CN103422899B - 小型天然气管网压力能发电的工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了小型天然气管网压力能发电的工艺及装置。该装置的高压管网通过管道与膨胀机的进气口连接，膨胀机的排气口与温度平衡器的进气口通过管道连接；温度平衡器出口通过管道与中低压燃气管网连接；膨胀机的膨胀机的主轴与变速箱连接，变速箱与发电机连接，发电机与变压同步器连接；膨胀机选用改进的AT15‐65型气体膨胀机，主轴的一端与气缸全封闭式连接，主轴的另一端与轮滚筒之间设有两个具备密封作用的第一密封圈和第二密封圈，在两个密封圈中间的密闭空腔中设有导流管，导流管与惰性气体气瓶连接；本发明能够持续稳定为可间断、封闭性、1‐5kW小功率用户供给220V/380V稳定电源。

Description

小型天然气管网压力能发电的工艺及装置

技术领域

本发明涉及一种压力能膨胀发电技术领域，具体涉及小型天然气管网压力发电工艺及装置。

背景技术

管道是天然气的主要运输方式，加强输气干线建设是加快天然气产业发展的基础，不仅可以促进下游市场开发，又可激励上游天然气资源的勘探和开采，从而带动整个天然气产业链的发展。随着天然气管网的建设，如何提高管网输送的经济性和安全性也成了人们日益关注的问题。高压天然气在调压的过程中会产生很大的压力降，释放大量的能量，但这部分能量的利用在国内尚未引起足够的重视。如果能采用适当的方式回收利用这部分压力能，将能在很大程度上提高能源利用率和天然气管网运行的经济性。“十一五”期间我国重点推进的十项节能工程之一是余热余压利用工程，随着城市天然气应用力度的逐渐增加，天然气管网的发展，高压天然气的压力能回收利用技术将具有广阔的发展空间，具有现实意义。

天然气发电管网压力能的利用方式为发电和制冷两种，其中发电的方式有两种。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，该发明利用膨胀机输出机械功驱动同轴发电机发电，但未涉及低温天然气冷能的利用。中国发明专利申请CN101280723A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，但该专利未利用压力能进行发电。中国发明专利申请CN101245956A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。但该发明未涉及发电，且因该发明所提方法较为理论化，工业实际应用受限较大。中国发明专利申请CN101852529A公开了一种利用天然气管网压力能制冷用于冷库和冷水空调工艺的高效利用方法，但同样该技术未涉及压力能发电过程。上述这些专利技术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。

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利用方式。

上述现有均未涉及小型天然气管网发电，而目前管网调压站、计量站等封闭性、小功率的用户因特殊的地理位置和较小的用电需求而拉建高成本的电网，经济性不够。而一种小型天然气管网压力能发电装置则能在低成本的条件下满足类似调压站、计量站等这些可间断、封闭性、小功率（1‐5kW）的小型用户。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种安全性能好，低能耗、低成本、占地小，寿命长、易维护的天然气管网压力能高效利用装置及工艺，回收利用部分高压管网燃气的压力能进行发电，作为调压站或计量站的小型电源。

本发明将采用一种无油结构、低能耗、低成本、寿命长、易维护、体积小的新型膨胀机来实现设备和系统小型化，大大减小设备占地面积，并可将一套设备进行多地点循环使用，拓展高压管网压力能利用领域。整套工艺简单易操作，由高压管网调压和压力能发电两部分组成；能够持续稳定为可间断、封闭性、小功率（1‐5kW）的小型用户供给220V/380V稳定电源，尤其适用于无电源的调压站、计量站等，填补了无电源中小功率用户的市场空白，具有较大经济效益和广阔发展空间。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

小型天然气管网压力能发电的装置，包括第一电控阀、流量调节阀、膨胀机、变速箱、发电机、变压同步器、压力温度平衡器、气动调节阀、第二电控阀和PLC；高压管网通过管道与膨胀机的进气口连接，高压管网与膨胀机连接的管道上依次设有第一电控阀和流量调节阀；膨胀机的排气口与温度平衡器的进气口通过管道连接；温度平衡器出口通过管道与中低压燃气管网连接；膨胀机的主轴与变速箱连接，变速箱与发电机连接，发电机与变压同步器连接；

所述膨胀机选用改进的AT15‐65型气体膨胀机，所述改进为主轴的一端与气缸全封闭式连接，主轴的另一端与轮滚筒之间设有两个具备密封作用的第一密封圈和第二密封圈，在两个密封圈中间的密闭空腔中设有导流管，导流管与惰性气体气瓶连接；

