CN102563958B - 一种利用管网天然气压力能发电与制冰的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种利用管网天然气压力能发电与制冰的方法与装置，包括以下步骤：（1）高压天然气经节流阀节流、膨胀机膨胀产生电力，（2）膨胀后的天然气与第一换热器4中的制冷剂换热；天然气再与第二换热器5的制冷剂换热，换热后的天然气温度升高至2～10℃后，并入城市燃气管网；（3）第二换热器5中换热后的制冷剂一股送入第一换热器的制冷剂通道，另一股经过压缩机压缩、循环冷却水冷却和节流膨胀，再与第一换热器4中换热后的制冷剂一起送至制冰机11制冰。本发明方法既节约了加热调压后低温天然气所用的燃料，大大降低天然气调压门站的运营成本；又获得了电力，同时亦可生产大量的工业用或食品用冰。

Description

一种利用管网天然气压力能发电与制冰的方法与装置
技术领域
本发明涉及天然气压力能利用领域，具体涉及利用高压管网高压天然气的压力能的方法与装置，该工艺不仅节约了加热调压后低温天然气所用的燃料，大大降低天然气调压门站的运营成本；又获得了电力，同时亦可生产大量的工业用或食品用冰。
背景技术
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，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。高压天然气需根据用户的供气压力要求进行调压，在各地的天然气接收门站或调压站调压至供气压力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。如天然气压力从4.0MPa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天大约有56万兆焦。因此，回收利用该部分压力能既可以产生显著的经济效益，亦可以消除天然气调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。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，但该专利未涉及低温天然气冷能的利用。我国专利CN 101245956A公开了一种利用天然气压力能制冷的普适性方法，但该方法未涉及发电，同时该专利所提方法较为理论化，仅为一种压力能应用的原则性方法，工业实际应用受到较大限制。CN 101852529 A公开了一种利用天然气管网压力能高效利用的方法及装置，该方法涉及了一种压力能制冷用于冷库和冷水空调工艺，但该技术未涉及压力能发电过程。
发明内容
为了克服上述工艺技术的缺点，同时充分的利用高压天然气的压力能，本发明提供了一种利用高压管网高压天然气压力能发电-制冰工艺，该工艺可根据调压门站办公楼和职工生活用电的比例，灵活调节此工艺的制冰量，亦可根据工业用冰或食品用冰的实际市场情况灵活调节此工艺的制冰量。因此，该工艺克服了现有工艺技术工业应用受限的局限，为边远地区调压门站的高压天然气的压力能利用提供了一个良好的选择。
本发明目的通过以下技术方案来实现：
 一种利用管网天然气压力能发电与制冰的方法，包括以下步骤：
（1）高压天然气经节流阀节流、膨胀机膨胀产生电力，膨胀后的天然气温度降低至-60℃~ -20℃；
（2）膨胀后的天然气与第一换热器4中的制冷剂换热；天然气再与第二换热器5的制冷剂换热，换热后的天然气温度升高至2～10℃后，并入城市燃气管网；
（3）第二换热器5中换热后的制冷剂一股送入第一换热器的制冷剂通道，另一股经过压缩机压缩、循环冷却水冷却和节流膨胀，再与第一换热器4中换热后的制冷剂一起送至制冰机11制冰，制冰后的制冷剂被送入新鲜水预冷器12预冷制冰用的水，制冷剂温度升高，被送至第二换热器5循环使用。
所述膨胀机优选透平膨胀机。
所述第一换热器4的制冷剂换热后的温度为-15～-30℃。
步骤（1）所述膨胀后的天然气压力为0.4MPa ~4.0MPa；步骤（1）所述高压天然气的压力为4.0~ 8.0MPa。
步骤（3）所述制冷剂经压缩机压缩后的压力为0.9MPa ~ 2.5MPa。
步骤（3）所述制冷剂经循环冷却水冷却和节流膨胀温度降低至-15～-30℃。
所述制冷剂选自R134a、R404a、R22或其混合物和CO2、NH3。
