CN108316981A - 天然气余压与燃气轮机耦合联供系统、管网系统及方法 - Google Patents

天然气余压与燃气轮机耦合联供系统、管网系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及能源利用领域，公开了一种天然气余压与燃气轮机耦合联供系统、管网系统及方法，包括：天然气余压发电、冷能利用、燃气轮机发电、烟气余热利用和天然气预热等五个子系统，包括：膨胀机、第一发电机、制冷换热器、燃气轮机、第二发电机和余热吸收式利用装置，膨胀机和第一发电机连接；制冷换热器与天然气余压发电子系统的出口端连接；第二发电机通过燃气轮机与第二调节阀连接；余热吸收式利用装置与燃气轮机发电子系统的出口端连接。本发明将高压天然气压力能和化学能利用相结合，系统集成优化，对外产生电能、冷能和热能，并输出低压天然气，实现能源梯级利用，供能稳定性增强，系统综合效率大大提高，对分布式能源的推广应用意义重大。

Description

天然气余压与燃气轮机耦合联供系统、管网系统及方法
技术领域
本发明涉及能源利用领域，特别是涉及一种天然气余压与燃气轮机耦合联供系统、管网系统及方法。
背景技术
天然气作为一种高效清洁低碳能源，在我国能源结构中的地位逐步提高，国家明确提出：到2020年，我国天然气消费比重力争达到10％。加快天然气产业发展，是我国建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系的必由之路，也是改善大气质量，实现绿色低碳生活的有效途径。
管道运输是天然气长距离输运最普遍也最有效的方式，国内西气东输、川气东送、中俄天然气管道、中缅天然气管道等输气工程相继建设投入运行。目前我国长输天然气大多采用高压管输方式，压力都在10MPa以上，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，再借助于调压站箱将压力降至低压后供用户使用。天然气在调压过程中释放出大量的压力能，同时温度迅速降低，产生大量冷能。目前该部分压差能并没有相关工艺收集应用，造成了资源的极大浪费，同时急剧降温对调压设备的安全运行构成威胁。
传统天然气燃气轮机分布式能源系统存在冷热电负荷不平衡，机组运行工况范围窄、效率低等缺点。实际应用中常按照“以热定电”或“以电定热”等模式设计和运行，天然气综合利用效率和供能稳定性较低，从而限制了其大规模应用。因此，如何利用新的策略和思路来提升天然气综合利用效率以及供能稳定性是目前亟待解决的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种天然气余压与燃气轮机耦合联供系统、管网系统及方法，一方面解决现有技术中无法回收天然气在调压过程中释放出大量的压力能，造成了资源的极大浪费，同时温度迅速降低，产生大量冷能，对调压设备的安全运行构成威胁；另一方面有效解决传统燃气轮机分布式能源系统冷热电负荷不平衡，能源综合利用效率低的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种天然气余压与燃气轮机耦合联供系统，其特征在于，包括：天然气余压发电子系统、冷能利用子系统、燃气轮机发电子系统、烟气余热利用子系统和天然气预热子系统；其中，
所述天然气余压发电子系统包括膨胀机和第一发电机，所述膨胀机和第一发电机连接；
所述冷能利用子系统包括制冷换热器，所述制冷换热器与所述膨胀机连接；
所述燃气轮机发电子系统包括燃气轮机和第二发电机，所述燃气轮机和所述第二发电机连接；
所述烟气余热利用子系统包括余热吸收式利用装置，所述余热吸收式利用装置的进口与所述燃气轮机的出口端连接；
所述天然气预热子系统包括预热换热器和电加热器，所述电加热器连接于燃气轮机的入口处，用于给通入所述燃气轮机或下一级低压管网的天然气加热，所述预热换热器的一条换热管道连接于所述制冷换热器与所述电加热器之间，所述预热换热器的另一条换热管道与所述余热吸收式利用装置的出口连接。
其中，所述天然气余压发电子系统还包括第一过滤器，所述第一过滤器与所述膨胀机的入口连接。
其中，所述天然气余压发电子系统还包括第一调节阀，所述第一调节阀连接于所述第一过滤器与所述膨胀机的入口之间。
其中，所述燃气轮机发电子系统还包括第二调节阀，所述电加热器通过所述第二调节阀连接于燃气轮机的入口处。
