CN103791690A - 利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置及方法，其中，所述液化天然气生产装置包括调压系统、天然气液化系统和控制系统，所述调压系统包括串接在一起的膨胀机和换热器；所述天然气液化系统包括依次连接的天然气预处理系统、换热器以及天然气液化冷箱，此外还包括混合制冷剂循环系统；所述膨胀机的输出轴上连接有双输出离合器，该双输出离合器的第一输出端与发电机连接，第二输出端与混合制冷剂循环系统中的制冷剂压缩机连接；所述制冷剂压缩机的输入轴上连接有双输入离合器，该双输入离合器的第一输入端与电机连接，第二输入端与所述双输出离合器的第二输出端连接。本发明具有充分利用压力能的优点。

Description

利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置及方法

技术领域

本发明涉及一种液化天然气生产装置及方法，具体涉及一种利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置及方法。

背景技术

天然气作为三大化石能源之一，在能源消耗所占的比重将越来越大。天然气不仅储量大，而且是一种优质的清洁能源，在中国这一类发展中国家中，对于改善能源结构，解决环境问题和能源危机等问题上具有举足轻重的作用。

目前，国内外的天然气的大规模陆上运输方式主要为管道运输。长输管道采用高压运输是世界各国的发展趋势，国外许多天然气管道的输送压力都在10MPa以上。我国的长输天然气也步入了世界先进水平，已建成的西气东输一线工程管道压力达到10MPa，而西气东输二线的管道压力则达到12MPa。高压天然气无法直接使用，需经过调压至中压或者低压后，进入下游的管网，供用户使用。传统调压站的调压方式是通过节流阀进行节流膨胀降压，不仅白白浪费了大量的压力能，而且节流膨胀导致的低温天然气还对管道和设备造成严重的损坏。如果能通过一些方法将这部分压力能加以回收利用，将大大提高天然气的综合利用率，同时实现节能和对管道设备的保护。

现阶段天然气管道压力能主要用于发电、轻烃分离、天然气液化等方面。其中，天然气液化方面，由于天然气在常压或略高于常压下的液化温度低至-162℃，所需冷能品位较高，采用普通的压缩制冷工艺能耗极大，所以针对液化天然气生产工艺的节能工艺改进具有良好的经济效益，是近年来研究的热点。

中国发明专利申请CN102660341A针对原有调压站工艺白白浪费压力能的情况，公开了一种利用天然气压力能部分液化天然气的工艺和装置。该发明的原理在于利用高压天然气的压力能，采用膨胀制冷工艺将得到的冷量用于管网中部分天然气的液化。此外，该装置以正常负荷运转时，单位产品的工作能耗近似为零，但该工艺液化天然气产量较低，设备投资较高。中国发明专利申请CN103017480A针对现有压力能利用方案压力能利用率不高的情况，该发明申请提出一种系统利用管道压力能生产LNG的技术方案，通过高压天然气膨胀获得冷能，实现部分天然气的液化。该系统中用于预冷的部分气体无需做深度净化，减轻了净化压力，但该系统设备投资较高，工艺流程复杂难以保障生产安全性。中国发明专利申请CN103175379A则针对已有压力能生产LNG的专利液化率较低，能耗较高的情况，公开了一种利用管道压力能制备液化天然气的工艺。该工艺可实现10～17％的液化率，且流程复杂，无法保障生产安全，设备投资较高。中国发明专利申请CN103292574A公开了一种利用膨胀机直接液化管道天然气的工艺。该工艺可实现10～14％的液化率，液化率较低。

上述专利技术都是针对调压站自身调压工艺进行改进，通过一定的设备和工艺实现压力能回收和管道天然气自身的液化，普遍存在液化天然气产量较小的局限性。并且各工艺均只对高压管网的压力能进行一级利，而在利用过程所产生的机械能则白白耗费。中国发明专利申请CN102538390A公开了一种新型天然气液化系统及其方法，该专利申请方案中指出，利用高压管网压力能进行膨胀制冷过程中，膨胀机的膨胀功可以回收用来发电或者另作他用，但是并没有进一步给出具体的利用方案，尤其没有给出如何充分、合理地利用该机械能的具体方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置，对管道压力能进行充分利用，减少液化能耗，而且避免了压力能的浪费，同时降低了调压站和储备库的运营成本。

