CN105041395A - 一种天然气管网压力能回收综合利用*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天然气管网压力能回收综合利用***，***包括压力能发电子***、载冷剂子***和制冰补热子***，压力能发电子***由单机双级膨胀发电装置、预加热器、中间加热器和后加热器等组成，载冷剂子***由载冷剂泵、载冷剂和载冷剂储箱组成，制冰补热子***由制冰机、热泵装置、冰库等组成。本发明所提供的一种天然气管网压力能回收综合利用***，创新性地把热泵与两级膨胀发电结合起来，天然气两级膨胀提高了每级膨胀后的天然气温度，降低了天然气补热的热源温度和膨胀机的技术难度，增加了天然气压力能发电量，解决了天然气直接膨胀的预处理问题或天然气温度过低的问题，实现了天然气膨胀发电和冷能回收制冰的综合利用。

Description

一种天然气管网压力能回收综合利用***

技术领域

本发明涉及天然气调压站的压差发电和冷能回收利用技术领域，具体为一种天然气管网压力能回收综合利用***。

背景技术

我国省级天然气干线设计压力为6.3MPa，下游城市级管网设计压力为0.4MPa。高压输气管线和沿线城市配气管网之间压差较大，需要减压以满足下游用户的要求。目前天然气的调压方式多采用等焓节流方式，此过程无机械能输出，但存在温降，导致出站温度低于标准要求（>5℃）的供气温度。尤其在环境温度较低的季节，节流后的温度甚至达-20℃，释放了大量冷能，在阀门中产生霜冻堵塞管道，对下游城市管网存在较大安全隐患。传统的解决方案是通过燃烧锅炉热水换热器或电伴热带提前对高压气体加热。这不仅需要消耗燃气或电能，同时造成压力能的严重浪费。

为了回收天然气管网中的压力能授权公告号为CN103334891A的发明专利公开了一种天然气调压式发电装置，该发明采用涡轮装置回收天然气压力能发电。该发明提出的工艺，既没有考虑冷能的回收利用，也没有解决天然气直接膨胀后释放大量冷能引起的设备堵塞和腐蚀等问题。

而授权公告号为CN203362233U的发明专利公开了一种利用天然气门站压力能的螺杆膨胀动力机发电***，该发明采用螺杆膨胀机回收天然气的膨胀功发电，与授权公告号为CN103334891A的发明专利相比，提出了天然气直接膨胀后释放大量冷能引起的设备堵塞和腐蚀等问题的解决方案，即通过换热器对膨胀后的天然气补热回温，但是这样补热方式需要消耗一定的能源，且冷能直接浪费；而授权公告号为CN103410574A的发明专利公开了一种天然气压差发电及冷量回收***及利用其发电及冷量回收的方法，该发明采用螺杆膨胀机回收天然气的膨胀功发电，并且同样提出了利用换热器对膨胀后的天然气进行补热回温，但是与授权公告号为CN203362233U的发明专利一样，天然气膨胀后的冷能直接损失，同样存在能源的损耗。

另外，授权公告号为CN203430574U的发明专利公开了一种利用小型天然气管网压力能发电的装置，该发明提出采用小型气体膨胀机回收天然气压力能发电，实现小功率发电自用功能。膨胀后的天然气通过压力温度平衡器稳定天然气压力和对天然气回温。该发明尽管合理利用了天然气压力能实现发电自用，但由于发电功率较小，仅在1~5kW，不适合流量较大的天然气调压场所。同时，该发明同样存在天然气冷能无法回收问题，且膨胀后的天然气通过压力温度平衡器调节后，天然气回温幅度有限，膨胀释放的冷能仍旧会引起设备堵塞和腐蚀问题。

同样地，授权公告号为CN104088605A的发明专利公开了一种基于压力能发电和热泵加热的天然气井口加热节流***，该发明采用膨胀机发电机组替代传统的节流调压装置，利用膨胀发电机把气井采出的天然气中的压力能转换为电能，膨胀后的低温天然气加热首先通过空气预热器利用环境热量使天然气温度部分恢复，再通过膨胀发电机组生产的电能驱动热泵***，通过再热器将热泵的热量用来加热经空气预热器后的天然气，使得膨胀降压后的天然气加热到外送集输管道所需的问题。该发明提出的工艺尽管节省了天然气加热的能源，并通过热泵装置实现膨胀后天然气的补热回温，但是仍旧没有考虑冷能的回收利用。

