CN1447879A - 利用气体膨胀能量的方法以及实施该方法的能量利用装置 - Google Patents

利用气体膨胀能量的方法以及实施该方法的能量利用装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出的方法和装置适用于将气体从高压，如从钻井或气体管道干线的压力，降低到用户所需要压力的***。本发明方法的实质在于：在已知的通过把气体从高压如从干线的压力降低到必要压力时膨胀能量变为机械能量并利用压力降低时产生的冷却气体作为冷却剂的能量利用方法中，添加的新意在于通过气体压力的多次降低及所形成冷气的多次吸取。本发明装置的实质在于：入口与钻井或高压气体管道干线(3)连接，而出口与降压气体干线或降压后气体用户(7，9)连接的能量利用装置包括致冷发动机(如膨胀气体涡轮机)，该致冷发动机由位于压力降低通道内的两个或多个部分(1，2)组成，装置还有与致冷发动机通过运动连接的机械能变换器(4)如发电机以及2个或多个热交换器(7，9)。

Description

利用气体膨胀能量的方法以及实施该方法的能量利用装置
技术领域
本发明提出的方法和装置适用于将气体从高压，如从钻井或气体管道干线的压力，降低到用户所需要压力的***。
背景技术
用节流法来降低钻井或气体管道干线供给的气体压力的方法以及实施这些方法的设备(减速器、阀、开关等)是已知的。(综合技术词典，莫斯科，“苏联百科全书”出版社，1977，153，420页)
这些方法和实施这些方法的设备没有利用气体膨胀的能量以及由此形成的冷气(cold)。此外，还需要复杂的设备和补充能量的费用来防止减速器被其操作时产生的湿气和冰阻塞。
用把气体膨胀的能量变为机械能量的方法来利用气体从气体管道干线压力或钻井压力降低到必要压力时膨胀的能量是已知的。[RU，C1，2 117 173]这个方法是在入口与高压钻井或气体管道干线的出口相连接，而出口与被降压的气体干线或气体用户连接的能量利用装置中实施的。该能量利用装置包括致冷发动机，如膨胀涡轮机，及与致冷发动机通过运动连接的机械能变换器，如发电机。该方法和装置可以利用气体在减压时膨胀的能量。
但是这个方法和装置不可能利用气体膨胀时产生的冷气。这个方法和装置的效率低。
把气体膨胀的能量变为机械能量，并同时利用减压时产生的冷却气体作为获得冷气的冷却剂，来利用气体从高压降低到必要压力时膨胀能量的方法是已知的。[SU，A1，844797]
但是这个方法要求在一个阶段内降低气体压力，因此总的效率低。
利用气体膨胀压力及使用此时形成的冷气的能量利用装置是已知的。[RU，C1，2013616]
但是该装置的效率不高.，因为在该装置中气体压力的降低和冷气的利用在一个阶段内进行。
发明内容
本发明的主要任务在于提高气体压力降低时所产生冷气的利用，制造更多的能量和冷气，并提高方法和装置的总效率。
所提出的任务在这里提出的方法中是这样解决的：在已知的用节流法来利用气体从高压，如从钻井或气体管道干线的压力，降低到必要压力时产生能量的方法和/或将气体膨胀能量变为机械能并同时利用压力降低时产生的冷却气体作为冷却剂的方法相比，增加的新意在于通过两个或更多个顺序的阶段来降低气体压力，并至少利用压力降低第一和/或每一后续阶段的部分气体作为获取和利用冷气的冷却剂。
由于分阶段降低气体压力并利用气体压力降低第一和/或相应后续阶段后的所有气体或部分气体作为冷却剂，本方法的总效率得以提高。
所提出的任务这里所提出的设备是这样解决的：入口与高压气体的钻井或气体管道干线相连接，而出口与降压的气体干线连接的能量利用装置包括致冷发动机，如膨胀涡轮机，及与致冷发动机通过运动连接的机械能变换器，如发电机。在该装置中至少有一个热交换器，其出口管与致冷发动机例如膨胀涡轮机的出口相连接。
在所提出的设备中新意在于：能量利用装置的致冷发动机，如膨胀涡轮机，由位于压力降低通路上的两部分或多个部分组成，装置中还设有两个或多个热交换-冷却器，而且每个热交换-冷却器冷却剂的入口管与致冷发动机相应部分的出口连接，而热交换-冷却器的数量不少于致冷发动机各部分的数量。
对能量利用装置的这种完善能提高该装置的效率和所产生的冷气量。
在能量利用装置中致冷发动机的前一部分的出口可以同时与致冷发动机的后续部分的入口以及相应热交换-冷却器的入口相连，而该热交换-冷却器的出口与降压气体干线或与气体用户相连。与此同时工作介质(气体)的气流分流，工作介质气流的一部分被提取来利用冷气。这会改善装置的热力学循环。
这种完善能提高装置的效率。同时为工作状态改变时对致冷发动机进行优化调节创造可能。
在能量利用装置中致冷发动机的前一部分的出口可以只和位于致冷发动机两部分间的一个或每个热交换-冷却器冷却剂的入口管连接，而该热交换-冷却器的冷却剂出口管可以和致冷发动机后续部分的工作介质入口连接。这样就能在一个或者在每一个热交换-冷却器中对工作介质(气体)进行补充加热。这就改善了装置的热力学循环。
这种完善由于能利用在热交换-冷却器中热交换而加热的冷却剂的热量，而进一步提高装置的效率。同时通过改变在热交换-冷却器中加热的气状或液体工作介质或几种工作介质的数量和/或温度，来为工作状态改变时对致冷发动机进行优化调节创造可能。
附图简述
图1是能量利用装置示意图，包括具有高压部分和低压部分的膨胀气体涡轮机、两个热交换-冷却器和一个发电机。
图2是能量利用装置示意图，包括具有高压部分、中压部分和低压部分的膨胀气体涡轮机、三个热交换-冷却器和一个发电机。
图3是能量利用装置示意图，包括具有高压部分和低压部分的膨胀气体涡轮机、三个热交换-冷却器和三个发电机。
具体实施方式
本发明的方法和装置用一些最佳实施方案的描写来说明，与此同时，气体膨胀能量利用的方法的实施方案是通过阐述装置实施方案的工作来描述的。
方案1(图1)
