CN108386719B - 一种管道天然气压力能冷能综合利用装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道天然气压力能冷能综合利用装置和方法，其包括第一冷能回收系统、第二冷能回收系统、膨胀系统、液化系统、预处理设备和发电系统；第一冷能回收系统的冷媒进/出口分别与高压管网和膨胀系统的输入端相连，热媒进/出口分别与液化系统的制冷剂出口和第二冷能回收系统的第一热媒进口相连；第二冷能回收系统的第一热媒出口与液化系统的制冷剂入口相连，第二热媒进/出口分别与预处理设备的输入端和液化系统的输入端相连，冷媒进/出口分别与膨胀系统输出端和低压管网相连；膨胀系统功率输出端与发电系统相连；预处理设备输入端与高压管网相连；液化系统LNG输出端与下游用户相连。本发明可以广泛应用于天然气能量利用领域。

Description

一种管道天然气压力能冷能综合利用装置和方法

技术领域

本发明涉及天然气压缩制冷工艺领域，特别是关于一种管道天然气压力能冷能综合利用装置和方法。

背景技术

管道天然气在输送过程中，保持着较高的压力，在输送至下游用户的过程中，需经过调压站进行降压。在调压站的降压过程中，产生巨大的压力能和冷能，同时降压后的管道天然气温度较低(低于0℃)，为避免天然气中的水分结冰堵塞管道，需要对天然气进行补热，以保证经过门站调压后进入下游低压管道的天然气温度高于0℃。目前普遍采取燃烧天然气给管道中的天然气进行加热。在大量压力能和冷能没有回收的情况下，又浪费了大量热能，如果将大量的压力能和冷能进行回收，同时又避免为加热天然气额外供给热能，则会产生较好的经济效益和社会效益。

资料显示目前国内对管道压力能及产生的冷能回收进行研究，专利号CN105114131A和专利号CN106351797A提出利用天然气压力进行发电，并回收冷能进行制冰。为缓解环境污染压力，为社会提供更多清洁能源，有文献提出利用管道压力能生产液化天然气，专利号CN202595072U提出利用管道天然气压力能液化天然气，但该装置操作不够灵活，对气源负荷变化适应性不够好，专利号CN203758165U设计了利用管道天然气压力能进行发电及生产液化天然气的装置，但是该装置没有进行热能和冷能的综合利用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种管道天然气压力能冷能综合利用装置和方法，该装置通过天然气压力能发电，并利用所发电能生产LNG，同时回收膨胀过程中产生的冷能。该装置操作灵活，能量利用率高，可生产清洁能源。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种管道天然气压力能冷能综合利用装置，其特征在于：其包括第一冷能回收系统、第二冷能回收系统、膨胀系统、液化系统、预处理设备和发电系统；所述第一冷能回收系统的冷媒进口和出口分别与上层高压管网的天然气输出端和所述膨胀系统的天然气输入端相连，热媒进口和出口分别与所述液化系统的混合制冷剂出口和所述第二冷能回收系统的第一热媒进口相连；所述第二冷能回收系统的第一热媒出口与所述液化系统的混合制冷剂入口相连，第二热媒进口和出口分别与所述预处理设备的天然气输出端和所述液化系统的天然气输入端相连，冷媒进口和出口分别与所述膨胀系统的天然气输出端和下层低压管网的天然气输入端相连；所述膨胀系统的功率输出端与所述发电系统相连；所述预处理设备的天然气输入端与上层高压管网的天然气输出端相连；所述液化系统的液化天然气输出端与下游用户相连。

所述发电系统用于驱动所述液化系统或用于厂内其他用电设备或并网。

所述膨胀系统采用膨胀机，其通过变速箱与所述发电系统直接相连。

所述液化系统包括混合制冷剂压缩机、液化单元和LNG储存单元；所述混合制冷剂压缩机利用所述发电系统提供的电量对由所述液化单元输出的混合制冷剂进行压缩后，将其输送至所述第一、第二冷能回收系统进行热交换；所述液化单元用于对天然气进行冷却和液化，并将得到的液化天然气输送到所述LNG储存单元进行储存或输送至下游用户。

所述第一、第二冷能回收系统采用换热器。

一种基于所述装置的管道天然气压力能冷能综合利用方法，其特征在于包括以下步骤：

1)设置天然气压力能冷能综合利用装置，并依次连接好；

2)根据所需低压天然气量的大小将来自高压管网的天然气分为两部分，分别进入第一冷能回收系统和预处理设备；

3)第一冷能回收系统中，高压管网输出的天然气与混合制冷压缩机输出的压缩混合制冷剂进行第一次热交换，预热后的天然气进入膨胀系统膨胀做功，预冷后的混合制冷剂进入第二冷能回收系统进行第二次预冷；

