CN104863645B - 一种管网天然气压力能及冷能回收的利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管网天然气压力能及冷能回收的高效利用系统，用以将高压天然气管路中的天然气压力能回收发电并将管网天然气冷能回收制冰，所述的系统包括压力能回收利用装置和冷能回收利用装置，所述的压力能回收利用装置分别与冷能回收利用装置和高压天然气管路连接，所述的冷能回收利用装置分别与下游天然气管路和市政水管网连接，所述的高压天然气管路与压力能回收利用装置之间设有稳压阀。与现有技术相比，本发明具有能源利用率高、安全可靠、多重回温保护、高效节能、结构清晰、改造方便等优点。

Description

一种管网天然气压力能及冷能回收的利用系统

技术领域

本发明涉及天然气调压过程中压力能及冷能回收利用领域，尤其是涉及一种管网天然气压力能及冷能回收的利用系统。

背景技术

天然气作为一种清洁能源，随着国家能源结构调整，天然气的消费比重不断增加，到2020年天然气在一次能源消费中的比例提高到10％以上，我国天然气输气管道将得到快速发展。

天然气长输管道一般采用高压输送，即：天然气在输送工艺过程中，需要经压气站升至高压输送，而至用户侧则需要降压使用。目前我国已陆续建成投产的“西气东输”Ⅰ线管道压力约为10MPa，年供气能力已逾160亿立方。“西气东输”Ⅱ线压力约为12MPa，年供气能力逾300亿立方米。西气东输各个分输站点通常有三四个用户，输送给这些下游用户时一般都经过调压，此调压为初级调压，用户接受来气用于企业管网时需要再次调压，此次调压称之为二次调压，还有些用户例如华润，新奥，昆仑等城市燃气公司再输送给终端用户时的调压为三次调压。

因此，目前在天然气长输过程中，需要消耗动力驱动压气机组提高输气压力；而在用户侧需要采用调压阀组降压的方式，来降低输气压力。在采用调压阀调压(降压)时，高品质的压力能完全消耗在克服阀门的局部阻力上，无法得到有效利用；且经调压阀组降压后，天然气温度降低(焦耳—汤姆逊效应)，还需要额外提供热量提升天然气至合适的温度，才能为用户使用。即天然气长输需要增压输送，降压和回温使用。

由此可见，天然气输送过程中，蕴含着巨大的能量高效利用与节能空间。在能源资源日趋紧张的国情下，如何采用高效的系统与装置、合适的能量利用方式，有效获取天然气压力能是一个值得研究的命题。

天然气余压利用技术是我国近年兴起的新兴技术，目前，已开发出多种余能利用技术，包括压力能储气调峰、压力能发电、天然气液化、制冷等。从可获得的能源产品的角度分析，这些利用方式可以分为：利用天然气压力能发电、利用膨胀后天然气所具有的冷能进行制冷，以及利用天然气压力能发电的同时利用膨胀后天然气所具有的冷能进行制冷等。在能量梯级利用的要求下，利用天然气压力能发电的同时利用冷能，实现电冷能综合利用的分布式能源系统是我国现阶段高效的能量回收方式。

深圳市燃气集团股份有限公司徐文东、沈红萍、边海军、刘建辉、樊栓狮、陈秋雄、陈运文、陆涵、安成名等发明的一种利用管网天然气压力能发电与制冰的方法与装置，我国专利号为CN 102563958 A。此发明的内容主要解决的是利用天然气压力能时，获取能量形式的单一性及天然气压力能技术的工业实际应用问题。此发明虽然可以综合利用天然气压力能(发电的同时进行制冷)，但此发明中的产品电能主要用于供调压门站办公楼和职工生活用电，剩余部分则直接带动压缩制冷循环制冰，即消耗高品质的电能用来制冰。

华北电力大学伦立勇、谢英柏等发明的高压天然气管路压力能在燃气轮机作功领域的回收利用方法，我国专利号为CN 101280723A。此发明主要是用于克服已有技术缺陷而提供一种高压天然气管路压力能在燃气轮机作功领域的回收利用方法。同样是利用高压天然气管路压力能，这里产生的冷能用燃气机组的余热进行回温，膨胀后天然气所具有的冷能也未得到有效利用。此外，该发明只适合燃气轮机作功领域，适用场合受限。

