CN102482951A - 有效的流体泄压系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高压管道流体的泄压系统。该系统可提供净发电，而不使增压流体经历作为焦耳-汤姆逊过程结果的液化或凝固或不可接受的降温。该系统特别涉及以节能方式使高压天然气管道泄压，同时使净发电成为可能。用于管道中增压流体的泄压系统包括用于膨胀管道中流体至较低压力的至少一个泄压器；和用于循环超临界流体的跨临界热泵，其中超临界流体经历冷却，以便在所述增压流体的至少一次膨胀之前，释放用于传输至管道中增压流体的热。

Description

有效的流体泄压系统
技术领域
本发明涉及用于提供高压管道流体有效泄压的系统。该系统可提供净发电，而不使流体经历作为焦耳-汤姆逊过程(Joule-Thompsonprocess)结果的液化、凝固或不可接受的降温。该系统特别涉及以节能方式使高压天然气管道泄压，同时使净发电成为可能。
背景技术
天然气经由高压管道传输并以显著低的压力分配给终端使用者。通常，压缩机站被用于提升压力并在长距离传输期间维持压力。值得注意的是不同地理环境中的传输管线使用不同的管线压力，并且压力必须按照各种不同步骤中的网络设计要求相应降低，其取决于终端使用者或系统上次级分配连接点的大小和属性。
减压过程通常通过小孔或节流阀完成并导致气体温度大大降低。自然，温度降低的范围与发生的减压程度成正比。
由于诸多原因，由焦耳-汤姆逊过程引起的温度降低是不期望的并且必须避免，或至少被限制。过度的冷冻可能引起管道和辅助设备中不期望的压力；其可能降解某些管道涂料和管道材料；其也可能引起管道周围泥土的冻结，伴随相关的冻胀风险。此外，气体本身可包含可冷凝成分，所述可冷凝成分在降低的温度下液化或凝固可造成下游网络的问题。
最直接的避免这样问题的方法是在其压力降低之前一刻，加热气流。控制所传递的热量，以便膨胀后气体温度保持足够高，从而在压力释放后避开低温问题。
燃烧一部分气体代表对天然气减压站可用的逻辑热源。除非有另一个对减压站可用的可靠且不间断的热源，通常配置一系列高效气体燃烧锅炉以提供必要的热。该补救措施对实施来说是有效的并且通常是容易的，但是其以消耗气体中一些可传递能量为代价。已经提议使用燃料电池或热电联产(CHP)单元而不是锅炉，供应热与电力，但就气体消耗而言，能量损失仍然存在。
以下描述了用于降低或消除天然气减压过程中能量浪费的现有技术方法。
美国专利4,677,827号描述了将抑制剂添加到减压上游的气体。抑制剂的目的是防止冷气的冷凝。在添加抑制剂后，允许不预加热而发生减压。
由于膨胀的气体将通常具有低于环境的温度，所以减压后的再加热可通过建立与环境的热接触而实现。这可通过很多方式完成。例如：通过向可用的负荷提供自由的制冷(假如可找到这样负荷)；通过提供气体和环境之间直接或间接的热交换连接或通过用热泵供应的热补充被动热交换。这些方法允许从环境供应不是全部也是大部分的再加热，结果是节约了由气体燃烧产生的热。
该方法的困难包括向每个地点提供额外的消耗品即抑制剂的必要性，和计量其注射入气流的必要性。另外，可能有必要在向终端使用者供应气体前回收抑制剂。抑制剂的回收需要额外的设备并且大大增加了站的复杂性和其操作。
Pozivil(Acta Montanistica Slovaca，Rocnik 9(2004)，cislo 3，258-260)报道了在气体膨胀过程中释放的动能转变为膨胀涡轮机中的机械能，并且在大多数情况随后转变为电力。该电力可随后以各种方式使用：供应回电网；用于提供地点的一些或全部电需求和可能用于驱动热泵向膨胀气体供应热。
在考虑使用这些电力生成方法中的任一种时，要解决很多问题。首先是以下事实：伴随电力产生膨胀的气体温度降低比伴随节流膨胀至相同最终压力的气体温度降低大数倍。如果通过燃烧膨胀器上游的气体抵消该冷却，则再加热过程将消耗与即使由最有效的膨胀器-发电机单元生成的能量相比更多的能量。同时必须具有对于站而言可利用的全天候电负荷，以利用所产生的电能。实际上，这通常意味着这样的电网连接——通过该电网连接电被送回网络。在任何情况下，即使充分利用了所生成的电，还是存在可用能量的净损失。必须从节能以外的因素寻找该布置花费的理由。