在压力温度平衡器与中低压燃气管网连接的管道上依次设有气动调节阀和第二电控阀；变速箱与发电机之间设有速度变送器，气动调节阀与第二电控阀之间设有压力变送器；PLC通过导线分别与第一电控阀、流量调节阀、第二电控阀、速度变送器及压力变送器连接。

进一步地，所述第一电控阀与流量调节阀之间的管道上，以及第二电控阀与中低压管网之间的管道上均设有压力现场显示器、温度现场显示器。所述变压同步器优先选用XC‐SG型三相变压同步器。所述压力温度平衡器优先选用不锈钢平衡罐PLZ‐206。所述第一电控阀和第二电控阀优先选用紧急切断功能电磁阀；所述流量调节阀和气动调节阀选用电动调节阀；所述发电机选用同步发电机。

应用所述装置的小型天然气管网压力能发电工艺，包括如下步骤：

（1）满足城市管网瞬时需求量的1.6‐4MPa天然气通过第一电控阀、流量调节阀后进入膨胀机膨胀降压，经压力温度平衡器回温后，由气动调节阀、第二电控阀调节压强至0.2‐1.6MPa，再进入下游中低压燃气管网；

（2）高压天然气通过膨胀机膨胀将压力能转化成机械能，然后通过变速箱使转子转速与发电机频率匹配发电，用于供给1‐5kW用电需求的小型用户使用或者变电上网。

相对于现有技术，本发明具有如下的优点及有益效果：

（1）本发明可以实现天然气压力能安全发电。现有的AT15‐65型气体膨胀机主轴与轮滚筒仅依靠一个密封胶圈进行密封，该密封结构不能保证来自管网的天然气完全不泄露，即不具备防爆性能。本发明将原膨胀机的密封胶圈换成两个具备密封作用的第一密封圈和第二密封圈，在两个密封圈中间的密闭空腔中，增加一根导流管，导流管与惰性气体气瓶连接；通过导流管输入压力略高于天然气的惰性气体，从而保证天然气不会泄露，有效地解决的该气动马达无法防爆的难题。

（2）设备成本低，投资小：本发明应用改进的AT15‐65型气体膨胀机，可实现小型化，大大减小设备占地面积，且一套设备可多地点循环使用，从而可减小设备成本和投资费用，避免造成设备浪费。

（3）轻量化、无冷媒、无电源、无能耗、无影响；整个发电系统能量由高压燃气的压力能提供，无需冷媒、无需外接电源，更没有其他能耗，同时加入发电系统后对管网也无影响。

（4）发电稳定、可靠、安全性高：系统可输出稳定的220/380V交流电，安全性高，可供封闭性、小功率（1‐5KW）的小型用户使用。

（5）工艺简单，易控制：本发明装置主要由高压管网调压和压力能发电2部分组成，工艺简单，发电量可根据用户需求进行调节控制。

（6）易于推广使用：本发明采用一种无油结构、低能耗、低成本、寿命长、易维护、体积小的膨胀机；可建在无电网的偏远地区，减少因建设电网产生的高额成本，具有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明小型天然气管网压力能发电的装置的结构示意图。

图2为图1中的膨胀机的截面示意图。

图3为图1中的膨胀机的主要转动元件的转动原理示意图。

图中示出：第一电控阀1、流量调节阀2、膨胀机3、变速箱4、发电机5、变压同步器6、压力温度平衡器7、气动调节阀8、第二电控阀9、PLC10、减压阀11、主轴12、轮滚筒13、第一密封圈14、第二密封圈15、导流管16、气缸17、气体输入口18‐1、气体输出口18‐2、凹槽19、旋阀片20、旋阀片支撑芯轴21、行星活塞轮22和环形活塞空间23。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，具体实施方式并不构成对本发明要求保护范围的限定。