本发明的另一个目的在于提供一种应用上述液化天然气生产装置实现的利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产方法。

本发明实现上述目的的技术方案为：

一种利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置，包括调压系统和天然气液化系统，其中：

所述调压系统包括串接在一起的膨胀机和换热器，其中，膨胀机一端与上游高压管网的管道连接，换热器一端与下游中压管网的管道连接；

所述天然气液化系统包括依次连接的天然气预处理系统、换热器以及天然气液化冷箱，此外还包括与天然气液化冷箱连接的混合制冷剂循环系统；

所述膨胀机的输出轴上连接有双输出离合器，该双输出离合器的第一输出端与发电机连接，第二输出端与混合制冷剂循环系统中的制冷剂压缩机连接；

所述制冷剂压缩机的输入轴上连接有双输入离合器，该双输入离合器的第一输入端与电机连接，第二输入端与所述双输出离合器的第二输出端连接；

还包括控制系统，该控制系统用于根据膨胀机的输出功率控制双输出离合器使膨胀机的输出轴与所述发电机或制冷剂压缩机连接，并且控制双输入离合器使制冷剂压缩机的输入轴与所述电机或双输出离合器的第二输出端连接。

本发明的液化天然气生产装置的一个优选方案，其中，所述双输出离合器包括与膨胀机的输出轴连接的滑动轴套、设置在滑动轴套上的中间传动轮、设在中间传动轮两侧的第一输出轮和第二输出轮以及与滑动轴套连接的滑动控制装置，其中：

所述中间传动轮的两个侧面上均设有摩擦片；

所述第一输出轮构成第一输出端，该第一输出轮与发电机连接；所述第二输出轮构成第二输出端，该第二输出轮与双输入离合器的第二输入端连接；

所述滑动控制装置包括气缸以及连接头，其中，所述连接头连接在气缸的活塞杆上，该连接头上设有环形槽，所述滑动轴套的端部设有伸入到环形槽内的环形凸起；所述气缸与控制系统连接。

本发明的液化天然气生产装置的一个优选方案，其中，所述双输入离合器包括与制冷剂压缩机的输入轴连接的滑动轴套、设置在滑动轴套上的中间传动轮、设在中间传动轮两侧的第一输入轮和第二输入轮以及与滑动轴套连接的滑动控制装置，其中：

所述中间传动轮的两个侧面上均设有摩擦片；

所述第一输入轮构成第一输入端，该第一输入轮与电机连接；所述第二输入轮构成第二输入端，该第二输入轮与所述双输出离合器中的第二输出轮连接；

所述滑动控制装置包括气缸以及连接头，其中，所述连接头连接在气缸的活塞杆上，该连接头上设有环形槽，所述滑动轴套的端部设有伸入到环形槽内的环形凸起；所述气缸与控制系统连接。

本发明的液化天然气生产装置的一个优选方案，其中，所述第一输出轮、第二输出轮、第一输入轮以及第二输入轮均为皮带轮，所述第一输出轮与发电机之间、第二输出轮与第二输入轮之间以及第一输入轮与电机之间均通过皮带传动机构连接。

本发明的液化天然气生产装置的一个优选方案，其中，所述控制系统为PLC控制系统，该PLC控制系统通过导线与膨胀机的速度变送器连接。

本发明的液化天然气生产装置的一个优选方案，其中，所述调压系统与调压站原有调压系统并联。

本发明的液化天然气生产装置的一个优选方案，其中，所述膨胀机与上游高压管网连接的管道上设有第一调节阀；所述换热器与下游中压管网连接的管道上设有第二调节阀；所述换热器与天然气预处理系统连接的管道上设有第三调节阀；所述换热器与天然气液化冷箱连接的管道上设有第四调节阀；在换热器处并联有一管路，该管路上设有第五调节阀。

本发明的液化天然气生产装置的一个优选方案，其中，所述调压系统包括串接在一起的两个膨胀机和两个换热器。

一种应用上述液化天然气生产装置实现的利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产方法，包括以下步骤：

