CN112127961B - 减压系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于减小压力和从天然气管道提取能量或用于在低温工业中使用的系统，包括：生成氢的电解槽、适于加热管道中的天然气的加热设备、以及适于从天然气的膨胀提取能量的设备，其中，所提取的能量用于为电解槽提供动力和/或用于加热天然气。该系统可用于从天然气膨胀提取能量。

Description

减压系统
技术领域
本发明涉及用于利用减压期间在天然气管道中生成的废弃能量的系统。
背景技术
通常，天然气以高达几百巴的压力排出气井。该压力被调节成适当压力以在供气网中进行运输。该压力通过压缩机的辅助来维持。因此，运输系统具有极大的势能，该势能随着压力在分配系统中逐渐降低以确保顾客接收适当的压力而损失。
大部分的国家均在其领土上使用类似的天然气运输系统，然后进行区域分配。在英国，具有减压步骤的三组宽泛组合把压力从60-80巴降到家用毫巴压力的压力。据估计，在英国供应网(UK grid)中，来自天然气膨胀的可用机械能高达1GW。这些能量主要在减压站处损失，并且逐渐引起争论的是，该能量可以且应当进行回收。
因此，所期待的是，随着天然气降压并损失势能的势能获取机械能(动能)。
现有的减压技术包括使用简单的孔口来减小压力。这可以采取通常被称为焦耳汤姆森(Joule Thomson)阀的调节阀和控制系统的形式。在天然气管网中，减压具有不同的名称。在英国，压力较高的系统被称为减压站(PRS，pressure reduction stations)或传输调节器站(TRS，transmission regulator station)。在美国，这种站被称为降压站(PLS，pressure letdown stations)。
随着天然气行进穿过焦耳汤姆森减压阀，出现与天然气的等焓绝热膨胀相关联的温度下降。如果该温度下降不受控制，则冷的加压天然气会允许水合物冷凝和凝固，而水合物冷凝和凝固会导致装备损坏或管道阻塞。如图1所示，这种冷却目前需要采用预热步骤。
通常，预热技术是相对初步的。预热技术是加热储液器中的流体的燃烧技术。天然气经过储液器中的热交换器以收集能量。所需的预热取决于初始压力、气压变化和天然气成分。例如，对于典型的英国天然气成分和30巴的输入压力，压力每减小1巴，温度就会下降约0.6℃。因而，对于5巴的下游压力，会产生15℃的温度下降。如果不对温度下降加以控制，则会使得输出温度为-5℃。与在管流中行进的化学能的量相比，加热天然气所需的能量的总量相对较小。然而，在英国内部有14000个以上的PRS的情况下，这就意味着不期望发生的严重的天然气消耗和CO2排放。
透平膨胀机多年来一直被用于从膨胀的天然气流回收能量。透平膨胀机具有多种尺寸和效率。大部分情况使用高速透平机，而较少采用的方法是使用类似于螺杆膨胀机布置的正排量式系统。在功能上，高速透平机和正排量式系统均具有类似的效率(通常为30-85％等熵效率)以及对温度和压力具有类似作用。所有设计均可与发电机联接，从而将膨胀天然气转换成电能。然后，通常对将从发电机获取的电功率进行调节以用于使用或输出。在性质上，透平膨胀机激发等熵绝热膨胀，等熵绝热膨胀降低天然气的温度通常超过焦耳汤姆森减压阀的5倍。
没有在天然气管网中广泛实施透平膨胀机或螺杆膨胀机技术的几个原因在于：
·通过透平膨胀机生成的电能是预热需求(尽管注意到生成的电力每MWhr比消耗的天然气值更多)的约85％。
·当存在相当大的激励以减少碳排放量的时候，预热所需的、增加的天然气消耗量使得分配系统的碳排放量增加。
·为了允许以低成本输出电能，PRS需要非常靠近子电站，该子电站具有足够的生产容量以接受来自透平膨胀机发电机的电输入，从而极大地降低了可用站点的数量。
发明内容