能量利用装置包括由同轴排列的高压部分1和低压部分2组成的膨胀气体涡轮机。高压部分1的入口与高压气体干线3连接。该干线3可以是高压或中压天然气气体管道干线，气体分配站、热电站、锅炉房、天然气开采地钻井的气体管道(这些设施在图纸上没有标明)。高压部分1和低压部分2的共同轴与发电机4的轴通过运动或直接连接，该发电机给电能用户5提供电流。高压部分1的出口既和低压部分2的入口连接，也和热交换-冷却器6的入口连接。热交换-冷却器6冷却剂的出口管与降压气体干线连接，该干线给用户7供气。
气体从膨胀气体涡轮机低压部分2的出口上装有热交换-冷却器6，其冷却剂的入口管与从膨胀气体涡轮机低压部分2的气体出口连接，而热交换-冷却器6的出口管和给用户7供气的降压气体干线连接。
能量利用装置按以下方式工作。气体从高压气体干线3进入高压部分1，使该高于部分1转动而本身膨胀冷却。该气体的一部分进入低压部分2，而另一部分到热交换-冷却器6的入口。经部分冷却且部分降压的气体通过热交换-冷却器6。然后具有所需要压力的气体供给气体用户7。
通过膨胀气体涡轮机低压部分2的另一部分气体进一步作功，本身降低压力并冷却。该气体从低压部分2进入到第二个热交换-冷却器8，在热交换-冷却器8中该气体被加热，而该气体的冷气被吸收。然后该低压气体供给气体用户9。包括高压部分1和低压部分2的膨胀气体涡轮机使发电机4转动。电流供给电流用户5。
冷气可以给冷冻室、冰场等使用，也可以用来将钻井里开采的天然气液化。气体膨胀所作的功可以利用，其中包括用来将气体液化以及给单独竖立的天然气钻井供应能量。
方案2(图2)
能量利用装置包括在同一个轴上安装的高压部分10、中压部分11和低压部分12组成的膨胀气体涡轮机。高压部分10的入口与高压气体干线13连接。高压部分10的出口既和中压部分11的入口，也和热交换-冷却器16的入口连接。从热交换-冷却器16的气体出口与低压气体的用户17连接。中压部分11的出口既和低压部分12的入口，也和热交换-冷却器18的入口连接。热交换-冷却器18的气体出口与降压气体的用户19连接。低压部分12的出口和热交换-冷却器20的入口连接。热交换-冷却器20的气体出口与降压气体的用户21连接。
能量利用装置按以下方式工作。气体从高压气体干线13进入高压部分10，使该高压部分10转动而本身并膨胀冷却。该气体的一部分进入中压部分11，使其转动并膨胀冷却，而另一部分进入到热交换-冷却器16的入口。从16气体供给降压气体的用户17。气体用户17所必需的压力可能比其它气体用户19和21必需的压力高。气流的另一部分在中压部分11作功，进一步降低压力并冷却。接着该气体分流。该气流的一部分进入到热交换-冷却器18的入口，从18气体供给气体用户19。气流的另一部分进入到低压部分12的入口，使其转动并膨胀冷却，然后进入到热交换-冷却器20，从20气体供给降压气体用户21。膨胀气体涡轮机使发电机14转动，所产生电流供给电能用户15。
冷气可以给冷冻室、冰场等使用，也可以用来将钻井里开采的天然气液化。气体膨胀所作的功可以利用，其中包括用来将气体液化以及给单独竖立的天然气钻井供应能量。
方案3(图3)
能量利用装置包括高压膨胀气体涡轮机22，其入口与高压气体干线23连接。高压涡轮机22的轴通过运动或直接连接于发电机24，发电机24与电能用户25电连接。高压涡轮机22的出口与热交换-冷却器26的气体入口连接。热交换-冷却器26的气体出口与中压膨胀气体涡轮机27的入口连接。中压涡轮机27的轴与发电机28通过运动或直接连接，而发电机28与电能用户29电连接。中压涡轮机27的出口与热交换-冷却器30的气体入口连接。热交换-冷却器30的气体出口与低压气体膨胀涡轮机31的入口连接。低压涡轮机31的轴和发电机32通过运动或直接连接，发电机32与电能用户33电连接。低压涡轮机31的出口与热交换-冷却器34的气体入口连接。热交换-冷却器34的气体出口与低压气体用户35连接。
能量利用装置按以下方式工作。气体从高压气体干线23进入高压涡轮机22，使其转动而本身膨胀冷却。该气体从高压涡轮机22进入热交换-冷却器26，在26中冷气被利用，而本身被加热并膨胀。接着该气体进入到中压涡轮机27，使其转动并本身膨胀冷却。然后该气体进入热交换-冷却器30，在其中冷气被利用，而本身被加热并膨胀。被加热并膨胀的该气体从热交换-冷却器30进入到低压涡轮机31，使其转动31而本身膨胀冷却。该气体从低压涡轮机31进入到热交换-冷却器34，在其中冷气被利用，而本身被加热并膨胀，然后供给降压气体用户35。高压涡轮机22、中压涡轮机27和低压涡轮机31转动相应的发电机24，28和32，这些发电机给相应的电能用户25，29和33供应电流。发电机24、28和32可以接入同一个电网。
由于气体在高压涡轮机22、中压涡轮机27和低压涡轮机31中逐步冷却并在热交换-冷却器26和30中逐步加热，该能量利用装置的总效率得到提高。
工业用途
本发明可以用于解决获取补充能量和便宜冷气的广泛实际问题。发明可以在天然气从开采钻井直接出来的高压天然气出口，以及把气体从干线的压力降低到用户必需的压力时运用。
在所列举的那些本发明最佳实施方案中使用膨胀气体涡轮机作为致冷发动机。但是可以使用任何类型的致冷发动机，包括用活塞或转子致冷的发动机替代膨胀气体涡轮机，它们也由高压和低压部分，或者也由高压、中压和低压部分组成。
如果钻井出口天然气的压力超过气体管道干线必需的压力，在发明最佳实施方案中描述的能量利用装置可以直接位于天然气钻井旁。与此同时冷气可以用来将钻井开采的天然气液化。气体膨胀时完成的有效功可以利用，包括用来将气体液化以及给单独竖立的天然气钻井供应能量。本发明所提出的能量利用装置在气体管道干线与向大型用户(电站、居民点生活用天然气网)输送天然气的装置连接处非常有效。

