CN106640245B - 利用活塞式膨胀机的天然气管网压力能回收方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用活塞式膨胀机的天然气管网压力能回收方法及装置，其中，所述装置包括管路器件系统、发电系统及智能控制系统，所述管路器件系统包括通过管路依次连接于高压管网和低压管网之间的第一截流阀、第一电磁阀、电动调节阀、膨胀机、压力温度平衡器、复热器、第二电磁阀、第二截流阀；所述发电系统包括与膨胀机连接的变速箱、与变速箱连接的发电机、连接发电机电力输出端的电源；所述智能控制系统包括PLC、第一、二压力变送器、第一、二温度变送器、速度变送器。本发明不但可以增加天然气的综合价值，而且能提高燃气系统的经济性，同时具有较强的适应性，能够应用于高于4MPa高压管网及膨胀比高于10的调压工况。

Description

利用活塞式膨胀机的天然气管网压力能回收方法及装置
技术领域
本发明涉及一种天然气管网压力能回收利用领域，具体涉及一种利用活塞式膨胀机回收天然气管网压力能的方法及装置。
背景技术
由于世界能源危机和人民对环保的呼声日益升高，天然气在世界能源结构中的比例不断升高。目前对于天然气的长距离输送，普遍采用高压输送，例如西气东输一线、二线分别采用10MPa和12MPa的压力进行天然气输送，从而减少燃气输送的损失。上游的高压天然气先输送到大型用户和城市燃气前，根据不同用户需求进行降压，供给下游用户使用。传统的调压方式一般是使用减压阀对高压天然气直接进行节流膨胀降压，浪费大量的压力能。如果能回收这部分压力能，既可以增加天然气的综合价值，又能提高燃气系统的经济性。因此，天然气压力能回收利用也逐渐引起人们的重视。
天然气管网压力能回收工艺中，膨胀机是核心装置。目前常用的膨胀机主要有透平膨胀机，单螺杆膨胀机及活塞式膨胀机。透平膨胀机转速效率高，流量大；螺杆膨胀机高速轻载，能适应于多种工质。但这两种膨胀机在高于4MPa的高压管网中无法正常运行，而且难以实现膨胀比高于10的调压工况。而活塞式膨胀机尽管效率较低，但它适用于高压及高压比运行状态，能应用于大于4MPa的高压管网及膨胀比高于10的调压工况。然而，现有的活塞式膨胀机活塞的密封难以在低温下保持良好的密封性能，造成天然气泄露，从而导致膨胀效率降低及运行不安全等问题。
有鉴于此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
为解决上述天然气泄露的问题，本发明提供一种利用活塞式膨胀机的天然气管网压力能回收方法及装置，能够实现活塞式膨胀机安全稳定高效的回收天然气管网压力能。特别是，该装置能够对高压管网环境及高膨胀比工况下的天然气压力能进行回收。
本发明的技术方案如下：
一种利用活塞式膨胀机的天然气管网压力能回收装置，其中：包括管路器件系统、发电系统及智能控制系统；
所述管路器件系统包括通过管路依次连接于高压管网和低压管网之间的第一截流阀、第一电磁阀、电动调节阀、膨胀机、压力温度平衡器、复热器、第二电磁阀和第二截流阀；
所述发电系统包括与膨胀机连接的变速箱、与变速箱连接的发电机、连接发电机电力输出端的电源；
所述智能控制系统包括PLC17、设置在所述电动调节阀和膨胀机之间的管路上的第一压力变送器和第一温度变送器、设置在所述变速箱和发电机之间的速度变送器、设置在所述复热器和第二电磁阀之间的管路上的第二压力变送器和第二温度变送器；所述压力变送器、温度变送器、速度变送器均通过电路连接PLC17。
优选的，所述的利用活塞式膨胀机的天然气管网压力能回收装置，其中：所述压力温度平衡器选用不锈钢平衡罐PLZ-206。
优选的，所述的利用活塞式膨胀机的天然气管网压力能回收装置，其中：所述第一电磁阀和第二电磁阀选用紧急切断功能电磁阀。
优选的，所述的利用活塞式膨胀机的天然气管网压力能回收装置，其中：所述发电机选用异步发电机。
优选的，所述的利用活塞式膨胀机的天然气管网压力能回收装置，其中：所述电源选用XC-SG型三相变压同步器。
