CN101852529A - 一种天然气管网压力能高效利用的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气管网压力能高效利用的方法及装置。本发明方法包括：天然气压力能制冷和冷能利用。第三冷媒储罐的常温液态冷媒与来自冷库的低温气态冷媒换热，温度降至17～22℃，再经调压阀降压至0.1MPa，温度为-32℃，进入冷库；同时，第二冷媒储罐的冷媒经调压阀降压至0.1MPa，温度为-32℃，进入冷库；与常温液态冷媒换热后的低温气态冷媒温度升至0℃，与循环水换热，循环水温度降低，低温气态冷媒自身温度升至10～15℃，返回第一冷媒储罐，循环备用。可显著提高管网压力能利用率，本发明具有较大经济效益和广阔发展空间。
Description
技术领域
本发明涉及压力能膨胀制冷以及压缩冷媒膨胀制冷技术领域，具体涉及天然气管网压力能制冷与压缩冷媒膨胀制冷以及冷水空调制冷技术的集成利用方法及装置。
背景技术
能源危机日益加剧，使得节能减排这一基本国策深入人心。回收利用天然气管网压力能，将其用于制冷行业，符合国家节能减排的要求，但时至今日，天然气管网压力能的利用效率并不高。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得到快速发展。
天然气长输管道一般都采用高压输送方式，国外天然气输气管道压力高达12MPa以上，我国“西气东输”一线管道压力为10MPa，二线为12MPa。天然气利用时，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，然后进入城市燃气管网供下游用户使用。调压过程中大量压力能被白白浪费掉。此外，天然气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。
压力能的大小可以用压力ex，p来表示，其计算公式为：
T0、p0分别为环境温度、压力，R为定值，设天然气调压前后压力分别为p1、p2，则调压过程中可回收的最大压力火用为：
如：天然气压力从4MPa降至0.4MPa过程中可回收的最大压力火用为322.76kJ/kg，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天大约有56万兆焦。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。
目前回收天然气管网压力能的方式主要分为发电和制冷两大类。发电有两种方式：美国专利US20090272115 A1公开了一种利用膨胀机输出机械功驱动同轴发电机发电；中国专利CN 101280723A公开了另一种方式，即制冷与发电两种方式的结合，将部分天然气膨胀所制得冷量用于冷却燃气轮机进口气体，然后升温后的天然气与热气流一起进入燃烧室燃烧，驱动燃气轮机发电。在制冷方面，目前主要是利用冷媒回收天然气膨胀后的低温，用于冷库、冷水空调、橡胶深冷粉碎等。现有的回收天然气压力能大多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，而且，在将天然气压力能回收用于制冷方面，只是利用了压力能膨胀制得的冷量，对于膨胀机所做的功并未加以利用。
目前的冷库制冷方式主要是采用电压缩冷媒膨胀制冷，需要消耗大量的电力，约占成本的25％～30％或更多为降低冷库的电耗，将天然气压力能用于冷库可大大降低冷库的运行成本。中国专利CN101245956A公开了一种将管网压力能分别用于冷库、冷水空调等冷量用户的方法，实现了冷能的梯级利用，然而该发明只是利用了压力能膨胀制得的冷量，对于膨胀机所做的功并未加以利用。
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高效利用方法。本发明一方面利用天然气管网压能膨胀制得冷量冷凝冷媒气，然后液冷媒进入冷能利用系统；另一方面利用天然气膨胀所做的功，为压缩冷媒膨胀制冷系统的多级压缩提供动力，提高压力能制冷率；同时为提高冷能利用率，将冷库制冷系统的0℃低温冷媒气送入冷水空调系统，为其提供冷量。
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利用的方法，包括以下步骤：
(1)天然气压力能制冷
满足城市管网瞬时需求量的25℃、4～8MPa天然气经膨胀机后，压力降至0.4～1.6MPa，温度为-50～-104℃，与来自第一冷媒储罐的气态冷媒换热，升温至10℃，进入天然气调峰罐4，再进入燃气管网；
换热后的气态冷媒温度降为-25℃，然后进入第二冷媒储罐备用；利用天然气在膨胀机中输出的机械功为气态冷媒的压缩提供动力，第一冷媒储罐的气态冷媒经过压缩机后压力降至1.36～1.4MPa，再被冷却水冷凝，温度降为-35℃，然后进入第三冷媒储罐备用；
(2)冷能利用