而授权公告号为CN101943323A的发明专利公开了一种天然气压力差能量回收工艺，该发明提出了一种天然气管线压力差能量回收工艺，该发明有两种方法回收压力能，其一是通过气轮机将压力能转化为机械功，既可以带动动力设备又可直接发电；其二是利用高压气体的压力能经膨胀减压后制冷，即可生产液化天然气，又可利用所产生的低温流体进行发电、建设冷库或空调制冷等。该发明提出的工艺，尽管提到了冷能回收利用，但是对于压力能的利用方式单一，机械能和冷能无法同时回收利用，且并没有解决天然气直接膨胀后释放大量冷能引起的设备堵塞和腐蚀等问题。

为了综合利用天然气压力能，授权公告号为CN203847188U的发明专利公开了一种天然气调压站余能综合利用***，该发明采用膨胀发电机组回收天然气中的压力能，并通过低温发电机组利用低温天然气冷能发电并回收部分冷能。同时，通过换热器进一步回收低温发电机组利用后的冷能，回收的冷量供冷用户或者直接向环境排放。与上述发明专利相比，有效利用了天然气的冷能，但由于天然气未经预处理，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，并且低温发电机组的发电效率基本在10%左右，投资成本大，冷能利用率低。

而授权公告号为CN103362579A的发明专利公开了一种回收液化天然气冷能的两级膨胀发电装置及方法，该发明利用两级透平膨胀机压差发电方式，回收液化天然气经增压和汽化后的天然气压力能，并以乙烯或乙烷作为工质，回收液化天然气冷能。采用两级膨胀的主要目的是可以高效回收冷能。基于液化天然气提出的膨胀发电工艺，膨胀发电效率受限于液化天然气汽化热源的品位高低。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种天然气管网压力能回收综合利用***，通过载冷剂子***把压力能发电子***和制冰补热子***整合在一起，以实现压力能回收综合利用，利用分级补热方式，提高天然气膨胀发电量的同时，高效回收天然气冷能用于生产商品冰或者提供冷需求。

本发明采用的技术方案是，构建一种压力能回收综合利用***，上述***包括压力能发电子***、载冷剂子***和制冰补热子***，压力能发电子***和制冰补热子***之间通过载冷剂子***衔接。

上述压力能发电子***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经第一阀门分为两路，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；另一路与预加热器进气口相连，预加热器出气口与驱动发电机运转的单机双级膨胀发电装置的高压级进气口相连，单机双级膨胀发电装置高压级的出气口与中间加热器的进气口相连，中间加热器的出气口与单机双级膨胀发电装置低压级的进气口相连接，单机双级膨胀发电装置低压级的出气口与后加热器的进气口相连接，后加热器的出气口与油分离器进气口相连接，油分离器出气口通过第五阀门与天然气下游管网相连。

制冰补热子***包括冷凝器，冷凝器制冷剂进口与热泵装置出口相连接，冷凝器制冷剂出口与储液器的进口相连接，储液器的制冷剂出口分别与制冰机进口、制冰机制冷剂出口和冰库制冷剂进口相连接，制冰机制冷剂出口与冰库制冷剂出口同时与气液分离器的进口相连接，气液分离器的出口与热泵装置进口相连接。

载冷剂子***包括载冷剂储箱，其进口分别与预加热器、中间加热器和后加热器的载冷剂出口相连接，载冷剂储箱出口与冷凝器载冷剂进口相连接，冷凝器载冷剂出口分别与预加热器、中间加热器和后加热器的载冷剂进口相连接。

进一步地，上述预加热器、中间加热器和后加热器为天然气走管外，载冷剂走走管内的板壳式或管壳式换热器。进一步地，单机双级膨胀发电装置为单机双级螺杆膨胀发电机组。

进一步地，上述冷凝器为管式换热器。

进一步的，上述油分离器润滑油出口与单机双级膨胀发电装置高压级润滑油进口之间还设有油泵连接，油分离器采用两级分离。

进一步的，上述载冷剂储箱载冷剂出口和冷凝器载冷剂进口之间还设有载冷剂泵。

进一步地，上述热泵装置采用变频型压缩机。

进一步地，上述制冰机为片冰机或管冰机。

进一步地，上述冰库为组合式自动储冰库。

与现有技术相比，本发明所提供的一种天然气压力能回收综合利用***，具有以下优点：

1、创新性地引入热泵技术，一方面，将热泵工质的热量全部用来加热载冷剂，再通过载冷剂对膨胀前、后的天然气进行补热，既能大大提高天然气膨胀发电量，同时，也保证第二级天然气的正常膨胀发电；另一方面，热泵工质与载冷剂换热后，回收了载冷剂吸收的天然气膨胀后的冷能，低温载冷剂作为制冰机冷凝器的冷却液，可有效降低制冰机的能耗。