(1)上游高压管网中的高压天然气经过膨胀机膨胀降压降温，然后进入换热器中加热至常温后进入下游中压管网；

(2)经天然气预处理系统处理后的原料天然气经过换热器预冷后，进入天然气液化冷箱；同时，混合制冷剂循环系统循环地向天然气液化冷箱供给冷量，对原料天然气进行液化；

(3)控制系统根据膨胀机工作时的输出功率，控制双输出离合器和双输入离合器工作：当膨胀机的输出功率足以带动混合制冷剂循环系统中的制冷剂压缩机工作时，控制系统控制双输出离合器使膨胀机的输出轴与双输入离合器的第二输入端连接，同时控制双输入离合器使得与双输出离合器连接的输入端与制冷剂压缩机连接，从而由膨胀机带动制冷剂压缩机工作；当膨胀机的输出功率不足以带动混合制冷剂循环系统中的制冷剂压缩机工作时，控制系统控制双输出离合器使膨胀机的输出轴与发电机连接，带动发电机发电，同时控制双输入离合器使得电机与制冷剂压缩机连接，由电机驱动制冷剂压缩机工作。

本发明的液化天然气生产方法的一个优选方案，其中，所述膨胀机的速度变送器将膨胀机主轴转速信号转换为标准电信号反馈至控制系统，控制系统根据主轴转速与输出功率之间的函数关系算得膨胀机的输出功率；制冷剂压缩机工作时所需要的输入功率预先设定到控制系统中；控制系统通过比较膨胀机的输出功率和制冷剂压缩机所需的输入功率，得出控制双输出离合器和双输入离合器的控制信号。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、节约能耗。本发明取代了原有的天然气调压工艺，回收了白白浪费的压力能，不仅节约了原有调压工艺中调压后外部供热提升调压后天然气温度所耗费的能量和设备，而且也节省了天然气储备库液化天然气所需的冷量。

2、能源利用率高。通过在流程中加入双输入离合器和双输出烈火旗，在控制系统的控制下，膨胀机所输出的机械能可根据能级分布在制冷剂压缩机或发电机之间选择联轴模式，视输出功的大小有效利用压力能，并节约原有的电压缩工艺的电耗，大大提升了能源综合利用率。

3、装置投资成本低。本发明设备均为常用的天然气特种设备，设备的数量少、成本低，装置的建设投资小。更可以实现装置的小型化和撬装化，实现一套装置在多个地点使用，即装即用，可选择在经济效益更好的地方运行，实现较快的投资回收。

4、操作弹性大。通过设置离合器，使得该天然气压力能利用工艺对下游用气量的变负荷的适应性增强。当下游用气量小时，选择低速低功率的模式，膨胀机联轴发电机发电工作；当下游用气量大时，切换高转速高功率的模式，膨胀机联轴带动制冷剂压缩机工作。整个工作和切换全部由控制系统监控完成，自动适应性强。

5、工艺流程简单易控，安全稳定性高。相对于其他的压力能用于液化天然气生产装置而言，本发明设备均为常用的设备，应用技术成熟，选型方便；且流程简单，通过调节阀门和PLC自控系统即可实现针对下游变动的用气量的变化和上游高压天然气特性的变化，进行生产状态的调节，装置和工艺稳定性高。此外，本发明的工艺与原有调压站调压管道并联，经预处理的天然气的预冷流程也与原有管道并联，一旦某一工艺装置出现问题等状况发生，自控系统会自动将介质切换至原有的工艺管道上，保障了系统的安全性。

6、易于推广使用。天然气储备库周边必然配备有管网建设，也即储备库与调压站地理位置靠的较近。目前，国内已有多个城市建成了各自的天然气储备库，且为了保障天然气产业安全稳定的发展，国家已经出台相关政策鼓励天然气储备库的建设。未来，国内将会有更多天然气储备库建成并投入运行。本发明利用了天然气储备库与天然气调压站位置相近的特点，对于国内常见的天然气储备库的工艺，可大面积地推广使用。

附图说明

图1为本发明的利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置的一个具体实施方式的结构示意图。

图2为本发明的双输出离合器的一个具体实施方式的结构示意图。

图3为本发明的双输入离合器的一个具体实施方式的结构示意图。

图4为本发明的双输出离合器的另一个具体实施方式的结构示意图。

图5为本发明的利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置的另一个具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

