CN108894836A - 基于天然气压力能回收的多能互补系统 - Google Patents
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Abstract
一种天然气压力能回收技术领域的基于天然气压力能回收的多能互补系统，包括高压天然气管路、输送电总线、储热管路、低压天然气管路、螺杆膨胀发电机组、冷能换热器、复温加热器、制冰系统、螺杆空压机、空气预热器、燃料电池，螺杆膨胀发电机组的进出气口分别与高低压天然气管路相连接，冷能换热器、复温加热器串接在螺杆膨胀发电机组的排气管路上，制冰系统与冷能换热器相连接；燃料电池的一个进气口与低压天然气管路相连接，燃料电池的排气余热通过换热器进入储热管路。本发明设计合理，结构简单，通过系统集成螺杆膨胀机压差发电、制冰技术、甲烷燃料电池等多项先进技术，能充分利用天然气压差能，且采用甲烷燃料电池和内燃机实现热电联供。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种天然气压力能回收技术领域的综合系统，特别是一种可以实现热电联供的基于天然气压力能回收的多能互补系统。
背景技术
随着我国能源需求量的日益增长及国家对节能减排的愈加重视，我国天然气消费量逐年快速增长，促使国家加快了天然气管网的建设。长距离、大口径、高压力、网络化已成为当前天然气输气管道发展的总趋势。
高压输气干线所输送的高压天然气高达10MPa左右，蕴含着巨大的压力能。由于下游用户的终端用气压力较低，一般在0.4MPa以下，各城市天然气接收门站、调压站等场站都需要依据下游用户的供气压力要求的不同进行合理适当的降压。目前，一般的调压方法是采用调压器进行节流膨胀调压，节流过程中压力损失巨大，使得大量的压力能被浪费。且在能量损失之余，由于管线压力的降低，导致天然气温度骤降造成管道冻堵，影响正常运输。国外部分调压站利用膨胀发电技术回收压差能，但天然气膨胀做功后，温度降低，仍会造成管道结冰堵塞，降低了系统运行的安全性，为将天然气复温必须从外部热源获取热量，因此单一的天然气压力能回收发电的技术应用受到限制。
燃料电池是将燃料和电解质的化学能直接转换成电能的发电装置，也是继火电、水电、核电之后的第四种发电装置，是目前我国十分重视的高新技术开发领域。燃料电池是一种电化学的发电装置，等温的按电化学方式，直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，因而能量转化效率高，且无噪音，无污染，正在成为理想的能源利用方式。同时燃料电池的清洁排气中蕴含一定的热量，回收这部分的热量将进一步提高能源利用率。
此外，随着时代的发展和人们生活水平的提高，海鲜市场、酒店、娱乐场所等对冰的需要越来越大，因此制冰行业必将有很大的发展前景。
因此，如能将天然气压力能回收发电、冷能回收发电以及燃料电厂热电联供和传统的燃气内燃机热电联供技术结合起来的技术变得更具现实意义，具有十分广阔的市场前景。但是在现有文献中，还没有这样的综合利用技术。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于天然气压力能回收的多能互补系统，通过系统集成螺杆膨胀机压差发电、制冰技术、甲烷燃料电池等多项先进技术，能充分利用天然气压差能，且采用甲烷燃料电池和内燃机实现热电联供。
本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括高压天然气管路、输送电总线、储热管路、低压天然气管路、高压进气管、螺杆膨胀发电机组、第一供电支线、低压出气管、冷能换热器、第一吸热管、冷能循环管、复温加热器、供水装置、出冰装置、制冰系统、螺杆空压机、高压空气管、低压空气管、第二吸热管、空气预热器、燃料电池、第一供气管、第二供电支线、第一排气管、第一换热器、第一供热管；高压进气管的一端与高压天然气管路相连通，高压进气管的另一端与螺杆膨胀发电机组的进气口相连通，低压出气管的一端与螺杆膨胀发电机组的出气口相连通，低压出气管的另一端与低压天然气管路相连通，冷能换热器、复温加热器依次串接在低压出气管上，制冰系统通过冷能循环管与冷能换热器相连接，供水装置、出冰装置均与制冰系统相连接，第一吸热管的两端分别与储热管路、复温加热器相连接；低压空气管的出气口与螺杆空压机的进气口相连接，高压空气管的两端分别与螺杆空压机出气口、燃料电池进气口相连接，空气预热器串接在高压空气管上，第一排气管的进气口与燃料电池的出气口相连接，第一换热器串接在第一排气管上，第二吸热管的两端分别与储热管路、空气预热器相连接，第一供气管的两端分别与燃料电池、低压天然气管路相连接，第二供电支线的两端分别与燃料电池、输送电总线相连接，第一供热管的两端分别与储热管路、第一换热器相连接。