其中，还包括第一蓄能罐和第二蓄能罐，所述第一蓄能罐与所述制冷换热器连接，所述第二蓄能罐与所述余热吸收式利用装置连接。
其中，所述制冷换热器与所述膨胀机的出口端连接，所述余热吸收式利用装置与所述燃气轮机的出口端连接。
其中，其特征在于，所述膨胀机为透平式膨胀机或螺杆式膨胀机。
本发明公开一种天然气余压与燃气轮机耦合联供管网系统，还包括旁路管网系统，所述旁路管网系统包括切断阀、第二过滤器、第一调压阀、第二调压阀、紧急切断阀、截止阀和本发明的天然气余压与燃气轮机耦合联供系统，所述切断阀、第二过滤器、第一调压阀和第二调压阀依次序连接，所述紧急切断阀的一端连接于所述第二过滤器和所述第一调压阀之间，所述紧急切断阀的另一端与所述天然气余压与燃气轮机耦合联供系统连接，所述截止阀连接于下游天然气管网和所述天然气余压与燃气轮机耦合联供系统之间。
本发明还公开一种天然气余压与燃气轮机耦合联供方法，利用本发明的天然气余压与燃气轮机耦合联供系统的工作方法，其包括：
S1、天然气经膨胀机膨胀做功，带动第一发电机，产生电能；
S2、经过膨胀后的天然气进入制冷换热器，交换冷能，供给用户使用，再经过预热换热器和电加热器加热；
S3、经过加热的天然气一部分通入燃气轮机，燃烧做功，带动第二发电机，产生电能；另一部分进入下游天然气管网系统；
S4、将燃烧后的天然气通入烟气余热吸收式利用装置，进行余热利用。
(三)有益效果
本发明提供的一种天然气余压与燃气轮机耦合联供系统、管网系统及方法，通过膨胀机和第一发电机利用天然气压差能发电，并产生冷能，通过燃气轮机和第二发电机利用天然气化学能发电，利用烟气余热产生冷能和热能，并对制冷换热器出口天然气进行预热。本系统集成优化，相互补充，对外产生电能、冷能和热能，并输出低压天然气，实现能源梯级利用，供能稳定性增强，设备利用率和系统综合效率大大提高，对分布式能源的推广应用意义重大。
附图说明
图1为本发明一种天然气余压与燃气轮机耦合联供系统的结构示意图；
图2为本发明一种天然气余压与燃气轮机耦合管网系统的结构示意图。
图中，1、切断阀；2、第二过滤器；3、第一调压阀；4、第二调压阀；5、紧急切断阀；6、天然气余压与燃气轮机耦合联供系统；7、截止阀；601、第一过滤器；602、第一调节阀；603、第一发电机；604、膨胀机；605、第一蓄能罐；606、制冷换热器；607、预热换热器；608、燃气轮机；609、电加热器；610、第二发电机；611、第二蓄能罐；612、余热吸收式利用装置；613、第二调节阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明公开一种天然气余压与燃气轮机耦合联供系统，包括：天然气余压发电子系统、冷能利用子系统、燃气轮机发电子系统、烟气余热利用子系统和天然气预热子系统；其中，
天然气余压发电子系统包括膨胀机604和第一发电机603，膨胀机604和第一发电机603连接；
冷能利用子系统包括制冷换热器606，制冷换热器606与膨胀机604连接；
燃气轮机发电子系统包括燃气轮机608和第二发电机610，所述燃气轮机608和所述第二发电机610连接；
烟气余热利用子系统包括余热吸收式利用装置612，余热吸收式利用装置612的进口与燃气轮机608的出口端连接；
天然气预热子系统包括预热换热器607和电加热器609，电加热器609连接于燃气轮机608的入口处，用于给通入燃气轮机608或下一级低压管网的天然气加热，预热换热器607的一条换热管道连接于制冷换热器606与电加热器609之间，预热换热器607的另一条换热管道与余热吸收式利用装置612的出口连接。
具体的，利用管道输送高压天然气至天然气余压发电子系统中，膨胀机604利用高压天然气膨胀降压，向外输出机械功，并使高压气体温度迅速降低，第一发电机603利用机械能发电。经过膨胀机604的天然气为低温特定压力的状态，进入制冷换热器606，与制冷工质进行热量交换，交换冷能供用户使用。天然气通过预热子系统升高温度后，一部分通过第二调节阀613进入燃气轮机发电子系统，燃烧做功发电，一部分通过截止阀7进入下一级低压管网系统。燃气轮机燃烧产生的热烟气，通入烟气余热利用子系统，可根据不同需要，输出冷能或热能。例如，利用烟气余热溴化锂吸收式机组，可以对外输出热能，也可以利用热吸收式制冷，是一种常用的制冷空调机组。可根据季节，调整制冷/制热运行模式。