一种利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统

摘要

一种利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统，包括至少三组热声发电单元、预热系统及燃烧系统；每组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器上依次连接第一热缓冲管和冷端换热器，冷端换热器与该组热声发电单元的热声发动机的回热器相连；液化天然气从系统低温换热器吸热，将低温冷量传给系统冷端换热器，再通过预热换热器回收高温烟气携带的热量，完成预热后进入燃烧系统；液化天然气与燃料在燃烧室混合燃烧产生高温烟气，高温烟气与系统热端换热器换热，将热量传给热端换热器后进入预热换热器预热液化天然气；与传统单热源发电系统相比，其充分利用液化天然气冷能及燃烧烟气热能，提高能源利用率，同时热源温比的提高可大幅提高发电机性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种发电系统，特别是一种利用液化天然气燃烧的双作用热声发电 系统。

背景技术

液化天然气是目前我国重要的能源之一。作为一种清洁、高效、方便、安全 的能源，以其热值高、污染少、储运方便等特点成为了现代社会可选择的优质能 源之一。由于天然气的主要成分是甲烷，用天然气发电，完全燃烧后生成二氧化 碳和水，与用煤发电、石油发电相比可大幅度地消减二氧化碳、二氧化硫、烟尘 等污染物的排放量，所以它是很好的清洁燃料，有利于保护环境和减少城市污染。

天然气经过深度冷却后变成液体，液化天然气常压下沸点温度为-162℃，因 为在液化过程中杂质变成固体被排除，所以液化天然气纯度很高。液化天然气比 同质量的天然气小625倍，这样可用汽车、轮船很方便地将液化天然气运到所需 地方使用。然而，在供应给用户使用前需要将液化天然气进行汽化。通常天然气 气化器从海水和空气中吸热，造成大量的高品位冷能的浪费。液化天然气标准气 化潜热约为510kJ/kg，升温至25℃室温吸热约400kJ/kg，由此可见液化天然气含有 丰富的冷能。现有技术利用液化天然气发电时通常先采用技术回收液化天然气的冷 能，再采用燃气轮机进行发电。液化天然气冷能的回收利用一种方法是通过直接膨 胀法或中间热载体的朗肯循环法，将液化天然气或被液化天然气冷却后的低温热载 体从海水或空气等常温热源吸热，形成高压气体后采用透平膨胀机做功带动发电机 产生电能。常温下的天然气再经燃气轮机进行发电。CN201110050254.0公开了另一 种利用液化天然气的斯特林发动机和燃气轮机联合系统，该系统中利用斯特林机将 液化天然气的冷能发电再用燃气轮机发电。这些系统都利用了两套发动机分别来实 现冷热温源的利用，系统十分复杂，不利于实用。

与斯特林发动机类似，传统的热声发电系统在单台设备上也只能实现单热源利 用，无法实现高低温热源的同时利用，因此也无法实现液化天然气冷能的利用；图1 为传统的双作用热声发电系统结构示意图，该系统包括：

直线发电机101；所述直线发电机101由汽缸、置于所述汽缸之内的压缩活塞 111、与所述压缩活塞111相连的发电机动子113、绕制于发电机动子113外围的发 电机定子线圈114、与所述发电机定子线圈114电连接的发电机负载115及连接于所 述发电机动子113另一端的膨胀活塞112组成；

所述第一室温换热器102、回热器105、热端换热器106、热缓冲管107、第二 室温换热器108和连接管109；连接管109连接下一组双作用热声发电系统；

当热端换热器106吸收来自热源的热量形成高温端时，第一室温换热器102放 出热量形成室温端，这样在回热器105的两端形成了温差，根据热声效应，当回热 器达到一定温度梯度时，系统便自激起振，将热能转化成声功。声功沿着温度梯度 的正方向先传递到本组的热缓冲管107和第二室温换热器108，然后由连接管109传 递到下一组的直线发电机101，将一部分声功转化成电功，将剩余的声功继续传递到 下一组的第一室温换热器102并通过回热器105放大声功，依次传递下去，三组系 统构成环路，每台发动机都可以回收上一台的部分声功，有利于提高效率。双作用 体现在每台发电机的一个活塞起到压缩活塞的作用，另一个活塞起到膨胀活塞的作 用，通过调节阻抗，均可以获得较高的热电转换效率和较大的发电量。在图1所示 的传统的双作用热声发电系统中，无法简单通过第一室温换热器102与低温冷源热 交换来实现冷能利用，因为这样会造成大量的冷能损失，同时发电机还将工作在低 温环境，性能及可靠性大大降低。原理上，在传统双作用热声发电系统中，热端换 热器106也可以是冷端换热器104，用来吸收低温热源的冷能形成低温端。由于回热 器两端存在温度梯度，冷能也可以转化成声功最终发电。但是由于回热器温度梯度 小，系统性能较低。同样的，也不能简单通过第一室温换热器102与高温热源热交 换来实现热能利用，因为这样会造成大量的热量损失，同时发电机还将工作在高温 环境，性能及可靠性大大降低。

