CN101551060A - 天然气管网压力能制冷与水合物的集成利用方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气管网压力能制冷与水合物的集成利用方法及装置，将天然气门站的高压管网天然气进行分流，将满足城市管网瞬时需求量的天然气进行降压制冷并通过冷媒将冷能储存；降压后的天然气进入下游城市管网；另一部分高压天然气进入水合物生成塔中，生成天然气水合物浆，流入水合物储罐中储存，在用气低谷时，用低温储罐中的冷媒为水合物储罐和生成塔提供冷量生产水合物；用气高峰时，将储罐中的水合物加热汽化，补充下游管网；同时水合物分解产生的冷量可用于冷水空调和冷库。本发明利用天然气压力能制冷来生产天然气水合物，同时把水合物汽化冷量用于空调、冷库，实现了城市天然气管网与电网的调峰功能，大幅提高能量的利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及压力能膨胀制冷技术领域，具体涉及天然气管网压力能制冷与水合物的集成利用方法及装置。
背景技术
能源短缺日益加剧，节能减排已成当务之急。利用流失排放的压力能制取冷能并加以充分利用，代替电力制冷是节能减排技术的重要内容。“十一五”期间，余热、余压利用工程是我国重点推进的十项节能工程之一，而目前高压天然气压力能的回收利用尚未引起人们足够重视。随着我国西气东输、川气东送、广东LNG试点工程的建成供气，以及沿海其它大型LNG站线项目的规划建设，我国将在2015年前建成“两横两纵”的天然气输气管道，天然气产业将在我国等到快速发展。
天然气长输管道一般都采用高压输送方式，所以当前世界上天然气的长输管线均采用高压输送，作为天然气利用流程，上游的天然气通过高压管网输送到城市燃气或大型用户，在各地的天然气接收门站或调压站，高压天然气需根据用户的供气压力要求进行调压，调压过程实际上是一个降压过程，目前国内的情况是，这部分宝贵的压力能在门站的节流调压过程中被白白浪费掉了。以日处理50万立方米的门站为例，压力从4.0MPa降至0.4MPa，导致的压力能损失每小时大约有24.3万大卡(合约3561度电/每小时)，即每年的直接经济损失价值达2652万人民币。此外，巨大的压力能没有得到利用，白白浪费不说，在降压过程中还产生大量的噪音，而且由于急剧降温对管道及调压设备的运行造成危险甚至损害。可见，回收利用该部分压力能可以产生显著的经济效益，同时消除降压过程中的噪音和设备损伤隐患，具有重要的现实意义。
美国专利US20040585238公开了一种回收利用天然气管网压力能发电及制备气体(如氢气)的方法及装置。中国专利CN 101280723A是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，公开了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。该发明选用涡流管完成天然气降压调压过程，用低温天然气流冷却压气机的进气，使进气质量流量增大，因而可大大提高燃气轮机的经济性，使压力能得到了有效的利用。中国专利CN 101245956A将天然气压力能用于膨胀发电、液化天然气自身重质组分(比如C2，C3等)以及将压力能转换成冷能作进一步应用。该发明以较低的运行成本将压力能转换成冷能，通过冷媒供调压站周边的冷库、冷水空调、废旧橡胶深冷粉碎等冷量用户使用，或制成冰块、干冰产品外运销售等，从而取得巨大经济效益，提高能源利用效率。但是这些专利都是通过特定设备有效回收天然气管网压力能的技术方法，且发电时要求天然气压力降和流量相对稳定，制冷时一般要求制冷温度较低，故而存在一定的局限性。
同时在天然气实际应用中，其用气具有季节、日和小时的不均衡性，随天然气消费量的增加，各地都出现了天然气调峰问题。目前在城市天然气管网中，一般采用大型储气罐或LNG进行调峰，大型储气罐调峰占地面积大，维护不方便；LNG需要-160℃低温，耗能大。为了进一步开发天然气资源，需要一种投资费用低，既安全可靠又经济的储存天然气的方法，利用气体水合物储存天然气是目前世界上正在研究和开发的一项新技术。