燃气轮机608根据用户冷、热、电需求，可选用重型、轻型和微型燃气轮机。燃气轮机608驱动第二发电机610发电。所述膨胀机604进口处还设有第一调节阀602，根据外界能源需求调节天然气流量，根据膨胀机604的进口条件，调节和控制天然气压力。进一步的，燃气轮机608进口还设有第二调节阀613，电加热器609通过所述第二调节阀613连接于燃气轮机608的入口处，控制进口流量和压力，并起切断燃气轮机进口天然气的作用。燃气轮机608还设有空气进口。进一步的，天然气余压与燃气轮机耦合联供系统可以共用发电并网成套装置，节约成本。天然气预热子系统可将产生的热烟气用于加热低温天然气，再通入燃气轮机608燃烧或进入下一级低压管网系统，增加热烟气梯级利用，提高系统效率。优选地，在燃气轮机608入口还设有温度传感器，实时监测入口处的温度，并根据温度控制电加热器609的启闭。
其中，所述天然气余压发电子系统还包括第一过滤器601，所述第一过滤器601与所述膨胀机604的入口连接。用于过滤掉天然气中的杂物，避免损坏系统部件和燃烧效率低的问题。
其中，还包括第一蓄能罐605和第二蓄能罐611，所述第一蓄能罐605与所述制冷换热器606连接，所述第二蓄能罐611与所述余热吸收式利用装置612连接。根据输出冷能或热能，分别为蓄冷罐和蓄热罐，具体的，第一蓄能罐605为蓄冷罐；根据需要，第二蓄能罐611为蓄冷罐或蓄热罐。根据用户需要适时输出，实现用能的削峰填谷。
其中，所述制冷换热器606与所述膨胀机604的出口端连接，所述余热吸收式利用装置612与所述燃气轮机608的出口端连接。本实施例的制冷换热器606与天然气余压发电子系统的膨胀机604连接，即膨胀机604具有两个出口端，一个与第一发电机603连接，供发电使用，另一个与制冷换热器606连接，用于提供冷能；余热吸收式利用装置612与燃气轮机发电子系统的燃气轮机608连接，即燃气轮机608具有两个出口端，一个与第二发电机610连接，燃烧做功产生机械能，利用第二发电机610进行发电，另一个与余热吸收式利用装置612连接，产生的热烟气具有内能，提供热能或冷能。
其中，根据流量压力范围，所述膨胀机604可选用透平式膨胀机或螺杆式膨胀机。
如图2所示，本发明还公开一种天然气余压与燃气轮机耦合联供管网系统，包括旁路接入管网系统，旁路管网系统包括切断阀1、第二过滤器2、第一调压阀3、第二调压阀4、紧急切断阀5、截止阀7和本发明的天然气余压与燃气轮机耦合联供系统6，所述切断阀1、第二过滤器2、第一调压阀3和第二调压阀4依次序连接，所述紧急切断阀5的一端连接于所述第二过滤器2和所述第一调压阀3之间，所述紧急切断阀5的另一端与所述天然气余压与燃气轮机耦合联供系统6连接，截止阀7连接于下游天然气管网和天然气余压与燃气轮机耦合联供系统6之间。
具体的，通过在天然气高压输送管网旁路并联的形式，增加天然气余压与燃气轮机耦合联供系统，可利用紧急切断阀5的启闭，紧急切断气源，最大程度降低对原有管路输送系统的影响。
其中，截止阀7起保护截断作用，防止天然气余压与燃气轮机耦合联供系统不运行时，低压管网系统中的天然气进入所述天然气余压与燃气轮机耦合联供系统6中。
本发明还公开一种天然气余压与燃气轮机耦合联供方法，利用本发明的天然气余压与燃气轮机耦合联供系统的工作方法，其包括：
S1、天然气经膨胀机膨胀做功，带动第一发电机，产生电能；
S2、经过膨胀后的天然气进入制冷换热器，交换冷能，供给用户使用，再经过预热换热器和电加热器加热；
S3、经过加热的天然气一部分通入燃气轮机，燃烧做功，带动第二发电机，产生电能；另一部分进入下游天然气管网系统；
S4、将燃烧后的天然气通入余热吸收式利用装置，进行余热利用。
具体的，天然气膨胀做功，产生机械能，带动第一发电机发电；产生的冷能，与制冷工质热量交换，冷能储存在储冷罐内，供用户使用；S2中的低温天然气经预热后，一部分进入燃气轮机，燃烧做功，带动第二发电机发电，多余部分进入下游天然气管网系统；燃烧产生的热烟气通过余热吸收式利用装置进行利用，产生热能或冷能。