参见图1～图3，本实施例的利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置主要由调压系统、天然气液化系统以及控制系统构成。其中：

参见图1，所述调压系统包括串接在一起的膨胀机4和换热器5，其中，膨胀机4一端与上游高压管网的管道连接，并且膨胀机4与上游高压管网连接的管道上设有第一调节阀1，通过上游高压管道的来气压力和膨胀机4出口温度对膨胀机4进口流量进行调节：当上游压力升高，或下游出口温度升高时，调节阀减小开度，使出口压力保持恒定；当上游压力降低，或下游出口温度降低时，调节阀增大开度，使出口压力保持恒定，以保证生产的稳定性和安全性；换热器5一端与下游中压管网的管道连接，并且换热器5与下游中压管网连接的管道上设有第二调节阀6，通过对换热器5冷物流出口压力对流量进行调节：当冷物流出口压力下降时，调节阀增大开度，提高出口压力；当冷物流出口压力升高时，调节阀减小开度，降低出口压力，以保证满足下游用户的用气和供气压力。所述调压系统与调压站原调压系统并联，当关闭该调压系统时，原调压系统还可以工作。

参见图1，所述天然气液化系统包括依次连接的天然气预处理系统、换热器5、天然气液化冷箱以及LNG储罐，此外还包括与天然气液化冷箱连接的混合制冷剂循环系统，该混合制冷剂循环系统的作用在于与经过预冷的天然气原料换热，使原料天然气冷却并最终液化为液化天然气，储存于储罐中；该混合制冷剂循环系统中还连接有用于提供制冷剂的制冷剂储罐和泵10。所述换热器5与天然气预处理系统连接的管道上设有第三调节阀7，其作用在于与第四调节阀、第五调节阀协同工作；所述换热器5与天然气液化冷箱连接的管道上设有第四调节阀8；换热器5处并联有管路，该管路上设有第五调节阀9，其作用是与第三调节阀7、第四调节阀8在控制系统的作用下，实现原料天然气从流经原管线到流经预冷管线的切换。

参见图1和图2，所述膨胀机4的输出轴上连接有双输出离合器3(“双输出”是指膨胀机4的输出动力可以有两个输出路径，并且同一时间内只能选择其中一个输出路径进行工作)，该双输出离合器3的第一输出端与发电机2连接，第二输出端与混合制冷剂循环系统中的制冷剂压缩机11连接。所述制冷剂压缩机11的输入轴上连接有双输入离合器12(“双输入”是指制冷剂压缩机11的输入动力可以有两个输入路径，并且同一时间内只能选择其中一个输入路径进行工作)，该双输入离合器12的第一输入端与电机13连接，第二输入端与所述双输出离合器3的第二输出端连接。

具体地，所述双输出离合器3包括与膨胀机4的输出轴1a连接的滑动轴套2a、设置在滑动轴套2a上的中间传动轮3a、设在中间传动轮3a两侧的第一输出轮4a和第二输出轮5a以及与滑动轴套2a连接的滑动控制装置。其中：所述滑动轴套2a通过键7a7a与膨胀机4的输出轴1a连接，滑动轴套2a在滑动控制装置的控制下可沿轴向滑动。所述中间传动轮3a的两个侧面上均设有摩擦片6a，通过该摩擦片6a与第一输出轮4a和第二输出轮5a形成摩擦传动，使得膨胀机4在运转状态下也可与第一输出轮4a和第二输出轮5a接合。所述第一输出轮4a构成第一输出端，该第一输出轮4a为皮带轮，该第一输出轮4a与发电机2之间通过皮带传动机构连接。所述第二输出轮5a构成第二输出端，该第二输出轮5a也为皮带轮，该第二输出轮5a与双输入离合器12的其中一个输入端之间通过皮带传动机构连接。所述第一输出轮4a和第二输出轮5a通过轴承安装在支承轴8a、9a上。所述滑动控制装置包括气缸11a以及连接头10a，其中，所述连接头10a连接在气缸11a的活塞杆上，该连接头10a上设有环形槽，所述滑动轴套2a的端部设有伸入到环形槽内的环形凸起，通过环形槽与环形凸起的配合，使得连接头10a不但可以带动滑动轴套2a作轴向运动，而且不会影响滑动轴套2a的转动。通过气缸11a的活塞杆的伸缩推动滑动轴套2a沿轴向滑动，从而使得中间传动轮3a的摩擦片6a与第一输出轮4a或第二输出轮5a连接，实现传动路径的切换。所述气缸11a与控制系统连接，由控制系统控制气缸11a的运动，从而控制该双输出离合器3的传动路径。

