CN104018901B - 天然气压能冷能联合发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气压能冷能联合发电系统，包括压能发电装置和冷能发电装置，压能发电装置包括第一膨胀机、第一发电机、第一油泵、第一油分离器和冷凝器，天然气的进口与天然气的出口之间的管路上设有减压阀；冷能发电装置包括第二膨胀机、第二发电机、第二油泵、第二油分离器、储液器、蒸发器和工质泵。管路上设有旁通阀和调节阀。本发明利用膨胀过程替代天然气的节流过程，实现天然气的压能发电，回收节流损失，然后利用膨胀后产生的冷能作为冷源，空气或海水等就近能源作为热源，采用ORC循环系统进一步实施冷能发电，并节省了用于提前预热的高品位热能，具有良好的经济效益，将极大地提高能源利用效率，减少环境污染排放。

Description

天然气压能冷能联合发电系统

技术领域

本发明涉及一种发电装置，尤其涉及一种利用回收天然气压能、冷能的发电系统。

背景技术

天然气已经成为石油和煤炭的重要补充能源，许多国家都建设了天然气长途输运管网。2007年全球天然气消耗量达3.2万亿m³，减压站超过250万个。由于长途输运的需要，从气井输出到终端用户，降压级别分为好几个层次逐级递减，基本上距离在100km以上，管道压力在5～10MPa，超过20km的，压力在2～5MPa，在城市的分输管网内只需1MPa压力，送至家庭用户只要略高于大气压即可。我国长输天然气大多采用高压管输方式，输送的高压天然气经调压站降至中压标准进入城市燃气管网，再借助调压箱或调压柜将压力降至低压后供用户使用。天然气在调压过程中将损失大量的压力能，还会产生巨大冷量，在阀口产生霜冻，堵塞管道，对调压及管道设备运行安全构成威胁。传统的解决方案是通过燃烧锅炉或换热器，提前对高压气体加热，以防止冻结事故的发生并满足天然气用户使用温度的要求。这不仅需要消耗燃气，预热成本高，并且会释放污染物，压降能量全部浪费。随着全球天然气使用范围的快速扩大，输送压力的逐年递增，充分利用天然气压能以及工艺过程产生的冷能存在着极大的节能潜力，对增加天然气管网运行的经济性具有重大意义。

国内外学者就天然气压能发电或与其他热排放过程耦合系统的可行性分析已做过大量的研究，证明了其具有巨大的经济及环境效益。但是大部分研究都是针对先预热再降压的系统，或者是降压后温度较高的特定工况系统与制冷系统的简单耦合技术。究其原因主要有以下几点：1.温度越低膨胀机的材质，润滑油的特性，密封技术等将会受到严重的考验；2.降压后与制冷系统耦合技术虽然可行，但天然气门站与需冷用户往往存在着时空差异，实际操作难度大；3.降压前，天然气初始温度越低，节流与膨胀制冷的差距越小，亦即发电量越低。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种天然气压能冷能联合发电系统，可以利用膨胀过程替代天然气的节流过程，实现天然气的压能发电，回收节流损失，然后利用膨胀后产生的冷能作为冷源，空气或海水等就近能源作为热源，采用ORC循环(有机朗肯循环)系统进一步实施冷能发电，使压能发电过程产生的冷能得以充分利用，并节省了用于提前预热的高品位热能，具有良好的经济效益，将极大地提高能源利用效率，减少环境污染排放。

本发明一种天然气压能冷能联合发电系统的技术方案是：该天然气压能冷能联合发电系统包括压能发电装置和冷能发电装置，所述压能发电装置包括第一膨胀机、第一发电机、第一油泵、第一油分离器和冷凝器，所述第一膨胀机连接所述第一发电机，所述第一膨胀机的进气口与天然气的进口相连，所述第一膨胀机的排气口连接至所述第一油分离器的进气口，所述第一油分离器的出油口连接至第一油泵的进口，所述第一油泵的出口连接至第一膨胀机的回油口，所述第一油分离器的出气口通过所述冷凝器的管程后与天然气的出口相连；所述天然气的进口与所述天然气的出口之间的管路上设有减压阀；所述冷能发电装置包括第二膨胀机、第二发电机、第二油泵、第二油分离器、储液器、蒸发器和工质泵，所述第二膨胀机连接所述第二发电机，所述第二膨胀机的进气口与所述蒸发器的出口相连，所述蒸发器的进口与所述工质泵的出口相连，所述蒸发器的出口和所述第二膨胀机的排气口连接至所述第二油分离器的进气口，所述第二油分离器的出油口连接至第二油泵的进口，所述第二油泵的出口连接至第二膨胀机的回油口，所述第二油分离器的出气口通过所述冷凝器的壳程后与所述储液器的进口相连，所述储液器的出口连接至工质泵的进口；所述天然气的进口与第一膨胀机之间的管路上、所述天然气的进口与减压阀之间的管路上、所述冷凝器与所述天然气的出口之间的管路上、所述蒸发器与所述第二膨胀机之间的管路上、所述蒸发器与所述第二油分离器之间的管路上均分别设有用以控制流量的阀体。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