本发明公开一种天然气余压与燃气轮机耦合联供系统、管网系统及方法，通过膨胀机和第一发电机利用天然气压差能发电，并产生冷能，通过燃气轮机和第二发电机利用天然气化学能发电，利用烟气余热产生冷能或热能，并对燃气轮机进口和进入下游天然气管网系统的天然气进行预热。本系统集成优化，能源供应相互补充，对外产生电能、冷能和热能，并输出低压天然气，实现能源梯级利用，供能稳定性增强，能源综合利用效率达70％以上，是天然气高效利用的重要方式，经济效益显著，对分布式能源的推广应用意义重大。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种天然气余压与燃气轮机耦合联供系统，其特征在于，包括：天然气余压发电子系统、冷能利用子系统、燃气轮机发电子系统、烟气余热利用子系统和天然气预热子系统；其中，
所述天然气余压发电子系统包括膨胀机(604)和第一发电机(603)，所述膨胀机(604)和第一发电机(603)连接；
所述冷能利用子系统包括制冷换热器(606)，所述制冷换热器(606)与所述膨胀机(604)连接；
所述燃气轮机发电子系统包括燃气轮机(608)和第二发电机(610)所述燃气轮机(608)和所述第二发电机(610)连接；
所述烟气余热利用子系统包括余热吸收式利用装置(612)，所述余热吸收式利用装置(612)的进口与所述燃气轮机(608)的出口端连接；
所述天然气预热子系统包括预热换热器(607)和电加热器(609)，所述电加热器(609)连接于燃气轮机(608)的入口处，用于给通入所述燃气轮机(608)或下一级低压管网的天然气加热，所述预热换热器(607)的一条换热管道连接于所述制冷换热器(606)与所述电加热器(609)之间，所述预热换热器(607)的另一条换热管道与所述余热吸收式利用装置(612)的出口连接。
2.如权利要求1所述的天然气余压与燃气轮机耦合联供系统，其特征在于，所述天然气余压发电子系统还包括第一过滤器(601)，所述第一过滤器(601)与所述膨胀机(604)的入口连接。
3.如权利要求2所述的天然气余压与燃气轮机耦合联供系统，其特征在于，所述天然气余压发电子系统还包括第一调节阀(602)，所述第一调节阀(602)连接于所述第一过滤器(601)与所述膨胀机(604)的入口之间。
4.如权利要求1所述的天然气余压与燃气轮机耦合联供系统，其特征在于，所述燃气轮机发电子系统还包括第二调节阀(613)，所述电加热器(609)通过所述第二调节阀(613)连接于燃气轮机(608)的入口处。
5.如权利要求1所述的天然气余压与燃气轮机耦合联供系统，其特征在于，还包括第一蓄能罐(605)和第二蓄能罐(611)，所述第一蓄能罐(605)与所述制冷换热器(606)连接，所述第二蓄能罐(611)与所述余热吸收式利用装置(612)连接。
6.如权利要求1所述的天然气余压与燃气轮机耦合联供系统，其特征在于，所述制冷换热器(606)与所述膨胀机(604)的出口端连接，所述余热吸收式利用装置(612)与所述燃气轮机(608)的出口端连接。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的天然气余压与燃气轮机耦合联供系统，其特征在于，所述膨胀机(604)为透平式膨胀机或螺杆式膨胀机。
8.一种天然气余压与燃气轮机耦合联供管网系统，其特征在于，还包括旁路管网系统，所述旁路管网系统包括切断阀(1)、第二过滤器(2)、第一调压阀(3)、第二调压阀(4)、紧急切断阀(5)、截止阀(7)和如权利要求1-7中任意一项所述的天然气余压与燃气轮机耦合联供系统(6)，所述切断阀(1)、第二过滤器(2)、第一调压阀(3)和第二调压阀(4)依次序连接，所述紧急切断阀(5)的一端连接于所述第二过滤器(2)和所述第一调压阀(3)之间，所述紧急切断阀(5)的另一端与所述天然气余压与燃气轮机耦合联供系统(6)连接，所述截止阀(7)连接于下游天然气管网和所述天然气余压与燃气轮机耦合联供系统(6)之间。
9.一种天然气余压与燃气轮机耦合联供方法，其特征在于，利用如权利要求1-7中任意一项所述的天然气余压与燃气轮机耦合联供系统的工作方法，其包括：
S1、天然气经膨胀机膨胀做功，带动第一发电机，产生电能；
S2、经过膨胀后的天然气进入制冷换热器，交换冷能，供给用户使用，再经过预热换热器和电加热器加热；
S3、经过加热的天然气一部分通入燃气轮机，燃烧做功，带动第二发电机，产生电能；另一部分进入下游天然气管网系统；
S4、将燃烧后的天然气通入烟气余热吸收式利用装置，进行余热利用。
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