本发明解决了利用在天然气管道中或在低温工业中由天然气膨胀(减压)阶段生成的势能的问题。由于生成的电是间歇性的且通常在位置上与电网不一致，所以使用透平膨胀机或螺杆膨胀机进仅部分地解决了这些问题。因此，输出和存储电能并不简单，且不足以涵盖预热所需的额外加热。本申请所提出的解决方案解决了这些不足。
本发明涉及将负荷跟踪电解槽联接至诸如透平膨胀机的、从天然气膨胀步骤回收能量的设备。电解槽可以是质子交换膜(PEM)或会把电转换成氢的基于碱的电解槽。生成的氢能以多种有效的方式进行使用，因此不会面临必须使用间歇性的电力的缺陷，且能量可无限定地存储在压力容器中。电解槽还具有生成可在预热步骤中使用的废热的有益效果。这在碳还原方面具有重大的有益效果。
根据第一方面，用于减小压力且从天然气管道提取能量或者用于在低温工业中使用的系统包括：生成氢的电解槽、适于加热管道中的天然气的加热设备、以及适于从天然气的膨胀提取能量的设备，其中，所提取的能量用于为电解槽提供动力。
根据第二方面，如以上所限定的系统可用于从天然气膨胀提取能量。
附图说明
图1示出了现有技术的减压系统的模块化表示。
图2和图3示出了本发明的两个优选减压系统的模块化表示。
具体实施方式
图2示出了优选实施方式，且该优选实施方式涉及将PEM电解槽和热泵联接至从天然气膨胀步骤回收电能的设备，诸如与发电机联接的透平膨胀机。理想地，PEM电解槽会产生加压的氢气，并且具有将加压的氢气从0％加载到100％的额定容量的能力。天然气预热所需的能量可来自于包括燃烧的多种源。优选地，天然气预热所需的能量来源于来自电解槽的废热以及来自热泵的热能的组合。电解槽将电转换成加压的氢气，优选将加压的氢气注入天然气供应网中。
所产生的氢气能以多种有效的方式加以使用。因此，例如当生产量经常不足以满足需求时，这种配置不会面临输出到供电网的缺陷。
图3所示的替代实施方式为：利用来自低温工业的技术(其有规则地使用透平膨胀机来冷却天然气)，并将透平膨胀机的输出直接供给至专门设计成将形成的水合物降至最少的大型环境热交换器中，从而将天然气的温度提升至接近环境温度。然后，天然气可通过利用如之前所述的、来自热泵和/或电解槽的废热接收最终的增热。
这些方法具有显著的有益效果，包括：
·与现有的焦耳汤姆森阀相比，图2所示的实施方式中不消耗天然气，从而降低了成本和碳排放量。
·由于所产生的氢“环保”，所以其存在将用于针对整个天然气消耗过程去除供气网的碳素，并且会允许本发明要求一系列的碳减排激励。
·不需要连接至外部的子电站，从而增加了可用为止的数量并降低了成本。
本发明的系统包括提高天然气温度的加热器/加热设备。对于本领域技术人员而言，适当的加热器将众所周知。术语“加热设备”应当宽泛地进行解释，且指可提高天然气温度的任何方法。例如，加热设备可以是能够加热管道中的天然气的任何事物，例如使用环境空气或水来加热天然气的热交换器。
在优选实施方式中，加热设备是热交换器，天然气流经该热交换器的一半，而加热流体位于该热交换器的另一半上。加热流体可通过天然气或其它燃料的燃烧进行加热，还可通过热电联合系统(CHP)进行加热。加热设备可以是环境空气热交换器。加热流体可通过热泵进行加热，还可通过来自电解槽的废热进行加热。热量可由电加热器提供。优选地，加热流体可通过热泵和来自电解槽的废热进行加热。
如果使用热泵，则热泵优选地以尽可能高的输出温度进行操作。若干热泵技术和媒介是可行的。优选的实施方式是跨临界CO2热泵，跨临界CO2热泵可生成80℃至90℃的温度。加热设备的另一实施方式是亚临界氨热泵。各种热源/加热设备是可行的，包括但不限于空气、大地和水。由于碳足迹和资本支出成本较低，所以水和空气是优选的热源。
对于本领域技术人员而言，用于从天然气膨胀提取能量的设备将众所周知。在本发明中，用于从天然气膨胀提取能量的设备优选为透平机或诸如螺旋膨胀机的正排量设备。更优选地，用于从天然气膨胀提取能量的设备是透平机，例如透平膨胀机。当天然气在降压期间膨胀时，用于从天然气膨胀提取能量的设备从天然气提取动能。该设备优选地与产生电的直流电动机或交流发电机机械地联接。优选地，输出为直流电(DC)，且在这种情况下，该方案可通过消除至电解槽的AC-DC电力调节来降低成本。因为减压站既经历白昼和季节性的流动又经历压力的变化，所以连接至发电机的所有器材必须能够接受时变输入。
