CN112539092B - 基于有机朗肯循环的cng辅助生产装置 - Google Patents

基于有机朗肯循环的cng辅助生产装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于天然气压缩充装技术领域，具体公开了一种基于有机朗肯循环的CNG辅助生产装置，旨在解决如何增加CNG的单罐充装量并有效利用CNG充装过程中产生的热量的问题。该基于有机朗肯循环的CNG辅助生产装置通过CNG压缩系统能够将储气罐中的天然气压缩后输送入中间罐中，通过有机朗肯循环机组能够将天然气压缩时因升温效应产生的热量转化为转动机械能，以驱动第一级压气机进行天然气的初步压缩，不仅可以在CNG在进入中间罐前对其降温，从而减小CNG充装时的比体积，增加CNG的单罐充装量，而且有效利用了CNG充装过程中产生的热量辅助压缩天然气，能够降低天然气压缩充装过程中消耗的电能。

Description

基于有机朗肯循环的CNG辅助生产装置
技术领域
本发明属于天然气压缩充装技术领域，具体涉及一种基于有机朗肯循环的CNG辅助生产装置。
背景技术
针对罐装天然气的车船运输，目前市面上主要有两种方式：一种是通过将天然气深度冷却液化，得到液化天然气(简称LNG)，这种方式由于将天然气由气态转变为液态，可以大大缩小天然气的体积，非常便于其进行罐装后的车船运输，但是由于深度冷却和罐体保温的成本较高，其应用受到一定的限制。另外一种是通过将天然气直接压缩至压力为20～25MPa，与常压天然气相比，其体积缩小200～250倍，得到压缩天然气(简称CNG)。相比之下，虽然LNG具有更小的比体积和更高的能量密度，其能量密度是CNG的2～3倍，但是由于CNG不需要进行深度冷却液化，而且无需任何保温措施，其存储成本和使用成本更低，因此具有明显的优势和广阔的市场。
然而，根据热力学定律，CNG在快速压缩过程中由于无法及时有效地将热量散掉，会导致其温度上升几十度，产生大量低品位热能，即发生所谓的温度效应。而且，在储运过程中，罐体内的CNG将慢慢冷却到环境温度，由于体积一定时，气体的温度和压力成正相关，因此CNG的压力也会逐渐下降到低于正常情况下要求的数值，最终导致快速充装的CNG充装压力不够，充装量不足，单位体积的运输成本较高。虽然慢充可以缓解上述不足，但是慢充会严重降低充装速率，并且无法根除充装时温度上升的问题。
为了提高CNG的充装量，中国专利公开号为CN105987275A的发明专利申请公开了一种天然气充装方法，该方法将天然气充装到车载气瓶之前对通过冷却装置对天然气进行冷却处理，天然气温度的冷却处理范围在低于环境温度40℃到0℃之间。虽然在CNG进入罐体之前，先将其进行强制冷却降低至环境温度，降温后CNG的比体积减小，密度将增大，这样做可以使同样罐体体积的充装量得以提高，降低CNG的单位重量的运输成本；但是，如果只是将CNG充装过程中产生的大量热量吸收掉，会造成很大的热量浪费。
发明内容
本发明提供了一种基于有机朗肯循环的CNG辅助生产装置，旨在解决如何增加CNG的单罐充装量并有效利用CNG充装过程中产生的热量的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于有机朗肯循环的CNG辅助生产装置，包括CNG压缩系统和有机朗肯循环机组；
所述CNG压缩系统包括储气罐、第一级压气机、第二级压气机、电动机和中间罐；
所述有机朗肯循环机组包括工质泵、蒸发器和膨胀机；
所述储气罐的出气口与第一级压气机的进气口连接，所述第一级压气机的出气口与第二级压气机的进气口连接，所述第二级压气机的出气口与蒸发器的CNG入口连接，所述蒸发器的CNG出口与中间罐的进气口连接；所述电动机的驱动端与第二级压气机的宽口侧轴端传动连接；
