CN110159373B - 热力装置及天然气防冻堵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热力装置及天然气防冻堵系统，属于能源供应技术领域。热力装置，包括热源、第一换热器、第二换热器、第三换热器、引射器、四通阀以及膨胀机；热源与第一换热器管道连接形成第一循环，热源与第二换热器管道连接形成第二循环，第一换热器、引射器、膨胀机、四通阀以及第三换热器依序管道连接形成第三循环，第二换热器、四通阀以及第三换热器依序管道连接形成第四循环，第三换热器可接入天然气管网，四通阀还与引射器管道连接。天然气防冻堵系统，包括上述的热力装置，热力装置的第三换热器与天然气管网的气源通过管道连接，天然气管网的调压站与第三换热器或热力装置的第四换热器通过管道连接，以使热力装置接入天然气管网。

Description

热力装置及天然气防冻堵系统
技术领域
本发明涉及能源供应技术领域，具体而言，涉及一种热力装置及天然气防冻堵系统。
背景技术
随着我国城市建设的不断发展，以及人们对于环境污染问题的不断重视。天然气作为常见的清洁能源，在各个城市中得到了大力的发展。
目前城市中的天然气通过输配管网的形式，输送至各家各户。输配管网的管道通常通过地埋的方式进行设置，也有部分管道采用架空的方式设置。公开号为CN101776209A的中国专利《一种天然气流道防冻和解堵方法》在背景技术中指出，在北方寒冷地区，或大部分城市的冬季，由于天气寒冷，温度较低，天然气输配管网中的天然气会出现凝结现象，导致天然气输配管网发生冻堵，影响到天然气供应的供气压力，从而导致部分用户无法用气，影响到人们正常生活中天然气的使用。而通过热源直接加热输气管道中的天然气，由于天然气所需热量相对较低，所以会造成热源能量浪费。但是，专利CN101776209A采用在天然气流道中加入防冻剂的方式防止天然气流道的冻堵，而防冻剂采用甲酸钾，甲酸钠之类的化学物品，而这类化学物品会对人体的眼睛，呼吸系统及皮肤有刺激作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热力装置及天然气防冻堵系统，能够通过热力装置发电剩余的余热对天然气管网中的天然气进行加热，从而避免天然气管网在低温环境下出现冻堵现象，并提高对热源能量的利用率。
本发明的实施例是这样实现的：
本发明实施例的一方面，提供一种热力装置，包括：热源、第一换热器、第二换热器、第三换热器、引射器、四通阀以及膨胀机；热源与第一换热器管道连接形成第一循环，热源与第二换热器管道连接形成第二循环，第一换热器、引射器、膨胀机、四通阀以及第三换热器依序管道连接形成第三循环，第二换热器、四通阀以及第三换热器依序管道连接形成第四循环，第三换热器可接入天然气管网，四通阀还与引射器管道连接；其中，第三循环中的热媒由第一换热器经引射器流向膨胀机，第四循环中的热媒由第二换热器经四通阀流向引射器和/或第三换热器，第一换热器用于第一循环和第三循环之间的热传递，第二换热器用于第二循环和第四循环之间的热传递，第三换热器用于向天然气管网热传递。
可选地，第二循环中还设置有第四换热器，第四换热器分别与第二换热器和热源管道连接，第四换热器与第三换热器通过管道连接，第四换热器可接入天然气管网，用于第二循环与天然气管网之间的热传递；其中，第二循环的管道中热媒依次流经热源、第二换热器以及第四换热器并循环流动。
可选地，热力装置还包括在第一循环和/或第二循环的管道上设置的循环泵，以及第三循环和/或第四循环的管道上设置的循环泵。
可选地，第一循环、第二循环、第三循环以及第四循环管道内的热媒包括水、有机工质中的一种或多种的组合。
可选地，膨胀机为活塞型膨胀机或透平型膨胀机。
本发明实施例的另一方面，提供一种天然气防冻堵系统，包括上述任意一项的热力装置，热力装置的第三换热器与天然气管网的气源通过管道连接，天然气管网的调压站与第三换热器或热力装置的第四换热器通过管道连接，以使热力装置接入天然气管网。
可选地，连接第三换热器和气源的管道上还设置有与调压站连通的支路管道，支路管道与连接第三换热器和气源的管道通过三通阀连接。
可选地，连接第三换热器和气源的管道上还设置有减压阀。
可选地，连接第三换热器和气源的管道上还设置有流量计。
可选地，连接第三换热器和气源的管道上还设置有阻燃器。
本发明实施例的有益效果包括：