4)预处理设备中，对天然气进行预处理，天然气经过脱酸、脱水和脱汞后，进入第二冷能回收系统进行预冷；

5)膨胀系统中，高温天然气膨胀做功后通过变速箱带动发电系统发电，做功后的低温天然气进入第二冷能回收系统进行第二次预热；

6)发电系统所发电量用于驱动液化系统的混合制冷剂压缩机，在发电量有剩余的情况下可以输送至厂内其他用电设备或进行并网；

7)第二冷能回收系统中，预处理后的天然气和第一次预冷后的压缩混合制冷剂与膨胀做工后的天然气进行热交换，预冷后的天然气和第二次预冷后的混合制冷剂进入液化系统进行液化，预热后的天然气经低压管网输送至外网；

8)液化系统中，天然气在混合制冷剂的作用下进行液化，得到的液化天然气经LNG储罐输送至下游用户。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将液化系统中混合制冷剂压缩产生的热能对高压管网的天然气进行预热后，输送至膨胀系统进行膨胀发电，能够有效提高发电量。2、本发明采用膨胀发电后天然气的冷能对进入液化系统的天然气和混合制冷剂进行预冷，有效降低液化系统的能耗，同时预热外输的低压天然气，避免膨胀后的天然气进入低压管网的温度过低，有效避免了管道堵塞。3、本发明由于液化系统制冷循环采用SMR(单级混合冷剂循环)，进入液化系统的天然气全部液化，避免所有天然气都进行预处理，装置简单，液化效率高。4、本发明由于管道天然气膨胀过程中产生的电量直接驱动发电机发电，液化系统的混合制冷剂压缩机由发电机驱动，该能量综合利用装置操作灵活，对气源负荷变化适应性强，当发电量比较多时，除供给液化系统的压缩机用能外，剩余电量还可并网或用于厂区内其它用电设施。因而，本发明结构简单，操作灵活，能够广泛应用于管道天然气压力能综合利用领域。

附图说明

图1是本发明管道天然气压力能冷能综合利用装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供的一种管道天然气压力能冷能综合利用装置，包括第一冷能回收系统1、第二冷能回收系统2、膨胀系统3、液化系统4、预处理设备5和发电系统6。其中，第一冷能回收系统1的冷媒进口和出口分别与上层高压管网的天然气输出端和膨胀系统3的天然气输入端相连，热媒进口和出口分别与液化系统4的混合制冷剂出口和第二冷能回收系统2的第一热媒进口相连；第二冷能回收系统2的第一热媒出口与液化系统4的混合制冷剂入口相连，第二热媒进口和出口分别与预处理设备5的天然气输出端和液化系统4的天然气输入端相连，冷媒进口和出口分别与膨胀系统3的天然气输出端和下层低压管网的天然气输入端相连；膨胀系统3的功率输出端与发电系统6相连，发电系统6的输出端与液化系统4或厂内其他用电设备或电网相连；预处理设备5的天然气输入端与上层高压管网的天然气输出端相连；液化系统4的液化天然气输出端与下游用户相连。

作为一个优选的实施例，膨胀系统3采用膨胀机，其通过变速箱与发电系统6直接相连。

作为一个优选的实施例，液化系统4包括混合制冷剂压缩机41、液化单元42和LNG储存单元43。混合制冷剂压缩机41利用发电系统6提供的电量对由液化单元42输出的混合制冷剂进行压缩后，将其输送至第一、第二冷能回收系统1、2进行热交换；液化单元42对预冷后的天然气进行冷却和液化，得到的液化天然气输送到LNG储存单元43进行储存或输送至下游用户。

作为一个优选的实施例，第一、第二冷能回收系统1、2均采用换热器。

基于上述一种管道天然气压力能冷能综合利用装置，本发明还提供一种管道天然气压力能冷能综合利用方法，包括以下步骤：

1)按照图1所示，将第一冷能回收系统1、第二冷能回收系统2、膨胀系统3、液化系统4、预处理设备5和发电系统6依次连接好。

2)根据所需低压天然气量的大小将来自高压管网的天然气分为两部分，分别进入第一冷能回收系统1和预处理设备5。

3)第一冷能回收系统1中，高压管网输出的天然气与混合制冷压缩机41输出的压缩混合制冷剂进行第一次热交换，预热后的天然气进入膨胀系统3膨胀做功，预冷后的混合制冷剂进入第二冷能回收系统2进行第二次预冷。

第一冷能回收系统1中可以设置热交换的预设温度，本发明中将天然气预热至100度左右后，将其输送至膨胀系统。

4)预处理设备5中，对天然气进行预处理，天然气经过脱酸、脱水和脱汞后，进入第二冷能回收系统2进行预冷。

5)膨胀系统3中，高温天然气膨胀做功后通过变速箱带动发电系统6发电，做功后的低温天然气进入第二冷能回收系统2进行第二次预热。

6)发电系统6所发电量用于驱动液化系统4的混合制冷剂压缩机41，在发电量有剩余的情况下可以输送至厂内其他用电设备或进行并网。

7)第二冷能回收系统2中，预处理后的天然气和第一次预冷后的压缩混合制冷剂与膨胀做工后的天然气进行热交换，预冷后的天然气和第二次预冷后的混合制冷剂进入液化系统4进行液化，预热后的天然气经低压管网输送至外网。