参见图1和图3，所述双输入离合器12的结构与双输出离合器3的结构相似，包括与制冷剂压缩机11的输入轴1b连接的滑动轴套2b、设置在滑动轴套2b上的中间传动轮3b、设在中间传动轮3b两侧的第一输入轮4b和第二输入轮5b以及与滑动轴套2b连接的滑动控制装置。其中：所述滑动轴套2b通过键7b与制冷剂压缩机11的输入轴1b连接，滑动轴套2b在滑动控制装置的控制下可沿轴向滑动。所述中间传动轮3b的两个侧面上均设有摩擦片6b，通过该摩擦片6b与第一输入轮4b和第二输入轮5b形成摩擦传动。所述第一输入轮4b构成第一输入端，该第一输入轮4b为皮带轮，该第一输入轮4b与电机13之间通过皮带传动机构连接。所述第二输入轮5b构成第二输入端，该第二输入轮5b也为皮带轮，该第二输出轮与双输入离合器12的第二输出轮之间通过皮带传动机构连接。所述第一输入轮4b和第二输入轮5b通过轴承安装在支承轴8b、9b上。所述滑动控制装置包括气缸11b以及链接够10b，其中，所述链接够10b连接在气缸11b的活塞杆上，该链接够10b上设有环形槽，所述滑动轴套2b的端部设有伸入到环形槽内的环形凸起，通过环形槽与环形凸起的配合，使得链接够10b不但可以带动滑动轴套2b作轴向运动，而且不会影响滑动轴套2b的转动。通过气缸11b的活塞杆的伸缩推动滑动轴套2b沿轴向滑动，从而使得中间传动轮3b的摩擦片6b与第一输入轮4b或第二输入轮5b连接，实现传动路径的切换。所述气缸11b与控制系统连接，由控制系统控制气缸11b的运动，从而控制该双输入离合器12的传动路径。

参见图1，所述控制系统为PLC控制系统，用于根据膨胀机4的输出功率控制双输出离合器3使膨胀机4的输出轴与所述发电机2或制冷剂压缩机11连接，并且控制双输入离合器12使制冷剂压缩机11的输入轴与所述电机13或双输出离合器3的第二输出端连接。具体地，通过控制双输出离合器3和双输入离合器12中的滑动控制装置对传动路径进行选择，从而根据膨胀机4的具体输出功率带动不同的设备工作，以充分、灵活地利用膨胀机4的机械能。所述膨胀机4上具有用于检测输出功率速度变送器(膨胀机输出功率与主轴转速呈单调函数关系，即膨胀机转速越高，输出功率越高)，速度变送器通过导线与控制系统连接，从而将膨胀机4的输出功率参数通过速度变送器将膨胀机主轴转速信号转换为标准电信号反馈至控制系统，由控制系统根据该参数算出输出功率。膨胀机4的输出功率与压力差、流量相关，当膨胀机4前后压力差增大或流量增大时，膨胀机4的输出功率增大，反之则减小。不同的工艺条件下膨胀机4的输出功率不同，所述控制系统的本质作用就是在于根据不同的输出功率而选择将该机械能运用到合适的设备中，防止能量浪费。

本发明中，所述双输出离合器3除了采用上述的结构外，还可以采用其他可以进行两个传递路径切换的结构，例如，参见图4，该双输出离合器3包括与膨胀机4的输出轴连接的中间主动齿轮1c、与发电机2连接的第一从动齿轮2c以及与制冷剂压缩机11连接的第二从动齿轮3c，其中，所述中间齿轮可进行轴向滑动，从而可与第一从动齿轮2c或第二从动齿轮3c啮合，从而实现将膨胀机4的机械能向两个传动路径传递。类似地，所述双输入离合器12也可以采用同样的结构。