第三冷媒储罐的常温液态冷媒与来自冷库的低温气态冷媒换热，温度降至17～22℃，再经第二调压阀17降压至0.1MPa，温度为-32.9℃，进入冷库；同时，第二冷媒储罐的冷媒经第一调压阀16降压至0.1MPa，温度为-32.9℃，进入冷库；
与常温液态冷媒换热后的低温气态冷媒温度升至0℃，与循环水换热，循环水温度降低，低温气态冷媒自身温度升至10～15℃，返回第一冷媒储罐，循环备用。
所述冷媒为R410A、氨或C4中的一种以上。
所述第一冷媒储罐的气态冷媒的压力为0.15MPa，温度为10～15℃。
所述冷库的低温气态冷媒的温度为-32.9℃。
实现一种天然气管网压力能利用的方法的装置，包括天然气压力能制冷系统和冷能利用系统；天然气压力能制冷系统包括三通阀16、高压天然气调峰罐1、膨胀机2、第一冷媒储罐12、第一换热器3、中高压天然气调峰罐4、第二冷媒储罐5、压缩机10、第三换热器9和第三冷媒储罐8；高压天然气调峰罐1和膨胀机2通过高压管道连接，将膨胀机2、第一换热器3与中高压天然气调峰罐4通过高压管道依次连接后连接到燃气管网；通过三通阀16和常温冷媒管道将第一冷媒储罐12依次与压缩机10和第三换热器9连接，通过冷媒保温管道将第三换热器9连接到第三冷媒储罐8；通过三通阀16和常温冷媒管道将第一冷媒储罐12再与第一换热器3连接；通过冷媒保温管道将第一换热器3连接到第二冷媒储罐5；冷能利用系统包括离心泵13、第二换热器7、第一调压阀14，第二调压阀15、冷库6、阀门17和冷水空调11；通过冷媒保温管道将第二冷媒储罐5依次与离心泵13、第一调压阀14、冷库6、阀门17、第二换热器7和冷水空调11连接，第二换热器7再通过冷媒保温管道和第二调压阀15与冷库6连接，冷水空调11再通过常温冷媒管道连接到第一冷媒储罐12。
所述膨胀机2与压缩机为同轴连接。
所述高压为2.5＜p≤4.0MPa，所述中高压为0.8＜p≤1.6，中压为0.2＜p≤0.4，低压为p≤0.01。高压管道中所述高压按天然气国家标准《城镇燃气设计规范》的技术标准：2.5＜p≤4.0MPa。
本发明相对于现有技术具有的优点及有益效果：
(1)天然气膨胀制冷单元两个天然气调峰罐的使用，可以起到一定程度的稳压、稳流作用，扩大本系统的操作弹性；
(2)所制冷量一方面由天然气管网的压力能膨胀制冷提供，另一方面由压缩冷媒膨胀制冷提供，压缩过程所需动力由天然气膨胀过程提供，相对于常规的电压缩冷媒膨胀制冷方式而言，降低了电力消耗，在节约运行成本的同时充分利用了天然气管网压力能。
(3)冷能利用系统中，冷水空调和冷库实现了冷能的梯级冷能。
本发明的优点在于：(1)天然气膨胀制冷单元两个天然气调峰罐的使用，可以起到一定程度的稳压、稳流作用，扩大本系统的操作弹性；(2)所制冷量一方面由天然气管网的压力能膨胀制冷提供，另一方面由压缩冷媒膨胀制冷提供，压缩过程所需动力由天然气膨胀过程提供，相对于常规的电压缩冷媒膨胀制冷方式而言，降低了电力消耗，在节约运行成本的同时充分利用了天然气管网压力能。(3)冷能利用系统中，冷水空调和冷库实现了冷能的梯级冷能。
附图说明
图1为本发明方法的工艺流程图；
1为高压天然气调峰罐；2为膨胀机；3为第一换热器；7为第二换热器，9为第三换热器；4为中高压天然气调峰罐；5为第二冷媒储罐；8为第三媒储罐；6为冷库；10为压缩机；11为冷水空调；12为第一冷媒气储罐；13为离心泵；14为第一调压阀；15为第二调压阀；16为三通阀；17为阀门；
具体实施方式
实施例
如图1所示，实现一种天然气管网压力能利用的方法的装置，包括天然气压力能制冷系统和冷能利用系统；天然气压力能制冷系统包括三通阀16、高压天然气调峰罐1、膨胀机2、第一冷媒储罐12、第一换热器3、中高压天然气调峰罐4、第二冷媒储罐5、压缩机10、第三换热器9和第三冷媒储罐8；高压天然气调峰罐1和膨胀机2通过高压管道连接，将膨胀机2、第一换热器3与中高压天然气调峰罐4通过高压管道依次连接后连接到燃气管网；通过三通阀16和常温冷媒管道将第一冷媒储罐12依次与压缩机10和第三换热器9连接，通过冷媒保温管道将第三换热器9连接到第三冷媒储罐8；通过三通阀16和常温冷媒管道将第一冷媒储罐12再与第一换热器3连接；通过冷媒保温管道将第一换热器3连接到第二冷媒储罐5；冷能利用系统包括离心泵13、第二换热器7、第一调压阀14，第二调压阀15、冷库6、阀门17和冷水空调11；通过冷媒保温管道将第二冷媒储罐5依次与离心泵13、第一调压阀14、冷库6、阀门17、第二换热器7和冷水空调11连接，第二换热器7再通过冷媒保温管道和第二调压阀15与冷库6连接，冷水空调11再通过常温冷媒管道连接到第一冷媒储罐12。
膨胀机2与压缩机为同轴连接。
压缩机10为多级压缩机，经过压缩机10的第一级压缩后，冷媒进入第三换热器9冷却，冷媒再进入压缩机10进行第二级压缩，然后进入第三换热器9冷却，冷却后再进入压缩机进行三级压缩，最后冷媒经过第三换热器9冷凝后进入第三冷媒储罐8。