本发明实施例提供的一种热力装置，包括热源、第一换热器、第二换热器、第三换热器、引射器、四通阀以及膨胀机。在第一循环中，热媒将热源产生的热量运载到第一换热器，通过第一换热器将第一循环的热量传递至第三循环。第三循环中，热媒将由第一循环传递来的热量由第一换热器经过引射器后运载到膨胀机，在膨胀机内热媒中的部分热量转化为机械能输出，为发电机提供动力，剩余热量通过热媒运载到第三换热器，第三换热器能够将热量传递至其接入的天然气管网内，从而对天然气加热以避免天然气管网冻堵。在第二循环中，热媒将热源产生的热量运载到第二换热器，通过第二换热器将第二循环的热量传递至第四循环。第四循环中，热媒将第二循环传递来的热量运载至四通阀，在引射器的引射作用下，热媒会部分或全部进入到膨胀机内，部分热量在膨胀机内转化为机械能输出，为发电机提供动力后，剩余热量通过热媒运载到第三换热器，第三换热器能够将热量传递至其接入的天然气管网内，从而对天然气加热以避免天然气管网冻堵。当关闭引射器并调节四通阀使第四循环中热媒无法流向引射器时，第三循环中的热媒会停止流动，且第四循环中的热媒不会流入膨胀机，而是由第二换热器经四通阀流向第三换热器，此时该热力装置将停止发电，来自热源的热量经第二循环传递至第四循环后直接通过第三换热器传递至天然气管网，由于此过程中热源的热量没有用于转化为机械能而被消耗，因此传递至天然气管网的热量相对较大，使得该热力装置在极寒环境下能够保证对天然气管网的良好加热。该热力装置在正常使用时对天然气管网进行加热以避免冻堵的情况下，还能够良好利用热源产生的热量进行发电，提高了对热源能量的利用率。
本发明实施例提供的一种天然气防冻堵系统，采用上述的热力装置，能够对天然气管网提供热量进行加热，同时在天燃气管网加热需求相对较低时，能够利用热源盈余的热量进行发电以供用电设备使用，在实现天然气防冻堵的同时提高了对热源能量的利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的天然气防冻堵系统的结构示意图；
图2为图1中A处的放大图。
图标：110-热源；121-第一换热器；122-第二换热器；123-第三换热器；124-第四换热器；130-引射器；140-四通阀；150-膨胀机；210-气源；220-调压站；230-支路管道；231-三通阀；240-减压阀；250-流量计；260-阻燃器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。
本发明实施例提供一种热力装置，如图1所示，包括热源110、第一换热器121、第二换热器122、第三换热器123、引射器130、四通阀140以及膨胀机150；热源110与第一换热器121管道连接形成第一循环，热源110与第二换热器122管道连接形成第二循环，第一换热器121、引射器130、膨胀机150、四通阀140以及第三换热器123依序管道连接形成第三循环，第二换热器122、四通阀140以及第三换热器123依序管道连接形成第四循环，第三换热器123可接入天然气管网，四通阀140还与引射器130管道连接；其中，第三循环中的热媒由第一换热器121经引射器130流向膨胀机150，第四循环中的热媒由第二换热器122经四通阀140流向引射器130和/或第三换热器123，第一换热器121用于第一循环和第三循环之间的热传递，第二换热器122用于第二循环和第四循环之间的热传递，第三换热器123用于向天然气管网热传递。
其中，引射器130能够利用第三循环中流入引射器130的热媒(工作流体)对第四循环中流经四通阀140的热媒(被引射流体)进行引射，使其进入膨胀机150。在使用该热力装置时，通过调节引射器130的引射系数(被引射流体与工作流体的体积流量之比)，能够改变第四循环中热媒通过引射器130引射入膨胀机150的量，从而改变进入第三换热器123中的热媒中未在膨胀机150内做功的热量所占比例，从而控制该热力装置通过第三换热器123对天然气管网传递热量的多少，进而控制天然气管网加热后的温度。
需要说明的是，第一，如图2所示，四通阀140内部为十字形通道，且能够使第二换热器122、引射器130以及第三换热器123相互连通，而使膨胀机150只与第三换热器123连通。从而避免由膨胀机150流出的热媒流入到引射器130或第二换热器122中，影响引射器130正常工作。
第二，热源110可以是锅炉也可以是太阳能热力装置等，在本发明实施例中对于热源110的具体形式不做限制。
其中，热媒是第一循环、第二循环、第三循环以及第四循环各个管道中流动的用于运载热量的媒介物质。