碧海舟(北京)石油化工设备有限公司娄世松、邸建军、沈懿桐、胡传芬等发明的适用于高压天然气管路的发电调压装置，专利号为CN203962047U解决了对降压后的低温天然气加热时，换热器需要安装驱动电缆，导致需要调压站建发电站的技术缺陷，以及采用加热炉加热低温天然气的过程中消耗天然气，导致能耗高的技术缺陷。但是该专利仍没有从根本上利用降压后天然气所具有的冷能，而是利用天然气压力能所发的电能带动空冷器对低温天然气进行回温，消耗了系统产生的电能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能源利用率高、安全可靠、多重回温保护、高效节能、结构清晰、改造方便的管网天然气压力能及冷能回收的利用系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种管网天然气压力能及冷能回收的利用系统，用以将高压天然气管路中的天然气压力能回收发电并将管网天然气冷能回收制冰，所述的系统包括压力能回收利用装置和冷能回收利用装置，所述的压力能回收利用装置分别与冷能回收利用装置和高压天然气管路连接，所述的冷能回收利用装置分别与下游天然气管路和市政水管网连接，所述的高压天然气管路与压力能回收利用装置之间设有稳压阀。

所述的压力能回收利用装置包括脱水器、膨胀机、传动组件、发电机、放空管路和气液分离器，所述的高压天然气管路、脱水器、膨胀机、放空管路、气液分离器和冷能回收利用装置依次连接，所述的膨胀机还通过传动组件与发电机连接。

所述的冷能回收利用装置包括盐水池、储水池、电加热器和太阳能集热器，所述的气液分离器、盐水池、储水池、电加热器和下游天然气管路依次连接，所述的盐水池内设有冰桶，所述的冰桶由储水池提供制冰用水，所述的储水池通过太阳能集热器与市政水管网连接。

所述的盐水池内设有第一换热器，所述的储水池内设有第二换热器，所述的第一换热器的天然气管路、第二换热器的天然气管路、电加热器的天然气管路和下游天然气管路依次连接，所述的第一换热器的水回路、第二换热器的水回路、太阳能集热器和市政水管网依次连接。

所述的冷能回收利用装置还包括融冰槽和冷库，所述的融冰槽用以将冰桶内的冰和桶体分离，所述的冷库用以存放分离出来的冰。

所述的储水池内还设有水温监测器，所述的水温监测器通过实时监测储水池水的温度，从而控制太阳能集热器进行加热。

所述的脱水器为分子筛脱水器，所述的膨胀机为透平膨胀机，所述的传动组件为变速箱。

该系统还包括与储水池并联的天然气支管路，当储水池不足以将天然气回温至要求温度时，天然气通过天然气支管路至电加热器加热回温。

本系统包括：

1、压力能回收利用装置：在该部分，高压天然气经过稳压阀稳压及脱水器脱水之后，进入膨胀机膨胀降压，膨胀过程中天然气的压差带动旋转机械，进而带动发电机进行发电，所获得的电能直接上网，同时膨胀后的低温天然气经过气液分离器分离重烃后，输送至冷能回收利用系统。

2、冷能回收利用装置：本发明中的冷能回收利用装置是指包括盐水池、储水池、电加热器、融冰槽、冷库、太阳能集热器、冰桶等装置组成的低温天然气回温过程，该部分利用膨胀后低温天然气所具有的冷能进行制冰，具体过程分为两个流程进行：

天然气流程：经气液分离器分离液化的水和重烃后的低温天然气，进入盐水池为盐水提供冷环境，从而使盐水池内冰桶中的水结冰，在盐水池内升温后的天然气进入储水池继续升温，同时可以提供给制冰用水进行预冷。在储水池内升温后的天然气经过电加热器进入下游管网，正常情况下，电加热器处于非工作状态，只起到通流作用，只有储水池出口处天然气的温度不能达到下游天然气管路的要求，电加热器才会启动加热天然气。

制冰原材料水流程：由市政水管网供水，经太阳能集热器加热后，送入储水池内预冷，在储水池中预冷后装入冰桶，开始制冰过程，制冰完成后，冰与冰桶在融冰槽内分离，最终以冰的形式储存在冷库内。

该发明是一种管网天然气压力能及冷能回收利用系统及装置，压力能回收利用系统中所发的电能直接上网，冷能回收利用系统中，依据能源梯级利用的理念，膨胀机出口的低温天然气首先经过盐水池升温后，进入储水池继续利用冷能，保证最大限度回收冷能；利用太阳能集热器和电加热保障天然气的有效回温。

工作时，高压天然气首先进入压力能回收利用装置，天然气依次经过脱水器脱水后进入膨胀机进行膨胀降压，并利用膨胀机进出口压差带动发电机进行发电，膨胀后的低温天然气经气液分离器分离液化的重烃后进入冷能回收利用装置，在此过程中，利用膨胀回收利用天然气压力能的同时，实现了高压管网天然气的调压过程，接着，除去重烃之后的低温天然气依次经过盐水池和储水池，充分进行热交换，从而回收管网天然气的冷能，最后通过电加热器保证了低温天然气正常回温。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、能源利用率高：本发明代替原有调压阀组和加热回温系统工作，实现门站的调压和回温任务，管网天然气压力能和冷能得到了有效回收利用，提高了系统能源综合利用率。