2、创新性地采用单机双级膨胀发电机组替代单级膨胀发电机组用于回收天然气管网压力能，解决单级膨胀时由于膨胀压比过大导致膨胀机组的轴封困难问题，同时也解决了单级膨胀导致天然气温降过大需要对天然气预热至较高温度无法回收冷能或防止天然气在低温状态下水化物析出需要对天然气进行预处理的问题。

3、利用载冷剂作为冷量传递介质，分级回收天然气膨胀后的冷能，同时也保证了天然气调压站和天然气压力能回收综合利用***的安全稳定性。

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，本发明提供的一种天然气管网压力能回收综合利用***，本发明采用的技术方案是，构建一种压力能回收综合利用***，***包括压力能发电子***、载冷剂子***和制冰补热子***，压力能发电子***和制冰补热子***之间通过载冷剂子***衔接。

压力能发电子***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出气口经第一阀门19分为两路，一路通过第二阀门20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21与下游管线相连；另一路与预加热器6进气口相连，预加热器6出气口与驱动发电机8运转的单机双级膨胀发电装置7的高压级进气口相连，单机双级膨胀发电装置7高压级的出气口与中间加热器15的进气口相连，中间加热器的出气口与单机双级膨胀发电装置7低压级的进气口相连接，单机双级膨胀发电装置7低压级的出气口与后加热器的进气口相连接，后加热器的出气口与油分离器进气口相连接，油分离器出气口通过第五阀门23与天然气下游管网相连。

制冰补热子***包括冷凝器11，冷凝器制冷剂进口与热泵装置12出口相连接，冷凝器制冷剂出口与储液器18的进口相连接，储液器18的制冷剂出口分别与制冰机17进口、制冰机17制冷剂出口和冰库18制冷剂进口相连接，制冰机17制冷剂出口与冰库18制冷剂出口同时与气液分离器14的进口相连接，气液分离器14的出口与热泵装置12进口相连接。

载冷剂子***包括载冷剂储箱8，其进口分别与预加热器6、中间加热器15和后加热器4的载冷剂出口相连接，载冷剂储箱8出口与冷凝器11载冷剂进口相连接，冷凝器11载冷剂出口分别与预加热器6、中间加热器15和后加热器4的载冷剂进口相连接。

作为本实施中的优选实施方式，预加热器6、中间加热器15和后加热器4为天然气走管外，载冷剂走走管内的板壳式或管壳式换热器，且预加热器6布置后，可以完全替代原天然气预热器，从而减少天然气补热能耗。

作为本实施中的优选实施方式，单机双级膨胀发电装置7为单机双级螺杆膨胀发电机组。

作为本实施中的优选实施方式，，冷凝器11为管式换热器。

作为本实施中的优选实施方式，油分离器5润滑油出口与单机双级膨胀发电装置7高压级润滑油进口之间还设有油泵13连接，油分离器采用两级分离，大大减少了天然气含油率。

作为本实施中的优选实施方式，载冷剂储箱8载冷剂出口和冷凝器11载冷剂进口之间还设有载冷剂泵10。

作为本实施中的优选实施方式，热泵装置12采用变频型压缩机，在天然气输送量波动时，降低变工况时的能耗。

作为本实施中的优选实施方式，制冰机17为片冰机或管冰机。

作为本实施中的优选实施方式，冰库18为组合式自动储冰库，在冰产量富余时，作为冰储存的场所。

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额定容量；根据膨胀发电机组技术参数，确定制冰补热子***规模和载冷剂子***选型。

如图所示，本发明提供一种天然气管网压力能回收综合利用***，包括压力能发电子***、载冷剂子***和制冰补热子***，压力能发电子***和制冰补热子***之间通过载冷剂子***衔接。

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，之后分为两路，一路进入预加热器6补热至5℃左右后，进入单机双级膨胀发电装置7的高压级驱动发电机8运转把压力能转化为电能，高压级膨胀至中间压力1.5MPa左右后，天然气进入中间加热器15补热回温至5℃左右后，进入单机双级膨胀发电装置7的低压级再次驱动发电机8电能，低压级膨胀后的天然气进入后加热器4中再次补热至5℃后，进入油分离器5中发生油气分离，分离后的润滑油通过油泵13回收至单机双级膨胀发电装置7，而经过两次膨胀，三级补热的天然气回到天然气下游管网。

载冷剂从载冷剂储箱8中出来，经载冷剂泵10加压后进入冷凝器11，吸热升温后的载冷剂被输送到天然气***，分别进入预加热器6、中间加热器15和后加热器4，提升天然气的温度后，回到载冷剂储箱8。