本发明实施例提供的一种热力装置，在第一循环中，热媒将热源110产生的热量运载到第一换热器121，通过第一换热器121将第一循环的热量传递至第三循环。第三循环中，热媒将由第一循环传递来的热量由第一换热器121经过引射器130后运载到膨胀机150，在膨胀机150内热媒中的部分热量转化为机械能输出，为发电机提供动力，剩余热量通过热媒运载到第三换热器123，第三换热器123能够将热量传递至其接入的天然气管网内，从而对天然气加热以避免天然气管网冻堵。在第二循环中，热媒将热源110产生的热量运载到第二换热器122，通过第二换热器122将第二循环的热量传递至第四循环。第四循环中，热媒将第二循环传递来的热量运载至四通阀140，在引射器130的引射作用下，热媒会部分或全部进入到膨胀机150内，部分热量在膨胀机150内转化为机械能输出，为发电机提供动力后，剩余热量通过热媒运载到第三换热器123，第三换热器123能够将热量传递至其接入的天然气管网内，从而对天然气加热以避免天然气管网冻堵。当关闭引射器130并调节四通阀140使第四循环中热媒无法流向引射器130时，第三循环中的热媒会停止流动，且第四循环中的热媒不会流入膨胀机150，而是由第二换热器122经四通阀140流向第三换热器123，此时该热力装置将停止发电，来自热源110的热量经第二循环传递至第四循环后直接通过第三换热器123传递至天然气管网，由于此过程中热源110的热量没有用于转化为机械能而被消耗，因此传递至天然气管网的热量相对较大，使得该热力装置在极寒环境下能够保证对天然气管网的良好加热。该热力装置在正常使用时对天然气管网进行加热以避免冻堵的情况下，还能够良好利用热源110产生的热量进行发电，提高了对热源110能量的利用率。
可选地，如图1所示，第二循环中还设置有第四换热器124，第四换热器124分别与第二换热器122和热源110管道连接，第四换热器124还与第三换热器123通过管道连接，第四换热器124可接入天然气管网，用于第二循环与天然气管网之间的热传递；其中，第二循环的管道中热媒依次流经热源110、第二换热器122以及第四换热器124并循环流动。
在第二循环中还设置第四换热器124，第四换热器124分别与第二换热器122和热源110管道连接。并且，第四换热器124还与第三换热器123通过管道连接。此时，第二循环中的热媒能够将热源110产生的热量运载至第二换热器122，在第二换热器122中部分热量传递至第四循环后，剩余热量再被热媒运载至第四换热器124，通过第四换热器124能够将热量传递至其接入的天然气管网，从而对天然气进行加热，以避免天然气管网出现冻堵。其中，第四换热器124和第三换热器123通过管道连接使第四换热器124和第三换热器123能够一同接入天然气管网，使天然气能够沿天然气管网依次接收第三换热器123和第四换热器124，或依次接收第四换热器124和第三换热器123传递的热量(接收第三换热器123和第四换热器124热传递的先后顺序取决于天然气的流向，此处对于天然气流向不做限定)。通过在第二循环中增设第四换热器124向天然气管网热传递，使第二循环的热量利用率得到提高，进而提高了该热力装置整体的热量利用率。
可选地，热力装置还包括在第一循环和/或第二循环的管道上设置的循环泵，以及第三循环和/或第四循环的管道上设置的循环泵(图中未示出)。
在第一循环和/或第二循环，以及第三循环和/或第四循环的管道上设置循环泵，能够为其对应的循环中的热媒的流动提供动力增强，使其具有更好的流动效果，避免出现流动停滞的情况。
可选地，第一循环、第二循环、第三循环以及第四循环管道内的热媒包括水、有机工质中的一种或多种的组合。
需要说明的是有机工质可以是R123(2,2-二氯-1,1,1-三氟乙烷)、R134a(1,1,1,2-四氟乙烷)等，此处不做限制。
第一循环、第二循环、第三循环以及第四循环管道内的热媒可以是水、高压蒸汽、有机工质等，由于上述物质具有较高的比热容，所以其在一定温度范围内能够承载更多的热量，提高各个循环中热量的运载效率。
其中，第一循环、第二循环、第三循环以及第四循环管道内的热媒还可以是其他高比热容流体，在本发明实施例中不做具体限制。
可选地，膨胀机150为活塞型膨胀机150或透平型膨胀机150。
示例地，当采用透平型膨胀机150时，流入其中的热媒通过膨胀功将热量的热能转换为机械能，使透平型膨胀机150驱动发电机运转。
本发明实施例的另一方面，如图1所示，提供一种天然气防冻堵系统，包括上述任意一项的热力装置，热力装置的第三换热器123与天然气管网的气源210通过管道连接，天然气管网的调压站220与第三换热器123或热力装置的第四换热器124通过管道连接，以使热力装置接入天然气管网。
其中，当热力装置中不包括第四换热器124时，调压站220与第三换热器123连接，当热力装置中包括第四换热器124时，调压站220与第四换热器124连接。最终调压站220能够将加热后的天然气通过管网输送至各用户。
