CN108317011B - 一种集成燃气轮机的天然气压力能回收系统 - Google Patents

一种集成燃气轮机的天然气压力能回收系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其包括膨胀热泵模块，换热模块以及燃气轮机模块，所述膨胀热泵模块将膨胀机及热泵联用，实现了压力能膨胀联动热泵结构，以利用膨胀机提供机械能带动热泵运转加热空气，有效提高燃气轮机的发电效率。同时，换热模块对燃气轮机的润滑油进行冷却以及回收烟气回收装置内烟气的余热，这样一方面充分利用低温天然气的冷能；另一方面提高了能源利用效率高。

Description

一种集成燃气轮机的天然气压力能回收系统
技术领域
本发明涉及天然气管网压力能回收利用技术领域，特别涉及一种集成燃气轮机的天然气压力能回收系统。
背景技术
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。天然气的调压方式一般采用减压阀对高压天然气进行节流膨胀降压，此过程无机械能输出，但存在温降，导致出站温度低于标准要求（>5℃）的供气温度，低温天然气甚至能产生霜冻堵塞阀门和管道，对调压及管道设备运行安全造成威胁。传统的解决方案是通过天然气加热器或电加热器对天然气进行加热。这不仅需要消耗燃气或电能，而且严重浪费天然气管网中的压力能。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是要一种集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，以达到高效回收天然气压力能、提高发电系统的发电效率和能量利用效率的效果。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其包括：膨胀热泵模块、换热模块以及燃气轮机模块；所述换热模块包括第一换热器和第二换热器，所述燃气轮机模块包括依次连接的燃气轮机以及烟气回收装置；所述膨胀热泵模块、第一换热器以第二换热器通过管路依次连接于高压管网与低压管网之间；所述第一换热器与燃气轮机循环连接，所述第二换热器与所述烟气回收装置循环连接。
所述集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其中，所述第二换热管程出口设置第一支路和第二支路，所述第二换热管通过第一支路与低压管网相连接，并通过第二支路与燃气轮机相连接，以为燃气轮机提供燃料。
所述集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其中，所述燃气轮机通过管路分别与第一换热器的第一壳程进口和第一壳程出口相连接，所述燃气轮机与第一换热器之间的循环介质通过第一壳程进口进入第一换热器，并与流经第一换热器的低压天然气进行热交换，放热后的循环介质通过第一壳程出口回流至燃气轮机。
所述集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其中，所述烟气回收装置通过管路分别与第二换热的第二壳程进口和第二壳程出口相连接，第二换热与烟气回收装置之间的循环介质通过第二壳程进口进入第二换热器，并与流经第二换热器的低压天然气进行热交换，放热后的循环介质通过第二壳程出口回流至烟气回收装置，以与燃气轮机排出的烟气换热。
所述集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其中，所述烟气回收装置采用烟气走管外、循环介质走管内的鳍片管式烟气废热回收器。
所述集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其中，所述第一换热器与燃气轮机的循环管路上设置有第一电动泵和第一补料管；所述第二换热器与烟气回收装置的循环管路上设置有第二电动泵和第二补料管。
所述集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其中，所述第一换热器和第二换热器均采用循环介质走管外、天然气走管内的列管式换热器。
所述集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其中，所述膨胀热泵模块包括：膨胀机，以及循环连接的压缩机、空气加热器以及蒸发器，所述压缩机与所述膨胀机联轴设置，所述空气加热器壳程出口与燃气轮机的燃料进口连接。
所述集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其中，所述膨胀热泵模块的循环介质为氟利昂。
所述集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其中，所述膨胀热泵模块集成在一个撬内。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其包括膨胀热泵模块，换热模块以及燃气轮机模块，所述膨胀热泵模块将膨胀机及热泵联用，实现了压力能膨胀联动热泵结构，以利用膨胀机提供机械能带动热泵运转加热空气，有效提高燃气轮机的发电效率。同时，换热模块对燃气轮机的润滑油进行冷却以及回收烟气回收装置内烟气的余热，这样一方面充分利用低温天然气的冷能；另一方面提高了能源利用效率高。