参见图1，本实施例的应用上述液化天然气生产装置实现的利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产方法包括以下步骤：

(1)上游高压管网中的高压天然气经过膨胀机4膨胀降压降温，然后进入换热器5中加热至常温后进入下游中压管网；

(2)经天然气预处理系统处理后的原料天然气经过换热器5预冷后，进入天然气液化冷箱；同时，混合制冷剂循环系统循环地向天然气液化冷箱供给冷量，对原料天然气进行液化，液化后的液态天然气进入LNG储罐存储；

(3)控制系统根据膨胀机4工作时的输出功率，控制双输出离合器3和双输入离合器12工作：当膨胀机4的输出功率足以带动混合制冷剂循环系统中的制冷剂压缩机11工作时，控制系统控制双输出离合器3使膨胀机4的输出轴与双输入离合器12的第二输出端连接，同时控制双输入离合器12使得与双输出离合器3连接的第二输入端与制冷剂压缩机11连接，从而由膨胀机4带动制冷剂压缩机11工作；当膨胀机4的输出功率不足以带动混合制冷剂循环系统中的制冷剂压缩机11工作时，控制系统控制双输出离合器3使膨胀机4的输出轴与发电机2连接，带动发电机2发电，同时控制双输入离合器12使得电机13与制冷剂压缩机11连接，由电机13驱动制冷剂压缩机11工作。

所述膨胀机4的输出功率由膨胀机4的速度变送器发送给控制系统，制冷剂压缩机11工作时所需要的输入功率预先设定到控制系统中；控制系统通过比较膨胀机4的输出功率和制冷剂压缩机11所需的输入功率，得出控制双输出离合器3和双输入离合器12的控制信号。

下面结合具体的例子对本实施例的利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置的工作过程作进一步的描述：

以天然气量10000Nm³／h(折合7850kg／h)、20℃为例，按照西气东输二级调压范围标准，设定调压前天然气压力为4.0MPa，调压后为1.6MPa。按照天然气液化工艺系统标准，净化后进入液化系统的天然气温度为20℃，压力为4.0MPa，液化量按照50万m³／d(约合16354kg／h)。

应用时，启动电源后开启第一调节阀1、第二调节阀6、第三调节阀7和第四调节阀8，并将它们的开度逐渐开到最大。关小第五调节阀9，并将它完全关闭。在下游正常用气的情况下，20℃、4.0MPa的高压天然气不再经过原有调压管道，而是流经旁路进入膨胀机4膨胀制冷降压至-31℃、1.6Mpa。

-31℃、1.6Mpa的中压低温天然气进入换热器5，与20℃、4.0Mpa的来自于预处理系统的待液化的天然气进行换热，形成15℃、1.6Mpa的中压天然气进入下游管网。

来自于预处理系统的20℃、4.0MPa的待液化的天然气经过换热后，温度下降至0℃，进入液化工艺系统。

从天然气管网出来的高压天然气，经过膨胀机4膨胀做功产生机械能183kW，由于该部分机械能尚不足以带动天然气液化系统中的制冷剂压缩机11，PLC控制系统自动控制双输出离合器3和双输入离合器12将膨胀机4的动力切换至带动发电机2发电，发出的电量供给储存工艺中的泵等小型用电设备。

当调压站天然气流量增大，调压范围增大，或者液化天然气储备库生产规模变小时，上述膨胀机4产生的机械能将增大，而天然气液化系统中制冷剂压缩机11功率将减小，当二者功率相匹配时，PLC控制系统自动控制双输出离合器3和双输入离合器12将膨胀机4的动力切换至带动制冷剂压缩机11工作。

实施例2

参见图5，本实施例与实施例1的不同之处在于，调压系统中，再增加一个膨胀机14和一个换热器15，相应地，天然气液化系统的原料气也依次通过两个换热器5、15进行热交换。增加一个膨胀机和一个换热器的作用是避免一次调压压差过大，使得膨胀机输出功减少；且一次调压压差过大会导致流体降温范围增大而对设备造成损耗。通过增加一个膨胀机和一个换热器实现两级调压，并采用中间冷却的方式，可有效提高膨胀机的总输出功率，并有效回收冷能，减少设备损耗。第二个换热器15的两端分别设有第六调节阀16和第七调节阀17，并且与该换热器15并联的管路上设有第八调节阀18。

