CN110220362A - 一种低能耗复合式天然气液化调峰系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低能耗复合式天然气液化调峰系统与方法，该系统包括预冷换热器、流量分配器、主换热器、天然气膨胀机、第一混合器、气液分离器以及LNG压力储罐；所述预冷换热器设置有第一进气口，所述预冷换热器的第一出气口与流量分配器的气体进口相连，所述流量分配器的第一气体出口与主换热器的第一进口相连，所述主换热器的第一出口与气液分离器的进口相连，所述气液分离器的闪蒸汽出口与第一混合器的第一进料口相连，所述气液分离器的LNG出口与LNG压力储罐的LNG进口相连。本发明的系统充分利用了干线管道的富余压力能，实现了天然气低液化率条件下的零能耗调峰。

Description

一种低能耗复合式天然气液化调峰系统与方法
技术领域
本发明涉及液化天然气的技术领域，具体涉及一种低能耗复合式天然气液化调峰系统与方法。
背景技术
随着大气污染问题日益凸显，我国对清洁能源的需求愈发迫切。天然气是可大规模利用的洁净能源，其主要运输方式是采用管道进行长距离输送，天然气管道的建设将为我国的经济发展助力。长距离输气管道的设计需满足沿线用户的最低供气压力需求，由于各用户的供气压力具有差异，因此在向较低压力需求的用户分输天然气时，该处的实际供气压力与供气最低需求压力之间产生了差值。一般地，天然气直接在分输站经调压撬进行节流降压，再由城市门站调压、加臭后进入城市燃气输配系统，存在如下不足：一是直接进行天然气调压，造成了压力能的浪费；二是管道储气量有限，而储气库调峰具有地理条件限制，对于无条件可利用储气库的干线管道，为了平衡管输气的供需量，需要采取的天然气液化与再气化的调峰方式。
目前已经在我国实现应用的液化方法主要有：
(1)级联式液化工艺，即利用多种纯烃组分的制冷温度，逐级对天然气进行冷却，最终实现液化，该工艺的比功耗在0.38kWh～0.45kWh之间。其优点是：①能耗低；②每一阶制冷剂为纯物质，无组分配比问题；③技术成熟，操作稳定。其缺点是：①机组多，流程复杂；②附属设备多，需要配有专门生产和储存多种制冷剂的设备；③管道和控制系统复杂，维护不便。
(2)带丙烷预冷的混合制冷剂液化工艺，即采用多种烃类及轻组分配制变温气化工质，使得混合制冷剂在同一压力下具有连续的、变化的制冷温度。该流程具有如下优点：①机组设备较少，流程较为简单，投资省；②管理方便；③混合制冷剂组分可以部分或全部从天然气本身获取或补充；其缺点为：①能耗较高，比级联式工艺高10％～20％；②混合制冷剂的合理配比较困难；③流程计算需提供可靠的各组分平衡数据，计算困难；
(3)差压式直接膨胀液化工艺，该工艺直接采用天然气作为制冷工质，具有①流程简单、调节灵活、工作可靠、易启动、易操作等优点。其缺点为：①流程的液化率很低，难以实现大规模液化；②流程受到低压用户的限制；
(4)氮气膨胀制冷液化工艺，该工艺采用氮气或氮气与甲烷的混合物作为制冷工质，该工艺的优点是：①制冷循环为闭式循环，冷剂与天然气隔离；②液化率高、装置体积小、操作方便、灵活性强。工艺的缺点为：①比能耗较高，比级联式液化工艺高出70％以上。
鉴于以上技术现状，有必要提出一种低能耗、可调液化率、设备投资适中、能适用于无储气库条件的干线管道天然气液化、储存与再气化方法，实现降低调峰成本，提高干线管线调峰适应能力。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术的不足，而提供一种低能耗复合式天然气液化调峰系统与方法，该系统充分利用了干线管道的富余压力能，实现了天然气低液化率条件下的零能耗调峰。
为实现上述目的，本发明提供一种低能耗复合式天然气液化调峰系统，包括预冷换热器、流量分配器、主换热器、天然气膨胀机、第一混合器、气液分离器以及LNG压力储罐；
所述预冷换热器设置有第一进气口，所述预冷换热器的第一出气口与流量分配器的气体进口相连，所述流量分配器的第一气体出口与主换热器的第一进口相连，所述主换热器的第一出口与气液分离器的进口相连，所述气液分离器的闪蒸汽出口与第一混合器的第一进料口相连，所述气液分离器的LNG出口与LNG压力储罐的LNG进口相连；