所述工质泵的工质出口与蒸发器的工质入口连接，所述蒸发器的工质出口与膨胀机的工质入口连接，所述膨胀机的工质出口与工质泵的工质入口连接；所述膨胀机的驱动端与第一级压气机传动连接。
进一步的是，所述膨胀机的宽口侧轴端通过联轴器与第一级压气机的宽口侧轴端传动连接。
进一步的是，所述中间罐上设有至少两个CNG快充接头。
进一步的是，所述储气罐、第一级压气机、第二级压气机、蒸发器和中间罐通过CNG输送管路依次连接。
进一步的是，该基于有机朗肯循环的CNG辅助生产装置还包括冷却系统，所述冷却系统包括冷却水泵、冷却器和冷却塔；
所述蒸发器的CNG出口与冷却器的CNG入口连接，所述冷却器的CNG出口与中间罐的进气口连接；
所述有机朗肯循环机组还包括冷凝器；所述膨胀机的工质出口与冷凝器的工质入口连接，所述冷凝器的工质出口与工质泵的工质入口连接；
所述冷却水泵的出水口与冷却器的进水口连接，所述冷却器的出水口与冷凝器的进水口连接，所述冷凝器的出水口与冷却塔的进水口连接，所述冷却塔的出水口与冷却水泵的进水口连接。
进一步的是，所述工质泵、蒸发器、膨胀机和冷凝器通过工质管路循环连接在一起。
进一步的是，所述冷却水泵、冷却器、冷凝器和冷却塔通过冷却水管道循环连接在一起。
进一步的是，所述蒸发器、冷凝器、冷却器均为逆流式换热器。
本发明的有益效果是：该装置通过CNG压缩系统能够将储气罐中的天然气压缩后输送入中间罐中，通过有机朗肯循环机组能够将天然气压缩时因升温效应产生的热量转化为转动机械能，以驱动第一级压气机进行天然气的初步压缩，不仅可以在CNG在进入中间罐前对其降温，从而减小CNG充装时的比体积，增加CNG的单罐充装量，而且有效利用了CNG充装过程中产生的热量辅助压缩天然气；并且，通过电动机驱动的第二级压气机对天然气进一步压缩，可实现天然气的连续压缩，进而实现有机朗肯循环机组的连续机械能输出，从而降低天然气压缩充装过程中消耗的电能。
附图说明
图1是本发明的实施结构示意图；
图中标记为：CNG压缩系统10、储气罐11、第一级压气机12、联轴器121、第二级压气机13、电动机14、中间罐15、CNG快充接头151、CNG输送管路16、有机朗肯循环机组20、工质泵21、蒸发器22、膨胀机23、冷凝器24、工质管路25、冷却系统30、冷却水泵31、冷却器32、冷却塔33、冷却水管道34。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，基于有机朗肯循环的CNG辅助生产装置，包括CNG压缩系统10和有机朗肯循环机组20；
所述CNG压缩系统10包括储气罐11、第一级压气机12、第二级压气机13、电动机14和中间罐15；
所述有机朗肯循环机组20包括工质泵21、蒸发器22和膨胀机23；
所述储气罐11的出气口与第一级压气机12的进气口连接，所述第一级压气机12的出气口与第二级压气机13的进气口连接，所述第二级压气机13的出气口与蒸发器22的CNG入口连接，所述蒸发器22的CNG出口与中间罐15的进气口连接；所述电动机14的驱动端与第二级压气机13的宽口侧轴端传动连接；
所述工质泵21的工质出口与蒸发器22的工质入口连接，所述蒸发器22的工质出口与膨胀机23的工质入口连接，所述膨胀机23的工质出口与工质泵21的工质入口连接；所述膨胀机23的驱动端与第一级压气机12传动连接。
其中，CNG压缩系统10能够将储气罐11中的天然气压缩后输送入中间罐15中；储气罐11用于存储低压天然气；第一级压气机12用于进行天然气的初步压缩，第一级压气机12由膨胀机23产生的转动机械能驱动；第二级压气机13用于将天然气压缩至所需储运高压；电动机14用于为第二级压气机13提供动力；中间罐15用于暂时存储CNG，其可以将间断的CNG充装过程转变为连续的充装过程；在中间罐15上通常设有用于将中间罐15内的CNG充入各种车载及船载运输罐的CNG快充接头151；为了提高充装CNG的效率，再如图1所示，中间罐15上通常设有至少两个CNG快充接头151。