一种天然气管网压力能利用的方法，包括以下步骤：
(1)天然气压力能制冷
满足城市管网瞬时需求量的25℃、4～8MPa天然气经膨胀机后，压力降至0.4～1.6MPa，温度为-50～-104℃，与来自第一冷媒储罐的气态冷媒在第一换热器3换热，升温至10℃，进入天然气调峰罐4，可以稳定流量，再进入燃气管网；换热后的气态冷媒温度降为-25℃，然后进入第二冷媒储罐备用；利用天然气在膨胀机中输出的机械功为气态冷媒的多级压缩提供动力，第一冷媒储罐的气态冷媒经过压缩机后压力降至1.36～1.4MPa，再被冷却水冷凝，温度降为-35℃，然后进入第三冷媒储罐备用；
(2)冷能利用
第三冷媒储罐的常温液态冷媒与来自冷库的低温气态冷媒在第二换热器7中换热，温度降至17～22℃，再经第二调压阀17降压至0.1MPa，温度为-32.9℃，进入冷库；同时，第二冷媒储罐的冷媒经第一调压阀16降压至0.1MPa，温度为-32.9℃，进入冷库；
与常温液态冷媒换热后的低温气态冷媒温度升至0℃，在冷水空调与循环水换热，循环水温度降低至5℃，低温气态冷媒自身温度升至10～15℃，返回第一冷媒储罐，循环备用。
冷媒为R410A。
第一冷媒储罐的气态冷媒的压力为0.15MPa，温度为10～15℃。
所述冷库的低温气态冷媒的温度约为-32.9℃。
表1显示了天然气流量为2t/h时的实施例结果。
表1
Claims (6)
1.一种天然气管网压力能高效利用的方法及装置，其特征在于，包括以下步骤：
(1)天然气压力能制冷
满足城市管网瞬时需求量的25℃、4～8MPa天然气经膨胀机后，压力降至0.4～1.6MPa，温度为-50～-104℃，与来自第一冷媒储罐的气态冷媒换热，升温至10℃，进入天然气调峰罐(4)，再进入燃气管网；
换热后的气态冷媒温度降为-25℃，然后进入第二冷媒储罐备用；利用天然气在膨胀机中输出的机械功为气态冷媒的压缩提供动力，第一冷媒储罐的气态冷媒经过压缩机后压力升至1.36～1.4MPa，再经冷却水冷却，温度降为-35℃，然后进入第三冷媒储罐备用；
(2)冷能利用
第三冷媒储罐的常温液态冷媒与来自冷库的低温气态冷媒换热，温度降至17～22℃，再经第二调压阀(15)降压至0.1MPa，温度为-32.9℃，进入冷库；同时，第二冷媒储罐的冷媒经第一调压阀(14)降压至0.1MPa，温度为-32.9℃，进入冷库；
与常温液态冷媒换热后的低温气态冷媒温度升至0℃，与循环水换热，循环水温度降低，低温气态冷媒自身温度升至10～15℃，返回第一冷媒储罐，循环备用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷媒为R410A、氨或C4中的一种以上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一冷媒储罐的气态冷媒的压力为0.15MPa，温度为10～15℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述来自冷库的低温气态冷媒的温度为-32.9℃。
5.实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于，包括天然气压力能制冷系统和冷能利用系统；天然气压力能制冷系统包括三通阀(16)、高压天然气调峰罐(1)、膨胀机(2)、第一冷媒储罐(12)、第一换热器(3)、中高压天然气调峰罐(4)、第二冷媒储罐(5)、压缩机(10)、第三换热器(9)和第三冷媒储罐(8)；高压天然气调峰罐(1)和膨胀机(2)通过高压管道连接，将膨胀机(2)、第一换热器(3)与中高压天然气调峰罐(4)通过高压管道依次连接后连接到燃气管网；通过三通阀(16)和常温冷媒管道将第一冷媒储罐(12)依次与压缩机(10)和第三换热器(9)连接，通过冷媒保温管道将第三换热器(9)连接到第三冷媒储罐(8)；通过三通阀(16)和常温冷媒管道将第一冷媒储罐(12)再与第一换热器(3)连接；通过冷媒保温管道将第一换热器(3)连接到第二冷媒储罐(5)；冷能利用系统包括离心泵(13)、第二换热器(7)、第一调压阀(14)、第二调压阀(15)、冷库(6)、阀门(17)和冷水空调(11)；通过冷媒保温管道将第二冷媒储罐(5)依次与离心泵(13)、第一调压阀(14)、冷库(6)、阀门(17)、第二换热器(7)和冷水空调(11)连接，第二换热器(7)再通过冷媒保温管道和第二调压阀(15)与冷库(6)连接，冷水空调(11)再通过常温冷媒管道连接到第一冷媒储罐(12)。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述膨胀机(2)与压缩机为同轴连接。
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