优选的，所述的利用活塞式膨胀机的天然气管网压力能回收装置，其中：所述膨胀机选用改进的活塞式膨胀机，所述改进为活塞环填入相变材料，减少膨胀过程活塞环的遇冷收缩，提高天然气膨胀做功体积。
一种利用活塞式膨胀机的天然气管网压力能回收方法，其中，包括如下步骤：
S100、高于4MPa高压管网的天然气通过第一截流阀、第一电磁阀、电动调节阀后进入膨胀机膨胀降压，经压力温度平衡器和复热器回温后，经过第二电磁阀和第二截流阀进入下游中低压燃气管网；
S200、高压天然气通过膨胀机膨胀将压力能转化为机械能，然后通过变速箱将转子转速与发电机频率匹配发电，用于供给20～60kW用电需求的用户使用；
S300、第一电磁阀2与第二电磁阀15属于联动装置，同时关闭或开启，当速度变送器8、压力变送器4、13和温度变送器5、14的读数在允许范围波动时，第一电磁阀2与第二电磁阀15均同时开启，保证整套装置正常运转；当显示读数异常时，PLC17发出控制指令，调节电动调节阀开度3，调节天然气流量；当显示读数较长时间超出允许范围时，信号反馈到PLC17，PLC17输出切断设备指令，使第一电磁阀2与第二电磁阀15同时关闭，将整套装置与管网脱离。
应用所述装置的利用活塞式膨胀机的天然气管网压力能工艺，包括如下步骤：
(1)高于4MPa高压管网的天然气通过第一截流阀、第一电磁阀、电动调节阀后进入膨胀机膨胀降压，经压力温度平衡器和复热器回温后，经过第二电磁阀和第二截流阀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为机械能，然后通过变速箱将转子转速与发电机频率匹配发电，用于供给20～60kW用电需求的用户使用；
(3)第一电磁阀与第二电磁阀属于联动装置，同时关闭或开启，当速度变送器、压力变送器和温度变送器的读数在允许范围波动时，第一电磁阀与第二电磁阀均同时开启，保证整套装置正常运转；当显示读数异常时，PLC发出控制指令，调节电动调节阀开度，调节天然气流量；当显示读数较长时间超出允许范围时，信号反馈到PLC，PLC输出切断设备指令，使第一电磁阀与第二电磁阀同时关闭，将整套装置与管网脱离。
(4)在活塞式膨胀机内，高压管网天然气从进气口进入气缸，天然气推动活塞向下运动，活塞用十字头进行导向推动曲柄连杆，曲柄连杆带动曲轴运动；曲轴设有进气凸轮和出气凸轮，分别控制膨胀机进气阀和出气阀，通过曲轴的转动可以控制进气和排气；进气的时候进气阀打开，高压天然气带动装置运动，当曲轴转动半圈时，凸轮控制进气阀关闭，排气阀打开，由于惯性曲轴继续运动，反向带动活塞向上运动，将天然气排出装置；在曲轴转动剩余半圈后凸轮控制进气阀打开，排气阀关闭，进入下一个往复周期。
相对于现有技术，本发明具有如下的优点及有益效果：
本发明可以实现天然气压力能有效安全发电。现有的活塞式膨胀机活塞的密封难以在低温下保持密封性能。本发明采用改进的密封系统，所述密封系统为在活塞环填入相变材料，减少膨胀过程活塞环的遇冷收缩，提高天然气膨胀做功体积，从而提高膨胀效率；在进气顶杆和出气顶杆的曲轴箱出口处设密封圈，在密封的曲轴箱内设有导流管，导流管与氮气瓶连接，曲轴箱内充满氮气，从而实现气缸和曲轴箱的密封。通过上述密封改造能高效、零泄漏实现天然气压力能的回收。
本工艺装置适用范围广：本发明使用改进的活塞式膨胀机，可对一般透平膨胀机及螺杆膨胀机无法回收的压力能进行回收利用，尤其适用于高于4MPa高压管网及能够实现膨胀比高于10的调压工况。
无电源、无能耗、无需冷媒：整个发电系统能量由高压燃气的压力能提供，无需其他能耗。
工艺简单，易控制：本发明装置主要由调压和发电两部分组成，工艺简单；装置通过PLC对各部件进行控制。
经济效益和社会效益好：本发明装置可建在无电网的偏远地区，减少建设电网的费用，具有良好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为一种利用活塞式膨胀机回收天然气管网压力能的装置的结构示意图。
