CN107420143B - 利用天然气压力能发电及冷能回收的工艺和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用天然气压力能发电及冷能回收的装置，包括水循环系统，PLC控制装置，以及依次连接的调压发电一体机，半导体温差发电装置，制冰装置和出口换热器；本发明还公开一种利用天然气压力能发电及冷能回收的工艺，该工艺利用天然气调压门站的天然气压力能进行发电，半导体温差发电装置利用低温天然气进行发电，又设置制冰装置进行制冰，双重发电装置获得电力，同时生产大量的工业用或食品用冰，对天然气调压过程中产生的能量进行充分的利用，大大降低天然气调压门站的运营成本。本发明配合PLC控制装置对调压发电一体机进行智能控制，保证了利用天然气压力能发电及冷能回收的装置整体的稳定运行。

Description

利用天然气压力能发电及冷能回收的工艺和装置
技术领域
本发明涉及天然气压力能利用领域，具体涉及利用天然气压力能发电及冷能回收的工艺和装置。
背景技术
2014年我国天然气消费量达到1761亿立方米，2015年消费量为1920亿立方米，2016年消费量为2058亿立方米，截止2016年底，全国天然气分输站近300座，门站数量约3400座。而在分输站、门站的调压过程中，蕴藏着丰富压力能资源。通过对天然气管网中巨大的余压余能资源的回收利用，可以广泛应用于发电、调压储气、制冷、生产LNG等多种用途。但现阶段对于天然气余压(压力能)发电技术应用较少，少数现有的利用压力能发电的设备对压力能的利用不够充分。
中国专利文献CN 103422899 B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；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。但是该技术仅仅利用压力能进行发电，膨胀机输出的低温天然气没有再进行充分利用，造成冷量的浪费，增加了压力温度平衡器的工作量，降低了压力温度平衡器的使用寿命。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种压力能发电以及冷能双重回收利用，天然气压力能利用率高的压力能发电及冷能回收的装置。本发明的另外一个目的是提供一种利用天然气压力能发电及冷能回收的工艺。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种利用天然气压力能发电及冷能回收的工艺，主要包括：
(1)高压天然气进入调压发电一体机，高压天然气在调压发电一体机内膨胀降压，在降压过程中，气体在膨胀机内膨胀做功，带动发电机输出电能；
(2)膨胀后的低温天然气从膨胀机输出进入半导体温差发电装置，半导体温差发电装置利用内外温差发电输出电能；
(3)经过半导体温差发电装置内部循环后的低温天然气输出至制冰装置，水循环系统的循环水进入制冰装置进行降温制冰；
(4)制冰装置输出的天然气进入出口换热器，与压缩机循环水进行换热，出口换热器输出复热后温度≥5℃的天然气并入城市天然气管网。
作为优选，所述膨胀机输出的天然气温度为-60℃～-20℃。
本发明还涉及实现上述工艺的一种利用天然气压力能发电及冷能回收的装置，包括水循环系统，PLC控制装置，以及依次连接的调压发电一体机，半导体温差发电装置，制冰装置和出口换热器；所述调压发电一体机包括膨胀机，连接在膨胀机上游的第一调压阀和连接在膨胀机下游的发电机，高压天然气经过第一调压阀进入膨胀机膨胀做功，带动发电机输出电能，膨胀机输出低温天然气；所述半导体温差发电装置包括本体，设置在本体内部的制冷盘管和设置在本体侧壁的温差发电芯片组，所述膨胀机输出的低温天然气经过制冷盘管循环后输出至制冰装置，所述温差发电芯片组输出电能；所述制冰装置输出的天然气进入出口换热器升温后输出并入城市天然气管网；所述水循环系统的循环水一路进入制冰装置内制冰，一路进入出口换热器换热后从出口换热器排出。