现阶段，天然气减压站基本上都采用减压阀对天然气进行节流降压处理，并通过燃烧锅炉或换热器，提前加热高压气体，以防止冻结事故的发生并满足天然气用户使用温度的要求。这不仅需要消耗燃气，预热成本高，并且会释放污染物，压降能量全部浪费。本发明利用天然气压能及膨胀产生的冷能联合发电，取代传统天然气的预热和降压过程，最大限度地回收天然气压能冷能，提高能源利用效率，减少环境污染排放。因此，将本发明运用在天然气管网系统中，不但能回收减压站损失的压力能，并可以充分利用产生的冷能同时进行发电，此外还能节省用于提前预热的高品位热能，实现节能减排。

附图说明

附图是本发明天然气压能冷能联合发电系统示意图。

图中：1-第一膨胀机，2-第一发电机，3-第一油分离器，4-第一油泵，5-冷凝器，6-减压阀，7-储液器，8-工质泵，9-蒸发器，10-第二膨胀机，11-第二发电机，12-第二油分离器，13-第二油泵，a-天然气进口，b-天然气出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。

如图所示，本发明一种天然气压能冷能联合发电系统，包括压能发电装置和冷能发电装置，其间通过冷凝器5相连。

所述压能发电装置包括第一膨胀机1、第一发电机2、第一油泵4、第一油分离器3和冷凝器5，所述第一膨胀机1连接所述第一发电机2，所述第一膨胀机1的进气口与天然气的进口a相连，所述第一膨胀机1的排气口连接至所述第一油分离器3的进气口，所述第一油分离器3的出油口连接至第一油泵4的进口，所述第一油泵4的出口连接至第一膨胀机1的回油口，所述第一油分离器3的出气口通过所述冷凝器5的管程后与天然气的出口b相连；所述天然气的进口a与所述天然气的出口b之间的管路上设有减压阀6。

所述冷能发电装置包括第二膨胀机10、第二发电机11、第二油泵13、第二油分离器12、储液器7、蒸发器9和工质泵8，所述第二膨胀机10连接所述第二发电机11，所述第二膨胀机10的进气口与所述蒸发器9的出口相连，所述蒸发器9的进口与所述工质泵8的出口相连，所述蒸发器9的出口和所述第二膨胀机10的排气口均分别连接至所述第二油分离器12的进气口，所述第二油分离器12的出油口连接至第二油泵13的进口，所述第二油泵13的出口连接至第二膨胀机10的回油口，所述第二油分离器12的出气口通过所述冷凝器5的壳程后与所述储液器7的进口相连，所述储液器7的出口连接至工质泵8的进口。

在压能发电装置部分，天然气进口a分为两路，一路进入第一膨胀机1，第一膨胀机1的转轴通过联轴器与第一发电机2相连，第一膨胀机1的出口连接第一油分离器3，第一油分离器3的出油口通过第一油泵4接入第一膨胀机1的回油口，第一油分离器3的出气口接入冷凝器5的管程进口，管程出口接至天然气出口b。另一路通过减压阀6直接接到天然气出口b。冷能发电装置部分，冷凝器5壳程出口连接储液器7，储液器7的出口通过工质泵8接入蒸发器9，蒸发器9的出口接入第二膨胀机10，第二膨胀机10的转轴通过联轴器与第二发电机11相连，第二膨胀机10的出口连接第二油分离器12，第二油分离器12的出油口通过第二油泵13接入第二膨胀机10的回油口，第二膨胀机10的出气口接入冷凝器5的壳程进口，完成循环。

所述天然气的进口a与第一膨胀机1之间的管路上、所述天然气的进口a与减压阀6之间的管路上、所述冷凝器5与所述天然气的出口b之间的管路上、所述蒸发器9与所述第二膨胀机10之间的管路上、所述蒸发器9与所述第二油分离器12之间的管路上均分别设有用以控制流量的阀体，所述的阀体包括旁通阀和调节阀两个部分。