进一步地，本发明还包括第二供气管、天然气内燃机发电机组、第三供电支线、第二排气管、第二换热器、第二供热管、循环水管、第三换热器、第三供热管，第二供气管的一端与低压天然气管路相连通，第二供气管的另一端与天然气内燃机发电机组的进气口相连通，第二排气管的进气口与天然气内燃机发电机组的出气口相连通，第二换热器串接在第二排气管上，循环水管的进出水口均与天然气内燃机发电机组的缸套水路相连接，第三换热器串接在循环水管上，第三供电支线的两端分别与天然气内燃机发电机组、输送电总线相连接，第二供热管的两端分别与第二换热器、储热管路相连接，第三供热管的两端分别与第三换热器、储热管路相连接。
进一步地，在本发明中，供水装置、出冰装置、制冰系统、螺杆空压机所需的电能均由输送电总线供给。
更进一步地，在本发明中，冷能换热器、复温加热器、空气预热器、第一换热器、第二换热器、第三换热器的外表面均布置保温材料。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：本发明设计合理，结构简单；通过系统集成螺杆膨胀机压差发电、制冰技术、甲烷燃料电池和天然气分布式供能等多项先进技术，充分利用天然气压差能发电和冷能制冰，且采用甲烷燃料电池和内燃机热电联供，提供管道复温、空气预热等系统所需热量，有效解决了管道冰堵冰塞等安全性问题。该系统技术集成度高，各子模块协作大幅度降低能耗，能充分发挥压力能、冷能、热能、电能多能互补优势，能源综合利用率达95％以上，具有巨大的市场推广价值和应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中：1、高压天然气管路，2、输送电总线，3、储热管路，4、低压天然气管路， 5、高压进气管，6、螺杆膨胀发电机组，7、第一供电支线，8、低压出气管，9、冷能换热器，10、第一吸热管，11、冷能循环管，12、复温加热器，13、供水装置，14、出冰装置，15、制冰系统，16、螺杆空压机，17、高压空气管，18、低压空气管，19、第二吸热管，20、空气预热器，21、燃料电池,22、第一供气管，23、第二供电支线，24、第一排气管，25、第一换热器，26、第一供热管，27、第二供气管，28、天然气内燃机发电机组，29、第三供电支线，30、第二排气管，31、第二换热器，32、第二供热管， 33、循环水管，34、第三换热器，35、第三供热管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
具体实施例图1所示，本发明包括高压天然气管路1、输送电总线2、储热管路3、低压天然气管路4、高压进气管5、螺杆膨胀发电机组6、第一供电支线7、低压出气管 8、冷能换热器9、第一吸热管10、冷能循环管11、复温加热器12、供水装置13、出冰装置14、制冰系统15、螺杆空压机16、高压空气管17、低压空气管18、第二吸热管 19、空气预热器20、燃料电池21、第一供气管22、第二供电支线23、第一排气管24、第一换热器25、第一供热管26、第二供气管27、天然气内燃机发电机组28、第三供电支线29、第二排气管30、第二换热器31、第二供热管32、循环水管33、第三换热器 34、第三供热管35；高压进气管5的一端与高压天然气管路1相连通，高压进气管5 的另一端与螺杆膨胀发电机组6的进气口相连通，低压出气管8的一端与螺杆膨胀发电机组6的出气口相连通，低压出气管8的另一端与低压天然气管路4相连通，冷能换热器9、复温加热器12依次串接在低压出气管8上，制冰系统15通过冷能循环管11与冷能换热器9相连接，供水装置13、出冰装置14均与制冰系统15相连接，第一吸热管 10的两端分别与储热管路3、复温加热器12相连接；低压空气管18的出气口与螺杆空压机16的进气口相连接，高压空气管17的两端分别与螺杆空压机16出气口、燃料电池21进气口相连接，空气预热器20串接在高压空气管17上，第一排气管24的进气口与燃料电池21的出气口相连接，第一换热器25串接在第一排气管24上，第二吸热管 19的两端分别与储热管路3、空气预热器20相连接，第一供气管22的两端分别与燃料电池21、低压天然气管路4相连接，第二供电支线23的两端分别与燃料电池21、输送电总线2相连接，第一供热管26的两端分别与储热管路3、第一换热器25相连接；第二供气管27的一端与低压天然气管路4相连通，第二供气管27的另一端与天然气内燃机发电机组28的进气口相连通，第二排气管30的进气口与天然气内燃机发电机组28 的出气口相连通，第二换热器31串接在第二排气管30上，循环水管33的进出水口均与天然气内燃机发电机组28的缸套水路相连接，第三换热器34串接在循环水管33上，第三供电支线29的两端分别与天然气内燃机发电机组28、输送电总线2相连接，第二供热管32的两端分别与第二换热器31、储热管路3相连接，第三供热管35的两端分别与第三换热器34、储热管路3相连接。