来自发电机的电输出可用于为热泵和电解槽提供动力。在优选实施方式中，因为透平膨胀机的输入压力和输出压力变化，所以该动力应在两个设备之间动态地分成，从而确保在提供足够用于天然气预热的热量的同时使氢的总产量最大。
本发明的系统使用产生氢气的电解槽，该电解槽优选为水电解槽。技术人员将能够选择适于在本发明的系统中使用的电解槽。水电解槽已经制造多年，然而，仅在最近才能够在没有损害的情况下从0到100％的功率范围内重复地循环电解槽。
电解槽可以是质子交换膜(PEM)电解槽、固体氧化物电解槽或基于碱的电解槽，电解槽以固态聚合物或液态电解质为基础。优选地，电解槽是PEM电解槽。优选地，PEM是阴离子的。该膜可以是亲水性的交联聚合物。在一种实施方式中，该膜是全氟化聚合物。
PEM技术能够在对性能或寿命没有大的损害的情况下，迅速地响应波动的电输入。具体地，本发明使用诸如WO03/023890中所描述的类型的亲水性离子PEM膜，该申请通过引用整体地并入本文。亲水性离子PEM膜可在大电流范围(优选为0.1-3A/cm2)上进行操作，这显著高于碱性液态电解槽。电流密度的增加使得对电解槽的需求更小，从而既有利于碳足迹又有利于成本。
可排放、使用或存储通过电解产生的氧气。氧气可用于改善附加装置的燃烧性能。氧气可在在燃烧反应中使用以加热管道中的天然气和/或被传输至加热设备以便在所述设备中使用。氧气可在燃烧或被传输至加热设备之前进行预热。
用于在本发明中使用的电解槽应在大于1巴的压力下生成氢气。从电解槽输出的氢气能通过压缩机进行加压。优选地，电解槽应在允许在不需要压缩机的情况下直接注入天然气管道的压力下生成氢气。
可能需要氢气存储的机构来允许缓冲电解槽输出。包括压缩气体和金属氢化物的若干存储技术是可行的。优选实施方式中所用的存储技术是压缩气体。
天然气可在其进入用于提取能量的设备之前或之后进行加热。
天然气可通过以下所列的任一种进行加热：
a)热泵；
b)来自电解槽的废热；
c)来自用于从天然气膨胀提取能量的设备的废热；
d)来源于天然气的燃烧的能量；
e)来源于热电联合机组的能量；和/或
f)上述两个或多个的组合。
在英国，氢气在天然气管道内部的混合和稀释应进行论证。这可在注入天然气管道之前，通过诸如静态混合器的混合设备来实现。可替代地，稀释可通过天然气管道中的湍流来实现。可在从天然气膨胀提取能量的设备之前将氢气引入高压侧。在这种情况下，压力的降低生成混合所需的湍流。优选地，在从天然气膨胀提取能量的设备之后将氢气引入低压侧，来自从天然气膨胀提取能量的设备的下游湍流提供两种气体的混合。在减压站的下游和上游可能需要进行测量以满足法定要求。该测量可包括但不限于：流速、压力、沃泊(Wobbe)、发热值和含氢量。
可转移氢气以便在其它应用中使用，而不是将氢气返回天然气网。在这些应用中，这些天然气可实现较高的价格。例如，可存储氢气以便在运输应用中使用(作为燃料)，或者氢气可作为反应物在诸如氨生产、甲烷化、液体燃料合成和/或氧应用的化学反应中使用。
下面将更详细地讨论如图2和图3所示的两种优选实施方式。
实施方式1
该技术利用集成的天然气预热、能量回收系统、热泵和氢电解装备套件，替代现有的静态膨胀阀(焦耳汤姆森)系统。该系统将预热天然气、在降压期间提取能量以及使用该能量为热泵和电解槽提供动力。来自电解槽和热泵的热量将为预热提供能量，同时，电解槽将生成低碳氢气。这些氢气可迅速地注入供气网中，从而降低天然气的碳足迹。本发明的系统在图2中示出的示意图中示出为“提出的系统”。
实施方式2
该技术利用能量回收系统、低温热交换器、热泵和氢电解装置套件替换现有的静态膨胀阀(焦耳汤姆森)系统。