热泵装置12吸入气态制冷剂，经压缩后排入冷凝器11，向载冷剂放热，制冷剂冷凝成液态，进入贮液器18贮存。

在制冰阶段，液态制冷剂从贮液器18底部出来，经节流阀24节流后进入制冰机17蒸发，然后进入气液分离器14分离，气态制冷剂会同冰库18的回气回热泵装置。

载冷剂子***作为整个***的中间环节，从压缩后的制冷剂中吸收热量后，分别进入预加热器6、中间加热器15和后加热器4中对膨胀前、后的天然气进行补热，同时，利用载冷剂回收天然气中的冷能并传递给制冷剂后，完成载冷剂的一个吸放热循环，实现对天然气的循环分级补热和冷能利用；而放热后的制冷剂，吸收了载冷剂的冷量，进入制冰***作为冷源，大大减少了制冰能耗。

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10000Nm³/h的调压站为例。天然气进站压力为3.35MPa表压，出站压力为0.32MPa表压，天然气初始温度10℃，保证调压后温度保持在5℃以上，膨胀机等熵效率取75%。经计算，膨胀发电机组回收天然气膨胀功约319kW，预加热器6、中间加热器15和后加热器4总补热量为417kW。

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 (9)

1.一种天然气管网压力能回收综合利用***，所述***包括压力能发电子***、载冷剂子***和制冰补热子***，其特征在于，压力能发电子***和制冰补热子***之间通过载冷剂子***衔接，所述载冷剂子***包括载冷剂储箱（9），其进口分别与预加热器（6）、中间加热器（15）和后加热器（4）的载冷剂出口相连接，载冷剂储箱（9）出口与冷凝器（11）载冷剂进口相连接，冷凝器（11）载冷剂出口分别与预加热器（6）、中间加热器（15）和后加热器（4）的载冷剂进口相连接。

2.根据权利要求1所述的一种天然气管网压力能回收综合利用***，其特征在于，所述压力能发电子***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）出气口经第一阀门（19）分为两路，一路通过第二阀门（20）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（21）与下游管线相连；另一路与预加热器（6）进气口相连，预加热器（6）出气口与驱动发电机（8）运转的单机双级膨胀发电装置（7）的高压级进气口相连，单机双级膨胀发电装置（7）高压级的出气口与中间加热器（15）的进气口相连，中间加热器的出气口与单机双级膨胀发电装置（7）低压级的进气口相连接，单机双级膨胀发电装置（7）低压级的出气口与后加热器的进气口相连接，后加热器的出气口与油分离器进气口相连接，油分离器出气口通过第五阀门（23）与天然气下游管网相连;

制冰补热子***包括冷凝器（11），冷凝器制冷剂进口与热泵装置（12）出口相连接，冷凝器制冷剂出口与储液器（18）的进口相连接，储液器（18）的制冷剂出口分别与制冰机（17）进口、制冰机（17）制冷剂出口和冰库（18）制冷剂进口相连接，制冰机（17）制冷剂出口与冰库（18）制冷剂出口同时与气液分离器（14）的进口相连接，气液分离器（14）的出口与热泵装置（12）进口相连接;

制冰补热子***包括冷凝器（11），冷凝器制冷剂进口与热泵装置（12）出口相连接，冷凝器制冷剂出口与储液器（18）的进口相连接，储液器（18）的制冷剂出口分别与制冰机（17）进口、制冰机（17）制冷剂出口和冰库（18）制冷剂进口相连接，制冰机（17）制冷剂出口与冰库（18）制冷剂出口同时与气液分离器（14）的进口相连接，气液分离器（14）的出口与热泵装置（12）进口相连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种天然气管网压力能回收综合利用***，其特征在于，所述预加热器（6）、中间加热器（15）和后加热器（4）为天然气走管外，载冷剂走管内的板壳式或管壳式换热器。

4.根据权利要求1或2所述的一种天然气管网压力能回收综合利用***，其特征在于，单机双级膨胀发电装置（7）为单机双级螺杆膨胀发电机组。

5.根据权利要求1或2所述的一种天然气管网压力能回收综合利用***，其特征在于，所述冷凝器（11）为载冷剂走管内，制冷剂走管外的列管式换热器。

6.根据权利要求1或2所述的一种天然气管网压力能回收综合利用***，其特征在于，油分离器（5）润滑油出口与单机双级膨胀发电装置（7）润滑油进口之间还设有油泵（13）连接;

载冷剂储箱（9）载冷剂出口和冷凝器（11）载冷剂进口之间还设有载冷剂泵（10）。

7.根据权利要求1或2所述的一种天然气管网压力能回收综合利用***，其特征在于，所述热泵装置（12）采用变频压缩机。

8.根据权利要求1或2所述的一种天然气管网压力能回收综合利用***，其特征在于，所述制冰机（17）为片冰机或管冰机。

9.根据权利要求1或2所述的一种天然气管网压力能回收综合利用***，其特征在于，所述冰库（16）为组合式自动储冰库。