进入所述第二换热器5的制冷剂的温度为5 ~ 15℃。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述方法的装置，包括依次与高压管网天然气管道相连的第一节流阀1和膨胀机2，还包括第一换热器4、第二换热器5、第三换热器8、第一压缩机6、第二压缩机7、第二节流阀10、制冰机11和新鲜水预冷器12；所述膨胀机2的出口依次与第一换热器4和第二换热器5的天然气通道连接，第二换热器5的天然气通道出口再连接到城市燃气管网；第二换热器5的制冷剂出口连接两条支路，一条依次与第一压缩机6、第二压缩机7、第三换热器8的制冷剂通道、第二节流阀10和制冰机11的制冷剂进口相连，另一条连接第一换热器4的制冷剂进口，第一换热器4的制冷剂出口通过管道连接到制冰机的制冷剂进口，制冰机的制冷剂出口与新鲜水预冷器的制冷剂进口相连，新鲜水预冷器的制冷剂出口连接到第二换热器5的制冷剂进口构成制冷剂的循环；制冰机11的新鲜水进口连接新鲜水预冷器12的出水口，新鲜水预冷器12的进水口与水管相连。 
所述第三换热器8的冷却水通道通循环冷却水。
本工艺制冰未使用外输电力，制冰成本低，具有较强的市场竞争力。同时，本方法技术成熟，设备均可国产化，自控程度高，具有良好的工业推广应用前景。本工艺包含2个主要单元：（1）高压天然气发电制冷单元；（2）制冰机制冰单元。高压天然气发电制冷单元的工艺过程如下：4.0 ~ 8.0MPa的高压天然气经透平膨胀机膨胀至0.4MPa ~4.0MPa，膨胀后的天然气温度降低至-60℃ ~ -20℃；低温天然气与制冷剂（R134a、R404a、R22或其混合物和CO2、NH3）换热后，低温天然气的温度上升至2～10℃后，并入城市燃气管网。制冰机制冰单元的工艺过程如下：0.16MPa ~ 0.4MPa、5℃ ~ 15℃的制冷剂（R134a、R404a、R22或其混合物和CO2、NH3）进入第二换热器换热，换热后经分流器分为2股；一股与膨胀后的低温天然气换冷，制冷剂全部冷凝，冷凝后的制冷剂温度为-15～-30℃；冷凝后的制冷剂经泵提升至指定压力后，输送至制冰机制冰；另一股制冷剂（R134a、R404a、R22或其混合物和CO2、NH3）经制冰系统的压缩机压缩至0.9MPa ~ 2.5MPa，压缩后的制冷剂经循环冷却水冷却至25℃ ~ 35℃后，节流膨胀至0.16MPa ~ 0.4MPa，温度降低至-15～-30℃后，输送至制冰机制冰；制冰后的全部制冷剂预冷制冰用的新鲜水后，制冷剂的温度上升至5 ~ 15℃，完成制冷剂循环。
附图说明
图1 管网天然气压力能发电-制冰工艺流程图，
其中，膨胀机2；第一压缩机6；第二压缩机7；第一换热器4；第二换热器5；第三换热器8；泵（3、9）；第一节流阀1；第二节流阀10；制冰机11；新鲜水预冷器12。
具体实施方式
下面结合实施例和工艺流程图（见图1）做进一步说明。
实施例1：
管网天然气压力能发电与制冰的装置，包括依次与高压管网天然气管道相连的第一节流阀1和膨胀机2，还包括第一换热器4、第二换热器5、第三换热器8、第一压缩机6、第二压缩机7、第二节流阀10、制冰机11和新鲜水预冷器12；所述膨胀机2的出口依次与第一换热器4和第二换热器5的天然气通道连接，第二换热器5的天然气通道出口再连接到城市燃气管网；第二换热器5的制冷剂出口连接两条支路，一条依次与第一压缩机6、第二压缩机7、第三换热器8的制冷剂通道、第二节流阀10和制冰机11的制冷剂进口相连，另一条连接第一换热器4的制冷剂进口，第一换热器4的制冷剂出口通过管道连接到制冰机的制冷剂进口，制冰机的制冷剂出口与新鲜水预冷器的制冷剂进口相连，新鲜水预冷器的制冷剂出口连接到第二换热器5的制冷剂进口构成制冷剂的循环；制冰机11的新鲜水进口连接新鲜水预冷器12的出水口，新鲜水预冷器12的进水口与水管相连。 
以14℃, 4.0MPa，1.5×104Nm3/h的天然气为例，天然气的组成见表1。调压后的天然气压力为1.6MPa。方案中制冰机所用的制冷剂为R404a。以下计算以每小时流量计。
一种利用管网天然气压力能发电与制冰的方法：25℃，6.0MPa，11517.9kg/h的高压管网天然气经节流阀节流至4.0MPa，温度降低至14℃；14℃，4.0MPa的天然气经透平膨胀机膨胀至1.65MPa，天然气的温度降低至-33℃；-33℃的低温天然气与第一换热器中的制冷剂R404a换热，天然气的温度升高至-16℃；-16℃的天然气再次预冷第二换热器中15℃的制冷剂R404a，温度升高至5℃后，并入城市次高压燃气管网。
15℃，1.4bar，11300 kg/h的制冷剂R404a经-16℃的低温天然气预冷至-12℃后分为2300kg/h和9000kg/h2股；2300kg/h，-12℃的R404a进入第一换热器与-33℃的低温天然气换热，制冷剂R404a温度降低至-17℃后，全部冷凝为液体；3.5bar，-17℃的低温制冷剂R404a经泵提升至3.75bar后，输送至制冰机制冰；另一股9000kg/h，-12℃的R404a经第一压缩机压缩至7bar后，温度升高至16℃；16℃的R404a经第二压缩机进一步压缩至15bar，温度升高至51℃，经第三换热器冷却至30℃后，节流膨胀至3.7bar，温度降低至-15℃，进入制冰机制冰；制冰后的制冷剂R404a在新鲜水预冷器中预冷制冰用的水后，温度升高至15℃，完成制冷剂循环。