该方法的变型是除了膨胀器-发电机单元之外，还使用CHP单元。CHP的大小由所要求的再加热的量决定，以便CHP的热输出可用于抵消膨胀引起的气体冷却。膨胀器-发电机的电输出被加入到CHP单元的电输出中，并且两者都被供应至电网。两种电输出对操作者产生经济收益，但该方法主要的能量和CO2优势不容易建立。配置CHP单元的原因主要是利用其热输出，因此该部分燃烧能量在总体方案中必须视为是牺牲性的。CHP的作用可被燃料电池所代替，并且总体方法将相同。
如果热是在膨胀后加入的，则有必要向气流加入冷凝抑制剂。其实，由于非常大的温度降低，可能有必要增加抑制剂的剂量，以便其保持有效。同时有必要通过降温至-80℃来评估冷冻设备的后果，该-80℃甚至可能发生在单个膨胀阶段中。该方法能够实现显著的主要能量节约，但它的实行以更极端的形式显示了与抑制剂添加方法有关的上述所有困难。
美国专利5,628,191号表达了一种包括加热气体预膨胀的热泵的系统。利用该预膨胀热泵方法，面临以下问题：从通常5～10℃的进口温度加热气体至高达80～90℃的温度，以便避免以上讨论的冷却问题(见上)。实现非常高的最终温度对于实现任何传统热泵都是费力的挑战。另外，一次实现这样大的温度提升的必要性将对热泵效率产生非常有害的影响。如果热泵效率没有实现最低阀值效率水平，则该过程可仍然要求补充的(燃烧)加热。
美国专利申请公布2003/0172661号提供了使用多个小比率膨胀阶段，以限制温度降低至热泵能处理的范围。这样的方法将需要更大的设备成本和复杂性，而没有任何额外的益处。以上的考虑因素一起考虑使得传统热泵不可能在该特定应用中能起任何显著作用。
尽管本领域的情况如此，但仍然期望提供一种能够预加热增压流体至足够程度的系统，以便在流体泄压后避免与冷却相关的问题。期望该系统是节能的。此外，能够净发电的系统也是期望的。
发明内容
本发明提供了一种系统，以最小化连续或接近连续的过程中经历泄压的任何流体的膨胀冷却的影响。可利用该系统回收由流体膨胀释放的能量。
特别地，本发明提供了一种用于减弱天然气管道泄压过程中膨胀冷却的系统。有利地，该系统可在膨胀冷却天然气的过程期间提供能量回收。
在本发明的一个方面中，提供了管道中增压流体的泄压系统，包括：
用于使管道中增压流体膨胀至较低压力的至少一个泄压器；和
跨临界热泵，用于循环超临界(制冷)流体，
其中超临界流体经历冷却，以便在所述增压流体的至少一次膨胀之前，释放用于传输至管道中增压流体的热。
如将被本领域技术人员所理解的，在超临界制冷流体冷却之后，制冷流体的温度和压力可降至制冷流体的临界温度和临界压力以下。由于这样，跨临界热泵也可具有低压、低温侧，用于在其临界温度和临界压力以下的温度和压力下循环制冷流体。跨临界热泵可具有：
高温、高压侧，用于在其临界温度和临界压力以上的温度和压力下循环制冷流体；和
低温、低压侧，用于在其临界温度和临界压力以下的温度和压力下循环制冷流体。
跨临界热泵也可被理解为包括排热段(heat rejection phase)，用于在其临界温度和临界压力以上的温度和压力下从制冷流体传导热。
本发明的系统可进一步包括至少一个热交换器，用于传输热至管道中的增压流体。
由经历冷却的超临界流体释放的热可在所述增压流体的至少一次膨胀之前被直接传输至管道中的增压流体。例如，制冷流体可在热泵中经历加热和压缩，以便其变成超临界的并可直接被引导至用于加热管道中增压流体的所述至少一个热交换器。超临界流体可在热交换器中经历冷却，以加热管道中的增压流体。
相反，由经历冷却的超临界流体释放的热可在所述增压流体的至少一次膨胀之前被间接传输至管道中的增压流体。例如，这可包括次级传热回路，其又与用于加热管道中增压流体的至少一个热交换器相连接。被加热的超临界流体可在热交换器中经历冷却，以便传输热至次级传热回路，由此加热次级传热回路中的流体(例如水)。次级传热回路中被加热的流体可被引导至用于加热管道中增压流体的至少一个热交换器。