所述流量分配器的第二气体出口通过天然气膨胀机与主换热器的第二进口相连，所述主换热器的第二出口与第一混合器的第二进料口相连；所述第一混合器的出料口与预冷换热器的第二进气口相连，所述预冷换热器上设置有第二出气口。
上述技术方案中，还包括氮气膨胀机、循环氮气压缩机、水冷器以及氮气缓冲罐，所述氮气缓冲罐设置有注氮口，所述氮气缓冲罐的出氮口与循环氮气压缩机的进氮口相连；
所述循环氮气压缩机的压缩氮出口通过水冷器与预冷换热器的第三进气口相连，所述预冷换热器的第三出气口通过氮气膨胀机与主换热器的第三进口相连，所述主换热器的第三出口与预冷换热器的第四进气口相连，所述预冷换热器的第四出气口与氮气缓冲罐的进气口相连。
上述技术方案中，还包括第二混合器和空温气化器，所述LNG压力储罐的气体出口与第二混合器的第一入口相连，所述LNG压力储罐的液体出口与第二混合器的第二入口相连，所述第二混合器的混合料出口与空温气化器的入口相连，所述空温气化器的出口与下游管道相连。
上述技术方案中，所述主换热器的第一出口与气液分离器的进口之间的管路上设置有节流阀。
本发明还提供一种利用上述低能耗复合式天然气液化调峰系统的方法，包括低液化负荷调峰方法，具体步骤如下：
1.1)来自上游输气干线的天然气，经预冷换热器预冷后由流量分配器分成两股，其中一股流作为待液化股流，另一股流作为制冷股流；
1.2)待液化股流经主换热器进行冷凝，冷凝后的液化股流经节流阀减压至用户供气最低压力，在该过程中将产生闪蒸汽，经气液分离器分离出LNG与闪蒸汽；制冷股流经天然气膨胀机膨胀产生低压天然气，进入主换热器进行换热；
1.3)分离出的LNG送入LNG压力储罐中进行储存，闪蒸汽与经主换热器换热后的低温低压天然气在第一混合器汇流后送入预冷换热器中为来自输气干线的天然气提供冷量。
上述技术方案中，所述利用低能耗复合式天然气液化调峰系统的方法还包括高液化负荷调峰方法，具体步骤如下：
2.1)来自上游输气干线的天然气，经预冷换热器预冷后由流量分配器分成两股，其中一股流作为待液化股流，另一股流作为制冷股流；
2.2)待液化股流经主换热器进行冷凝，冷凝后的液化股流经节流阀减压至用户供气最低压力，在该过程中将产生闪蒸汽，经气液分离器分离出LNG与闪蒸汽；制冷股流经天然气膨胀机膨胀产生低压天然气，进入主换热器进行换热；
2.3)分离出的LNG送入LNG压力储罐中进行储存，闪蒸汽与经主换热器换热后的低温低压天然气在第一混合器汇流后送入预冷换热器中为来自输气干线的天然气提供冷量；
2.4)启动氮气膨胀制冷循环，氮气通过氮气缓冲罐注入，循环氮气压缩机将氮气压缩成高压氮气，高压氮气经水冷器冷却后，进入预冷换热器进行预冷，再经氮气膨胀机膨胀，产生低压低温氮气为主换热器提供额外的冷量，提高主换热器的液化率。
上述技术方案中，所述利用低能耗复合式天然气液化调峰系统的方法还包括带压LNG再气化方法，具体步骤如下：
3.1)LNG压力储罐启动罐内自增压器，驱动罐内LNG经液体出口流出，闪蒸气经气体出口流出；
3.2)LNG与闪蒸气于第二混合器汇合，再流向空温气化器经过气化后进入下游管道，复热后的天然气压力匹配用户最低压力需求，向下游城市门站供气。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
其一，本发明充分利用了干线管道的富余压力能，实现了天然气低液化率(＜10％)条件下的“零能耗”调峰；
其二，本发明采用的氮膨胀循环作为制冷量的补充来源，根据待液化股流的分配，可以调节循环制冷量，从而实现了天然气高液化率(10％～50％)条件下的“低能耗”调峰；
其三，本发明的制冷介质为氮气，氮气来源广，液氮、氮气的储存与排放不会造成温室效应及环境污染，相比较烷烃类冷介质具有清洁环保的特性；
其四，本发明的调峰方法简单，操作方便，操作弹性大，使得站场工艺得到了集成化；
其五，本发明的方法中储存与再气化采用的是带压储存、LNG自增压工艺，流程中无压缩机，再气化成本低廉。
附图说明
图1为本实施例的低能耗复合式天然气液化调峰系统的结构示意图；