中国专利CN 1690503A公开了一种集制备天然气水合物、储运天然气和分配一体化的方法。该方法实现了自动化储存、运输和分配天然气的一体化过程，方法简单，易于操作，能耗少。此外，用于天然气储运的驳船还可以代替高压球罐，以天然气水合物的形式(而不是以液态天然气的形式)在天然气使用地储存天然气，进一步节省了天然气的存储费用。但在水合物生成和储运过程中以丙烷为制冷剂，增加了成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种天然气管网压力能制冷与水合物的集成利用方法，用于管网天然气调峰。本发明将天然气管网压能膨胀制冷，在用气低谷时利用自身冷能合成天然气水合物进行储存，在用气高峰时把天然气水合物进行加热输出天然气，达到削峰填谷的作用；同时用气高峰时的天然气膨胀制冷和水合物气化所释放出的冷量都可集成用于冷水空调，提高了能源利用率。
本发明另一目的在于提供一种实现天然气管网压力能制冷与水合物的集成利用方法的装置。
本发明的优点在于：(1)合成天然气水合物所需的低温由天然气管网的压力能膨胀制冷提供，不需要外加制冷剂，在节约运行成本的同时充分利用了天然气管网压力能，解决了压力能浪费的问题。(2)由于形成天然气水合物的温度较高，对膨胀制冷条件的要求较为宽松，故制冷工况要求范围较大，能够适应管网的各种波动。(3)天然气水合物兼有蓄冷和储气两个作用，既能有效回收冷能用于冷水空调，又能解决日益严重的城市燃气调峰问题。
本发明目的通过以下技术方案来实现：
一种天然气管网压力能制冷与水合物的集成利用方法，包括以下步骤：
(1)天然气压差制冷
天然气从高压天然气管网进入天然气门站1，压力为4～8MPa，将天然气门站1的高压管网天然气进行分流，将满足城市管网瞬时需求量的天然气经过膨胀制冷设备组2进行降压制冷，经膨胀制冷后压力下降至0.4～1.6MPa，温度下降至-112～-12℃，低温低压天然气通过换热器4，将天然气温度提高到5℃左右，进入城市管网。换热器4中与低温天然气换热的冷媒经过换热降至-60℃～0℃存于冷媒低温储罐5中，换热后的天然气进入下游城市管网；
由于形成天然气水合物的温度较高，对膨胀制冷条件的要求较为宽松，因此在满足管网供气工况下，可采用任何型式的膨胀制冷设备，或者多型式制冷设备的组合，包括透平膨胀机、活塞膨胀机、螺杆膨胀机、热声膨胀机、气波制冷机，其主要目的就是在管网的各种工况下，灵活、高效回收压力能制冷。
(2)利用冷能制备天然气水合物
将从高压管网中分流出来的高压天然气送入水合物生成塔3中，同时将与天然气的摩尔比为10∶1～100∶1的水通过循环泵经塔顶喷淋装置喷入水合物生成塔3内，与罐内的高压常温天然气接触，在水合物生成塔3内的生成天然气水合物浆。步骤(1)中储存在冷媒低温储罐5中的冷媒为水合物生成塔3提供冷量；在水合物生成时通过低温冷媒把水合物生成塔3温度降至1～11℃。
(3)水合物储存与汽化
步骤(2)中生成的天然气水合物浆从水合物生成塔3塔底流出，流入水合物储罐(7、8)中储存，用于蓄冷调峰；低温冷媒为水合物储罐(7、8)提供冷量；在生成的水合物流入水合物储罐(7、8)时通过低温冷媒把水合物储罐(7、8)温度降至-10℃～-20℃；
当天然气用量多时，利用冷水空调机组10中经换热升温的冷媒对水合物储罐(7、8)进行供热，提供热量：每得到1m3天然气，需提供2350～2550kJ的热量来分解天然气水合物，天然气除去其中的水分输出，并入城市管网进行分配；同时水合物分解产生的冷量通过冷媒可用于冷水空调机组10。
(4)冷媒循环
当进行步骤(3)时，水合物分解时释放的冷量由冷媒从水合物储罐(7、8)带出，经离心泵11送入冷水空调机组10与环境换热；换热升温后的冷媒返回水合物储罐(7、8)，为天然气水合物的分解提供热量，冷媒循环使用。
所述水合物生成塔(3)中的压力为4～8MPa、温度为1～11℃。
所述冷媒包括C3、C4及其混合物。
所述喷淋淡水与天然气的摩尔比为10∶1～100∶1。
所述膨胀制冷设备组2包括透平膨胀机、活塞膨胀机、螺杆膨胀机、热声膨胀机或气波制冷机中的一种或几种。
实现本发明天然气管网压力能制冷与水合物的集成利用方法的装置：包括两套冷媒循环系统和一套水合物循环系统，冷媒循环系统一包括换热器4、冷媒低温罐5、水合物储罐(7、8)、水合物生成塔3、冷媒常温罐12和离心泵(6、13)；通过冷媒保温输送管线将换热器4、冷媒低温罐5、离心泵6、水合物储罐(7、8)和水合物生成塔3依次连接，水合物生成塔3再通过常温冷媒输送管线与冷媒常温罐12和离心泵13依次相连，构成循环回路；冷媒循环系统二是用冷媒保温输送管线将水合物储罐(7、8)、离心泵11与冷水空调机组10依次连接，再将冷水空调机组10通过常温冷媒输送管线连接到水合物储罐(7、8)构成的循环回路；水合物循环系统是由管线将离心泵9与水合物生成塔3连接，水合物生成塔3通过三向阀15与水合物储罐(7、8)连接，水合物储罐(7、8)再通过管线与离心泵9连成循环回路。