系统在降压期间提取能量，然后使用该能量为热泵(加热设备)和电解槽提供动力。然后，低温冷却的天然气会进入热交换器，以便通过大气加温。来自电解槽和热泵的热量会提供将被允许进入天然气系统的天然气所需的任何附加能量。电解槽会生成“环保的”氢气。氢气可立即注入供气网中，从而降低天然气的碳足迹。本发明的系统在图3中示出的示意图中示出为“提出的系统”。
膨胀后，天然气进入环境空气热交换器。该环境空气热交换器可专门地设计成用于低温天然气并传递来自空气的热量。通常，会有两个并行的系统，这两个系统进行循环以解冻堵塞在系统上存在的冰，从而将提供大部分的热量。例如，在天气冷的时候，有时可能需要进一步加热。这将优选地通过多种源来提供，包括空气、大地或水热泵、电加热、来自CHP机组的废热或传统燃烧过程。更优选地，使用热泵通过空气或流水进行加热。
来自发电机的电输出应用于为电解槽提供动力。来自电解槽的废热优选用于经由热交换器向天然气提供附加加热。如果这些附加加热不足，则热泵还可由发电机提供动力，且热泵的输出用于经由热交换器进一步加温天然气。在优选的实施方式中，因为透平膨胀机的输入压力和输出压力变化，所以该动力应在两个设备之间动态地分成，从而确保在提供足够用于天然气的热量的同时使氢的总产量最大。
可能需要氢存储的机构以允许缓冲电解槽输出。包括压缩气体和金属氢化物的若干存储技术是可行的。优选实施方式为压缩气体。
在本发明的又一方面，产生氢气和氧气的电解槽适合于附接至天然气管道，并适于由从管道中的天然气的膨胀获得的能量来提供动力。
以下示例描述了本发明。
示例1
该示例是传送天然气的中型减压站。天然气的量是每小时15840m3，且入口温度为10℃。入口压力是70巴，且出口压力是30巴。
在使用焦耳汤姆森技术的典型现有系统中，天然气将被加热24℃，以使得天然气将在34℃下到达减压阀。减压阀会使温度降低24℃，且天然气会在10℃下退出该阀。使天然气的温度升高24℃所需的热量是160kW。考虑到热交换器和燃烧器的低效，这需要197kW(化学的)甲烷。假设批发价格为￡0.02/kWhr，则这意味着每年35000英镑的作业费用，并且会产生342吨的C02。
该系统由本发明的系统代替(相同的流速、输入压力和输出压力)。在典型的英国天然气成分和30巴的出口压力下，我们的模型显示，水合物可在8.8℃时开始形成。因此，为了安全，应保持输出温度高于该水平5℃，因而，天然气输出温度为13.8℃。
进气预热69.2℃，以便向透平膨胀机提供79.2℃的入口温度。这需要对天然气施加461kW的热量。由于热交换器低效，这将需要512kW的热量输入。
然后，天然气进入透平膨胀机，在透平膨胀机中，将262kW的能量提取为电。然后，天然气冷却下降至13.8℃。
跨临界C02空气源热泵(ASHP)消耗262kW的热量并生成485kW的热量。假设效率为70％(生成的总热量＝512kW)，则电解槽消耗89kW的热量并生成27kW的热量。
电解槽生成195Nm3/天的O2和390Nm3/天的H2，这等于天然气流量的0.1％，这是作为针对天然气网络中氢浓度的英国法定极限。
这与具有传统的焦耳汤姆森技术的系统相关联的￡35k pa的损失相比，该系统每年产生106000英镑的RHI(Renewable Heat Incentives)支付款、每年96000英镑的ROC(Obligation Certificates)支付款、以及通过销售氢气的10000英镑，从而提供了每年214000英镑的总收入。这表示每年节约了248000英镑(所有的价格以2013年九月为准)。通过将零碳的H2注入天然气管道中并稀释天然气，每年节约了108t的碳。因而，与现有的焦耳汤姆森技术相比，每年节约了450t的碳。

Claims (25)

1.一种碳减排系统，用于减小压力和从天然气管道提取能量，所述系统包括：
电解槽，产生氢气；
热泵；
低温第一热交换器，用于通过环境空气或水来加温天然气；