如图1所示，现有技术在高压管网与中低压管网之间通过减压阀11直接连接；本发明在高压管网与中低压管网之间设置小型天然气管网压力能发电装置，将天然气进行分流并利用其压力能进行发电。该装置包括第一电控阀1、流量调节阀2、膨胀机3、变速箱4、发电机5、变压同步器6、压力温度平衡器7、气动调节阀8、第二电控阀9和PLC10；高压管网通过管道与膨胀机3的进气口连接，高压管网与膨胀机3连接的管道上依次设有第一电控阀1和流量调节阀2；膨胀机3的排气口与温度平衡器7的进气口通过管道连接；温度平衡器7出口通过管道与中低压燃气管网连接；压力温度平衡器7对天然气的压力及温度进行调节，调节后的天然气从温度平衡器7出口通过管道进入中低压燃气管网；膨胀机3的膨胀机的主轴12与变速箱4连接，变速箱4与发电机5连接，发电机5与变压同步器6连接，发电机5产生的交变电流，由变压同步器6通过电磁感应作用输送电流，变压同步器6的输出端与外界的仪表、阀门等小型用电设备连接。具体的操作过程为：天然气通过膨胀机3后，经过压力温度平衡器7调节后，温度与压力符合标准后输入下游天然气管网。膨胀机3在天然气膨胀的过程中输出机械功，同时带动变速箱4及发电机5转动，变速箱4通过变速调节，使得膨胀机3与发电机5的转速相匹配，发电机5输出电功，通过变压同步器6，输出标准电压，最终供给仪表、阀门等小型用电设备使用。

变压同步器6可选用XC‐SG型三相变压同步器，压力温度平衡器7可选用不锈钢平衡罐PLZ‐206。第一电控阀1、第二电控阀9可选用紧急切断功能电磁阀，简称ZCRB型燃气紧急切断阀。流量调节阀2和气动调节阀8可选用电动调节阀。发电机5可选用同步发电机。

如图2、3所示，AT15‐65型气体膨胀机是一种星旋式流体马达，该膨胀机是一种无油结构的气动马达。该气动马达的主轴12与轮滚筒13之间属于转动连接，主轴12的一端与气缸17全封闭式连接（图2右边部分），主轴12的另一端（左边部分）与轮滚筒13原仅依靠一个密封胶圈进行密封，该密封结构不能保证来自管网的天然气完全不泄露，即不具备防爆性能。本发明膨胀机3选用AT15‐65型气体膨胀机，并进行如下改进：将原膨胀机的密封胶圈换成两个具备密封作用的第一密封圈14和第二密封圈15，在两个密封圈中间的密闭空腔中，增加一根导流管16，导流管16与惰性气体气瓶连接；通过导流管16输入压力略高于天然气的惰性气体，从而保证天然气不会泄露，有效地解决的该气动马达无法防爆的难题。本发明首次将AT15‐65型气体膨胀机进行适当改进并应用在天然气膨胀发电中。

高压管网天然气从气缸17的输入口18‐1到凹槽19，天然气推动旋阀片20以旋阀片支撑芯轴21为中心沿凹槽19的一个侧面向下做摆动，旋阀片20的头部推动行星活塞轮22向前转动，随之天然气冲入到环形活塞空间23继续推动行星活塞轮22向前沿着环形活塞空间23转动，向前转动的行星活塞轮22挤压天然气从输出口18‐2排出，并且在由旋阀片20摆动到轮滚筒13后隔开的相邻活塞空间形成气体压差，行星活塞轮22在向前转动的过程中压迫旋阀片20向上摆动复位进入下一个往复周期。

AT15‐65型气体膨胀机为无油结构，低能耗、低成本、寿命长、易维护、体积小的新型膨胀机。因相较于传统的膨胀机体积小质量轻，使发明装置实现了轻量化，而新型膨胀机的无油结构、低能耗且无需外接电源使得本发明装置具有无冷媒、无电源、无能耗的特点，加之膨胀机有较长的使用寿命、维护简单使得外界对发明装置的影响可忽略不计，从而具有了无影响的特点。

本发明在压力温度平衡器7与中低压燃气管网连接的管道上依次设有气动调节阀8和第二电控阀9；第一电控阀1与流量调节阀2之间的管道上，以及第二电控阀9与中低压管网之间的管道上均设有压力现场显示器PI、温度现场显示器TI，进行现场压力和温度监视。变速箱4与发电机5之间设有速度变送器ST，气动调节阀8与第二电控阀9之间设有压力变送器PT。PLC10通过导线分别与第一电控阀1、流量调节阀2、第二电控阀9、速度变送器ST及压力变送器PT连接。