附图说明
图1为本发明提供的集成燃气轮机的天然气压力能回收系统较佳实施的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例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。
下面结合附图，通过对实施例的描述，对发明内容作进一步说明。
请参照图1，图1为本发明提供的集成燃气轮机的天然气压力能回收系统的结构示意图。
所述集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其包括膨胀热泵模块、换热模块以及燃气轮机模块；所述换热模块包括第一换热器6和第二换热器10，所述燃气轮机模块包括依次连接的燃气轮机9以及烟气回收装置12；所述膨胀热泵模块、第一换热器6以第二换热器10通过管路依次连接于高压管网与低压管网之间；所述第一换热器6与燃气轮机9循环连接，所述第二换热器10与所述烟气回收装置12循环连接。本实施例通过压力能膨胀联动热泵系统、第一换热器和燃气轮机构成的润滑油冷却系统、以及第二换热器和烟气回收装置把压力能利用和燃气轮机发电整合在一起，实现了高效回收天然气压力能，同时提高了发电系统的发电效率和能量利用效率。
所述膨胀热泵模块包括膨胀机2、压缩机3、空气加热器6以及蒸发器4；所述膨胀机2与所述压缩机3同轴设置，所述压缩机3出口与空气加热器6的管程入口相连接，所述空气加热器6的管程出口与蒸发器4的入口相连接，所述蒸发器4的出口与压缩机3入口相连接，所述空温加热器6的壳程出口与燃气轮机9的燃料进口连接。所述压缩机3在膨胀机2的带动下将进入其内的第二循环介质进行压缩，压缩后的第二循环介质进入空气加热器6，与流经空气加热器6的空气进行热交换，放热后的第二循环介质液化为液态，液态的第二循环介质进入蒸发器4，通过所述蒸发器4吸热汽化，汽化后的第二循环介质流入压缩机3。在本实施中，所述膨胀机2之前的高压管网上设置有第一电磁阀1，通过所第一电磁阀1控制流入膨胀机2的天然气的流量。在实际应用中，所述膨胀热泵模块可高度集成在一个撬内。
进一步，所述膨胀热泵模块还可以包括节流阀5，所述节流阀5设置于空气加热器6与蒸发器4之间的管路上，所述空气加热器6的管程出口流出的液体第二循环介质在节流阀5处节流成低温低压液体。在本实施例中，所述第二循环介质优选为工质氟利昂。
所述第一换热器7可以采用循环介质管外、天然气走管内的列管式换热器。所述第一换热器7的管程入口与膨胀机2相连接，其管程出口与第二换热器10相连接，其壳程出口与燃气轮机9的发电机的入口相连接，其壳程入口与燃气轮机9的发电机出口相连接。所述第一换热器7与燃气轮机9之间形成燃气轮机的润滑油冷却系统，通过所述润滑油冷却系统通过其内循环的第三循环介质对燃气轮机9的发电机的润滑油进行冷却，以对天然气的冷能进行回收。也就是说，所述燃气轮机9的高温润滑油与流经第一换热器7的第三循环介质进行热交换，通过第三循环介质对其进行降温，流经燃气轮机9的第三循环机制通过第一换热器7的壳程入口流入第一换热器7，与流经第一换热器7低温天然气进行热交换，将热量释放给低温天然气，放热后的第三循环介质回流至燃气轮机从而通过低温天然气对润滑油进行冷却，回收低温天然气携带的冷能，提高了能源的利用率。
进一步，所述润滑油冷却系统还包括第一电动泵8和第一补料管，所述第一补料管上设置有第三电磁阀15。所述第一电动泵8位于所述第一换热器7的壳程出口与燃气轮机9的发电机入口之间的管路上，通过所述第一电动泵8将流经所述第一换热器7内的第三循环介质泵入燃气轮机9的发电机内，实现了润滑油冷却系统中第三循环介质的流量的可控性。其中，所述第三循环介质优选为去盐水。
所述第二换热器10也可采用循环介质走管外、天然气走管内的列管式换热器。所述第二换热器10的管程出口处设置有两个支路，分别为第一支路和第二支路；所述第一支路与低压管网相连接，以为下游用户提供天然气；第二支路与燃气轮机9的燃料入口相连接，以为燃气轮机9提供燃料。所述第二支路上设置有第二电磁阀13，通过所述第二电磁阀13控制流入燃气轮机的天然气的流量。
进一步，所述第二换热器10与所述烟气回收装置12相连接，利用烟气回收装置12内的高温烟气对流经第二换热器10的天然气进行复热，以提高低压管网的天然气的温度，实现了高温烟气的余热回收，提高了能源的利用率。相应的，所述第二换热器10与所述烟气回收装置12形成烟气余热回收系统，在所述烟气余热回收系统中，所述第二换热器10的壳程入口与烟气回收装置12的出气相连通，所述第二换热器10的壳程出口与烟气回收装置12的入口相连通，使得烟气余热回收系统的第一循环介质在所述第二换热器10与烟气回收装置12之间循环流动。在本实施例中，所述第一循环介质为去盐水，所述去盐水流入烟气回收装置12后，吸收烟气回收装置内高温烟气的热量，吸热后的去盐水流入第二换热器10，与流经第二换热器10的天然气进行热交换，为其提供热源以复热流经第二换热器10的天然气。
进一步，所述烟气余热回收系统还包括第二电动泵11和第二补料管，所述第二补料管上设置有第四电磁阀16。所述第二电动泵11位于所述第二换热器10的壳程出口与烟气回收装置12入口之间的管路上，通过所述第二电动泵11将所述第二换热器10内的第一循环介质泵入烟气回收装置12，实现了烟气余热回收系统中的第一循环介质流量的可控性。在本实施例中，所述烟气回收装置12采用烟气走管外、第一循环介质走管内的鳍片管式烟气废热回收器。