作为优选，在高压天然气入口至第一调压阀之间设置有流量计和电磁阀。
作为优选，所述电磁阀包括两路出口，一路经过第一调压阀连接膨胀机，另一路直接并入城市天然气管网形成旁路，在所述旁路上设置有第二调压阀，所述流量计、电磁阀、第一调压阀和第二调压阀分别连接PLC控制装置。
作为优选，在所述膨胀机和发电机之间设置有变速箱。
作为优选，所述调压发电一体机和半导体温差发电装置输出的电能共同通过并网柜输出至门站内部电网。
作为优选，所述制冷盘管均匀分布在半导体温差发电装置的内侧壁上，所述温差发电芯片组一面设置在本体内部，另一面设置在本体外部，所述温差发电芯片组有若干温差发电芯片组成。
作为优选，所述半导体温差发电装置内部还设置有天然气泄漏检测装置，所述天然气泄漏检测装置为激光甲烷检测仪，所述激光甲烷检测仪连接PLC控制装置。
作为优选，所述膨胀机为螺杆膨胀机、透平膨胀机或流体马达。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的利用天然气压力能发电及冷能回收的工艺，利用天然气调压门站的天然气压力能进行发电，经过膨胀机膨胀后的天然气温度较低，本发明设置半导体温差发电装置利用低温天然气进行发电，又设置制冰装置进行制冰，双重发电装置获得电力，同时生产大量的工业用或食品用冰，对天然气调压过程中产生的能量进行充分的利用，大大降低天然气调压门站的运营成本。本发明配合PLC控制装置对调压发电一体机进行智能控制，保证了利用天然气压力能发电及冷能回收的装置整体的稳定运行。
附图说明
图1是利用天然气压力能发电及冷能回收的装置结构示意图；
图2是利用天然气压力能发电及冷能回收的装置中半导体温差发电装置结构剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1和图2所示，本发明提供一种利用天然气压力能发电及冷能回收的工艺，主要包括以下方面：
1)高压天然气进入调压发电一体机，高压天然气在调压发电一体机内膨胀降压，在降压过程中，气体在膨胀机1内膨胀做功，带动发电机3输出电能；膨胀机1输出低温天然气，低温天然气的温度为-60℃～-20℃。
2)膨胀后的低温天然气从膨胀机1输出进入半导体温差发电装置4，半导体温差发电装置4利用内外温差发电输出电能；
3)经过半导体温差发电装置4内部循环后的低温天然气输出至制冰装置5，水循环系统的循环水进入制冰装置5进行降温制冰；
4)制冰装置5输出的天然气进入出口换热器6，与压缩机循环水进行换热，出口换热器6输出复热后温度≥5℃的天然气并入城市天然气管网。
本发明还涉及一种利用天然气压力能发电及冷能回收的装置，主要包括水循环系统，PLC控制装置，以及依次连接的调压发电一体机，半导体温差发电装置4，制冰装置5和出口换热器6；
调压发电一体机包括膨胀机1，连接在膨胀机1上游的第一调压阀2和连接在膨胀机下游的发电机3，高压天然气经过第一调压阀2进入膨胀机1膨胀做功，带动发电机3输出电能，膨胀机1输出低温天然气；在膨胀机1和发电机3之间设置有变速箱11。膨胀机1的主轴与变速箱11连接，变速箱11与发电机3连接，变速箱11通过变速调节，使得膨胀机1与发电机5的转速相匹配，发电机3产生的交变电流直接接入并网柜12进行后续处理后并入门站内部电网。
膨胀机1为螺杆膨胀机、透平膨胀机或流体马达。优选为螺杆膨胀机，螺杆膨胀机可达较高等熵效率，优秀的螺杆型线设计、微米级的高精度加工制造能力，可获得85％以上等熵效率，相比速度式汽轮机可更高。螺杆转子长径比适中、动平衡性好、简单可靠、无易损件，可十年无大修，实现全自动无人管理。
