CN101280723B - 天然气管网压力能在燃气轮机作功领域的回收利用方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种天然气管网压力能在燃气轮机作功领域的回收利用方法及装置，用于解决高压天然气降压中能量损失的问题。其技术方案为：将高压天然气经涡流管降压后产生的冷气流、热气流分别输出，冷气流通过在换热器中吸收逆流空气和燃气轮机排气的热量升温后，与热气流汇合进入燃气轮机组的燃烧室；由换热器降温的空气进入燃气轮机组的压气机提高压力后导入燃气轮机组的燃烧室，在燃烧室中，天然气与空气混合燃烧，使燃气轮机作功，驱动耗功设备。本发明选用涡流管完成天然气降压调压过程，将低温天然气流冷却压气机进气温度，使进气质量流量增大，因而可大大提高燃气轮机的出力和经济性，使压力能得到了有效的利用。

Description

天然气管网压力能在燃气轮机作功领域的回收利用方法及装置

技术领域

本发明涉及一种天然气压力能回收方法及装置，特别是基于涡流管降压的天然气管网压力能回收方法及装置，属气体储藏和分配技术领域。

背景技术

天然气是一种优质、高效、清洁的能源。近几十年来全球天然气工业发展速度很快，天然气在世界一次能源结构中的比例也不断提高，1981年为9.9％，20世纪末为23％，目前，在一些发达国家，这一比例已经达到25％以上。我国也在加快天然气工业的发展，计划到2010年使得天然气在我国能源消费结构中所占的比重达到6％，到2020年达到10％。

天然气工业发展的经验表明，管道是天然气发展必要环节，是沟通气田与天然气用户的重要纽带。随着技术的发展，天然气管网的输气能力和输气压力不断提高，如“西气东输”工程，设计输气量120亿立方/年，输气压力高达10MPa，“西气东输二线”工程，设计输气量300亿立方/年，最高设计输气压力12MPa。这种压力气体蕴藏着巨大的压力能量，但是这种压力能通常在通过调节阀调压过程中被白白释放掉。因此，在天然气分输站、城市门站等降压过程中造成了巨大的能量损失，回收这部分压力能将具有很大的经济效益。回收这部分压力能技术上可以通过膨胀机来实现，从而获得膨胀功和制冷效应，但膨胀机结构复杂，运行维护等方面要求比较高，导致回收成本高。

涡流管是一种通过一个内部器件来控制和达到所需温度和流量的装置，其主要构成包括进气管、喷嘴、涡流室、分离孔板和冷热两端管。高压气体由进气管进入喷嘴，膨胀降压后沿切线方向进入涡流室，形成自由流，经动能交换分离成温度不等的两部分，中心部分为冷气流，边缘部分为热气流，分别从涡流管的两端流出，冷热气流的比例可以调节。然而，涡流管主要用于制冷、气体混合物的分离、气体的干燥等场合，在燃气轮机作功发电领域尚未见其被利用的报道。

发明内容

本发明用于克服已有技术的缺陷而提供一种天然气管网压力能在燃气轮机作功领域的回收利用方法，本发明还要提供利用这种方法的装置。

本发明所称问题是以下述技术方案解决的：

一种天然气管网压力能在燃气轮机作功领域的回收利用方法，其特别之处是：它将管网高压天然气经涡流管降压后所产生的冷气流和热气流分别导出，其中，冷气流在换热器中通过对流换热形式吸收沿相反方向流动的空气和燃气轮机排气的热量升温后，与上述热气流汇合进入燃气轮机组的燃烧室；经由换热器被冷天然气流降温后的空气直接进入燃气轮机组的压气机，在压气机提高压力后导入燃气轮机组的燃烧室，在燃烧室中，天然气与空气混合燃烧，高温高压燃气混合物推动燃气轮机作功，驱动发电机或其它耗功设备。