图中，1-预冷换热器、1.1-第一进气口、1.2-第一出气口、1.3-第三进气口、1.4-第三出气口、1.5-第二进气口、1.6-第二出气口、1.7-第四进气口、1.8-第四出气口、2-流量分配器、2.1-气体进口、2.2-第一气体出口、2.3-第二气体出口、3-主换热器、3.1-第一进口、3.2-第一出口、3.3-第二进口、3.4-第二出口、3.5-第三进口、3.6-第三出口、4-氮气膨胀机、5-天然气膨胀机、6-第一混合器、6.1-第一进料口、6.2-第二进料口、6.3-出料口、7-循环氮气压缩机、7.1-进氮口、7.2-压缩氮出口、8-水冷器、9-节流阀、10-气液分离器、10.1-进口、10.2-闪蒸汽出口、10.3-LNG出口、11-LNG压力储罐、11.1-LNG进口、11.2-气体出口、11.3-液体出口、12-第二混合器、12.1-第一入口、12.2-第二入口、12.3-混合料出口、13-空温气化器、13.1-入口、13.2-出口、14-氮气缓冲罐、14.1-注氮口、14.2-出氮口、14.3-进气口。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
本发明的一种低能耗复合式天然气液化调峰系统，包括预冷换热器1、流量分配器2、主换热器3、天然气膨胀机5、第一混合器6、气液分离器10以及LNG压力储罐11；
所述预冷换热器1设置有第一进气口1.1，所述预冷换热器1的第一出气口1.2与流量分配器2的气体进口2.1相连，所述流量分配器2的第一气体出口2.2与主换热器3的第一进口3.1相连，所述主换热器3的第一出口3.2与气液分离器10的进口10.1相连，所述主换热器3的第一出口3.2与气液分离器10的进口10.1之间的管路上设置有节流阀9，所述气液分离器10的闪蒸汽出口10.2与第一混合器6的第一进料口6.1相连，所述气液分离器10的LNG出口10.3与LNG压力储罐11的LNG进口11.1相连；
所述流量分配器2的第二气体出口2.3通过天然气膨胀机5与主换热器3的第二进口3.3相连，所述主换热器3的第二出口3.4与第一混合器6的第二进料口6.2相连；所述第一混合器6的出料口6.3与预冷换热器1的第二进气口1.5相连，所述预冷换热器1上设置有第二出气口1.6。
上述技术方案中，还包括氮气膨胀机4、循环氮气压缩机7、水冷器8以及氮气缓冲罐14，所述氮气缓冲罐14设置有注氮口14.1，所述氮气缓冲罐14的出氮口14.2与循环氮气压缩机7的进氮口7.1相连；所述循环氮气压缩机7的压缩氮出口7.2通过水冷器8与预冷换热器1的第三进气口1.3相连，所述预冷换热器1的第三出气口1.4通过氮气膨胀机4与主换热器3的第三进口3.5相连，所述主换热器3的第三出口3.6与预冷换热器1的第四进气口1.7相连，所述预冷换热器1的第四出气口1.8与氮气缓冲罐14的进气口14.3相连。
上述技术方案中，还包括第二混合器12和空温气化器13，所述LNG压力储罐11的气体出口11.2与第二混合器12的第一入口12.1相连，所述LNG压力储罐11的液体出口11.3与第二混合器12的第二入口12.2相连，所述第二混合器12的混合料出口12.3与空温气化器13的入口13.1相连，所述空温气化器13的出口13.2与下游管道相连。
实施例1
假设忽略天然气管道管段储气能力，当干线管道上游供气量不大于下游用气量1.1倍时(Q下游用气＜Q上游供气≤1.11倍Q下游用气)，启动低液化负荷调峰方法，此时氮气制冷循环未工作。来自输气干线的20℃、5.3MPa的天然气，经预冷换热器1预冷至-45.4℃，经流量分配器2分成两股，其中16％的股流作为待液化股流，剩余84％股流作为制冷股流。
经主换热器3将待液化股流进行冷凝(-75.94℃)，液化股流经节流阀9减压至用户供气最低压力(2.5MPa，-98.61℃)，在该过程中将产生闪蒸气，经气液分离器10分离出LNG与闪蒸气；制冷股流经天然气膨胀机5膨胀产生低温低压(2.5MPa、-79.6℃)天然气天然气压力需满足用户供气最低压力(2.5MPa)，进入主换热器3进行换热得到低温低压天然气(2.5MPa、-64.18℃)；
LNG送入LNG压力储罐11中进行储存，而闪蒸汽与经主换热器3换热后的低温低压天然气(2.5MPa、-64.18℃)在混合器6形成汇流(2.5MPa、-66.78℃)，最后送入预冷换热器1中为来自干线的天然气提供冷量，同时复热为常温天然气(2.5MPa、16.95℃)。该案例液化率为9.65％，几乎无电力消耗。