该天然气防冻堵系统采用上述的热力装置，能够对天然气管网提供热量进行加热，同时在天燃气管网加热需求相对较低时，能够利用热源110盈余的热量进行发电以供用电设备使用，在实现天然气防冻堵的同时提高了对热源110能量的利用率。
可选地，如图1所示，连接第三换热器123和气源210的管道上还设置有与调压站220连通的支路管道230，支路管道230与连接第三换热器123和气源210的管道通过三通阀231连接。
在连接第三换热器123和气源210的管道上设置与调压站220连通的支路管道230，当夏季或天气气温相对较高天然气管网不会出现冻堵时，可以通过控制三通阀231来使气源210直接与调压站220连通，天然气不经过热力装置，从而避免热力装置对天然气的过度加热。
可选地，如图1所示，连接第三换热器123和气源210的管道上还设置有减压阀240。
在连接第三换热器123和气源210的管道上设置减压阀240，通过减压阀240对气源210输出的天然气进行减压，从而能够避免热力装置对天然气加热后，由于天然气压力过大而导致管道爆裂的情况发生。
可选地，如图1所示，连接第三换热器123和气源210的管道上还设置有流量计250。
在连接第三换热器123和气源210的管道上设置流量计250，通过流量计250能够对气源210输出的天然气流量进行检测，以便于工程人员对天然气供应流量的监测和调节。
可选地，如图1所示，连接第三换热器123和气源210的管道上还设置有阻燃器260。
在连接第三换热器123和气源210的管道上还设置有阻燃器260，能够避免天然气管网内的天然气因意外燃烧而引燃气源210，造成爆炸、火灾等事故。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种热力装置，其特征在于，包括：热源、第一换热器、第二换热器、第三换热器、引射器、四通阀以及膨胀机；所述热源与所述第一换热器管道连接形成第一循环，所述热源与所述第二换热器管道连接形成第二循环，所述第一换热器、所述引射器、所述膨胀机、所述四通阀以及所述第三换热器依序管道连接形成第三循环，所述第二换热器、所述四通阀以及所述第三换热器依序管道连接形成第四循环，所述第三换热器可接入天然气管网，所述四通阀还与所述引射器管道连接；其中，所述第三循环中的热媒由所述第一换热器经所述引射器流向所述膨胀机，所述第四循环中的热媒由所述第二换热器经所述四通阀流向所述引射器和/或所述第三换热器，所述第一换热器用于所述第一循环和所述第三循环之间的热传递，所述第二换热器用于所述第二循环和所述第四循环之间的热传递，所述第三换热器用于向所述天然气管网热传递。
2.如权利要求1所述的热力装置，其特征在于，所述第二循环中还设置有第四换热器，所述第四换热器分别与所述第二换热器和所述热源管道连接，所述第四换热器与所述第三换热器通过管道连接，所述第四换热器可接入所述天然气管网，用于所述第二循环与所述天然气管网之间的热传递；其中，所述第二循环的管道中热媒依次流经热源、第二换热器以及第四换热器并循环流动。
3.如权利要求1所述的热力装置，其特征在于，所述热力装置还包括在第一循环和/或第二循环的管道上设置的循环泵，以及第三循环和/或第四循环的管道上设置的循环泵。
4.如权利要求1所述的热力装置，其特征在于，所述第一循环、第二循环、第三循环以及第四循环管道内的热媒包括水、有机工质中的一种或多种的组合。
5.如权利要求1所述的热力装置，其特征在于，所述膨胀机为活塞型膨胀机或透平型膨胀机。
6.一种天然气防冻堵系统，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的热力装置，所述热力装置的第三换热器与天然气管网的气源通过管道连接，所述天然气管网的调压站与所述第三换热器或所述热力装置的第四换热器通过管道连接，以使所述热力装置接入所述天然气管网。
7.如权利要求6所述的天然气防冻堵系统，其特征在于，连接所述第三换热器和所述气源的管道上还设置有与所述调压站连通的支路管道，所述支路管道与连接所述第三换热器和所述气源的管道通过三通阀连接。
8.如权利要求6所述的天然气防冻堵系统，其特征在于，连接所述第三换热器和所述气源的管道上还设置有减压阀。
9.如权利要求8所述的天然气防冻堵系统，其特征在于，连接所述第三换热器和所述气源的管道上还设置有流量计。
10.如权利要求9所述的天然气防冻堵系统，其特征在于，连接所述第三换热器和所述气源的管道上还设置有阻燃器。
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