一种天然气管网压力能在燃气轮机作功领域的回收利用装置，构成中包括涡流管、汽水分离器、第一换热器、燃气轮机组和相应的连接管路；所述燃气轮机组由压气机、燃烧室、燃气轮机和耗功设备组成；所述涡流管冷气流端由冷气流管路经第一换热器连通燃烧室，涡流管热气流端由热气流管路与冷气流管路汇合后进入燃烧室；空气管路经第一换热器进入压气机、再经压气机连通燃烧室，高温高压燃气管路连通燃烧室与燃气轮机。

上述天然气管网压力能在燃气轮机作功领域的回收利用装置，增设第二换热器，所述第二换热器连接于冷气流管路和燃气轮机的排气余热管路中。

上述天然气管网压力能在燃气轮机作功领域的回收利用装置，增设汽水分离器，所述汽水分离器连接于压气机前端的空气管路中。

上述天然气管网压力能在燃气轮机作功领域的回收利用装置，所述涡流管为多组，各涡流管之间为并联，涡流管的进气管上设有调节阀。

上述天然气管网压力能在燃气轮机作功领域的回收利用装置，所述耗功设备为发电机、泵或压缩机等。

本发明针对高压天然气分输站、城市门站等降压过程中造成巨大能量损失的问题，设计了采用涡流管为调压部件的天然气压力能回收方法及装置，其主要特点如下：1.有效回收利用天然气管网压力能，使其中的能量得以利用；2.选用构造简单、造价低廉、工作稳定的涡流管完成天然气降压调压过程；3.涡流管导出的低温天然气流冷却燃气轮机组压气机的进气，然后进一步回收燃气轮机排气余热后再与热气流混合进入燃气轮机燃烧室，由于压气机的进气被天然气冷气流冷却后温度降低，密度提高，增大了进入压气机空气的质量流量，因而可大大提高燃气轮机的出力和经济性，使压力能得到了有效的利用。上述方法可用于天然气的使用与供给间存在压差、需要调压的场合，利用涡流管降压后产生冷气流和热气流还可以用于其它不同的运行场合。

附图说明

图1是本发明装置的结构原理示意图。

附图中标号表示如下：1.高压天然气管路；2.调节阀；3.涡流管；3-1.涡流管冷气流端；3-2.涡流管热气流端；4.第一换热器；5.汽水分离器；6.第二换热器；7.压气机；8.燃烧室；9.燃气轮机；10.耗功设备；11.热气流管路；12.高温高压燃气管路；13.冷气流管路；14.排气余热管路；15.空气管路。

具体实施方式

本发明的设计思路为：选用涡流管为调压部件，将高压天然气的压力能经涡流管降压后所产生的冷气流和热气流分别输出，其中，冷气流经换热器吸收逆流空气和燃气轮机排气的热量升温后，与热气流汇合进入燃气轮机组的燃烧室；而经由换热器冷气流降温的空气进入燃气轮机组的压气机，提高压力后再导入燃气轮机组的燃烧室。

本发明用涡流管代替通常的压力调节阀调节天然气的压力，不但实现了压力调节的目的，而且可以有效利用同时产生的冷天然气流和热天然气流，使进入压气机的空气被天然气冷气流冷却后温度降低，密度提高，增大了进入压气机空气的质量流量，因而可大大提高燃气轮机的出力和经济性。

燃气轮机组通常由空气压缩机和燃气轮机等组成，空气从环境状态吸入空气压缩机，在压缩机中压力和温度都将提高，然后进入燃烧室与燃料混合燃烧产生高温高压燃气混合物，推动燃气轮机对外输出功量。燃气轮机对进口空气的温度比较敏感，在高温季节或年平均气温较高的地区，燃气轮机的出力和效率往往低于标准工况。进入压缩机空气的温度降低，进入压缩机空气的质量流量增大，燃气轮机出力增大，热耗率降低，因此希望进气温度尽可能低。但进气温度受大气环境影响，为了降低压气机进气温度，改善燃气轮机的循环性能，通常都是采用蒸发式、吸收式及蓄冰式等人工冷却的方法来降低进口空气温度，然而，这些方法都需要消耗的能量而且系统比较复杂。采用本发明中调压过程中涡流管产生的冷天然气流冷却压气机的进气，设备结构简单，无运动部件，维护工作量很小，经济实用。