发明内容

本发明正是基于以上现有热发电技术存在的一些问题，提出一种新型的利用液 氧燃烧的双作用热声发电系统，其优点在于，在单台设备上利用了天然气燃烧热量 的同时还利用了液化天然气的冷能，在基本不增加系统复杂度的基础上大幅提高了 能源利用率。由于回热器两端绝对温度比的升高，系统性能较之单热源发电系统也 得到大幅地提高。同时，通过新的结构设计避免了发电机工作在低温或高温环境， 既减少了能量的损失、提高了能量利用率又提高了发电机的可靠性。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统，其包括至少三组热 声发电单元；

所述至少三组热声发电单元的每组热声发电单元均由一个直线发电机101和一 个热声发动机组成；所述直线发电机101由汽缸、置于汽缸内两端的压缩活塞111 和膨胀活塞112、与所述压缩活塞111及膨胀活塞112相连的发电机动子113、绕制 于发电机动子113外围的发电机定子线圈114和与所述发电机定子线圈114电连接 的发电机负载115组成；热声发动机包括依次相连的第一室温换热器102、回热器 105、热端换热器106、第二热缓冲管107、第二室温换热器108和连接管109；每组 热声发电单元的直线发电机101的汽缸上端部与该组热声发电单元的热声发动机的 第一室温换热器102通过管道相连通；该组热声发电单元的热声发动机的连接管109 与下一组热声发电单元的直线发电机101的汽缸下端部相连通；首组热声发电单元 的直线发电机101的汽缸下端部与末组热声发电单元的热声发动机的第二室温换热 器108相连通；

其特征在于，还包括燃烧系统和液化天然气及空气预热系统；所述至少三组热 声发电单元的每组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器102上依次连接第 一热缓冲管103和冷端换热器104，所述冷端换热器104与该组热声发电单元的热声 发动机的回热器105相连；

所述燃烧系统由燃烧室301、风机302、天然气泵206和烟气输出管道303组成； 天然气经预热换热器204由天然气泵206输送到燃烧室301、空气由风机302输送入 预热换热器204再进入燃烧室301，空气与天然气在燃烧室301进行燃烧；所述燃烧 室301出口通过烟气输出管道303分别与每组热声发电单元的热声发动机的热端换热 器106相连；

所述液化天然气及空气预热系统由液态天然气存储罐201、液态天然气阀门202、 液态天然气输出管道203、预热换热器204、天然气输入管道205、天然气输入管道阀 门208、天然气外输管道207组成；液态天然气存储罐201通过液态天然气阀门202 和液态天然气输出管道203分别与每组热声发电单元的热声发动机的冷端换热器104 相连通；液态天然气存储罐201内的液氧将低温冷量传给冷端换热器104，自身吸热 气化变成天然气由冷端换热器104流出；流出冷端换热器104的天然气一部分通过 天然气外输管道207输给其他用户，另一部分经天然气输入管道阀门208进入预热 换热器204与燃烧室301排放的烟气进行换热；常温下的空气经风机302输送入预 热换热器204；天然气与空气分别回收烟气的热量温度升高后从预热换热器204流出； 从预热换热器204流出的高温天然气在天然气泵206的驱动下与从预热换热器204 流出的高温空气一起进入燃烧室301进行燃烧；燃烧产生的高温烟气经烟气输出管 道303分别进入每组热声发电系统的热声发动机的热端换热器106，将热量传递给热 端换热器106；高温烟气从热端换热器106流出后进入预热换热器204，对低温天然 气和常温空气进行预热；

在上述流程中，每组热声发电系统的热声发动机的热端换热器106形成高温、 冷端换热器104形成低温，这样在回热器105的两端形成温度梯度；当回热器105 达到一定温度梯度时，利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统便自激起振，系 统内产生压力波动、将热能转化成声功；经直线发电机101的压缩活塞111向热声 发电系统的热声发动机反馈声功，该声功通过第一室温换热器102、第一热缓冲管 103及冷端换热器104传递到回热器；在回热器105两端温度梯度的作用下，该声功 被放大；放大流出回热器105的声功经热端换热器106、第二热缓冲管107、第二室 温换热器108及连接管109传递到下一组的直线发电机101的膨胀活塞112，推动直 线发电机101的膨胀活塞111运动，一方面使得永磁体113在线圈114内部运动， 形成磁通量的变化，从而完成声功到电功的转化；另一方面也使得压缩活塞111运 动，向下一组热声发动机反馈声功，依次传递形成循环，至少三组热声发电单元构 成环路。