本发明的系统可通过超临界流体提供管道中增压流体的间接加热。有利地，通过超临界流体间接加热管道中的增压流体的构造可被构建在标准热泵封装件中。包括相关热交换器的跨临界热泵的安装将仅要求装管行业技术，而不是跨临界制冷技术。
本发明的系统不排除通过热交换器加热增压流体前的泄压步骤。假如进入气体温度足够高，以允许小程度的泄压，和/或泄压程度足够小，则与冷却相关的问题，例如液化或凝固，应该得以避免。
被加热的超临界流体可在热交换器中经历冷却，以便在膨胀所述增压流体之前加热管道中的增压流体。
如在此所用的，术语“跨临界热泵”涉及在其中制冷流体经历跨临界循环的热泵，即在超临界和亚临界状态之间变化的制冷流体。在本发明的系统中，超临界流体可经历作为跨临界循环一部分的冷却，以释放热至管道中的增压流体。
期望地，本发明的系统在减压地点上运行，而不需要额外消耗品，例如冷凝抑制剂。这消除了与用计量进入增压流体管道的抑制剂和在流体被供应至终端使用者前回收抑制剂相关的额外成本。
本发明的系统提供高效加热，因为跨临界热泵能够在冷却超临界流体的长连续缓降温度期间传递热(与正常逆郎肯循环(reverse Rankinecycle)中冷凝的接近等温传热特性相反)。
在本发明的系统中，排热过程(在跨临界热泵的热交换器中)在超临界流体的临界压力以上的压力下发生。因此，使超临界流体达到显著更高温度得以实现。另外，跨临界热泵中的排热过程在宽温度带上发生，而不是单一的冷凝温度。这使管道中增压流体的高效加热得以实现，以便能充分提升增压流体的温度，从而减弱与增压流体膨胀冷却相关的温度降低。
本发明的系统可能够供应电能至该地点(即回到系统)。可利用在流体膨胀(泄压)步骤中释放的能量。被利用的能量可作为能源被供应回本发明的系统。例如，本发明系统的跨临界热泵可由发电机驱动。发电机可由流体膨胀步骤中释放的能量驱动。
由气体泄压释放的能量可直接耦合至跨临界热泵压缩机。该布置可允许降低费用，因为其去除了发电机和相关设备的要求。
可选地，本发明的系统可适于供应能量至系统外部，例如向电网连接供应电能。除了向电网连接供应电能以外，本发明的系统可适于将电能供应回本发明的系统。
本发明的跨临界热泵可热耦合至环境热源(通过热交换器)。来自环境的热可被直接或间接(与以上相似)传导至制冷流体。
由环境进行的直接加热可包括在制冷流体和耦合至环境热源的热交换器之间的直接传热。可通过次级传热回路实现间接耦合至环境，该次级传热回路可耦合至环境热源热交换器，从环境吸收热，以便又加热制冷流体。环境热源可选自空气、地面、地下水、地表水或其组合。这可允许由热泵吸入低温热能。当其处于亚临界状态时，该环境可向制冷流体提供热。
与管道中的增压流体相联系的热交换器可以以与管道中增压流体相逆流布置放置。这提供了更有效的排热。
用于跨临界循环的制冷剂可为以下流体：其临界温度足够高以允许通过加热至大约20～25℃进行蒸发和足够低以便40～80℃的标准制冷排热温度位于其临界温度以上。该流体应该具有巨大汽化热。期望地，该流体与油是易混溶的，以便提供充分的润滑。如技术人员将理解到的，可利用任何合适的流体。例如，跨临界制冷剂可选自CO2、C2H6、N2O、B2H6、C2H4。本发明也包括其组合。经历跨临界冷却的流体可为CO2。有利地，CO2为非易燃和非毒性的流体。更加有利地，CO2的臭氧消耗潜能值(ODP)为0，全球变暖潜能值(GWP)为1，使其成为最有吸引力的跨临界流体选择之一。
本发明系统的泄压器可包括节流阀。
期望地，本发明的系统被设置生成加热增压流体所需的全部能量，而在加热过程中不燃烧任何所述增压流体。例如，当增压流体为天然气时，不燃烧任何天然气。这样的系统将是节能的。
该系统可进一步包括发电机，用于将通过膨胀流体所释放的能量转化为电能。期望地，在将通过膨胀流体所释放的能量转化为电能之前，管道中的增压流体由热交换器进行加热。有利地，通过加热增压流体至足够的高温，本发明的系统将消除例如通过燃烧对增压流体的消耗，以抵消由泄压产生的不需要的冷却。