在上述步骤(2)中，还包括将得到的天然气水合物可以由多种方式处理，可向用户提供天然气水合物的分装罐，也可将天然气水合物直接运走。
本发明相对于现有技术具有的优点及有益效果：
在本发明上述技术方案中所用天然气水合物技术可以实现天然气的安全储气和蓄冷、蓄能：在夜晚天然气用量较少时，利用天然气水合物可以将多余的天然气储存起来，同时可以将天然气压差产生的能量加以利用；在白天，天然气用量多时，将天然气水合物分解，补充天然气用量，并且产生冷量，用于空调、冷库，减少了城市电网的电能消耗。实现了城市天然气管网与电网的调峰功能并且大幅提高能量的利用效率。
附图说明
图1为本发明方法的工艺流程图；
1是天然气门站；2是膨胀制冷设备组；3是水合物生成塔；4是换热器；5是冷媒低温储罐；6、9、11、13是离心泵；7、8为水合物储罐；10是冷水空调机组；12是冷媒常温储罐；14、15是三向阀。
具体实施方式
实施例
实现天然气管网压力能制冷与水合物的集成利用方法的装置，包括两套冷媒循环系统和一套水合物循环系统，冷媒循环系统一包括换热器4、冷媒低温罐5、水合物储罐(7、8)、水合物生成塔3、冷媒常温罐12和离心泵(6、13)；通过冷媒保温输送管线将换热4、冷媒低温罐5、离心泵6、水合物储罐(7、8)和水合物生成塔3依次连接，水合物生成塔3再通过常温冷媒输送管线与冷媒常温罐12和离心泵13依次相连，构成循环回路；冷媒循环系统二是用冷媒保温输送管线将水合物储罐(7、8)、离心泵11与冷水空调机组10依次连接，再将冷水空调机组10通过常温冷媒输送管线连接到水合物储罐(7、8)构成的循环回路；水合物循环系统是由管线将离心泵9与水合物生成塔3连接，水合物生成塔3通过三向阀15与水合物储罐(7、8)连接，水合物储罐(7、8)再通过管线与离心泵9连成循环回路。
管网高压天然气经膨胀制冷设备组2膨胀减压降温，得到的低温(-112～-12℃)低压(0.4～1.6MPa)天然气在换热器4中与冷媒常温储罐12中出来的冷媒换热升温至5℃后进入城市管网；降温后的低温(-60℃～0℃)冷媒存储于冷媒低温储罐5中，经离心泵6依次送入水合物储罐(7、8)和水合物生成塔3的换热管中，将水合物生成塔3和水合物储罐(7、8)分别冷却至1～11℃和-10～-20℃。为水合物储罐(7、8)和水合物生成塔3提供冷量，冷媒升温；升温后的冷媒从水合物生成塔3中进入冷媒常温储罐12，在离心泵13的作用下循环使用。
水合物分解时释放的冷量由冷媒循环系统二中的冷媒从水合物储罐(7、8)带出，经离心泵11送入冷水空调机组10与环境换热；换热升温后的冷媒返回水合物储罐(7、8)的换热管中，为天然气水合物的分解提供热量，循环使用。
工作程序：天然气从高压天然气管网进入天然气门站，压力为4～8MPa。在用气高峰期，将设备1与2连通，高压天然气通过膨胀制冷设备组2，压力下降至0.4～1.6MPa，温度下降至-112～-12℃，低温低压天然气通过换热器4，将天然气温度提高到5℃左右，进入城市管网。换热器4中与低温天然气换热的冷媒经过换热降至-60～0℃，进入冷媒低温储罐5中储存。
用气低谷时，开启离心泵6，将冷媒从低温罐中抽出，依次进入水合物储罐(7、8)和水合物生成塔3的换热管中，将水合物生成塔3和水合物储罐(7、8)分别冷却至1～11℃和-10～-20℃。同时，打开三向阀14将天然气门站1同时连通膨胀制冷设备组2和水合物生成塔3，对气体进行分流，将超过城市管网最低需求量的天然气输入水合物生成塔3中。水合物生成塔3中的压力、温度处于天然气水合物生成区内，压力为4～8MPa、温度为1～11℃。水从塔顶喷入生成塔中，与气体接触生成天然气水合物，生成的天然气水合物浆从塔底流入水合物储罐(7、8)中。
用气高峰时，关闭阀门15，开启离心泵11，用冷媒将水合物分解产生的冷量带出用于冷水空调机组10，在冷水空调机组10中与环境换热升温后的冷媒返回水合物储罐(7、8)，为天然气水合物的分解提供热量，循环使用。天然气水合物分解得到的天然气压力为0.4～0.6MPa，直接并入城市管网，用于补充用气高峰期的天然气缺口。水合物分解得到的水经离心泵9送入水合物生成塔3顶部喷淋用于水合物的生成，循环使用。