实施例2
当干线管道上游供气量大于下游用气量1.1倍，且不大于下游用气量2倍时(1.11倍Q下游用气＜Q上游供气≤2倍Q下游用气)，启动高液化负荷调峰方法，即启动氮气制冷循环。来自输气干线的(20℃、5.3MPa)天然气，经预冷换热器1预冷至(-45.4℃)，经流量分配器2分成两股，其中68％的股流作为待液化股流，剩余32％股流作为制冷股流。
经主换热器3将待液化股流进行冷凝(-81.07℃)，液化股流经节流阀9减压至用户供气最低压力(2.5MPa，-99.2℃)，在该过程中将产生闪蒸汽，经气液分离器10分离出LNG与闪蒸汽；制冷股流经天然气膨胀机5膨胀产生低温低压(2.5MPa、-79.7℃)天然气天然气压力需满足用户供气最低压力(2.5MPa)，进入主换热器3进行换热得到低温低压天然气(2.5MPa、-62.56℃)；
LNG送入LNG压力储罐11中进行暂存，而闪蒸汽与经主换热器3换热后的低压天然气(2.5MPa、-62.56℃)在混合器6形成汇流(2.5MPa、-76.88℃)，最后送入预冷换热器1中为来自干线的天然气提供冷量，同时复热为常温天然气(2.5MPa、30.5℃)；
氮气压缩机7将低压氮气(3.74MPa、30℃)增压至(8MPa、128.1℃)，高压氮气经水冷器8冷却至35℃后，进入预冷换热器1预冷至-45.4℃，再经氮气膨胀机4膨胀，产生低压低温氮气(3.78MPa、-84.92℃)为主换热器3提供额外的冷量。该案例液化率为49.28％，比能耗为0.204kWh。
实施例3
当干线管道上游供气量小于下游用气量时(Q上游供气＜Q下游用气)，停止前面所述的各液化流程干线来气不再进入该流程，启动带压LNG再气化方法，LNG压力储罐11启动罐内自增压器，驱动罐内LNG经液体出口11.3流出，闪蒸气经气体出口11.2流出；LNG与闪蒸气于第二混合器12汇合流入空温气化器13，与空气换热后复热至0℃以上，经过气化后进入下游管道，复热后的天然气压力匹配用户最低压力需求，向下游城市门站供气。LNG压力储罐11的罐容需依据站场规模及调峰气量进行设计计算以满足不同规模液化调峰的工艺需求。
本发明的低能耗复合式天然气液化调峰系统在调峰负荷高时，利用氮膨胀循环产生的“冷量”将待液化的天然气股流进行冷凝液化，天然气直接膨胀工艺将作为辅助液化手段。在调峰负荷低时，向下调节氮气膨胀循环冷量，天然气直接膨胀制冷将作为主要液化工艺，直至氮气膨胀循环停止，此时为“零能耗”天然气液化工艺。LNG采用带压储存，储罐内采用自增压方式，LNG经空温气化器气化后可直接向下游城市门站供气。
上述实例采用HYSYS软件进行了仿真，并采用全局优化算法进行了操作参数优化，以上参数均为理想下的最优操作参数，实际工况因受实际设备及环境影响，本领域技术人员能做相应调整，以达到实现本工艺流程的目的。本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种低能耗复合式天然气液化调峰系统，其特征在于：包括预冷换热器(1)、流量分配器(2)、主换热器(3)、天然气膨胀机(5)、第一混合器(6)、气液分离器(10)以及LNG压力储罐(11)；
所述预冷换热器(1)设置有第一进气口(1.1)，所述预冷换热器(1)的第一出气口(1.2)与流量分配器(2)的气体进口(2.1)相连，所述流量分配器(2)的第一气体出口(2.2)与主换热器(3)的第一进口(3.1)相连，所述主换热器(3)的第一出口(3.2)与气液分离器(10)的进口(10.1)相连，所述气液分离器(10)的闪蒸汽出口(10.2)与第一混合器(6)的第一进料口(6.1)相连，所述气液分离器(10)的LNG出口(10.3)与LNG压力储罐(11)的LNG进口(11.1)相连；
所述流量分配器(2)的第二气体出口(2.3)通过天然气膨胀机(5)与主换热器(3)的第二进口(3.3)相连，所述主换热器(3)的第二出口(3.4)与第一混合器(6)的第二进料口(6.2)相连；所述第一混合器(6)的出料口(6.3)与预冷换热器(1)的第二进气口(1.5)相连，所述预冷换热器(1)上设置有第二出气口(1.6)。