所述至少三组热声发电单元的每组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热 器102和第一热缓冲管103将冷端换热器104与该组热声发电单元的直线发电机101 隔开，以减少冷能损失，提高冷能利用率、避免直线发电机在低温环境工作。

所述至少三组热声发电单元的每组热声发电单元的热声发动机的第二室温换热 器108和第二热缓冲管107将热端换热器106与下一组热声发电单元的直线发电机 隔开，以减少热能损失，提高热能利用率、避免直线发电机在高温环境工作。

所述天然气输入管道阀门208调节天然气进入燃烧系统的流量，从而保证热端 换热器所需的热量与冷端换热器所需冷量相匹配。

低温液化天然气经液氧输出管道203串联进入热声发动机的低温换热器；所述 燃烧系统中，高温烟气经烟气输出管道303串联进入热声发动机的高温换热器；在 流动方向上：低温液化天然气与高温烟气顺流分别流经发动机的冷端换热器与热端 换热器，或者低温液化天然气与高温烟气逆流分别流经发动机的冷端换热器与热端 换热器。

本发明的利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统可以两套或两套以上串联 工作。

本发明的优点如下：在单台设备上利用了天然气燃烧热量的同时还利用了液化 天然气的冷能，在基本不增加系统复杂度的基础上大幅提高了能源利用率。由于回 热器两端绝对温度比的升高，系统性能较之单热源发电系统也得到大幅地提高。同 时，通过新的结构设计避免了发电机工作在低温或高温环境，既减少了能量的损失、 提高了能量利用率又提高了发电机的可靠性。

附图说明

图1为传统的双作用热声发电系统结构示意图；

图2为本发明一种同时利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统（实施例1） 结构示意图；

图3为本发明一种同时利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统（实施例2） 结构示意图；

图4为本发明一种同时利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统（实施例3） 结构示意图；

图5为本发明一种同时利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统（实施例4） 结构示意图；

图6为本发明一种同时利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统（实施例5） 结构示意图；

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步详细描述。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步描述本发明。

本发明的利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统，充分利用了高温烟气热 源和低温液化天然气冷源，大大提高了能源利用率；而热源和冷源的同时利用可以 增大回热器高低温端的温比，提高回热器产生声功的能力，增大系统的发电量。新 的结构设计减少了冷能和热能的损失，大大提高了双作用热声发电系统的性能。

实施例1：

图2为一种利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统，其包括：三组热声发 电单元、一个液化天然气及空气预热系统及一个燃烧系统；

本实施例的三组热声发电单元中的每组热声发电单元均由一个直线发电机101 和一个热声发动机组成；所述直线发电机101由汽缸、置于汽缸内两端的压缩活塞 111和膨胀活塞112、与所述压缩活塞111及膨胀活塞112相连的发电机动子113、 绕制于发电机动子113外围的发电机定子线圈114和与所述发电机定子线圈114电 连接的发电机负载115组成；热声发动机包括依次相连的第一室温换热器102、第一 热缓冲管103、冷端换热器104、回热器105、热端换热器106、第二热缓冲管107、 第二室温换热器108和连接管109；每组热声发电单元的直线发电机101的汽缸上端 部与该组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器102通过管道相连通；该组 热声发电单元的热声发动机的连接管109与下一组热声发电单元的直线发电机101 的汽缸下端部相连通；首组热声发电单元的直线发电机101的汽缸下端部与末组热 声发电单元的热声发动机的第二室温换热器108相连通；其特征在于，每组热声发 电单元的热声发动机的第一室温换热器102上依次连接第一热缓冲管103和冷端换 热器104，所述冷端换热器104与该组热声发电单元的热声发动机的回热器105相连；

所述燃烧系统由燃烧室301、风机302、天然气泵206和烟气输出管道303组成； 天然气经预热换热器204由天然气泵206输送到燃烧室301、空气由风机302输送入 预热换热器204再进入燃烧室301，空气与天然气在燃烧室301进行燃烧；所述燃烧 室301出口通过烟气输出管道303分别与每组热声发电单元的热声发动机的热端换热 器106相连；