第二热交换器，设置在所述低温第一热交换器的下游，并适于加热所述管道中的天然气；以及
适于从所述天然气的膨胀提取能量的能量提取设备，该设备设置在所述低温第一热交换器的上游，
其中，所提取的能量用于为所述电解槽和所述热泵提供动力，并且其中，所述第二热交换器从所述热泵和所述电解槽获得其能量。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热泵是跨临界CO2热泵或亚临界氨热泵。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述能量提取设备是透平膨胀机或螺杆膨胀机。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述天然气在离开所述能量提取设备之后进行加热。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，除了来源于所述热泵和所述电解槽的能量，所述天然气通过以下进行加热：
a)来自所述能量提取设备的废热；
b)来源于天然气的燃烧的能量；
c)来源于热电联合机组的能量；或
d)上述两个或多个的组合。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电解槽是质子交换电解槽。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电解槽是阴离子的。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述电解槽是液态碱性电解槽。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述电解槽是固态聚合物碱性电解槽。
10.根据权利要求7所述的系统，其中，所述电解槽的膜是亲水性交联聚合物。
11.根据权利要求7所述的系统，其中，所述电解槽的膜是全氟化聚合物。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电解槽在大于1巴的压力下产生氢气。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，通过所述电解槽产生的氢气通过压缩机进行加压。
14.根据权利要求1所述的系统，还包括气体混合装置，所述气体混合装置适于使来自所述电解槽的氢气与所述管道中的天然气混合。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，由所述电解槽产生的氢气注入所述天然气管道中。
16.根据权利要求14所述的系统，配置成使得所混合的气体注入所述天然气管道中。
17.根据权利要求16所述的系统，配置成使得所述天然气在用于从天然气膨胀提取能量的设备之后进入所述气体混合装置。
18.根据权利要求1所述的系统，配置成使得由所述电解槽产生的氧气用于在燃烧中加热所述天然气和/或用于在所述第二热交换器中使用。
19.根据权利要求18所述的系统，配置成使得所述氧气在燃烧之前进行预热。
20.一种根据权利要求1所述的系统的用途，用于从天然气膨胀提取能量。
21.根据权利要求20所述的用途，其中，当所述能量提取设备的输入压力和输出压力变化时，所提取的能量在所述热泵和所述电解槽之间动态地分成。
22.根据权利要求20所述的用途，其中，所述能量提取设备是透平膨胀机。
23.根据权利要求20所述的用途，其中，所述能量提取设备是螺杆膨胀机。
24.根据权利要求20所述的用途，其中，用于提取能量的装备连接至用于将所述能量转换成电力的装备。
25.根据权利要求24所述的用途，其中，所述能量用于为所述电解槽、加热装置和现场辅助装置提供动力。
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