参看图1，本发明装置由涡流管3、换热器4、汽水分离器5、第一换热器4、第二换热器6、燃气轮机组和各连接管路组成，燃气轮机组包括压气机7、燃烧室8、燃气轮机9和耗功设备10，耗功设备为发电机、泵或压缩机等，由燃气轮机9驱动耗功设备。所用涡流管的数目据其需要而定，各涡流管采用并联方式连接，各涡流管的进气管与高压天然气管路1连通，为调节天然气的进气量，在涡流管的进气管上设有调节阀2。各涡流管冷气流端3-1由冷气流管路13经第一换热器、第二换热器连通燃烧室，涡流管热气流端3-2由热气流管路11与从第二换热器导出的经过换热升温的冷气流管汇合共同进入燃烧室，空气管路15经第一换热器和汽水分离器5后进入压气机、再经压气机连通燃烧室，高温高压燃气管路12连通燃烧室与燃气轮机。燃气轮机9的排气余热管路14连通第二换热器。换热器可采用气-气表面式换热器，当然，也可采用其他形式的散热器。本发明装置的工作过程如下：具有压力能的高压天然气由高压天然气管路1经过各并联的调节阀2后导入各涡流管3，经涡流管降压后产生的冷气流和热气流由涡流管的两个出口端输出。其中，各涡流管冷气流端3-1流出的低温低压天然气通过第一换热器，并在第一换热器中吸收逆流空气的热量，然后再通过第二换热器进一步回收燃气轮机排气余热。涡流管热气流端3-2流出的高温低压天然气与从第二换热器流出的升温后的天然气汇合进入燃烧室8。来自环境状态的空气在第一换热器中被低温天然气流冷却降温后经汽水分离器5进入压气机7，在压气机提高压力后导入燃烧室。在燃烧室中，天然气与空气混合燃烧，高温高压燃气混合物进入燃气轮机9作功，驱动耗功设备10。

Claims (6)

1.一种天然气管网压力能在燃气轮机作功领域的回收利用方法，其特征在于：它将管网高压天然气经涡流管降压后所产生的冷气流和热气流分别导出，其中，冷气流在换热器中吸收逆流空气和燃气轮机排气的热量升温后，与上述热气流汇合进入燃气轮机组的燃烧室；经由换热器降温的空气进入燃气轮机组的压气机，由压气机提高压力后导入燃气轮机组的燃烧室，在燃烧室中，天然气与空气混合燃烧，高温高压燃气混合物进入燃气轮机作功，驱动发电机或其它耗功设备。

2.一种天然气管网压力能在燃气轮机作功领域的回收利用装置，其特征在于：构成中包括涡流管(3)、汽水分离器(5)、第一换热器(4)、燃气轮机组和相应的连接管路；所述燃气轮机组由压气机(7)、燃烧室(8)、燃气轮机(9)和耗功设备(10)构成；所述涡流管的进气管与高压天然气管路连通，涡流管冷气流端(3-1)由冷气流管路(13)经第一换热器连通燃烧室，涡流管热气流端(3-2)由热气流管路(11)与冷气流管路(13)汇合后进入燃烧室；空气管路(15)经第一换热器连通压气机、再经压气机连通燃烧室，高温高压燃气管路(12)连通燃烧室与燃气轮机。

3.根据权利要求2所述的天然气管网压力能在燃气轮机作功领域的回收利用装置，其特征在于，增设第二换热器(6)，所述第二换热器(6)连接于冷气流管路(13)和燃气轮机的排气余热管路(14)中。

4.根据权利要求3所述的天然气管网压力能在燃气轮机作功领域的回收利用装置，其特征在于，增设汽水分离器(5)，所述汽水分离器连接于压气机(7)前端的空气管路(15)中。

5.根据权利要求2、3或4所述的天然气管网压力能在燃气轮机作功领域的回收利用装置，其特征在于，所述涡流管为多组，各涡流管之间为并联，涡流管的进气管上设有调节阀(2)。

6.根据权利要求5所述的天然气管网压力能在燃气轮机作功领域的回收利用装置，其特征在于，所述耗功设备(10)为发电机、泵或压缩机。