化器16的天然气混合，然后把热燃气送给燃气轮机32。
燃气驱动燃气轮机32及一联装的发电机34。空气压缩机28、燃气轮机32和发电机34最好安装在同一驱动轴上。
来自燃气轮机32的废气排放到废热锅炉36，在此水流经一盘管38并转换成高压蒸汽。
汽轮机设备40包括带有一联装的发电机44的一汽轮机42，汽轮机42和发电机44最好都安装在同一驱动轴上。另外，一更大的单台发电机也可安装在与燃气轮机和汽轮机一共用的轴上。汽轮机42的下游设有一冷凝器46，一次换热流体流经该冷凝器。提供一备用冷凝器48，以防LNG燃料供给系统脱机或不能满足所需冷却负荷。冷凝器46冷凝汽轮机42的排放(废汽)，该排放返回废热锅炉36再循环。一次换热流体流回到冷却器18。
在本优选实施例中，一次流体和二次流体各处在一闭合回路内。在联合循环设备内，水用作在LNG燃料供给系统与联合循环设备之间的一次换热流体。水总是保持在冰点以上，并在必要时对水进行处理以抑制腐蚀。
如果LNG再气化器不在运行，则通过提供充足的外部冷却水来应付总冷凝负荷可使联合循环设备脱开LNG再气化器而工作。如果联合循环设备不在运行，则通过提供外部备用加热器来加热循环水可使LNG再气化器脱离联合循环设备而工作。
使用如水/乙二醇之类的二次换热流体，是为了在LNG燃料供给系统中避免出现使纯水结冰的可能性。在联合循环设备中加热到90°F或更高温度的水是用来把二次流体加热到足以使LNG再气化的某一温度，例如在70°F。上述水又被二次流体冷却到较低温度，例如35°F，并返回到联合循环设备来预冷燃气轮机的助燃空气。
LNG再气化系统内的再气化器16和冷却器18(热交换器)处于逆流热交换关系并采用25°F的最小接近温度。冷端的壁温略低于32°F，薄层冰会使热传导系数减小到能使冰外侧的温度升高到32°F的程度。
冷却器18的温度如下：
入口水 95°F(来自给凝器46)
出口水/乙二醇 70°F(95-25)
出口水 35°F(流向热交换器24)
入口水/乙二醇 10°F(35-25)
LNG再气化器16的温度如下：
入口水/乙二醇 70°F(来自水冷却器18)
出口天然气 45°F(70-25)
出口水/乙二醇 10°F(流向水冷却器18)
冷却器18出口水温是通过调节出口水流上的控制阀(未示出)来控制的，从而，随着可获得的制冷量减小，即LNG流量减小，则降低水流量。入口水温由联合循环设备控制。
LNG燃料供给系统可提供大制冷量，用于联合循环设备的冷却及内部冷却。相反，联合循环设备可向LNG燃料供给系统提供大量的热，同时又不降低联合循环设备的性能。在联合循环设备与LNG燃料供给系统之间循环的水使此成为可能。在上述的低温状态下，二次流体使采用水成为可能。
来自联合循环设备中的热水流入一起“飞轮”(fly-wheel)作用的大罐50内，而热水从该罐中泵入冷却器18。该热水也可用于其它需要如95°F或温度更低的“低品位”热能之处。可利用备用加热器(未示出)来保持足够的水温，以便在从联合循环设备得不到热能时提供所需的热能。
在冷却器18中冷却的水主要用于为燃气轮机32预冷助燃空气。冷却过的水也可用于向各种设备提供冷量，包括需要如35°F或温度更高的“低品位”制冷量之处。在蒸汽冷凝器中可全部吸收多余制冷量。
上述描述只限于本发明的一特定实施例。但是很显然，本发明可以有各种变化和改型，以获得本发明的某些或全部优越性。因此，本申请的权利要求包括了所有属于本发明的实质和范围内的变化和改型。