自控系统的操作过程为：第一电控阀1与第二电控阀9属于联动装置，同时关闭或开启。当压力现场显示器PI显示压力在允许范围波动时，第一电控阀1和第二电控阀9均同时开启，保证整套装置正常运转。当压力现场显示器PI显示压力较长时间超出允许范围时，通过压力变送器（PT）将压力信号转换成标准电信号反馈至PLC10，PLC10输出切断设备指令，通过程序控制输出切断指令作用于第一电控阀1和第二电控阀9，将整套装置与高压主管网彻底脱离，从而保证高压网管的正常运行。流量调节阀2主要是调节进入膨胀机3的天然气流量，当天然气流量在正常范围时，膨胀机3的转速与发电机转速成倍数关系而发电。当天然气流量处于异常范围时，通过速度变送器ST将速度信号转换成标准电信号反馈至PLC10，通过程序控制输出调节指令作用于流量调节阀2，调节进入膨胀机的天然气流量，从而改变膨胀机的转速并使之与发电机匹配发电。气动调节阀8的作用是调节压力，以保证天然气具有足够的压力进入天然气主管路。当压力现场显示器PI现实压力过小时，通过压力变送器PT将压力信号转换成标准电信号反馈至PLC10，通过程序控制作用于气动调节阀8，减小气动调节阀8的开度。反之，当压力过大时，通过增大气动调节阀8的开度。从而保证天然气能正常进入天然气主管路。

本发明是利用天然气的压力差进行发电的原理是能量守恒原理，即动能+压力势能=常数，当压力能减少时，减少的部分将转化为动能，其动能增加，通过设备将其动能转化为电能。高压天然气通过膨胀机3膨胀将压力能转化成机械能，然后通过变速箱4使转子转速与发电机5频率匹配发电，用于供给无法安装电网的调压站或计量站等小型用户使用或者进行变电上网。

一种天然气管网压力能发电的利用方法，包括以下步骤：

（1）满足城市管网瞬时需求量的1.6‐4MPa天然气通过第一电控阀1、流量调节阀2后进入膨胀机3膨胀降压，经压力温度平衡器7回温后，由气动调节阀8、第二电控阀9调节压强至0.2‐1.6MPa，再进入下游中低压燃气管网；

（2）高压天然气通过膨胀机3膨胀将压力能转化成机械能，然后通过变速箱4使转子转速与发电机5频率匹配发电，用于供给无法安装电网的调压站或计量站等小型用户使用或者进行上网。

从膨胀机3出来的天然气气流气压不稳、气体温度在‐107.7～‐13.8℃，压力温度平衡器7的作用就是稳定气流速度、压力，对气体进行回温，防止气流扰动、乱窜以及气体超低温对设备的损害。

因天然气调压站、计量站多设置在偏远地区，这些地方要么是没有电网，如果要安装电网成本又大，而这样的调压站、计量站本身功率又小，消耗少，如若单单为了满足这些样的用户去安装电网显然不划算，而本发明发电系统恰好因其体积小方便挪动，且发电功率也在1‐5KW，故发电系统可满足于无法安装电网、封闭性、用电功率小（1‐5KW）的小型用户使用。

实施例

实施例的设备组成参考图1；膨胀机的结构简图如图2、3所示。

（1）满足城市管网瞬时需求量的1.6‐4MPa天然气通过第一电控阀1、流量调节阀2后进入膨胀机3膨胀降压，经压力温度平衡器7回温后，由气动调节阀8、第二电控阀9调节至0.2‐1.6MPa，再进入下游中低压燃气管网；

（2）高压天然气通过膨胀机3膨胀将压力能转化成机械能，然后通过变速箱4使转子转速与发电机5频率匹配发电，用于供给无法安装电网的调压站或计量站等小型用户使用或者进行变电上网。

在天然气发电领域，常用透平膨胀机代替传统的调压阀来回收压力能用于发电，但透平膨胀机由于存在转速高且对工质要求高等特点，使得它在城市管网压力能发电存在较大的困难，一方面是城市天然气调压站布局分散，不利于建设大型的电力回收系统，而小型高效的天然气发电气动装置在现有市场中难以找到。另一方面，发电时要求天然气压力和流量相对稳定，而天然气的使用存在严重的季节、昼夜及小时的不均匀性，无法满足该膨胀机的稳定运行。而本发明采用的膨胀机本身体积小，成本低，保养维护简单，介质要求低，可用于小功率发电，与天然气调压站的工况及用电要求非常吻合。

ASPEN模拟显示：（1）满足城市管网瞬时需求量47kg/h的天然气，压力4MPa、温度20℃通过第一电控阀1、流量调节阀2后进入膨胀机3膨胀降压，经压力温度平衡器7回温后，由气动调节阀8、第二电控阀9调节后，压力降为1.6MPa、温度降为‐30.2℃，然后再进入下游中低压燃气管网；