图2为图1中的活塞式膨胀机截面示意图。
图中所示为：第一截流阀1、第一电磁阀2、电动调节阀3、第一压力变送器4、第一温度变送器5、膨胀机6、变速箱7、速度变送器8、发电机9、电源10、压力温度平衡器11、复热器12、第二压力变送器13、第二温度变送器14、第二电磁阀15、第二截流阀16、PLC17、减压阀18、出气阀19、进气口20、活塞21、气缸22、进气口23、进气阀24、填入相变材料的活塞环25、密封圈26、出气顶杆27、进气顶杆28、十字头29、曲柄连杆30、曲轴箱31、机体32、连接氮气瓶的导流管33、曲轴34、飞轮35、进气凸轮36、排气凸轮37。
具体实施方式
本发明提供一种利用活塞式膨胀机的天然气管网压力能回收方法及装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种利用活塞式膨胀机的管网压力能装置，包括管路器件系统、发电系统及智能控制系统。
请一并参阅图1和图2，所述管路器件系统包括通过管路依次连接于高压管网和低压管网之间的第一截流阀1、第一电磁阀2、电动调节阀3、膨胀机6、压力温度平衡器11、复热器12、第二电磁阀15、第二截流阀16；
所述发电系统包括与膨胀机6连接的变速箱7、与变速箱7连接的发电机9、连接发电机9电力输出端的电源10；
所述智能控制系统包括PLC17、设置在所述电动调节阀3和膨胀机6之间的管路上的第一压力变送器4和第一温度变送器5、设置在所述变速箱7和发电机9之间的速度变送器8、设置在所述复热器12和第二电磁阀15之间的管路上的第二压力变送器13和第二温度变送器14；所述压力变送器4、13、温度变送器5、14、速度变送器8均通过电路连接PLC17。
进一步的，所述压力温度平衡器优先选用不锈钢平衡罐PLZ-206。
进一步的，所述第一电磁阀和第二电磁阀选用紧急切断功能电磁阀。
进一步的，所述发电机选用异步发电机。
进一步的，所述电源10选用XC-SG型三相变压同步器。
进一步的，所述膨胀机6选用改进的活塞式膨胀机，所述改进为活塞环25填入相变材料，减少膨胀过程活塞环的遇冷收缩，提高天然气膨胀做功体积，从而提高膨胀效率；所述相变材料优选为膨胀石墨/乙二醇/正庚醇低温相变蓄冷材料；在进气顶杆28和出气顶杆27的曲轴箱31出口处设密封圈26，在密封的曲轴箱31内设有导流管33，导流管33与氮气瓶连接，曲轴箱31充满氮气，从而实现气缸22和曲轴箱31的密封。
本实施例中，高于4.0MPa高压管网的天然气通过第一截流阀1、第一电磁阀2、电动调节阀3后进入膨胀机6膨胀降压，经压力温度平衡器11和复热器12回温后，经过第二电磁阀15和第二截流阀16进入下游中低压燃气管网；同时，高压天然气通过膨胀机6膨胀将压力能转化为机械能，然后通过变速箱7将转子转速与发电机9频率匹配发电，用于供给20～60kW用电需求的用户使用；
参见图1，所述智能控制系统中，第一电磁阀2与第二电磁阀15属于联动装置，同时关闭或开启，当速度变送器8、压力变送器4、13和温度变送器5、14的读数在允许范围波动时，第一电磁阀2与第二电磁阀15均同时开启，保证整套装置正常运转；当显示读数异常时，PLC17发出控制指令，调节电动调节阀开度3，调节天然气流量；当显示读数较长时间超出允许范围时，信号反馈到PLC17，PLC17输出切断设备指令，使第一电磁阀2与第二电磁阀15同时关闭，将整套装置与管网脱离；
参见图2，在活塞式膨胀机6内，高压管网天然气从进气口23进入气缸22，天然气推动活塞21向下运动，活塞20用十字头29进行导向推动曲柄连杆30，曲柄连杆30带动曲轴34运动；曲轴34上设有进气凸轮36和出气凸轮35，分别控制膨胀机6的进气阀24和出气阀19，通过曲轴34的转动可以控制进气和排气；进气的时候进气阀24打开，高压天然气带动装置运动，当曲轴34转动半圈时，进气凸轮36控制进气阀24关闭，排气阀19打开，由于惯性曲轴34继续运动，反向带动活塞21向上运动，将天然气排出装置；在曲轴34转动剩余半圈后进气凸轮36控制进气阀24打开，排气阀19关闭，进入下一个往复周期。
