CN104929776A - 一种利用燃气和天然气管网压力能的联合循环发电*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用燃气和天然气管网压力能的联合循环发电***，***包括压力能发电装置和燃气轮机、压力能发电装置和燃气轮机之间设有烟气废热回收装置，本发明所提供的一种利用燃气和天然气管网压力能的联合循环发电***，创新性地把燃气轮机与膨胀发电机联合，提出了燃气和压力能联合循环发电技术，提高了天然气发电效率，燃气轮机的应用解决了大多数天然气调压站无废热可利用的现状，实现了天然气调压站的压力能高效发电利用。在天然气调压站设置燃气轮机，丰富了天然气调压站的能源输出品种。

Description

一种利用燃气和天然气管网压力能的联合循环发电***

技术领域

本发明涉及适用于天然气调压站的发电***，具体为一种利用燃气和天然气管网压力能的联合循环发电***。

背景技术

天然气是一种优质、高效、清洁的低碳能源。加快天然气产业发展，提高天然气在一次能源消费中的比重，对我国调整能源结构、提高人民生活水平、促进节能减排、应对气候变化具有重要的战略意义。为此“十二五”期间，我国加大了天然气勘探、生产能力和基础设施建设，2012年天然气产量达到了1071.5立方米，消费总量达到了1463亿立方米。“十二五”期间，我国计划新增干线管输能力约1500亿立方米/年，新建天然气管道（含支线）4.4万公里，我国天然气主干管道长度达到8.4万公里。为了降低输送成本、提高管线安全性，目前世界上天然气管线压力普遍在10MPa以上，我国天然气干线管网的设计压力为10-12MPa之间，区域管网的设计压力为6.3-8MPa之间。同时，天然气输送到用户时必须降压后才能使用，如燃气轮机的天然气进口压力要求在2.5MPa左右，城镇燃气管网的天然气压力更低，大多只要略高于大气压即可。为了满足不同用户需要，天然气管网中设置了众多调压站。目前天然气的调压方式多采用紧急截断阀SSV+监控调压阀PCV+工作调压阀PV的三阀组调压型式，天然气通过节流阀降压后产生巨大冷量而产生霜冻，堵塞阀门和管道，对调压及管道设备运行安全构成威胁。传统的解决方案是通过水浴式电加热器、水浴式天然气加热器等形式对调压前的高压气体进行加热。这种方式在消耗燃气或电能的同时也浪费了管网中天然气的压力能。而大型天然气接收站的天然气压力能多用于液化天然气，在利用压力能的同时达到调峰的目的，此种天然气压力能的能源利用率较高。

为了回收天然气管网中的压力能，申请号为201210403284.X的发明专利公开了一种可在天然气进行调压输送时利用压差能发电的装置，该发明采用预加热器和膨胀发电机替代传统的三阀组调压装置，把膨胀前的高压天然气加热至一定温度后利用膨胀发电机把天然气中的压力能转换为电能，天然气加热用热源采用电能或一定温度的废热。由于膨胀机减压是等熵膨胀，而传统的三阀组调压是等焓膨胀，因此采用膨胀机减压后的天然气温降远大于传统的三阀组调压后的天然气温降，相应地为保证产生霜冻或水化物的生成预热所需的能源要大得多。由于大多天然气调压站没有余热可利用，因此通常需要采用电能或天然气加热，同时预热器换热、膨胀发电机的转换存在一定的损失，天然气预热所需的热量要多于膨胀发电机转换成的电能。

申请号为201410260983.2的发明专利公开了一种天然气压能冷能联合的发电***，该发明取消了天然气预热器，采用膨胀发电机组回收天然气中的压力能，ORC循环***回收减压后的低温天然气中的冷能，与申请号为201210403284.X的发明专利相比提高了天然气压力能回收效率，但由于天然气气质要低于液化天然气，因此如不经脱水、脱二氧化碳、脱硫化氢等预处理在常温下采用膨胀发电机组直接膨胀将导致设备堵塞、腐蚀和磨蚀现象的发生，同时ORC***的发电效率只有10%左右，采用膨胀发电机减压后产生的冷能利用率低。因此需要进一步提高发电效率。

另一方面，轻型燃气轮机技术（通常指功率在1000kW~50000kW之间）和微型燃气轮机技术（功率在1000kW以下）在能源利用率、污染物排放等方面具有明显优势，能提供清洁、可靠、高质量的电能。我国正在推广以微型和轻型燃气轮机为核心的分布式供能***。目前，世界上先进微型和轻型燃气轮机的简单循环发电效率可达到30%以上，排烟温度在250℃左右，因此有60%以上的输入能量通过烟气排放至周围环境中。

发明内容                                                           

针对上述问题，本发明提供了一种利用燃气和天然气管网压力能的联合循环发电***，区别于目前成熟的“燃气-蒸汽”联合循环发电技术，本发明通过烟气余热回收***把燃气轮机发电和天然气压力能发电整合在一起，以达到高效回收天然气压力能、提高联合发电***的综合发电效率的目的。