由于膨胀机1输出低温天然气的温度可达-60℃～-20℃，温度相当低的冷量可以进行充分的利用，半导体温差发电装置4可利用温差进行发电，温差发电芯片分为两面，其中一面接触高温，另一面接触低温，形成较大的温度差就可以进行发电，由此在膨胀机1的下游设置半导体温差发电装置4。
半导体温差发电装置4包括本体41，设置在本体41内部的制冷盘管42和设置在本体41侧壁的温差发电芯片组43，膨胀机1输出的低温天然气经过制冷盘管42循环后输出至制冰装置5，温差发电芯片组43输出电能至并网柜12。制冷盘管42均匀分布在半导体温差发电装置4的内侧壁上，温差发电芯片组43一面设置在本体41内部，另一面设置在本体41外部，温差发电芯片组43有若干温差发电芯片组成，温差发电芯片的数量越多，发电的功率越大。
半导体温差发电装置4内部还设置有天然气泄漏检测装置44，天然气泄漏检测装置4为激光甲烷检测仪，激光甲烷检测仪连接PLC控制装置，当制冷盘管42内通过的低温天然气泄漏时，激光甲烷检测仪能准确检测并将警报传输至PLC控制装置，由PLC控制装置控制电磁阀8关闭，便于后续对系统进行检验。
调压发电一体机和半导体温差发电装置4输出的电能共同通过并网柜12输出至门站内部电网，用于驱动门站内用电设备或售电。
由于半导体温差发电装置4发电只利用温差而不消耗冷量，半导体温差发电装置4输出的天然气依然温度较低，可继续进行利用，在半导体温差发电装置4的下游设置制冰装置5，水循环系统的循环水一路进入制冰装置5内制冰，一路进入出口换热器6换热后从出口换热器6排出。制冰装置5输出的天然气温度上升至0℃左右，但是仍需升温至5-10℃才能并入城市天然气管网，制冰装置5输出的天然气后续进入出口换热器6进行升温后输出并入城市天然气管网；出口换热器6包括通道1和通道2，通道1为天然气通道，通道1进口压力为0.3MPa，进口温度为0℃，出口温度为5-10℃，天然气流量为14000Nm3/h；通道2为循环水通道，通道2进口压力为0.3MPa，进口温度为8-20℃，流量为100m3/h。
在高压天然气入口至第一调压阀2之间设置有流量计7和电磁阀8。电磁阀8包括两路出口，一路经过第一调压阀2连接膨胀机1，另一路直接接入城市天然气管网形成旁路9，在旁路9上设置有第二调压阀10，流量计7、电磁阀8、第一调压阀2和第二调压阀10分别连接PLC控制装置，PLC控制装置可采集经过流量计7天然气的流量数据，可以控制电磁阀8的开闭，可以在紧急情况时切断天然气管路。
调压发电一体机工作状态：并网前螺杆膨胀机转速处于调整阶段，由于进入的天然气流量较小，此时背压控制以第一调压阀2为主，当第一调压阀2开度增加时，旁路9上的第二调压阀10开度减小，螺杆膨胀机升速，直至达到额定转速。
并网后，第一调压阀2开度增加，螺杆膨胀机带负荷运行，旁路9上的第二调压阀10开度减小，进气流量增加，负荷也增加，直至系统基本稳定。
当天然气用量小时，PLC控制装置减小第一调压阀2开度，减少发电功率保证阀后压力。
当天然气用量大时，PLC控制装置增大第一调压阀2开度，增大发电机功率保证阀后压力，若第一调压阀2全开时仍不能满足阀后压力，说明用气量超过螺杆膨胀机的流通能力，则旁路9上第二调压阀10打开，部分天然气走旁路9输出。
若负荷下降到逆功率运行时，说明流量没有达到要求，此时螺杆膨胀机进入逆功率保护阶段，超过保护值时机组停机。当调压发电一体机因故障紧急停机或者生产需要停车时，第二调压阀10全开使全部天然气可走旁路9输出。
本发明的利用天然气压力能发电及冷能回收的工艺，利用天然气调压门站的天然气压力能进行发电，经过膨胀机膨胀后的天然气温度较低，本发明设置半导体温差发电装置利用低温天然气进行发电，又设置制冰装置进行制冰，双重发电装置获得电力，同时生产大量的工业用或食品用冰，对天然气调压过程中产生的能量进行充分的利用，大大降低天然气调压门站的运营成本。本发明配合PLC控制装置对调压发电一体机进行智能控制，保证了装置整体的稳定运行。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用天然气压力能发电及冷能回收的工艺，其特征在于：