相比于采用其它膨胀机的天然气管网压力能回收装置，本发明采用改造的活塞式膨胀机，适用范围广，适用于高于4MPa高压管网及膨胀比高于10的调压工况。
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所示。
以某小型调压站为例，该站调压流量为1900Nm3/h，调压规模为6MPa至1.6MPa，天然气初始温度约为20℃。
(1)满足城市管网瞬时需求量1373kg/h的天然气，压力6MPa、温度20℃通过第一截流阀1、第一电磁阀2、电动调节阀3后进入膨胀机6膨胀降压到1.6MPa，经压力温度平衡器11和复热器12回温到5℃后，由第二电磁阀15、第二截流阀16进入下游中压燃气管网；
高压天然气通过膨胀机6膨胀将压力能转化成机械能，然后通过变速箱7使转速与发电机9频率匹配发电，可发出20kW的电用于供给无法安装电网的调压站等小型用户使用。
(3)当流量发生变化时需要通过PLC17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PLC17进行信号的调节，使整个装置可以正常运行。
表1显示了膨胀机4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、冷量回收关系表
从表1可以看到，利用活塞式膨胀机的管网压力能装置的进气压力可以选用比较大的进口压力，如5MPa和6MPa。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20～60kW，满足大部分调压站和计量站的用电要求。当进气压力为较大的5MPa，而出气压力为1.6MPa，此时燃气流量为1523kg/h；或进气压力为较大的6MPa，而出气压力也为1.6MPa，此时燃气流量在1373kg/h；发电量都为20kW。当进气压力为5MPa，而出气压力为0.4MPa，此时燃气流量为1583kg/h；或进气压力为6MPa，出气压力也为0.4MPa，此时燃气流量为较大的1530kg/h；发电率皆在40kW左右。当进气压力为5MPa，而出气压力为0.2MPa，此时燃气流量为2020kg/h；或进气压力为6MPa，出气压力也为0.2MPa，此时燃气流量为较大的1976kg/h；发电率皆在60kW左右。可见，若以1700kg/h的天然气流量为该套装置的设计基准，在80％～120％即1360kg/h～2040kg/h的范围内可通过调节天然气流量控制发电功率在20～60kW，因此本套发电系统操作弹性大，能够利用的压力能范围大，广谱性强，该生产装置可以满足大部分调压站和计量站的用电要求，特别是对于一些偏远地区的高压调压站或者计量站，可不再用较高代价进行电网架设，具有良好的节能减排效果。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用活塞式膨胀机的天然气管网压力能回收装置，其特征在于：包括管路器件系统、发电系统及智能控制系统；
所述管路器件系统包括通过管路依次连接于高压管网和低压管网之间的第一截流阀、第一电磁阀、电动调节阀、膨胀机、压力温度平衡器、复热器、第二电磁阀和第二截流阀；
所述发电系统包括与膨胀机连接的变速箱、与变速箱连接的发电机、连接发电机电力输出端的电源；
所述智能控制系统包括PLC(17)、设置在所述电动调节阀和膨胀机之间的管路上的第一压力变送器和第一温度变送器、设置在所述变速箱和发电机之间的速度变送器、设置在所述复热器和第二电磁阀之间的管路上的第二压力变送器和第二温度变送器；所述压力变送器、温度变送器、速度变送器均通过电路连接PLC(17)；
所述发电机选用异步发电机；
所述膨胀机选用改进的活塞式膨胀机，所述改进为活塞环填入相变材料，减少膨胀过程活塞环的遇冷收缩，提高天然气膨胀做功体积，所述相变材料为膨胀石墨/乙二醇/正庚醇低温相变蓄冷材料；