通过膨胀流体所释放的能量可被传输至发电机。该发电机可包括通过膨胀流体驱动以生成能量的机械部件。例如增压流体可通过涡轮机进行膨胀。在一种期望的布置中，通过膨胀增压流体释放的能量可由涡轮膨胀器利用。期望地，在通过发电机膨胀增压流体之前，(在热交换器中)加热管道中的增压流体。
包括运用流体膨胀过程的发电机的本发明系统可提供净发电。产生能量的膨胀器(例如，涡轮膨胀器)能产生比运行跨临界热泵所需的能量显著更多的能量。因此，本发明的系统可被设置产生过剩的能量、过剩的热(用于供应管道中的增压流体)或其组合。
增压流体的膨胀可在一个或多个泄压器例如涡轮膨胀器和一个或多个焦耳-汤姆逊节流阀之间被分离。膨胀器-发电机单元比焦耳-汤姆逊节流阀更贵，并且分离在膨胀器-发电机单元和若干焦耳-汤姆逊节流阀之间的膨胀可能是更经济的。
本发明的系统可以提供系列类型布置的若干泄压器。这可便于逐步膨胀增压流体。每个泄压器可通过发电机膨胀增压流体，以便从每次膨胀中生成能量。可选地，多个泄压器之一可通过发电机膨胀增压流体。其余泄压器可为节流阀。
本发明的系统可进一步包括以下中的至少一个：
用于在用热交换器加热增压流体之前膨胀增压流体的至少一个泄压器；
用于在前面膨胀被加热的增压流体之后膨胀增压流体的至少一个泄压器；和
其组合。
在本发明的系统中，用于在用热交换器加热增压流体之前膨胀增压流体的泄压器的并入可有利于总体过程。轻微预冷却增压流体可允许气体管线上热交换器的较低气体进口温度。这对热泵的性能系数可具有积极的作用，并且可增加热泵的效率。
增压流体的预膨胀可增加可在单一阶段中实现的总压降。因此，其可增加本发明系统的总体减压能力，超出由单独作用的膨胀器-发电机的最大进口/出口压力比所施加的界限。假如进入气体温度足够高，以允许小程度的泄压，则与冷却相关的问题，例如液化或凝固，应该得到避免。
在本发明的系统中，用于在前面膨胀被加热的增压流体之后膨胀增压流体的泄压器的并入减弱了热泵产生多于抵消由产能气体膨胀步骤引起的冷却所需要的热的能力。因此，可通过进一步的泄压提供额外的冷却。
本发明的系统可提供多个减压管线，其任选地相互平行放置。每个减压管线可包括至少一个热交换器。可选地，一个热交换器可加热随后分配到每个减压管线中的增压流体。每个减压管线可包括泄压器。每个减压管线可包括至少一个泄压器。
每个减压管线可包括设置用于通过发电机(膨胀器-发电机)膨胀增压流体的至少一个泄压器。在期望的布置中，一个减压管线包括发电机，该发电机可提供加热每个减压管线中的流体所需的能量。例如，单一发电机可提供能量，以给单一热泵或多个热泵提供电源。与热泵相关的热交换器可位于相同的减压管线中或独立的减压管线中。可选地，单一发电机可提供能量以给单一热泵提供电源，该单一热泵的热交换器元件在将增压流体分配至每个减压管线之前，加热增压流体。
每个减压管线可设置用于膨胀增压流体至不同的压力。在经由不同的减压管线，将增压流体例如天然气分配至不同的终端使用者的情况下，这可能特别有利。适当地，本发明的系统可提供2至5条相互平行放置的减压管线。
应当理解到本发明系统的管道中的增压流体可为气态。增压流体可为天然气。
在另外的方面，本发明提供了在热泵中使用超临界流体，用于在增压流体泄压前传输热至管道中的增压流体。超临界流体可在热交换器中在排热阶段经历冷却。超临界流体可经历作为跨临界循环一部分的冷却，以释放热至管道中的增压流体。由超临界流体的冷却提供的热可被直接或间接地传输至管道中的增压流体。直接加热可包括在超临界流体和管道中的增压流体之间的直接传热。间接传热可通过包括流体(例如水)的次级传热回路而实现，该次级传热回路与热交换器相连接，用于加热管道中增压流体，并且由经历冷却的超临界流体进行加热，以依次加热管道中的增压流体。管道中的增压流体可为天然气。
还在另外的方面，本发明提供了用于加热管道中增压流体的方法，包括：