（2）高压天然气通过膨胀机3膨胀将压力能转化成机械能，然后通过变速箱4使转子转速与发电机5频率匹配发电，可发出1.01KW的电用于供给无法安装电网的调压站或计量站等小型用户使用或者进行上网。

当流量发生变化时需要通过PLC进行信号调节，比如系统从停止状态到工作状态时，就需要通过PLC进行不断的信号调节，使整个发电装置可进行正常运作。

（3）表1显示了膨胀机3出入口在不同压力状态下的燃气流量与发电率的关系。

表1燃气流量、发电率关系表

从表1可以看出，小型天然气管网压力能发电装置的进气压力范围为0.4‐4MPa，说明发电系统可操作弹性大，能够利用的压力能范围大。根据不同的进出气压力即不同的压差，通过调节天然气流量可将发电功率控制在1‐5kW。当进气压力为较大的4MPa，而出气压力也为较大的1.6MPa，此时燃气流量在47kg/h；或出气压力为较小的0.4MPa，而出气压力也为较小的0.2MPa，此时燃气流量为54kg/h；发电率都为1.01kW。当进气压力为较大的4MPa，而出气压力为较小的0.4MPa，此时燃气流量为65kg/h；或出气压力为1.6MPa，而出气压力为较小的0.4MPa，此时燃气流量为较大的90kg/h；发电率都在3kW左右。当进气压力为较大的4MPa，而出气压力为较小的0.2MPa，此时燃气流量为较大的88kg/h；发电率为5.00kW。可见，该发明设备可以适用于偏远地区的小型用电设备，不再用巨大代价进行电网架设，具有良好的节能减排效果。

Claims (7)

1.小型天然气管网压力能发电的装置，其特征在于，包括第一电控阀、流量调节阀、膨胀机、变速箱、发电机、变压同步器、压力温度平衡器、气动调节阀、第二电控阀和PLC；高压管网通过管道与膨胀机的进气口连接，高压管网与膨胀机连接的管道上依次设有第一电控阀和流量调节阀；膨胀机的排气口与温度平衡器的进气口通过管道连接；温度平衡器出口通过管道与中低压燃气管网连接；膨胀机的膨胀机的主轴与变速箱连接，变速箱与发电机连接，发电机与变压同步器连接；

所述膨胀机选用改进的AT15‐65型气体膨胀机，所述改进为主轴的一端与气缸全封闭式连接，主轴的另一端与轮滚筒之间设有两个具备密封作用的第一密封圈和第二密封圈，在两个密封圈中间的密闭空腔中设有导流管，导流管与惰性气体气瓶连接；

在压力温度平衡器与中低压燃气管网连接的管道上依次设有气动调节阀和第二电控阀；变速箱与发电机之间设有速度变送器，气动调节阀与第二电控阀之间设有压力变送器；PLC通过导线分别与第一电控阀、流量调节阀、第二电控阀、速度变送器及压力变送器连接。

2.根据权利要求1所述的小型天然气管网压力能发电的装置，其特征在于，所述第一电控阀与流量调节阀之间的管道上，以及第二电控阀与中低压管网之间的管道上均设有压力现场显示器、温度现场显示器。

3.根据权利要求1所述的小型天然气管网压力能发电的装置，其特征在于，所述变压同步器选用XC‐SG型三相变压同步器。

4.根据权利要求1所述的小型天然气管网压力能发电的装置，其特征在于，所述压力温度平衡器选用不锈钢平衡罐PLZ‐206。

5.根据权利要求1所述的小型天然气管网压力能发电的装置，其特征在于，所述第一电控阀和第二电控阀选用紧急切断功能电磁阀。

6.根据权利要求1所述的小型天然气管网压力能发电的装置，其特征在于，所述流量调节阀和气动调节阀选用电动调节阀；所述发电机选用同步发电机。

7.应用权利要求1‐6任一项所述装置的小型天然气管网压力能发电的工艺，其特征在于包括如下步骤：

（1）满足城市管网瞬时需求量的1.6‐4MPa天然气通过第一电控阀、流量调节阀后进入膨胀机膨胀降压，经压力温度平衡器回温后，由气动调节阀、第二电控阀调节压强至0.2‐1.6MPa，再进入下游中低压燃气管网；

（2）高压天然气通过膨胀机膨胀将压力能转化成机械能，然后通过变速箱使转子转速与发电机频率匹配发电，用于供给1‐5kW用电需求的小型用户使用或者变电上网。