25℃，1bar，45000kg/h的循环水经泵升压至3bar后，在第三换热器中冷却51℃的制冷剂R404a，循环水温度升高至36℃。
在此工艺中，高压天然气透平膨胀机的发电量约为200kW，其中制冰机单元的用电量为107kW，其余部分供调压门站办公楼和职工生活用电；此工艺的制冰量为3.3t/h，约80.0t/h。经过计算，上述实施例管网天然气压力能发电与制冰方法的计算结果见表2。
表1  LNG组成
组分 CH4 C2H6 C3H8 ｉC4H10 ｎC4H10 CO2 N2 合计
组成（mol%） 89.39 5.76 3.30 0.78 0.66 0.0 0.11 100
表2 
Figure 725598DEST_PATH_IMAGE001

Claims (10)

1.一种利用管网天然气压力能发电与制冰的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）高压天然气经节流阀节流、膨胀机膨胀产生电力，膨胀后的天然气温度降低至-60℃~ -20℃；
（2）膨胀后的天然气与第一换热器（4）中的制冷剂换热；天然气再与第二换热器（5）的制冷剂换热，换热后的天然气温度升高至2～10℃后，并入城市燃气管网；
（3）第二换热器（5）中换热后的制冷剂一股送入第一换热器的制冷剂通道，另一股经过压缩机压缩、循环冷却水冷却和节流膨胀，再与第一换热器（4）中换热后的制冷剂一起送至制冰机（11）制冰，制冰后的制冷剂被送入新鲜水预冷器（12）预冷制冰用的水，制冷剂温度升高，被送至第二换热器（5）循环使用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述膨胀机为透平膨胀机。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一换热器（4）的制冷剂换热后的温度为-15～-30℃。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述膨胀后的天然气压力为0.4MPa ~4.0MPa；步骤（1）所述高压天然气的压力为4.0~ 8.0MPa。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤（3）所述制冷剂经压缩机压缩后的压力为0.9MPa ~ 2.5MPa。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（3）所述制冷剂经循环冷却水冷却和节流膨胀温度降低至-15～-30℃。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述制冷剂选自R134a、R404a、R22或其混合物和CO2、NH3。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进入所述第二换热器（5）的制冷剂的温度为5 ~ 15℃。
9.一种实现权利要求1所述方法的装置，包括依次与高压管网天然气管道相连的第一节流阀（1）和膨胀机（2），其特征在于，还包括第一换热器（4）、第二换热器（5）、第三换热器（8）、第一压缩机（6）、第二压缩机（7）、第二节流阀（10）、制冰机（11）和新鲜水预冷器（12）；所述膨胀机（2）的出口依次与第一换热器（4）和第二换热器（5）的天然气通道连接，第二换热器（5）的天然气通道出口再连接到城市燃气管网；第二换热器（5）的制冷剂出口连接两条支路，一条依次与第一压缩机（6）、第二压缩机（7）、第三换热器（8）的制冷剂通道、第二节流阀（10）和制冰机（11）的制冷剂进口相连，另一条连接第一换热器（4）的制冷剂进口，第一换热器（4）的制冷剂出口通过管道连接到制冰机的制冷剂进口，制冰机的制冷剂出口与新鲜水预冷器的制冷剂进口相连，新鲜水预冷器的制冷剂出口连接到第二换热器（5）的制冷剂进口构成制冷剂的循环；制冰机（11）的新鲜水进口连接新鲜水预冷器（12）的出水口，新鲜水预冷器（12）的进水口与水管相连。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第三换热器（8）的冷却水通道通循环冷却水。
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