二、安全可靠：本发明将脱水器设置在膨胀机之前，防止降压后低温天然气在后续流程中发生冰堵，并且在膨胀机之后，盐水池之前设置气液分离器，可以利用天然气降压导致的温降直接分离液化的重烃，防止后续流程中的设备发生堵塞，进而保障系统能够安全、可靠的运行。

三、多重回温保护：本发明设计了充分回收利用降压后低温天然气冷能的回温系统，该系统包括四重回温保护：

本发明在冷能回收利用装置中设计了盐水池，作为第一重回温保护，不仅可以有效提高低温天然气的温度，而且可以回收利用低温天然气的冷能进行制冰；

本发明在冷能回收利用装置中盐水池后端设计了储水池，这是第二重回温保护，一方面，进一步回收低温天然气的冷能，对用于制冰的水进行预冷，提高该系统冷能利用效率，另一方面，进一步减少回温加热所需要消耗的能量；

本发明在冷能回收利用装置中市政水管网与储水池之间充分利用厂房屋顶，增加设计太阳能集热器系统，作为回温系统的第三重保护，利用太阳能集热系统保证了极端气象条件下的回温，从而减少电能消耗；

本发明在冷能回收利用装置中储水池后端的天然气管道上设置了电加热器作为回温系统的第四重保障，增加系统的回温安全性，该加热装置根据回温温度与下游管网用户需求温度值，进行调节。正常运行情况下，电加热器无需开启，系统前三重回温设计能够保障系统尽量不开启电加热(不消耗高品质能量)的情况下，管网系统的正常调压回温输送过程。

四、高效节能：本发明考虑根据运行条件不同，采取不同的高效节能运行方案：一年四季利用膨胀做功发电直接上网，夏季，充分利用冷能制冰，冬季，最大限度利用冷能制冰，同时根据储水池的温度要求，适当加入太阳能集热能量，极端情况下启动主系统中的电加热器保证回温；过渡季，充分冷能回收，根据实际情况调整电加热器、太阳能集热系统的运行情况保证回温，实现系统的压力能与冷能高效利用的同时，保障系统运行的安全性。

五、结构清晰、改造方便：压力能回收利用装置分别与冷能回收利用装置分别撬装，本系统可直接对现有管网天然气调压门站进行合理改造，具有易安装、易拆卸、易维护等结构优点，保证了原设备和新装置的稳定运行。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

其中，1、稳压阀，2、脱水器，3、膨胀机，4、传动组件，5、发电机，6、放空管路，7、气液分离器，8、盐水池，9、储水池，10、融冰槽，11、冷库，12、冰桶，13、电加热器，14、太阳能集热器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

下面以适用于5MPa调压至2MPa的管网天然气压力能及冷能回收的利用系统为例进行说明，如图1所示，装置主要包括：稳压阀1、脱水器2，膨胀机3、传动组件4、发电机5、放空管路6、气液分离器7、盐水池8、储水池9、融冰槽10、冷库11、冰桶12、电加热器13和太阳能集热器14。

盐水池内设有第一换热器，储水池内设有第二换热器。其中，第一换热器管内是低温天然气，管外是盐水(-10℃左右)，第二换热器管内是低温天然气，管外是5℃左右的水浴；电加热器13正常情况处于关闭状态电加热器不工作，在储水池出口温度达不到回温要求时，打开电加热器13加热天然气，膨胀机3的进口是经脱水器2脱水之后的高压天然气，其出口依次与气液分离器7、盐水池8及储水池9的天然气通道和电加热器13相连，电加热器13天然气通道出口再连接下游天然气输送管网；储水池9内水来自市政水管网，经太阳能集热器器14调整温度后进入储水池9，水在储水池9内预冷后，通过泵送入冰桶注水处，分装入冰桶12内，随后，将注水后的冰桶12置入盐水池8内进行制冰，制冰完成后水以冰的形式存放入冷库11；盐水在盐水池8内只需搅拌增强盐水与管内天然气的换热，无需其它输送过程。

这里脱水器2采用分子筛脱水装置，膨胀机3选用透平膨胀机，传动组件4采用变速箱。

压力能回收利用装置：5.1MPa、52000Nm3/h的高压天然气经过稳压阀1，调整压力到5.0MPa进入脱水气2脱水后，进入膨胀机3降压至2MPa，此过程中的压差产生的机械能带动发电机5发电，降压后天然气温度降低至-37.4℃。

冷能回收利用装置：-37.4℃的低温天然气经过气液分离器7以后，进入盐水池8换热后降温至-10℃左右。随后，-10℃左右的低温天然气进入储水池9换热温度升至0℃以上，电加热器13作为备用，一旦第一换热器和第二换热器不能正常工作，开启电加热器13对低温天然气进行回温。