提供跨临界热泵，和
冷却超临界流体，以释放用于传输至管道中增压流体的热。
超临界流体可经历作为跨临界循环一部分的冷却，以释放热至管道中的增压流体。由冷却超临界流体提供的热可被直接或间接地传输至管道中的增压流体。直接传热可包括从经历冷却的超临界流体和与管道中的增压流体相联系的热交换器直接传热。跨临界热泵可将被加热的超临界流体直接引导到热交换器中。
间接传热可通过包括流体(例如水)的次级传热回路而实现，该次级传热回路与热交换器相连接，用于加热管道中的增压流体，并且由经历跨临界冷却的超临界流体进行加热，以依次加热管道中的增压流体。管道中的增压流体可为天然气。
本发明系统容易明白的性质是，其应该允许现有布置的微小变化——如果有的话，以便于维修和维护。所预期的长使用寿命和极少的系统维修/调整要求，给予其优秀的成本有效的前景。
在合适的情况，应当理解到本发明一个实施方式的所有选项和/或附加特征可与本发明另一个/其他实施方式的选项和/或附加特征相结合。
附图说明
在本发明的详细描述中描述了本发明的附加特征和优点，并且从本发明的详细描述和附图其将是明显的，其中：
图1说明了根据本发明的系统，其包括发电机；
图2说明了根据本发明的系统，其包括用于在加热前增压流体泄压的节流阀；
图3说明了根据本发明的系统，其中增压流体在第一能量生成膨胀后经历进一步的膨胀；
图4说明了根据本发明的系统，其中增压流体在若干位置上经历泄压；
图5说明了根据本发明的系统，其具有两个平行的减压管线；
图6说明了根据本发明的系统，其具有直接与跨临界热泵连接的机械连接；和
图7说明了根据本发明的系统，其包括次级热交换回路。
发明详述
本领域技术人员应当容易明白的是，以下在此公开的实施例仅代表概况的实施例，并且其他能够再现本发明的布置和方法是可能的并由本发明所包括。
本发明的系统提供了流体膨胀能量转化装置(通常是与发电机相连接的径向流入膨胀涡轮机)和环境源跨临界热泵。环境热可来源于水、空气或地面中的至少一个。用于高压天然气管线组件中减压的部件构造在图1中示出。
使管101中的进入高压气体通过热交换器102，在热交换器102中其通过经历跨临界冷却的制冷流体被加热，优选处于逆流布置中。经由管路部分103从热交换器出来的气体的温度被维持在足够高的水平，以防止膨胀步骤后的任何低温问题。
气体继续进入产能气体膨胀装置104，优选是高效径向流入膨胀涡轮机，其中气体温度降回接近进入高压气体温度的水平。由于特定站的设计减压比率，管路部分105中离开气体的压力低于进入气体101的压力。气体随后转到进一步的处理步骤(其可包括一个或多个进一步的膨胀步骤)或转到用于分配至终端使用者的分配系统。在膨胀器104中产生的气体膨胀能量，从膨胀器104，通过机械连接106被传输至发电机107，在发电机107中被转变成电。
所有或部分所生成的电用于驱动跨临界热泵单元108。发电机107可直接与热泵108相连接(未示出)。本公开并入了跨临界热泵108，以便克服使大多数热泵在应用的温度要求下无效或不能够达到应用的温度要求的若干难题。在跨临界循环中，排热过程发生在制冷临界压力以上的压力下，因此使其能够达到显著更高的温度。另外，跨临界热泵中的排热过程在宽温度带而不是单一冷凝温度下发生，使其特别适合目前的应用。
跨临界过程的性能系数(COP)由平均热释放温度决定。这与冷却超临界流体的长连续温度缓降相结合，允许跨临界热泵实现非常有利的COP值，同时提供所要求的高最终气体温度。
热泵108，其排热部件为上述热交换器102，也包括压缩机、蒸发器、内部热交换器和跨临界热泵循环运行所需要的其他部件。压缩机、热交换器、流量控制装置和内部的制冷回路部件可为用于跨临界系统的制冷/热泵工业的任何类型。从热泵108，通过被加热的制冷供应管109，将热高压制冷流体运送到热交换器102。经冷却的高压制冷剂从高温热交换器102通过管110返回到热泵108。任选地，包括热交换器102和管109和110的传热回路能循环水或其他合适的液体，而不是制冷剂本身。热泵108的蒸发器与局部环境热耦合。其可与空气、地面、地下或地表水源、废热流或任何这些要素的组合相耦合。环境耦合热交换回路111可为直接的(例如，在整个热收集回路上循环系统制冷剂)或间接的(例如，利用防冻液体以收集环境热)。环境耦合热交换器112可采取各种形式，这取决于最适合每个地点的热交换的具体类型。
