CN114087533B - 一种利用天然气压力能发电制冰的调压设施系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用天然气压力能发电制冰的调压设施系统，上游高压天然气经过过滤、计量、天然气膨胀发电机组后变为低级别压力天然气进入下游天然气管网；载冷剂循环系统用于传输热泵制冰机组与天然气膨胀发电机组之间的热量；热泵制冰机组通过热泵压缩机等使制冷剂通过与载冷剂换热，将天然气膨胀降压释放的冷能转移到制冰过程，既能实现补热，又能实现制冰。当本发明与传统调压路并联设置，通过设计计算，对设备进行合理的规模配置，并通过对出口压力的阶梯设置方式，即可使天然气压力能发电制冰路优先运行，原有传统计量调压路可以不做改动，且处于热备状态，不会影响站场平稳运行。

Description

一种利用天然气压力能发电制冰的调压设施系统和方法
技术领域
本发明涉及一种利用天然气压力能发电制冰的调压设施系统和方法，尤其适用于天然气分输站、门站、调压站等需要对天然气进行调压、补热的场合，既能独立一路设置也能适配传统调压路进行并联设置。
技术背景
我国天然气产业发展迅速，国家投入建设了大量的天然气管网、场站等基础设施。“全国一张网”建设加快推进，互联互通能力明显提升，储气调峰能力进一步增强，采暖季实现平稳供气。四大进口通道进一步完善，互联互通重大基础设施快速推进，西气东输三线、陕京四线、中俄东线（北段、中段）、中靖联络线、青宁线、天津深圳地区 LNG 外输管道等干线管道相继投产。全国天然气管道总里程达到约 11 万公里。
天然气作为一种清洁的低碳化石能源，在我国国民经济及人民生活中占据至关重要的地位。在我国，天然气的输送主要采用管道输送的方式，在境外或西部气田采集的天然气，经增压到一定压力后并入国家管线向中东部地区输送。我国国家级管网压力为6.3~12MPa，省市级压力为2.5~6.3MPa，下游城市管网的运行压力在0.05~0.4MPa左右。城市管网天然气一般由上游省级、市级管线接入，经逐级调压后送入下游用户供气管线。
现状大多天然气场站内的调压方式基本上是采用节流阀元件进行等焓节流降压。根据“焦耳-汤姆逊效应”，高压气体在通过截面突然缩小的断面时，由于局部阻力，气体的压力将会降低，温度会发生变化。天然气在降压的同时其温度也会降低，根据计算经验一般来说天然气压力每下降1MPa，其温度会对应下降约5℃。此节流降压的方式存在大量的温降，若不进行补热，则会导致出站温度低于5℃供气温度的标准要求。尤其在环境温度较低的季节，节流调压后的温度甚至达零下十几度，容易对输送管道产生冰堵等隐患。传统的解决方案是通过燃气锅炉烧热水或者电伴热带提前对高压气体加热，这不仅需要消耗燃气或电能，同时造成压力能的严重浪费。
高压天然气输送管网中存在着巨大的压力能，如何利用其充沛的压力能已成为世界性课题。因此需要一种利用天然气压力能的调压设施系统，不影响其原设计的调压功能，且既能够充分利用压力能，又能够满足调压降压过程中的补热需求。
发明内容
本发明发明所要解决的问题是提供一种利用天然气压力能发电制冰的调压设施系统和方法，该系统和方法适用范围广，安全可靠，节能高效，能够满足天然气分输站、门站、调压站等需要对天然气进行调压、补热的需求。
本发明的技术解决方案是：一种利用天然气压力能发电制冰的调压方法，上游高压天然气分二路，第一路为传统调压路，包括A个分路，A≥1，第一路的每个分路均经过计量调压进入下游天然气管网，第二路为压力能发电制冰路，包括B个分路，B≥1，第二路的每个分路均经过过滤、计量、天然气膨胀发电机组后变为低级别压力天然气进入下游天然气管网；通过载冷剂循环系统连接热泵制冰机组和天然气膨胀发电机组并使热泵制冰机组远离天然气管路，载冷剂循环系统用于传输热泵制冰机组与天然气膨胀发电机组之间的热量；热泵制冰机组通过热泵压缩机使制冷剂通过与载冷剂换热，将天然气膨胀降压释放的冷能转移到制冰过程，既能实现补热，又能实现制冰；由第一路的A个分路和第二路的B个分路组成n=A+B个支路，将第一路的A个分路依次作为排前的支路、第二路的B个分路依次作为排后的支路，根据下游天然气管网用气情况，按前后支路顺序将各支路出口压力由低到高阶梯设置，通过下游天然气管网用气压力以控制各支路的开启运行或处于热备状态。