本实施例提供的集成燃气轮机的天然气压力能回收系统其工作过程具体可以为：
首先，高于4MPa高压管网的天然气通过第一电磁阀1后进入膨胀机2膨胀降压，低温天然气经第一换热器7和第二换热器10回温后，分成两路，一路直接进入下游中低压管网，另一路经过第二电磁阀13进入燃气轮机9的燃烧室燃烧做功，从而驱动发电机发电。其中，所述膨胀机2联轴驱动压缩机3，工质氟利昂经过蒸发器4吸热气化后，通过压缩机3压缩成高压高温蒸汽，然后进入空气加热器6，与空气进行换热，加热空气，并在节流阀5处节流成低温低压液体，完成制热循环；第一换热器7将流入其内的低温天然气与流入其内的去盐水进行热交换，通过去盐水对低温天然气进行复热，并使得去盐水吸收低温天然气的冷能，降温后的去盐水通过第一电动泵输入燃气轮机9的发电机，并与燃气轮机9的发电机内的润滑油进行热交换，吸收润滑油的热能以冷却所述润滑油；所述第二换热器10将流入其内的低温天然气与流入其内的去盐水进行热交换，通过去盐水对低温天然气进行复热，并使得去盐水吸收低温天然气的冷能，降温后的去盐水通过第二电动泵11输入烟气回收装置12，并与烟气回收装置12内的高温烟气进行热交换，回收高温烟气的热量。
下面为了说明本发明提供的集成燃气轮机的天然气压力能回收系统饿工作过程，以某小型调压站为例，该站调压流量为2000 Nm3/h，调压规模为6MPa至1.6MPa，天然气初始温度约为20℃。
所述集成燃气轮机的天然气压力能回收系统的工作过程具体为：满足城市管网瞬时需求量1450 kg/h的天然气，压力6MPa、温度20℃，通过第一电磁阀1后进入膨胀机2膨胀降压到1.6MPa，温度为-44℃。低温天然气经第一换热器7和第二换热器10回温到0℃以上，然后分成两路，一路直接进入下游中低压燃气管网，另一路经过第二电磁阀13进入燃气轮机9的燃烧室燃烧做功，从而驱动发电机发电；其中，高压天然气通过膨胀机2膨胀将压力能转化成机械能，输出约30kw的机械能，热泵系统COP取3.0，经计算热泵系统能提供90kw的热量。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其特征在于，其包括：膨胀热泵模块、换热模块以及燃气轮机模块；所述换热模块包括第一换热器和第二换热器，所述燃气轮机模块包括依次连接的燃气轮机以及烟气回收装置；所述膨胀热泵模块、第一换热器以及第二换热器通过管路依次连接于高压管网与低压管网之间；所述第一换热器与燃气轮机循环连接，所述第二换热器与所述烟气回收装置循环连接；
所述第二换热器的管程出口设置第一支路和第二支路，所述第二换热器通过第一支路与低压管网相连接，并通过第二支路与燃气轮机相连接，以为燃气轮机提供燃料；
所述膨胀热泵模块包括：膨胀机，以及循环连接的压缩机、空气加热器以及蒸发器，所述压缩机与所述膨胀机联轴设置，所述空气加热器壳程出口与燃气轮机的燃料进口连接。
2.根据权利要求1所述集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其特征在于，所述燃气轮机通过管路分别与第一换热器的第一壳程进口和第一壳程出口相连接，所述燃气轮机与第一换热器之间的循环介质通过第一壳程进口进入第一换热器，并与流经第一换热器的低压天然气进行热交换，放热后的循环介质通过第一壳程出口回流至燃气轮机。
3.根据权利要求1所述集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其特征在于，所述烟气回收装置通过管路分别与第二换热的第二壳程进口和第二壳程出口相连接，第二换热与烟气回收装置之间的循环介质通过第二壳程进口进入第二换热器，并与流经第二换热器的低压天然气进行热交换，放热后的循环介质通过第二壳程出口回流至烟气回收装置，以与燃气轮机排出的烟气换热。
4.根据权利要求3所述集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其特征在于，所述烟气回收装置采用烟气走管外、循环介质走管内的鳍片管式烟气废热回收器。
5.根据权利要求1所述集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其特征在于，所述第一换热器与燃气轮机的循环管路上设置有第一电动泵和第一补料管；所述第二换热器与烟气回收装置的循环管路上设置有第二电动泵和第二补料管。
6.根据权利要求1所述集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其特征在于，所述第一换热器和第二换热器均采用循环介质走管外、天然气走管内的列管式换热器。
7.根据权利要求1所述集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其特征在于，所述膨胀热泵模块的循环介质为氟利昂。
8.根据权利要求1所述集成燃气轮机的天然气压力能回收系统，其特征在于，所述膨胀热泵模块集成在一个撬内。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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