所述膨胀机在进气顶杆和出气顶杆之间的曲轴箱出口处设密封圈，在密封的曲轴箱内设有导流管，导流管与氮气瓶连接，曲轴箱充满氮气，从而实现气缸和曲轴箱的密封；
在活塞式膨胀机内，高压管网天然气从进气口进入气缸，天然气推动活塞向下运动，活塞用十字头进行导向推动曲柄连杆，曲柄连杆带动曲轴运动；曲轴上设有进气凸轮和出气凸轮，分别控制膨胀机的进气阀和排气阀，通过曲轴的转动可以控制进气和排气；进气的时候进气阀打开，高压天然气带动活塞运动，当曲轴转动半圈时，进气凸轮控制进气阀关闭，排气阀打开，由于惯性曲轴继续运动，反向带动活塞向上运动，将天然气排出；在曲轴转动剩余半圈后进气凸轮控制进气阀打开，排气阀关闭，进入下一个往复周期。
2.根据权利要求1所述的利用活塞式膨胀机的天然气管网压力能回收装置，其特征在于：所述压力温度平衡器选用不锈钢平衡罐PLZ-206。
3.根据权利要求1所述的利用活塞式膨胀机的天然气管网压力能回收装置，其特征在于：所述第一电磁阀和第二电磁阀选用紧急切断功能电磁阀。
4.根据权利要求1所述的利用活塞式膨胀机的天然气管网压力能回收装置，其特征在于：所述电源选用XC-SG型三相变压同步器。
5.一种利用活塞式膨胀机的天然气管网压力能回收方法，其特征在于包括如下步骤：
S100、高于4MPa高压管网的天然气通过第一截流阀、第一电磁阀、电动调节阀后进入膨胀机膨胀降压，经压力温度平衡器和复热器回温后，经过第二电磁阀和第二截流阀进入下游中低压燃气管网；
S200、高压天然气通过膨胀机膨胀将压力能转化为机械能，然后通过变速箱将曲轴转速与发电机频率匹配发电，用于供给20～60kW用电需求的用户使用；
S300、第一电磁阀(2)与第二电磁阀(15)属于联动装置，同时关闭或开启，当速度变送器(8)、压力变送器(4、13)和温度变送器(5、14)的读数在允许范围波动时，第一电磁阀(2)与第二电磁阀(15)均同时开启，保证整套装置正常运转；当显示读数异常时，PLC(17)发出控制指令，调节电动调节阀(3)开度，调节天然气流量；当显示读数较长时间超出允许范围时，信号反馈到PLC(17)，PLC(17)输出切断设备指令，使第一电磁阀(2)与第二电磁阀(15)同时关闭，将整套装置与管网脱离；
所述发电机选用异步发电机；
所述膨胀机选用改进的活塞式膨胀机，所述改进为活塞环填入相变材料，减少膨胀过程活塞环的遇冷收缩，提高天然气膨胀做功体积，所述相变材料为膨胀石墨/乙二醇/正庚醇低温相变蓄冷材料；
所述膨胀机在进气顶杆和出气顶杆之间的曲轴箱出口处设密封圈，在密封的曲轴箱内设有导流管，导流管与氮气瓶连接，曲轴箱充满氮气，从而实现气缸和曲轴箱的密封；
在活塞式膨胀机内，高压管网天然气从进气口进入气缸，天然气推动活塞向下运动，活塞用十字头进行导向推动曲柄连杆，曲柄连杆带动曲轴运动；曲轴上设有进气凸轮和出气凸轮，分别控制膨胀机的进气阀和排气阀，通过曲轴的转动可以控制进气和排气；进气的时候进气阀打开，高压天然气带动活塞运动，当曲轴转动半圈时，进气凸轮控制进气阀关闭，排气阀打开，由于惯性曲轴继续运动，反向带动活塞向上运动，将天然气排出；在曲轴转动剩余半圈后进气凸轮控制进气阀打开，排气阀关闭，进入下一个往复周期；
所述压力变送器包括第一压力变送器(4)和第二压力变送器(13)，所述温度变送器包括第一温度变送器(5)和第二温度变送器(14)，第一压力变送器(4)和第一温度变送器(5)设置在所述电动调节阀(3)和膨胀机(6)之间的管路上，速度变送器(8)设置在所述变速箱(7)和发电机(9)之间，第二压力变送器(13)和第二温度变送器(14)设置在所述复热器(12)和第二电磁阀(15)之间的管路上；所述压力变送器(4、13)、温度变送器(5、14)、速度变送器(8)均通过电路连接PLC(17)。
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