具体的，所述储气罐11、第一级压气机12、第二级压气机13、蒸发器22和中间罐15通过CNG输送管路16依次连接。
有机朗肯循环(简称ORC)技术是利用某些有机物在较低的温度下具有相对较高的压力的特性，能够高效地吸收低品味热能用于产生机械能。该装置通过有机朗肯循环机组20能够将天然气压缩时因升温效应产生的热量转化为转动机械能，使CNG降温并辅助压缩天然气，具体过程为：有机朗肯循环机组20中的有机工质在工质泵21的驱动作用下压力提升，先经过蒸发器22与同时经过蒸发器22的高温CNG进行热交换，吸收CNG压缩过程中产生的热量后变为高温高压的有机工质蒸汽，在这个过程中能够对CNG进行初步冷却；然后，高温高压的有机工质蒸汽经过膨胀机23推动膨胀机23的叶轮转动，从而将热能转化为转动机械能并驱动第一级压气机12工作，用于实现CNG生产中的初级压缩。
工质泵21用于为有机工质在有机朗肯循环机组20循环工作提供驱动动力，蒸发器22用于使有机工质与高温CNG进行热量交换转变为高温高压的有机工质蒸汽，膨胀机23用于将高温高压的有机工质蒸汽的热能转化为机械能以驱使第一级压气机12工作。
为了便于膨胀机23与第一级压气机12传动连接，再如图1所示，所述膨胀机23的宽口侧轴端通过联轴器121与第一级压气机12的宽口侧轴端传动连接。
该基于有机朗肯循环的CNG辅助生产装置可辅助CNG的压缩充装，特别适用于大型的CNG充装工作站，以使有机朗肯循环机组20起到更大的作用。
作为本发明的一种优选方案，再如图1所示，该基于有机朗肯循环的CNG辅助生产装置还包括冷却系统30，所述冷却系统30包括冷却水泵31、冷却器32和冷却塔33；
所述蒸发器22的CNG出口与冷却器32的CNG入口连接，所述冷却器32的CNG出口与中间罐15的进气口连接；
所述有机朗肯循环机组20还包括冷凝器24；所述膨胀机23的工质出口与冷凝器24的工质入口连接，所述冷凝器24的工质出口与工质泵21的工质入口连接；
所述冷却水泵31的出水口与冷却器32的进水口连接，所述冷却器32的出水口与冷凝器24的进水口连接，所述冷凝器24的出水口与冷却塔33的进水口连接，所述冷却塔33的出水口与冷却水泵31的进水口连接。
上述装置通过有机朗肯循环机组20的蒸发器22可以吸收CNG压缩过程中产生的大量低品位热能，减少CNG冷却需要的冷量输入，降低冷却系统30耗电量，这是因为虽然冷却系统30除了需要将蒸发器22出来的CNG继续降低至环境温度，还需要冷却由有机朗肯循环机组20的冷凝器24放出的热量，但是原本应该由冷却系统30吸收的一部分热量由蒸发器22吸收了，且由于蒸发器22吸收的热量总是大于冷凝器24放出的热量，其差值就是有机朗肯循环机组20的机械能输出量及不可避免的损耗，也就是说，与不经过有机朗肯循环机组20而直接冷却相比，冷却系统30减少的冷量输入数值就基本等于有机朗肯循环机组20的机械能输出量的数值，因此冷却系统30的耗电量得到降低。
考虑到高温高压的有机工质蒸汽经过膨胀机23后会产生有机工质乏汽，因此一般在膨胀机23与工质泵21之间的连接上设置冷凝器24，通过冷凝器24将有机工质乏汽冷却液化，液化后的有机工质再流至工质泵21继续循环。
冷却系统30工作过程为：通过冷却水泵31提供动力，使在冷却塔33中得到冷却的循环水流过冷却器32时，吸收CNG的压缩过程中产生的而有机朗肯循环机组20未来得及吸收的剩余热量，使CNG进一步降温，然后循环水再流过冷凝器24，吸收有机工质的进行液化相变时释放的热量，最后再次进入冷却塔33中进行冷却，如此循环。