本发明天然气压能冷能联合发电系统的能量转化系统是基于膨胀机的工作原理及理想朗肯循环，采用压能膨胀发电技术取代减压阀的节流过程，并利用膨胀后产生的冷能实现后续发电。天然气压能冷能联合发电系统原理如图所示：将高压的天然气输入第一膨胀机1，膨胀降压的同时利用第一发电机2实施发电。第一膨胀机1出口的天然气通过第一油分离器3将润滑油分离出来并利用第一油泵4打回到第一膨胀机1进行循环利用。由于膨胀后的天然气出现明显的降温效果，为此将第一膨胀机1出口的低压低温天然气引入一个后续冷能发电循环的冷凝器5，温度恢复后向下游输出。为确保天然气输送系统的正常运行，设置旁通管路，即在所述天然气的进口a与第一膨胀机1之间管路上设有截止阀，在设备检修期间，关闭该截止阀，打开所述天然气的进口a与减压阀6之间管路上的阀体，经天然气的进口a进入的天然气经减压阀6降压处理后直接通过天然气的出口b输出。在后续冷能发电循环(即本发明中的冷能发电装置)中利用有机工质低沸点的物理性质，通过第二膨胀机10将常温空气等热源中的热能转化成高品质的电能，前级压能发电系统(即本发明中的压差发电装置)产生的低温天然气将作为冷能发电系统(冷能发电装置)的冷源。储液器7中的工质经工质泵8加压进入蒸发器9，工质液体在蒸发器中与空气换热蒸发为饱和或过热的蒸汽，推动第二膨胀机10做功，将携带的热能转化为机械能，再由第二发电机11进一步转化为电能。膨胀后的乏汽经第二油分离器12的作用将润滑油分离，通过第二油泵13打回第二膨胀机10循环利用，而工质气体进入冷凝器5冷凝为饱和液体存储在储液器7中，完成循环。本发明天然气压能冷能联合发电系统中通过两种不同的发电(压能发电和冷能发电)系统相互耦合，取代了传统天然气的预热和降压过程，最大限度地回收天然气压能冷能。

本发明天然气压能冷能联合发电系统摆脱了传统的节流降压过程以及通常意义上先预热再膨胀降压发电的压能利用措施，提出了一种天然气压能冷能联合发电的技术方案，利用膨胀过程替代天然气的节流过程，实现天然气的压能发电，回收节流损失，然后利用膨胀后产生的冷能作为冷源，空气或海水等就近能源作为热源，采用ORC循环系统进一步实施冷能发电，使压能发电过程产生的冷能得以充分利用，并节省了用于提前预热的高品位热能，具有良好的经济效益。

针对具体工况：天然气进口压力2.5MPa，天然气出口压力0.12MPa，天然气进口温度20℃，按等熵过程进行理论计算，成分按纯甲烷计，分两级膨胀，结果显示质量流量1kg/s的天然气通过两级膨胀可获得理论膨胀功311kW，出口温度低至-137℃，考虑膨胀机等熵效率(按80％计)、发电机机械效率(按95％计)，实际发电量约为236kW，膨胀后天然气实际出口温度按-116℃计。若取冷能发电循环部分环境温度为20℃，冷凝器出口天然气温度为-30℃，实际发电效率约为6％，得到此循环发电量达12kW。则本发明天然气压能冷能联合发电系统总发电量约348kW，具有极大的节能潜力与经济效益。

当然，本发明技术方案的实施并不止局限于天然气，还适用于带压空气、带压化工气体等。尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种天然气压能冷能联合发电系统，包括压能发电装置，所述压能发电装置包括第一膨胀机(1)、第一发电机(2)、第一油泵(4)、第一油分离器(3)和冷凝器(5)，所述第一膨胀机(1)连接所述第一发电机(2)，所述第一膨胀机(1)的进气口与天然气的进口(a)相连，所述第一膨胀机(1)的排气口连接至所述第一油分离器(3)的进气口，所述第一油分离器(3)的出油口连接至第一油泵(4)的进口，所述第一油泵(4)的出口连接至第一膨胀机(1)的回油口，所述第一油分离器(3)的出气口通过所述冷凝器(5)的管程后与天然气的出口(b)相连；所述天然气的进口(a)与所述天然气的出口(b)之间的管路上设有减压阀(6)；其特征在于：

该天然气压能冷能联合发电系统还包括冷能发电装置，所述冷能发电装置包括第二膨胀机(10)、第二发电机(11)、第二油泵(13)、第二油分离器(12)、储液器(7)、蒸发器(9)和工质泵(8)，所述第二膨胀机(10)连接所述第二发电机(11)，所述第二膨胀机(10)的进气口与所述蒸发器(9)的出口相连，所述蒸发器(9)的进口与所述工质泵(8)的出口相连，所述蒸发器(9)的出口和所述第二膨胀机(10)的排气口均分别连接至所述第二油分离器(12)的进气口，所述第二油分离器(12)的出油口连接至第二油泵(13)的进口，所述第二油泵(13)的出口连接至第二膨胀机(10)的回油口，所述第二油分离器(12)的出气口通过所述冷凝器(5)的壳程后与所述储液器(7)的进口相连，所述储液器(7)的出口连接至工质泵(8)的进口；

所述天然气的进口(a)与第一膨胀机(1)之间的管路上、所述天然气的进口(a)与减压阀(6)之间的管路上、所述冷凝器(5)与所述天然气的出口(b)之间的管路上、所述蒸发器(9)与所述第二膨胀机(10)之间的管路上、所述蒸发器(9)与所述第二油分离器(12)之间的管路上均分别设有用以控制流量的阀体。