本发明采用的技术方案是，构建一种利用燃气和天然气管网压力能的循环发电***，上述***包括压力能发电装置和燃气轮机，压力能发电装置和燃气轮机之间通过烟气废热回收装置相连。

上述压力能发电装置包括预处理装置，其进口与高压天然气管道相连，其出口与原有的天然气预热器的进气口相连，天然气预热器出气口通过第一阀门分为两路，一路通过第二阀门与原有的天然气调压装置的进口相连，天然气调压装置的出口通过第三阀门与下游管线相连；另一路通过第四阀门与天然气加热器进口相连，天然气加热器出口通过第五阀门与驱动发电机运转的膨胀机天然气进口相连，膨胀机天然气出口通过第六阀门分别与第八阀门和通过第七阀门与天然气下游管网相连。

燃气轮机的燃料进口通过第八阀门和第六阀门与膨胀机出口相连，燃气轮机（7）的烟气出口与烟气废热回收装置的烟气废热回收器相连。

进一步地，上述烟气废热回收器为烟气走管外，介质水走管内的鳍片管式烟气废热回收器。进一步地，天然气膨胀发电装置为透平膨胀机或螺杆式膨胀机。

进一步地，上述天然气加热器结构为介质水走管外，天然气走管内的列管式换热器。

进一步地，上述烟气废热回收器的介质进口与天然气加热器介质出口相通，烟气废热回收器的介质进口与天然气加热器介质出口之间管路上还设有电动泵；烟气废热回收器的介质出口与天然气加热器的介质进口相连，烟气废热回收器的介质出口与天然气加热器的介质进口之间的管道上还设有备用加热器。

进一步地，上述备用加热器为水浴式电加热器。

进一步地，上述介质为除盐水。

与现有技术相比，本发明所提供的一种利用燃气和天然气管网压力能的联合循环发电***，具有以下优点：

1、创新性地把燃气轮机与膨胀发电机联合，提出了燃气-压力能联合循环发电技术，提高了天然气发电效率。

2、燃气轮机的应用解决了大多数天然气调压站无废热可利用的现状，实现了天然气调压站的压力能高效发电利用。

3、在天然气调压站设置燃气轮机，丰富了天然气调压站的能源输出品种。

附图说明

图1为本发明的原理图。

具体实施方式                                                          

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

实施例1            

在本实施例中，结合附图，对本发明的结构进行详细描述。

请参见附图，本发明提供的一种利用燃气和天然气管网压力能的循环发电***，本发明采用的技术方案是，构建一种利用燃气和天然气管网压力能的循环发电***，***包括压力能发电装置和燃气轮机，压力能发电装置和燃气轮机7之间通过烟气废热回收装置相连。

压力能发电装置包括预处理装置1，其进口与高压天然气管道相连，其出口与原有的天然气预热器2的进气口相连，天然气预热器2出气口通过第一阀门11分为两路，一路通过第二阀门12与原有的天然气调压装置3的进口相连，天然气调压装置3的出口通过第三阀门13与下游管线相连；另一路通过第四阀门14与天然气加热器4进口相连，天然气加热器4出口通过第五阀门15与驱动发电机6运转的膨胀机5天然气进口相连，膨胀机5天然气出口通过第六阀门16分别与第八阀门18和通过第七阀门17与天然气下游管网相连。

燃气轮机7的燃料进口通过第八阀门18和第六阀门16与膨胀机出口相连，燃气轮机7的烟气出口与烟气废热回收装置的烟气废热回收器8相连。

作为本实施中的优选实施方式，烟气废热回收器8为烟气走管外，介质水走管内的鳍片管式烟气废热回收器。

作为本实施中的优选实施方式，天然气膨胀发电装置5为透平膨胀机或螺杆式膨胀机。

作为本实施中的优选实施方式，天然气加热器4结构为介质水走管外，天然气走管内的列管式换热器。

作为本实施中的优选实施方式，烟气废热回收器8的介质进口与天然气加热器4介质出口相通，烟气废热回收器8的介质进口与天然气加热器4介质出口之间管路上还设有电动泵9，以克服循环水的沿程阻力；烟气废热回收器8的介质出口与天然气加热器4的介质进口相连，烟气废热回收器8的介质出口与天然气加热器4的介质进口之间的管道上还设有备用加热器10。

作为本实施中的优选实施方式，备用加热器10为水浴式电加热器。用于联合循环发电***启动时加热介质水所用，当介质水温度达到要求后该备用电加热器10停用。

作为本实施中的优选实施方式，介质为除盐水。为了防止结垢和腐蚀，烟气废热回收***中的介质水通常采用除盐水。烟气废热回收***中的介质水温度较高（相比于周围环境），应做好相关设备和管道的保温。介质水应维持一定的压力以防止水温较高而沸腾，同时在介质水管道的适当位置设置安全阀，用于排放水蒸汽。

实施例2

在本实施例中，结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。

本技术方案通常应用于天然气调压站。该技术方案实施前，需要了解天然气组分、流量、调压前后压力、温度等数据，并根据了解的数据选择天然气膨胀发电机组的容量；根据天然气所需的预热量和燃气轮机的排烟参数选择燃气轮机的容量，以达到最佳的匹配。