一般通过冷却系统30将进入中间罐15之前的CNG降低至环境温度；通过将CNG降低至环境温度再通过中间罐15进行快速充装，与常规CNG快速充装相比，减小了CNG充装时的比体积，使充装量得到了保障。
具体的，所述工质泵21、蒸发器22、膨胀机23和冷凝器24通过工质管路25循环连接在一起。
具体的，所述冷却水泵31、冷却器32、冷凝器24和冷却塔33通过冷却水管道34循环连接在一起。
为了提高热交换效果，蒸发器22、冷凝器24、冷却器32均优选为逆流式换热器。

Claims (7)

1.基于有机朗肯循环的CNG辅助生产装置，其特征在于：包括CNG压缩系统(10)、有机朗肯循环机组(20)和冷却系统(30)；
所述CNG压缩系统(10)包括储气罐(11)、第一级压气机(12)、第二级压气机(13)、电动机(14)和中间罐(15)；
所述有机朗肯循环机组(20)包括工质泵(21)、蒸发器(22)、膨胀机(23)和冷凝器(24)；
所述冷却系统(30)包括冷却水泵(31)、冷却器(32)和冷却塔(33)；
所述储气罐(11)的出气口与第一级压气机(12)的进气口连接，所述第一级压气机(12)的出气口与第二级压气机(13)的进气口连接，所述第二级压气机(13)的出气口与蒸发器(22)的CNG入口连接，所述蒸发器(22)的CNG出口与冷却器(32)的CNG入口连接，所述冷却器(32)的CNG出口与中间罐(15)的进气口连接；所述电动机(14)的驱动端与第二级压气机(13)的宽口侧轴端传动连接；
所述工质泵(21)的工质出口与蒸发器(22)的工质入口连接，所述蒸发器(22)的工质出口与膨胀机(23)的工质入口连接，所述膨胀机(23)的工质出口与冷凝器(24)的工质入口连接，所述冷凝器(24)的工质出口与工质泵(21)的工质入口连接；所述膨胀机(23)的驱动端与第一级压气机(12)传动连接；
所述冷却水泵(31)的出水口与冷却器(32)的进水口连接，所述冷却器(32)的出水口与冷凝器(24)的进水口连接，所述冷凝器(24)的出水口与冷却塔(33)的进水口连接，所述冷却塔(33)的出水口与冷却水泵(31)的进水口连接。
2.如权利要求1所述的基于有机朗肯循环的CNG辅助生产装置，其特征在于：所述膨胀机(23)的宽口侧轴端通过联轴器(121)与第一级压气机(12)的宽口侧轴端传动连接。
3.如权利要求1所述的基于有机朗肯循环的CNG辅助生产装置，其特征在于：所述中间罐(15)上设有至少两个CNG快充接头(151)。
4.如权利要求1所述的基于有机朗肯循环的CNG辅助生产装置，其特征在于：所述储气罐(11)、第一级压气机(12)、第二级压气机(13)、蒸发器(22)和中间罐(15)通过CNG输送管路(16)依次连接。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的基于有机朗肯循环的CNG辅助生产装置，其特征在于：所述工质泵(21)、蒸发器(22)、膨胀机(23)和冷凝器(24)通过工质管路(25)循环连接在一起。
6.如权利要求1至4中任意一项所述的基于有机朗肯循环的CNG辅助生产装置，其特征在于：所述冷却水泵(31)、冷却器(32)、冷凝器(24)和冷却塔(33)通过冷却水管道(34)循环连接在一起。
7.如权利要求1至4中任意一项所述的基于有机朗肯循环的CNG辅助生产装置，其特征在于：所述蒸发器(22)、冷凝器(24)、冷却器(32)均为逆流式换热器。
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