运行系统设备例如热泵中的压缩机和其他电外围设备的能量，由发电机107(其又与膨胀器单元104连接)提供。热能来源于环境并通过跨临界热泵提升温度，以在其膨胀前向进入的气体提供热。确定热泵(包括其环境能量源)的尺寸，以提供必要的气体加热，并且不必完全运用可用的气体膨胀能量。
必须由热交换器102传递给气流以抵消膨胀冷却的热量将显著大于发电机107所生成的电能的量。膨胀器104、发电机107和能量转化电子器件的效率将限制可从气体膨胀能量回收中供应给热泵的能量。即使用调节好的现代设备，作为电回收的能量也不可能超过可利用气体膨胀能量的75～80％。
不变的是，以上能量损失作为用于气体升温任务的可用热是不可回收的。因此必须从热泵的热输出供应这些能量损失。除了弥补这些损失之外，有必要供应热，以抵消甚至发生在任何气体能量回收都不存在时的焦耳-汤姆逊冷却。热泵的性能因此必须超过大约2的最小加热COP，以便提供进入的高温气体的全部温度回收，而不消耗任何气体(或其他购买的燃料)。跨临界热泵唯一地能满足该性能要求，同时供应预加热所需的高温和高温提升。
在图2中，该系统包括任选的气体膨胀步骤，其使用位于热交换器102和主膨胀器104上游的节流阀213。假如进入的气体温度足够高，以允许小程度的泄压，则应该避免与冷却相关的液化和凝固问题。机械连接106将膨胀器104连接到发电机107上。可利用由发电机107生成的能量，以给跨临界热泵108供电。跨临界热泵108通过回路111和热交换器112与环境热耦合。管路部分109和110将热交换器102连接到跨临界热泵108上。管路部分105中离开气体的压力低于进入气体101的压力。气体随后转到进一步的处理步骤(其可包括一个或多个进一步的膨胀步骤)或转到用于分配至终端使用者的分配系统。
额外的气体膨胀步骤经由节流阀213提供在热交换器102上游，可以两种不同的方式有利于总体过程。首先，气体的轻微预冷却允许气体管线101上热交换器的较低气体进口温度。这对热泵的性能系数产生积极作用并增加热泵的效率。其次，气体的预膨胀增加了可在单一阶段实现的总压降，并由此增加了聚集体的总体减压能力，超出由单独作用的膨胀器最大进口/出口压力比率施加的界限。
图3说明了一种变型，其中具有通过产能膨胀过程下游的节流阀314的减压步骤。机械连接106将膨胀器104连接到发电机107上。可利用由发电机107生成的能量，以给跨临界热泵108供电。跨临界热泵108通过回路111和热交换器112与环境热耦合。管路部分109和110将热交换器102连接到跨临界热泵108上。管路部分105中离开气体的压力低于进入气体101的压力。
图3中所说明的变型减弱了跨临界热泵108产生多于抵消由通过膨胀器104进行的产能气体膨胀步骤引起的冷却所需的热的能力。下游减压步骤通过使用传统节流设备314实现并将通过焦耳-汤姆逊冷却实现。第二减压步骤的大小将由每个单独地点上可实现的热泵效率所限制，该第二减压步骤的相关冷冻可通过由热泵供应的过量热抵消。气体可随后转到进一步的处理步骤(其可包括一个或多个进一步的膨胀步骤)或转到用于分配至终端使用者的分配系统。
在有利的环境中，经由节流阀314的第二减压比率，可与第一(能量-恢复)减压比率一样大。这可提供两阶段的减压，其中整体再加热要求可由单一膨胀器-发电机热泵组件满足。
图4中提供了具有节流膨胀步骤的系统，节流膨胀步骤在产能膨胀器104的经由节流阀413的上游和经由节流阀414的下游都包括。机械连接106将膨胀器104连接到发电机107上。可利用由发电机107所生成的能量给跨临界热泵108供电。跨临界热泵108通过回路111和热交换器112与环境热耦合。管路部分109和110将热交换器102连接到跨临界热泵108上。管路部分105中离开气体的压力低于进入气体101的压力。气体随后转到进一步的处理步骤(其可包括一个或多个进一步的膨胀步骤)或转到用于分配至终端使用者的分配系统。