如图所示，本发明提供一种利用燃气和天然气管网压力能的联合循环发电***，包括压力能发电装置和燃气轮机，压力能发电装置和燃气轮机之间通过烟气废热回收***相连。

从上游高压管网输送来的天然气，经过预处理装置1预处理后进入天然气预热器2（下游低压天然气温度低于露点温度时启用）后，通过第一阀门11分为两路，一路通过第四阀门14进入天然气加热器4，被热水加热至需要的温度后（确保膨胀后温度高于低压力下的露点温度）通过第五阀门15进入膨胀机5，膨胀至所需压力后输送至下游低压管网，膨胀机5驱动发电机6运转把天然气压力能转化为电能。通过第六阀门15从下游低压管网中分出与微型燃气轮机7相适应的低压天然气量输送入微型燃气轮机7，驱动燃气轮机7发电，微型燃气轮机7排出的烟气接入烟气废热回收装置的烟气废热回收器8，并加热介质水至需要的温度，降温后的烟气排入周围环境中，电动泵9用于介质水在烟气废热回收装置的烟气废热回收器8和天然气加热器4之间的循环流动，把烟气中的废热传递至减压前的天然气中。

以下结合应用实例对该***的具体应用加以说明：

以天然气输送量为每小时6000标准立方米的调压站为例。天然气进站压力为3.0兆帕（表压），出站压力为0.4兆帕（表压），天然气初始温度20℃，调压后温度保持在3℃以上。膨胀机4等熵效率取75%，发电机5机械效率取95%，燃气轮机烟气热回收率取95%。经计算，为保证经膨胀机膨胀后天然气温度不低于3℃，天然气需预热至约100℃以上，所需热量功率约259千瓦。膨胀发电机组回收天然气压力能净发电功率约为261千瓦。

根据天然气预热所需的热量，可选择净出力为200千瓦的微型燃气轮机。目前微型燃气轮机的额定发电效率可达到33%左右，根据上述应用实例微型燃气轮机的发电效率取32.5%，天然气输入量约为每小时60标准立方米（约合615千瓦），约占该调压站天然气输送量的1%，燃气轮机烟气排放流量1.33千克/秒，排放温度287℃，经烟气废热回收换热器后，烟气温度控制在80℃左右，可回收的废热约为271千瓦，满足天然气预热的需求。采用本技术方案后，本天然气压力能-燃气联合循环的近发电出力约为461千瓦，天然气发电效率可达75%，而燃气-蒸汽联合循环发电机组的发电效率一般不超过45%，极大提高了天然气发电的转换效率。

 本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种利用燃气和天然气管网压力能的联合循环发电***，所述***包括压力能发电装置和燃气轮机，其特征在于，压力能发电装置和燃气轮机（6）之间通过烟气废热回收装置相连；

所述压力能发电装置包括预处理装置（1），其进口与高压天然气管道相连，其出口与原有的天然气预热器（2）的进气口相连，天然气预热器（2）出气口通过第一阀门（11）分为两路；

一路通过第二阀门（12）与原有的天然气调压装置（3）的进口相连，天然气调压装置（3）的出口通过第三阀门（13）与下游管线相连；

另一路通过第四阀门（14）与天然气加热器（4）进口相连，天然气加热器（4）出口通过第五阀门（15）与驱动发电机（6）运转的膨胀机（5）天然气进口相连，膨胀机（5）天然气出口通过第六阀门（16）分别与第八阀门（18）和通过第七阀门（17）与天然气下游管网相连；

燃气轮机（7）的燃料进口通过第八阀门（18）和第六阀门（16）与膨胀机出口相连，燃气轮机（7）的烟气出口与烟气废热回收装置的烟气废热回收器（8）相连。

2.根据权利要求1所述的一种利用燃气和天然气管网压力能的联合循环发电***，其特征在于，所述烟气废热回收器（8）为烟气走管外，介质水走管内的鳍片管式烟气废热回收器。

3.根据权利要求1所述的一种利用燃气和天然气管网压力能的循环发电***，其特征在于，天然气膨胀发电装置（5）为透平膨胀机或螺杆式膨胀机。

4.根据权利要求1所述的一种利用燃气和天然气管网压力能的循环发电***，其特征在于，所述天然气加热器（4）结构为介质水走管外，天然气走管内的列管式换热器。

5.根据权利要求1、2、 3或4所述的一种利用燃气和天然气管网压力能的循环发电***，其特征在于，所述烟气废热回收器（8）的介质进口与天然气加热器（4）介质出口相通，烟气废热回收器（8）的介质进口与天然气加热器（4）介质出口之间管路上还设有电动泵（9）；烟气废热回收器（8）的介质出口与天然气加热器（4）的介质进口相连，烟气废热回收器（8）的介质出口与天然气加热器（4）的介质进口之间的管道上还设有备用加热器（10）。

6.根据权利要求5所述的一种利用燃气和天然气管网压力能的循环发电***，其特征在于，所述备用加热器（10）为水浴式电加热器。

7.根据权利要求1所述的一种利用燃气和天然气管网压力能的循环发电***，其特征在于，所述介质为除盐水。