经市政水与太阳能集热器器14调节后49℃、4.23吨/时的水通入储水池9进行预冷，当水预冷至5℃时泵送至冰桶12注水处，注过水的冰桶12放入在-10℃左右的盐水中进行制冰，制冰完成后，利用融冰槽10取出冰块，放入冷库11。

在此工艺中，高压管网天然气经透平膨胀机的发电量为810.4kW，制冰量为101.49吨/天，经过计算，上述实例中高压管网天然气压力能回收与冷能回收利用系统的计算结果见表1：

表1 管网天然气压力能及冷能回收的利用系统的计算结果表

作为一种新的管网天然气压力能，经过理论分析和实践验证，认为本系统是切实可行的，主要有以下几个方面作为理论和应用依据：

首先，本系统采用的膨胀机在相关工业中得到了应用，技术成熟，设备稳定，符合理论设计要求，因此应用于天然气压力能利用系统中可以保证系统的稳定运行；其次，本系统原理简单，效果显著，符合节能应用技术推广的前提条件，在保证装置稳定运行的前提下，原本废弃天然气压力能和冷能得到了充分利用，对提高能源利用效率有显著效果；同时，独立的设计和合理的搭配，对原设备运行无影响，且几乎适用于全部工况；此外，该发明中压力能和冷能的回收利用过程几乎不消耗天然气本身，经济上带来的效益也相当可观。因此，本装置具有很好的普及和推广的潜力。

综上所述，本发明满足了管网天然气压力调节和温度回升的要求。本装置得到广泛的推广和应用，可以有效的利用高压天然气管路调压过程的余能(压力能和冷能)，推动管网天然气输送过程中余压利用技术在我国节能技术上的发展，是适应我国能源高效梯级利用的发展策略的重要手段。且经深入测算与考虑分析，采用本发明的项目回收期后年收益较高，有助于更好的体现高压天然气管路输送过程中余压的实用价值，对我国节能减排的基本国策具有很好推动作用。

Claims (6)

1.一种管网天然气压力能及冷能回收的利用系统，用以将高压天然气管路中的天然气压力能回收发电并将管网天然气冷能回收制冰，其特征在于，所述的系统包括压力能回收利用装置和冷能回收利用装置，所述的压力能回收利用装置分别与冷能回收利用装置和高压天然气管路连接，所述的冷能回收利用装置分别与下游天然气管路和市政水管网连接，所述的高压天然气管路与压力能回收利用装置之间设有稳压阀(1)，所述的冷能回收利用装置包括盐水池(8)、储水池(9)、电加热器(13)和太阳能集热器(14)，气液分离器(7)、盐水池(8)、储水池(9)、电加热器(13)和下游天然气管路依次连接，所述的盐水池(8)内设有冰桶(12)，所述的冰桶(12)由储水池(9)提供制冰用水，所述的储水池(9)通过太阳能集热器(14)市政水管网连接，所述的压力能回收利用装置包括脱水器(2)、膨胀机(3)、传动组件(4)、发电机(5)、放空管路(6)和气液分离器(7)，所述的高压天然气管路、脱水器(2)、膨胀机(3)、放空管路(6)、气液分离器(7)和冷能回收利用装置依次连接，所述的膨胀机(3)还通过传动组件(4)与发电机(5)连接。

2.根据权利要求1所述的一种管网天然气压力能及冷能回收的利用系统，其特征在于，所述的盐水池(8)内设有第一换热器，所述的储水池(9)内设有第二换热器，所述的第一换热器的天然气管路、第二换热器的天然气管路、电加热器(13)的天然气管路和下游天然气管路依次连接，所述的第一换热器的水回路、第二换热器的水回路、太阳能集热器(14)和市政水管网依次连接。

3.根据权利要求1所述的一种管网天然气压力能及冷能回收的利用系统，其特征在于，所述的冷能回收利用装置还包括融冰槽(10)和冷库(11)，所述的融冰槽(10)用以将冰桶(12)内的冰和桶体分离，所述的冷库(11)用以存放分离出来的冰。

4.根据权利要求1所述的一种管网天然气压力能及冷能回收的利用系统，其特征在于，所述的储水池(9)内还设有水温监测器，所述的水温监测器通过实时监测储水池(9)水的温度，从而控制太阳能集热器(14)进行加热。

5.根据权利要求1所述的一种管网天然气压力能及冷能回收的利用系统，其特征在于，所述的脱水器(2)为分子筛脱水器，所述的膨胀机(3)为透平膨胀机，所述的传动组件(4)为变速箱。

6.根据权利要求1所述的一种管网天然气压力能及冷能回收的利用系统，其特征在于，该系统还包括与储水池(9)并联的天然气支管路，当储水池(9)不足以将天然气回温至要求温度时，天然气通过天然气支管路至电加热器(13)加热回温。