下面结合具体的例子对本实施例的利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置及方法作进一步的描述：

以天然气量20382Nm³／h(折合16000kg／h)、20℃为例，按照西气东输二级调压范围标准，设定调压前天然气压力为6.0MPa，调压后为1.6MPa。分为二级调压，采用中间再热的流程，第一级调压至3.2MPa，用原料天然气加热，再进入第二级调压至1.6MPa。按照天然气液化工艺系统标准，净化后进入液化系统的天然气温度为20℃，压力为4.0MPa，液化量按照12.5万m³／d(约合4088kg／h)。

应用时，启动电源后开启第一调节阀1、第二调节阀6、第三调节阀7、第四调节阀8、第六调节阀16和第七调节阀17，并将它们的开度逐渐开到最大。关小第五调节阀9和第八调节阀18，并将它完全关闭。在下游正常用气的情况下，20℃、6.0MPa的高压天然气不再经过原有调压管道，而是流经旁路进入第一级膨胀机4膨胀制冷降压至-16℃、1.6Mpa。-16℃、3.2Mpa的高压低温天然气进入第一级换热器5，与20℃、4.0Mpa的来自于预处理系统的待液化的天然气进行换热，形成-10℃、3.2Mpa的高压天然气进入第二级膨胀机14膨胀至-44℃、1.6MPa，进入第二级换热器15，与-2℃、4.0MPa的原料天然气进一步换热，温度升高至-33℃，最后经过加热器升温至15℃，进入下游管网。

来自于预处理系统的，20℃、4.0MPa的待液化的天然气经过第一级换热器5换热后，温度下降至-2℃；进入第二级换热器15换热，温度进一步下降至-40℃，进入液化工艺系统。

从天然气管网出来的高压天然气，经过第一级膨胀机4和第二级膨胀机14联轴膨胀做功共产生机械能506kW，天然气液化系统中制冷剂压缩机11功率为500kW，功率相互匹配，PLC控制系统自动控制双输出离合器3和双输入离合器12将膨胀机4、14的动力切换至带动制冷剂压缩机11工作，同时控制电机13停止工作，节省液化工艺的大部分能耗。

当调压站天然气流量减小，调压范围减小，或者液化天然气储备库生产规模增大时，上述膨胀机4产生的机械能将减小，而天然气液化系统中制冷剂压缩机11功率将增大，当二者功率不相匹配时，PLC控制系统自动控制双输出离合器3和双输入离合器12将膨胀机4、14的动力切换至带动发电机2发电，发出的电量供工艺流程中的用电设备使用。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置，包括调压系统和天然气液化系统，其中：

所述调压系统包括串接在一起的膨胀机和换热器，其中，膨胀机一端与上游高压管网的管道连接，换热器一端与下游中压管网的管道连接；

所述天然气液化系统包括依次连接的天然气预处理系统、换热器以及天然气液化冷箱，此外还包括与天然气液化冷箱连接的混合制冷剂循环系统；

其特征在于，所述膨胀机的输出轴上连接有双输出离合器，该双输出离合器的第一输出端与发电机连接，第二输出端与混合制冷剂循环系统中的制冷剂压缩机连接；

所述制冷剂压缩机的输入轴上连接有双输入离合器，该双输入离合器的第一输入端与电机连接，第二输入端与所述双输出离合器的第二输出端连接；

还包括控制系统，该控制系统用于根据膨胀机的输出功率控制双输出离合器使膨胀机的输出轴与所述发电机或制冷剂压缩机连接，并且控制双输入离合器使制冷剂压缩机的输入轴与所述电机或双输出离合器的第二输出端连接。

2.根据权利要求1所述的利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置，其特征在于，所述双输出离合器包括与膨胀机的输出轴连接的滑动轴套、设置在滑动轴套上的中间传动轮、设在中间传动轮两侧的第一输出轮和第二输出轮以及与滑动轴套连接的滑动控制装置，其中：