本发明装置中，从高压天然气管网中流出的天然气初始条件：温度：25℃，流量：1000Kg/h；天然气经过图1工艺流程后，得到如表1结果。表中列出了16个实施例的数据结果。结果显示本发明有效回收了高压管网天然气压力能，将其用于制冷，制冷量为10～71kW之间。冷媒循环系统中冷媒的利用量在8～60kW之间。而可生成大量的天然气水合物显示了天然气水合物的储气能力，以此可实现天然气的安全储存和调峰。
在实际操作中，根据不同用气量及压力进行相应调整，例如：夜间0点～5点，天然气的用气量为日间用气量的40％，即有400kg/h的天然气用于城市夜间使用，剩余的600kg/h的天然气将采用水合物进行储存。将储存的冷量用于合成天然气水合物，冷量利用效率为0.85。平均全天压能产生冷量约为4.2*106kJ，可合成水合物19800kg，储存天然气2500kg，基本满足调峰所需。日间在10时～19时，天然气用气量较大时，将储存于天然气水合物储罐中的水合物升温分解，用于补充城市管网的天然气缺口。同时，水合物分解产生的冷量可使40000kg，20℃水降至4℃，用于冷水空调机组10。
表1
Claims (6)
1.一种天然气管网压力能制冷与水合物的集成利用方法包括以下步骤：
(1)天然气管网压差制冷
天然气从高压天然气管网进入天然气门站(1)，压力为4～8MPa，对天然气门站(1)的高压管网天然气进行分流，将满足城市管网瞬时需求量的天然气经过膨胀制冷设备组(2)的降压制冷处理，压力降至0.4～1.6MPa，温度下降至-112～-12℃，降压后的低温天然气与高温冷媒换热升温后进入下游城市管网；压降所产生的冷量通过冷媒储存于冷媒低温储罐(5)中；
(2)利用冷能制备天然气水合物
高压管网分流的另一部分高压天然气进入水合物生成塔(3)中，与塔顶喷淋水接触，生成天然气水合物浆；在水合物生成时，步骤(1)中储存在冷媒低温储罐(5)中的低温冷媒为水合物生成塔(3)提供冷量，将水合物生成塔(3)温度降至1～11℃；
(3)水合物储存与汽化
天然气水合物浆从水合物生成塔(3)塔底流出，流入水合物储罐(7、8)中储存，通过低温冷媒将水合物储罐(7、8)温度降至-10℃～-20℃；
当天然气用量多时，对水合物储罐(7、8)进行供热，水合物汽化进入下游管网；同时水合物分解产生的冷量用于冷水空调机组(10)；
(4)冷媒循环
步骤(3)中水合物分解时释放的冷量由冷媒从水合物储罐(7、8)带出，经离心泵(11)送入冷水空调机组(10)与环境换热；换热升温后的冷媒返回水合物储罐(7、8)，为天然气水合物的分解提供热量，冷媒循环使用。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水合物生成塔(3)中的压力为4～8MPa、温度为1～11℃。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷媒包括C3、C4或两者的混合物。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷淋水与天然气的摩尔比为10∶1～100∶1。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述膨胀制冷设备组(2)包括透平膨胀机、活塞膨胀机、螺杆膨胀机、热声膨胀机或气波制冷机中的一种或几种。
6、实现权利要求1所述的方法的装置，其特征在于，包括两套冷媒循环系统和一套水合物循环系统，冷媒循环系统一包括换热器(4)、冷媒低温罐(5)、水合物储罐(7、8)、水合物生成塔(3)、冷媒常温罐(12)和离心泵(6、13)；通过冷媒保温输送管线将换热器(4)、冷媒低温罐(5)、离心泵(6)、水合物储罐(7、8)和水合物生成塔(3)依次连接，水合物生成塔(3)再通过常温冷媒输送管线与冷媒常温罐(12)和离心泵(13)依次相连，构成循环回路；冷媒循环系统二是用冷媒保温输送管线将水合物储罐(7、8)、离心泵(11)与冷水空调机组(10)依次连接，再将冷水空调机组(10)通过常温冷媒输送管线连接到水合物储罐(7、8)构成的循环回路；水合物循环系统是由管线将离心泵(9)与水合物生成塔(3)连接，水合物生成塔(3)通过三向阀(15)与水合物储罐(7、8)连接，水合物储罐(7、8)再通过管线与离心泵(9)连接，连成循环回路。
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