所述液化天然气及空气预热系统由液态天然气存储罐201、液态天然气阀门202、 液态天然气输出管道203、预热换热器204、天然气输入管道205、天然气输入管道阀 门208、天然气外输管道207组成；液态天然气存储罐201通过液态天然气阀门202 和液态天然气输出管道203分别与每组热声发电单元的热声发动机的冷端换热器104 相连通；液态天然气存储罐201内的液氧将低温冷量传给冷端换热器104，自身吸热 气化变成天然气由冷端换热器104流出；流出冷端换热器104的天然气一部分通过 天然气外输管道207输给其他用户，另一部分经天然气输入管道阀门208进入预热 换热器204与燃烧室301排放的烟气进行换热；常温下的空气经风机302输送入预 热换热器204；天然气与空气分别回收烟气的热量温度升高后从预热换热器204流出； 从预热换热器204流出的高温天然气在天然气泵206的驱动下与从预热换热器204 流出的高温空气一起进入燃烧室301进行燃烧；燃烧产生的高温烟气经烟气输出管 道303分别进入每组热声发电系统的热声发动机的热端换热器106，将热量传递给热 端换热器106；高温烟气从热端换热器106流出后进入预热换热器204，对低温天然 气和常温空气进行预热；

在上述流程中，每组热声发电系统的热声发动机的热端换热器106形成高温、 冷端换热器104形成低温，这样在回热器105的两端形成温度梯度；当回热器105 达到一定温度梯度时，利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统便自激起振，系 统内产生压力波动、将热能转化成声功；经直线发电机101的压缩活塞111向热声 发电系统的热声发动机反馈声功，该声功通过第一室温换热器102、第一热缓冲管 103及冷端换热器104传递到回热器；在回热器105两端温度梯度的作用下，该声功 被放大；放大流出回热器105的声功经热端换热器106、第二热缓冲管107、第二室 温换热器108及连接管109传递到下一组的直线发电机101的膨胀活塞112，推动直 线发电机101的膨胀活塞111运动，一方面使得永磁体113在线圈114内部运动， 形成磁通量的变化，从而完成声功到电功的转化；另一方面也使得压缩活塞111运 动，向下一组热声发动机反馈声功；依次传递形成循环，三组热声发电单元构成环 路。

实施例2：

图3为本发明的一种利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统（实施例2）结 构示意图。本实施例是在实施例1的基础上，将三组热声发电单元扩展为四组，而 燃烧系统和液化天然气及空气预热系统只是简单增加了一路管道，这样在结构简单 变化后提高了系统的功率密度和总体发电量；容易想象，可以根据具体的用电需求 和尺寸要求，选择四组以上的多组热声发电单元。

实施例3：

图4为本发明的利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统（实施例3）结构示 意图。本实施例是在实施例1的基础上，将其中的三组热声发电单元的热声发动机 的冷热端换热器并联换热的形式换成串联换热，即液化天然气预热系统和燃烧系统 中的低温和高温流体依次同方向流过冷、热端换热器，经过最后一组换热后在预热 换热器处进行热交换，降低了排出烟气温度并升高了进入燃烧室的氧气温度，节省 了燃料；由于每台热声发动机内高温换热器温度依次降低，低温换热器温度依次升 高，使得回热器两端的温差依次减少，发电机的发电量也依次减少，可以根据不同 的用电需求，应用不同的发电量。

实施例4：

图5为本发明的一种利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统（实施例4）结 构示意图。本实施例是在实施例1的基础上，将高低温流体依次同方向流过各换热 器变为反方向流过各换热器，这样可以减少每台发动机中回热器两端温差的差异， 使得三台发电机的发电量尽量接近，以便满足相应的用电需求；同时将预热换热器 204中冷热流体的流动由顺流形式改为逆流形式，达到更好的换热效果。

实施例5：

图6为本发明的一种利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统（实施例5）结 构示意图；本实施例是在实施例1的基础上，将两套双作用热声发电系统串联在一 起，采用同一路液化天然气及空气预热系统和燃烧系统，当低温天然气和高温烟气 经过第一套利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统换热后，再流经第二套利用 液化天然气燃烧的双作用热声发电系统换热，最后通过预热换热器，这样可以减少 预热换热器中的流体温差，减少能量损失，更加充分的利用冷热温源，由于第二套 利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统中的发动机回热器两端温差低于第一套 利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统的发动机回热器两端温差，所以第二套 利用液化天然气燃烧的双作用热声发电系统的发电量要小于第一套利用液化天然气 燃烧的双作用热声发电系统。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施 例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前 述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换； 而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的 精神和范围。