所述中间传动轮的两个侧面上均设有摩擦片；

所述第一输出轮构成第一输出端，该第一输出轮与发电机连接；所述第二输出轮构成第二输出端，该第二输出轮与双输入离合器的第二输入端连接；

所述滑动控制装置包括气缸以及连接头，其中，所述连接头连接在气缸的活塞杆上，该连接头上设有环形槽，所述滑动轴套的端部设有伸入到环形槽内的环形凸起；所述气缸与控制系统连接。

3.根据权利要求2所述的利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置，其特征在于，所述双输入离合器包括与制冷剂压缩机的输入轴连接的滑动轴套、设置在滑动轴套上的中间传动轮、设在中间传动轮两侧的第一输入轮和第二输入轮以及与滑动轴套连接的滑动控制装置，其中：

所述中间传动轮的两个侧面上均设有摩擦片；

所述第一输入轮构成第一输入端，该第一输入轮与电机连接；所述第二输入轮构成第二输入端，该第二输入轮与所述双输出离合器中的第二输出轮连接；

所述滑动控制装置包括气缸以及连接头，其中，所述连接头连接在气缸的活塞杆上，该连接头上设有环形槽，所述滑动轴套的端部设有伸入到环形槽内的环形凸起；所述气缸与控制系统连接。

4.根据权利要求3所述的利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置，其特征在于，所述第一输出轮、第二输出轮、第一输入轮以及第二输入轮均为皮带轮，所述第一输出轮与发电机之间、第二输出轮与第二输入轮之间以及第一输入轮与电机之间均通过皮带传动机构连接。

5.根据权利要求1所述的利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置，其特征在于，所述控制系统为PLC控制系统，该PLC控制系统通过导线与膨胀机的速度变送器连接。

6.根据权利要求1所述的利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置，其特征在于，所述调压系统与调压站原有调压系统并联。

7.根据权利要求1～6任一项所述的利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置，其特征在于，所述膨胀机与上游高压管网连接的管道上设有第一调节阀；所述换热器与下游中压管网连接的管道上设有第二调节阀；所述换热器与天然气预处理系统连接的管道上设有第三调节阀；所述换热器与天然气液化冷箱连接的管道上设有第四调节阀；在换热器处并联有一管路，该管路上设有第五调节阀。

8.根据权利要求1所述的利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产装置，其特征在于，所述调压系统包括串接在一起的两个膨胀机和两个换热器。

9.一种应用权利要求1～8任一项所述的液化天然气生产装置实现的利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)上游高压管网中的高压天然气经过膨胀机膨胀降压降温，然后进入换热器中加热至常温后进入下游中压管网；

(2)经天然气预处理系统处理后的原料天然气经过换热器预冷后，进入天然气液化冷箱；同时，混合制冷剂循环系统循环地向天然气液化冷箱供给冷量，对原料天然气进行液化；

(3)控制系统根据膨胀机工作时的输出功率，控制双输出离合器和双输入离合器工作：当膨胀机的输出功率足以带动混合制冷剂循环系统中的制冷剂压缩机工作时，控制系统控制双输出离合器使膨胀机的输出轴与双输入离合器的第二输入端连接，同时控制双输入离合器使得与双输出离合器连接的输入端与制冷剂压缩机连接，从而由膨胀机带动制冷剂压缩机工作；当膨胀机的输出功率不足以带动混合制冷剂循环系统中的制冷剂压缩机工作时，控制系统控制双输出离合器使膨胀机的输出轴与发电机连接，带动发电机发电，同时控制双输入离合器使得电机与制冷剂压缩机连接，由电机驱动制冷剂压缩机工作。

10.根据权利要求9所述的利用管道压力能发电-制冷的液化天然气生产方法，其特征在于，所述膨胀机的速度变送器将膨胀机主轴转速信号转换为标准电信号反馈至控制系统，控制系统根据主轴转速与输出功率之间的函数关系算得膨胀机的输出功率；制冷剂压缩机工作时所需要的输入功率预先设定到控制系统中；控制系统通过比较膨胀机的输出功率和制冷剂压缩机所需的输入功率，得出控制双输出离合器和双输入离合器的控制信号。

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