Claims (4)

1.通过把气体膨胀能量变为机械能量并运用压力降低时被冷却的气体作为获取冷气的冷却剂的途径，利用气体从高压降低到必要压力时膨胀能量的方法，其特征在于，气体压力的降低通过两个或多个依序的阶段来实现，此时至少部分气体在气体压力降低的第一和/或相应后续的阶段用做获取冷气的冷却剂。
2.入口与钻井或高压气体干线(3)连接，而出口与降压气体干线或与气体用户(9)连接的能量利用装置包括致冷发动机如膨胀涡轮机、与致冷发动机通过运动连接的机械能变换器(4)如发电机，以及至少一个热交换-冷却器(8)，该热交换-冷却器冷却剂的入口管与致冷发动机(2)如膨胀涡轮机的出口相连，而出口管与降压气体干线或与气体用户(9)连接，该能量利用装置的特征在于致冷发动机如膨胀涡轮机，由位于压力降低通道的两个或多个部分(1，2)组成，而装置中热交换-冷却器(6，8)的数量不少于致冷发动机各部分的数量，且相应热交换-冷却器冷却剂的入口管与致冷发动机例如膨胀涡轮机的相应部分(1，2)连接。
3.根据权利要求2的装置，其特征在于，致冷发动机前面部分(10，11)的出口可以同时和致冷发动机后续部分(11，12)的入口以及相应热交换-冷冻器(16，18)的入口连接，而一个或多个热交换-冷却器(16，18)冷却剂的出口管与降压气体干线或气体用户(17，19)连接。
4.根据权利要求2的装置，其特征在于，致冷发动机前面部分(22，27)的出口只和位于致冷发动机两个部分(22和27，27和31)之间的一个或每个热交换-冷却器冷却剂的入口管连接，而一个或多个热交换-冷却器(26，30)冷却剂的出口管与致冷发动机例如膨胀涡轮机后续部分(27，31)的工作介质入口连接。
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