在本发明的实施过程中，首先高压天然气进入螺杆膨胀发电机组6膨胀做功，转子旋转带动励磁发电机发电，将压力能转换为电能；做功后天然气的压力和温度降低(可降至零下40℃左右)，产生大量冷能，为回收这部分高品位冷能，利用冷能换热器9将冷能取出，然后接入制冰系统15制冰，同时天然气温度回升，但仍在零度以下；为满足天然气管道运输要求，利用燃料电池21的排气余热为天然气复温提供所需的热量，同时燃料电池21的排气余热也可以为自身空气预热提供热量，所发清洁电力供调压站内设备、制冰动力设备等系统用电；为提高整个系统用电和用热的可靠性，同时作为调压站内的安全应急电源，配套天然气内燃机发电机组28，内燃机机组发电供系统自用，同时回收排气及缸套水中的余热供天然气复温和燃料电池进气系统预热。
Claims (4)
1.一种基于天然气压力能回收的多能互补系统，包括高压天然气管路(1)、输送电总线(2)、储热管路(3)和低压天然气管路(4)，其特征在于，还包括高压进气管(5)、螺杆膨胀发电机组(6)、第一供电支线(7)、低压出气管(8)、冷能换热器(9)、第一吸热管(10)、冷能循环管(11)、复温加热器(12)、供水装置(13)、出冰装置(14)、制冰系统(15)、螺杆空压机(16)、高压空气管(17)、低压空气管(18)、第二吸热管(19)、空气预热器(20)、燃料电池(21)、第一供气管(22)、第二供电支线(23)、第一排气管(24)、第一换热器(25)、第一供热管(26)；
高压进气管(5)的一端与高压天然气管路(1)相连通，高压进气管(5)的另一端与螺杆膨胀发电机组(6)的进气口相连通，低压出气管(8)的一端与螺杆膨胀发电机组(6)的出气口相连通，低压出气管(8)的另一端与低压天然气管路(4)相连通，冷能换热器(9)、复温加热器(12)依次串接在低压出气管(8)上，制冰系统(15)通过冷能循环管(11)与冷能换热器(9)相连接，供水装置(13)、出冰装置(14)均与制冰系统(15)相连接，第一吸热管(10)的两端分别与储热管路(3)、复温加热器(12)相连接；
低压空气管(18)的出气口与螺杆空压机(16)的进气口相连接，高压空气管(17)的两端分别与螺杆空压机(16)出气口、燃料电池(21)进气口相连接，空气预热器(20)串接在高压空气管(17)上，第一排气管(24)的进气口与燃料电池(21)的出气口相连接，第一换热器(25)串接在第一排气管(24)上，第二吸热管(19)的两端分别与储热管路(3)、空气预热器(20)相连接，第一供气管(22)的两端分别与燃料电池(21)、低压天然气管路(4)相连接，第二供电支线(23)的两端分别与燃料电池(21)、输送电总线(2)相连接，第一供热管(26)的两端分别与储热管路(3)、第一换热器(25)相连接。
2.根据权利要求1所述的基于天然气压力能回收的多能互补系统，其特征在于还包括第二供气管(27)、天然气内燃机发电机组(28)、第三供电支线(29)、第二排气管(30)、第二换热器(31)、第二供热管(32)、循环水管(33)、第三换热器(34)、第三供热管(35)，第二供气管(27)的一端与低压天然气管路(4)相连通，第二供气管(27)的另一端与天然气内燃机发电机组(28)的进气口相连通，第二排气管(30)的进气口与天然气内燃机发电机组(28)的出气口相连通，第二换热器(31)串接在第二排气管(30)上，循环水管(33)的进出水口均与天然气内燃机发电机组(28)的缸套水路相连接，第三换热器(34)串接在循环水管(33)上，第三供电支线(29)的两端分别与天然气内燃机发电机组(28)、输送电总线(2)相连接，第二供热管(32)的两端分别与第二换热器(31)、储热管路(3)相连接，第三供热管(35)的两端分别与第三换热器(34)、储热管路(3)相连接。
3.根据权利要求2所述的基于天然气压力能回收的多能互补系统，其特征在于，所述供水装置(13)、出冰装置(14)、制冰系统(15)、螺杆空压机(16)所需的电能均由输送电总线(2)供给。
4.根据权利要求3所述的基于天然气压力能回收的多能互补系统，其特征在于，所述冷能换热器(9)、复温加热器(12)、空气预热器(20)、第一换热器(25)、第二换热器(31)、第三换热器(34)的外表面均布置保温材料。
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