图4中描绘的该布置允许针对最大热泵COP优化系统，同时产生大于可在单一产能阶段实现的减压。
在图5中有两条平行的减压管线515和516。每个减压管线515和516都具有热交换器517和518。被加热的超临界流体通过跨临界热泵108被引导至管路部分109和109a中的热交换器517和518。经冷却的流体返回管110和110a中的泵。跨临界热泵108通过回路111和热交换器112与环境热耦合。如将理解到的，该系统可包括平行的若干减压管线。每个减压管线可包括产能膨胀器。每个减压管线可包括节流阀。多个减压管线中的每一个都可包括产能膨胀器或节流阀(取决于系统的需要)。
减压管线516包括产能膨胀器104，并且通过连接至发电机107的机械连接106利用所释放的能量。管521中离开气体的压力低于管516中气体的压力。气体随后转到进一步的处理步骤(其可包括一个或多个进一步的膨胀步骤)或转到用于分配至终端使用者的分配系统。
减压管线515包括节流阀519。在泄压期间释放的能量没有被发电机所利用。管路部分520中离开气体的压力低于管515中的气体压力。气体随后转到进一步的处理步骤(其可包括一个或多个进一步的膨胀步骤)或转到用于分配至终端使用者的分配系统。可通过跨临界热泵108提供加热减压管线515和516中气体的能量，跨临界热泵108又可由产能膨胀器104供电。
每个减压管线515和516可被设置用于膨胀增压气体至不同的压力。在经由不同的减压管线515和516，将天然气分配给不同的网络或终端使用者的情况，这可能特别有利。
在以上讨论的图1至5的每一个中，应当理解到，超过运行跨临界热泵108所需的电能可由发电机107供应。在这样的情况，主要的要求是选择膨胀器104-发电机107单元，以充分利用可回收的膨胀能量，同时设计热泵108，以只传递所需的最小再加热和在过程中使用最小输入。假如存在可以总是接受所生成电能的有用负荷(例如，针对现场服务的电网连接、照明、控制、仪表和通信设备、电池组、泵和其他外围设备)，则该选择提供了回收减压过程中最大量可利用能量的方法。为了实施该选择，仅需要来自发电机的一个或多个额外输出。例如，可提供至发电机电端子的一个或多个额外连接和系统控制器内管理来自发电机的电力传递的能力。
在图6中，由气体泄压所生成的机械能量直接耦合至压缩机622。压缩机622通过回路623与跨临界热泵108相连接。与膨胀器104相连接的机械连接106给压缩机622供电。跨临界热泵108通过回路111和热交换器112与环境热耦合。管109和110将热交换器102连接到跨临界热泵108上。管105中离开气体的压力低于进入气体101的压力。气体随后转到进一步的处理步骤(其可包括一个或多个进一步的膨胀步骤)或转到用于分配至终端使用者的分配系统。
在图6中所说明的包括(经由机械连接106)与膨胀器104直接连接的压缩机622的构造防止生成过剩的电，但其实现了较高的能量效率并消除了对发电机、电力转化封装件和电压缩机驱动器的需要。该布置允许降低成本并更容易适应可被预制的紧密耦合系统，特别是对于过剩电的生成和输出不可能是经济可行的较小应用。
在图7中，通过冷却超临界流体所生成的热通过与热交换器102相联系的次级热交换流体回路701被传导至管道101中的增压流体101。次级热交换流体回路701由泵702驱动，使次级热交换流体回路701与跨临界热泵108分离。被加热的超临界流体和次级热交换流体回路701之间的传热发生在热交换器703中。通常，回路701中的次级热交换流体将为水。水可包含小部分的防冻剂，其被加入以便在关闭情况下保护系统。