2.根据权利要求1所述的低能耗复合式天然气液化调峰系统，其特征在于：还包括氮气膨胀机(4)、循环氮气压缩机(7)、水冷器(8)以及氮气缓冲罐(14)，所述氮气缓冲罐(14)设置有注氮口(14.1)，所述氮气缓冲罐(14)的出氮口(14.2)与循环氮气压缩机(7)的进氮口(7.1)相连；
所述循环氮气压缩机(7)的压缩氮出口(7.2)通过水冷器(8)与预冷换热器(1)的第三进气口(1.3)相连，所述预冷换热器(1)的第三出气口(1.4)通过氮气膨胀机(4)与主换热器(3)的第三进口(3.5)相连，所述主换热器(3)的第三出口(3.6)与预冷换热器(1)的第四进气口(1.7)相连，所述预冷换热器(1)的第四出气口(1.8)与氮气缓冲罐(14)的进气口(14.3)相连。
3.根据权利要求2所述的低能耗复合式天然气液化调峰系统，其特征在于：还包括第二混合器(12)和空温气化器(13)，所述LNG压力储罐(11)的气体出口(11.2)与第二混合器(12)的第一入口(12.1)相连，所述LNG压力储罐(11)的液体出口(11.3)与第二混合器(12)的第二入口(12.2)相连，所述第二混合器(12)的混合料出口(12.3)与空温气化器(13)的入口(13.1)相连，所述空温气化器(13)的出口(13.2)与下游管道相连。
4.根据权利要求1或2或3所述的低能耗复合式天然气液化调峰系统，其特征在于：所述主换热器(3)的第一出口(3.2)与气液分离器(10)的进口(10.1)之间的管路上设置有节流阀(9)。
5.一种利用权利要求1～4任一项所述的低能耗复合式天然气液化调峰系统的方法，其特征在于，包括低液化负荷调峰方法，具体步骤如下：
1.1)来自上游输气干线的天然气，经预冷换热器(1)预冷后由流量分配器(2)分成两股，其中一股流作为待液化股流，另一股流作为制冷股流；
1.2)待液化股流经主换热器(3)进行冷凝，冷凝后的液化股流经节流阀(9)减压至用户供气最低压力，在该过程中将产生闪蒸汽，经气液分离器(10)分离出LNG与闪蒸汽；制冷股流经天然气膨胀机(5)膨胀产生低压天然气，进入主换热器(3)进行换热；
1.3)分离出的LNG送入LNG压力储罐(11)中进行储存，闪蒸汽与经主换热器(3)换热后的低温低压天然气在第一混合器(6)汇流后送入预冷换热器(1)中为来自输气干线的天然气提供冷量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括高液化负荷调峰方法，具体步骤如下：
2.1)来自上游输气干线的天然气，经预冷换热器(1)预冷后由流量分配器(2)分成两股，其中一股流作为待液化股流，另一股流作为制冷股流；
2.2)待液化股流经主换热器(3)进行冷凝，冷凝后的液化股流经节流阀(9)减压至用户供气最低压力，在该过程中将产生闪蒸汽，经气液分离器(10)分离出LNG与闪蒸汽；制冷股流经天然气膨胀机(5)膨胀产生低压天然气，进入主换热器(3)进行换热；
2.3)分离出的LNG送入LNG压力储罐(11)中进行储存，闪蒸汽与经主换热器(3)换热后的低温低压天然气在第一混合器(6)汇流后送入预冷换热器(1)中为来自输气干线的天然气提供冷量；
2.4)启动氮气膨胀制冷循环，氮气通过氮气缓冲罐(14)注入，循环氮气压缩机(7)将氮气压缩成高压氮气，高压氮气经水冷器(8)冷却后，进入预冷换热器(1)进行预冷，再经氮气膨胀机(4)膨胀，产生低压低温氮气为主换热器(3)提供额外的冷量，提高主换热器(3)的液化率。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括带压LNG再气化方法，具体步骤如下：
3.1)LNG压力储罐(11)启动罐内自增压器，驱动罐内LNG经液体出口(11.3)流出，闪蒸气经气体出口(11.2)流出；
3.2)LNG与闪蒸气于第二混合器(12)汇合，再流向空温气化器(13)经过气化后进入下游管道，复热后的天然气压力匹配用户最低压力需求，向下游城市门站供气。
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