8)液化系统4中，天然气在混合制冷剂的作用下进行液化，得到的液化天然气经LNG储存单元43输送至下游用户。

实施案例

由于城市中压天然气调压站中，通常将天然气由3.8MPa调至0.6MPa，每小时的低压天然气需求量为20000Nm³/h。本实施例中，来自中压管网的天然气管路分为两股，一股流量为20000Nm³/h，经过第一换热器中加热至100℃左右，进入膨胀机膨胀做功，出膨胀机的压力是0.62MPa，温度是-2℃，低压低温的天然气进入第二换热器，在第二换热器加热至35℃后，外输至低压管网。

膨胀机经过变速箱驱动发电机，发电机每小时输出740kW.h的电量，所发电量用于直接驱动天然气液化系统的冷剂压缩机，剩余电量输出至厂内其他用电设施或并网。

中压管网分出的另一股天然气量为3000Nm³/h，经过预处理设备处理后，天然气脱酸、脱水和脱汞，进入第二换热器预冷至15℃左右，进入液化系统液化，在液化系统冷却至-160℃左右，节流进入LNG储罐。低压制冷剂经过冷剂压缩机压缩后，温度在120℃左右，进入第一换热器中加热进入膨胀机前的低温天然气，将天然气温度加热至100℃左右，冷剂温度降至60℃左右，冷却后的制冷剂进入第二换热器中预冷，预冷到15℃左右。预冷后的冷剂进入液化系统，为天然气液化提供冷量。

天然气调压压差在3.2MPa的情况下，利用膨胀所发的电能，驱动制冷剂压缩机，可以将15％的天然气完全液化。相对于目前应用的利用膨胀产生的冷量生产液化天然气，效率得到进一步提高，且不需要将调压的天然气全部预处理。

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 (5)

1.一种管道天然气压力能冷能综合利用装置，其特征在于：其包括第一冷能回收系统、第二冷能回收系统、膨胀系统、液化系统、预处理设备和发电系统；

所述第一冷能回收系统的冷媒进口和出口分别与上层高压管网的天然气输出端和所述膨胀系统的天然气输入端相连，热媒进口和出口分别与所述液化系统的混合制冷剂出口和所述第二冷能回收系统的第一热媒进口相连；

所述第二冷能回收系统的第一热媒出口与所述液化系统的混合制冷剂入口相连，第二热媒进口和出口分别与所述预处理设备的天然气输出端和所述液化系统的天然气输入端相连，冷媒进口和出口分别与所述膨胀系统的天然气输出端和下层低压管网的天然气输入端相连；

所述膨胀系统的功率输出端与所述发电系统相连；

所述预处理设备的天然气输入端与上层高压管网的天然气输出端相连；

所述液化系统的液化天然气输出端与下游用户相连；

所述液化系统包括混合制冷剂压缩机、液化单元和LNG储存单元；所述混合制冷剂压缩机利用所述发电系统提供的电量对由所述液化单元输出的混合制冷剂进行压缩后，将其输送至所述第一、第二冷能回收系统进行热交换；所述液化单元用于对天然气进行冷却和液化，并将得到的液化天然气输送到所述LNG储存单元进行储存或输送至下游用户。

2.如权利要求1所述的一种管道天然气压力能冷能综合利用装置，其特征在于：所述发电系统用于驱动所述液化系统或用于厂内其他用电设备或并网。

3.如权利要求1所述的一种管道天然气压力能冷能综合利用装置，其特征在于：所述膨胀系统采用膨胀机，其通过变速箱与所述发电系统直接相连。

4.如权利要求1所述的一种管道天然气压力能冷能综合利用装置，其特征在于：所述第一、第二冷能回收系统采用换热器。

5.一种基于如权利要求1～4任一项所述装置的管道天然气压力能冷能综合利用方法，其特征在于包括以下步骤：

1)设置天然气压力能冷能综合利用装置，并依次连接好；

2)根据所需低压天然气量的大小将来自高压管网的天然气分为两部分，分别进入第一冷能回收系统和预处理设备；

3)第一冷能回收系统中，高压管网输出的天然气与混合制冷压缩机输出的压缩混合制冷剂进行第一次热交换，预热后的天然气进入膨胀系统膨胀做功，预冷后的混合制冷剂进入第二冷能回收系统进行第二次预冷；

4)预处理设备中，对天然气进行预处理，天然气经过脱酸、脱水和脱汞后，进入第二冷能回收系统进行预冷；

5)膨胀系统中，高温天然气膨胀做功后通过变速箱带动发电系统发电，做功后的低温天然气进入第二冷能回收系统进行第二次预热；

6)发电系统所发电量用于驱动液化系统的混合制冷剂压缩机，在发电量有剩余的情况下可以输送至厂内其他用电设备或进行并网；

7)第二冷能回收系统中，预处理后的天然气和第一次预冷后的压缩混合制冷剂与膨胀做工后的天然气进行热交换，预冷后的天然气和第二次预冷后的混合制冷剂进入液化系统进行液化，预热后的天然气经低压管网输送至外网；

8)液化系统中，天然气在混合制冷剂的作用下进行液化，得到的液化天然气经LNG储罐输送至下游用户。