1)高压天然气进入调压发电一体机，高压天然气在调压发电一体机内膨胀降压，在降压过程中，气体在膨胀机(1)内膨胀做功，带动发电机(3)输出电能；
2)膨胀后的低温天然气从膨胀机(1)输出进入半导体温差发电装置(4)，半导体温差发电装置(4)利用内外温差发电输出电能；
3)经过半导体温差发电装置(4)内部循环后的低温天然气输出至制冰装置(5)，水循环系统的循环水进入制冰装置(5)进行降温制冰；
4)制冰装置(5)输出的天然气进入出口换热器(6)，与循环水进行换热，出口换热器(6)输出复热后温度≥5℃的天然气并入城市天然气管网。
2.根据权利要求1所述的利用天然气压力能发电及冷能回收的工艺，其特征在于：所述膨胀机(1)输出的天然气温度为-60℃～-20℃。
3.一种实现权利要求1的工艺的利用天然气压力能发电及冷能回收的装置，其特征在于：包括水循环系统，PLC控制装置，以及依次连接的调压发电一体机，半导体温差发电装置(4)，制冰装置(5)和出口换热器(6)；
所述调压发电一体机包括膨胀机(1)，连接在膨胀机(1)上游的第一调压阀(2)和连接在膨胀机(1)下游的发电机(3)，高压天然气经过第一调压阀(2)进入膨胀机(1)膨胀做功，带动发电机(3)输出电能，膨胀机(1)输出低温天然气；
所述半导体温差发电装置(4)包括本体(41)，设置在本体(41)内部的制冷盘管(42)和设置在本体(41)侧壁的温差发电芯片组(43)，所述膨胀机(1)输出的低温天然气经过制冷盘管(42)循环后输出至制冰装置(5)，所述温差发电芯片组(43)输出电能；
所述制冰装置(5)输出的天然气进入出口换热器(6)升温后输出并入城市天然气管网；所述水循环系统的循环水一路进入制冰装置(5)内制冰，一路进入出口换热器(6)换热后从出口换热器(6)排出。
4.根据权利要求3所述的利用天然气压力能发电及冷能回收的装置，其特征在于：在高压天然气入口至第一调压阀(2)之间设置有流量计(7)和电磁阀(8)。
5.根据权利要求4所述的利用天然气压力能发电及冷能回收的装置，其特征在于：所述电磁阀(8)包括两路出口，一路经过第一调压阀(2)连接膨胀机(1)，另一路直接并入城市天然气管网形成旁路(9)，在所述旁路(9)上设置有第二调压阀(10)，所述流量计(7)、电磁阀(8)、第一调压阀(2)和第二调压阀(10)分别连接PLC控制装置。
6.根据权利要求3所述的利用天然气压力能发电及冷能回收的装置，其特征在于：在所述膨胀机(1)和发电机(3)之间设置有变速箱(11)。
7.根据权利要求3所述的利用天然气压力能发电及冷能回收的装置，其特征在于：所述调压发电一体机和半导体温差发电装置(4)输出的电能共同通过并网柜(12)输出至门站内部电网。
8.根据权利要求3所述的利用天然气压力能发电及冷能回收的装置，其特征在于：所述制冷盘管(42)均匀分布在半导体温差发电装置(4)的内侧壁上，所述温差发电芯片组(43)一面设置在本体(41)内部，另一面设置在本体(41)外部，所述温差发电芯片组(43)由若干温差发电芯片组成。
9.根据权利要求3所述的利用天然气压力能发电及冷能回收的装置，其特征在于：所述半导体温差发电装置(4)内部还设置有天然气泄漏检测装置(44)，所述天然气泄漏检测装置(4)为激光甲烷检测仪，所述激光甲烷检测仪连接PLC控制装置。
10.根据权利要求3所述的利用天然气压力能发电及冷能回收的装置，其特征在于：所述膨胀机(1)为螺杆膨胀机。
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