在图7中了提供另外的次级热交换回路706。回路706在热交换器704和环境源热交换器112之间运行。次级热交换流体回路706由泵705驱动，使次级热交换流体回路706与跨临界热泵108分离。来自环境的热被传导至次级热交换回路706、在环境热交换器112中。该热随后被传导至热交换器704中的经冷却的制冷流体。在次级热交换回路706中使用的流体将要求大量的防冻，因为其可在接近0摄氏度或0摄氏度以下运行。
机械连接106将膨胀器104连接到发电机107上。可利用由发电机107所生成的能量，以给跨临界热泵108和/或泵702和705供电。管路部分105中离开气体的压力低于进入气体101的压力。
有利地，在图7中说明的构造可被构建到封装件中，类似于与现有非跨临界热泵一起使用的那些。与相关热交换器703和704包装在一起的跨临界热泵108的安装将仅要求装管行业技术，而不是跨临界制冷技术。
应当理解，在以上图中公开的每个实施方式(见上)都可被使用一次或多次，例如两个或多个系统串联或串联/平行排列，以实现气体加热和在任何单一地点需要的产能任务。
词语“包含/包括”和词语“具有/包括”，当在此参考本发明使用时，用于具体说明所陈述的特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、部件或其组的存在或添加。
应理解，在独立实施方式的背景中为了清楚的目的而描述的本发明某些特征，也可在单个实施方式中以组合的方式提供。相反，在单个实施方式的背景中为了简洁的目的而描述的的本发明各种特征，可也单独或以任何合适的亚组合方式提供。

Claims (15)

1.用于管道中增压流体的泄压系统，其包括：
用于使所述管道中增压流体膨胀至较低压力的至少一个泄压器；和
用于循环超临界流体的跨临界热泵，
其中所述超临界流体经历冷却，以便在所述增压流体的至少一次膨胀之前，释放用于传输至所述管道中增压流体的热。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括至少一个热交换器，用于传输热至所述管道中增压流体。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中至少一个次级传热回路从经历冷却的所述超临界流体传输热至所述管道中增压流体。
4.根据任何前述权利要求所述的系统，进一步包括发电机，用于将由膨胀流体释放的能量转化为电能。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述跨临界热泵由所述发电机供电。
6.根据任何前述权利要求所述的系统，其中所述跨临界热泵被热耦合至环境热源。
7.根据权利要求2至6所述的系统，其中所述热交换器以与所述管道中增压流体逆流布置放置。
8.根据任何前述权利要求所述的系统，其中经历冷却的所述超临界流体选自CO2、C2H6、N2O、B2H6、C2H4和其组合。
9.根据权利要求4至8所述的系统，其中由所述膨胀气体释放的能量经由机械连接传输至所述发电机。
10.根据任何前述权利要求所述的系统，进一步包括以下至少一个：
用于在用所述热交换器加热所述增压流体之前膨胀所述增压流体的至少一个泄压器；
用于在前面膨胀所加热的增压流体之后膨胀所述增压流体的至少一个泄压器；和
其组合。
11.根据任何前述权利要求所述的系统，其中所述管道中增压流体为天然气。
12.热泵中的超临界流体用于在增压流体泄压前传输热至管道中所述增压流体的用途。
13.用于加热管道中增压流体的方法，包括以下步骤：
提供跨临界热泵，和
冷却超临界流体，以释放用于传输至所述管道中增压流体的热。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括提供至少一个次级传热回路，用于从经历冷却的所述超临界流体传输热至所述管道中增压流体。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述管道中增压流体为天然气。
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