所述各支路出口压力按下式获得的Pi确定设置，
式中，Pi为第i支路出口压力，Qi为第i支路输气流量，i=1，2，…n，n=A+B；Pd为下游管网平均运行压力； Qd为下游管网总输气流量； e=2.7183；R=8.3143。将所述的支路按上述原则进行编排后，随着编排序号的增大，所设定分支路的出口压力也依次增大，且均大于下游管网平均运行压力，根据天然气出流特性，出口压力设定高的分支路优先调压送气，以此来保障所设置的压力能发电制冰路优先送气，而其他分支路处于热备状态。
经过天然气膨胀发电机组膨胀后的天然气温度控制在设定值，如5℃以上。
本发明可采用多级保护，有效保障设施系统及下游管网的安全：第一级保护：在第二路进口设置电动调节阀和气动紧急切断阀并检测第二路输气流量，当流量达到1.05倍设计流量时，启动报警并通过关小电动调节阀开度控制输气流量；当检测到输气流量达到1.10倍设计流量时，启动高报警并通过关小电动调节阀开度控制输气流量；当检测到流量超过1.10倍设计流量时，启动高高报警并联锁电动调节阀和气动紧急切断阀执行关断命令；第二级保护：监测天然气膨胀发电机组前后管道的压力和温度，当压力高于设定值和温度低于设定值时关闭设置在第二路进口的气动紧急切断阀；第三级保护：在第二路进口设置安全放散阀，当上游压力超压时，通过开启安全放散阀进行安全放散。
本发明还提供了一种利用天然气压力能发电制冰的调压设施系统，包括分别连接于上游高压天然气管道和下游天然气管网之间的第一计量调压路和第二计量调压路，第一计量调压路采用常规计量调压路，第二计量调压路包括依次连接的天然气压力能发电制冰路调压前管道、天然气膨胀发电机组和天然气压力能发电制冰路调压后管道，所述天然气压力能发电制冰路调压前管道上设有压力表一、压力变送器一、温度计一、温度变送器一、过滤器、流量计、气动紧急切断阀、电动调节阀和调压前放散阀组，所述天然气压力能发电制冰路调压后管道上设有温度计二、温度变送器二、压力表二、压力变送器二、调压后放散阀组。
所述天然气膨胀发电机组上设有换热器，天然气膨胀发电机组侧设有载冷剂循环系统和热泵制冰机组，热泵制冰机组通过载冷剂循环系统和换热器连接。
本发明还包括PLC控制器，PLC控制器的控制端分别与压力变送器一、温度变送器一、压差变送器、流量计、气动紧急切断阀、电动调节阀、温度计二、温度变送器二、压力表二和压力变送器二的信号端连接。
所述第一计量调压路包括A个分路，A≥1，第一计量调压路的每个分路均经过计量调压进入下游天然气管网；第二计量调压路包括B个分路，B≥1，由A个分路和B个分路组成n=A+B个支路，将A个分路依次作为排前的支路、B个分路依次作为排后的支路，根据下游天然气管网用气情况，按前后支路顺序将各支路出口压力由低到高阶梯设置，通过下游天然气管网用气压力以控制各支路的开启运行或处于热备状态；各支路出口压力按前述Pi公式确定设置。
上游高压天然气经过过滤、计量、天然气膨胀发电机组后变为低级别压力天然气进入下游天然气管网；载冷剂循环系统用于传输热泵制冰机组与天然气膨胀发电机组之间的热量；热泵制冰机组通过热泵压缩机等使制冷剂通过与载冷剂换热，将天然气膨胀降压释放的冷能转移到制冰过程，既能实现补热，又能实现制冰。当本设施系统与传统调压路并联设置，通过设计计算，对设备进行合理的规模配置，并通过对出口压力的阶梯设置方式，即可使天然气压力能发电制冰路优先运行，原有传统计量调压路可以不做改动，且处于热备状态，不会影响站场平稳运行。本设施系统可形成标准化产品，配合适配其标准化产品的标准操作流程。
本发明的有益效果是：适用范围广，安全可靠，节能高效，能够满足天然气分输站、门站、调压站等需要对天然气进行调压、补热的需求，既能独立一路设置也能适配传统调压路进行并联设置。
附图说明
图1是本发明独立成路设置的工艺流程示意图。
图2是本发明适配传统调压路并联设置的工艺流程示意图。
具体实施方式
本发明调压方法，将上游高压天然气分二路，第一路为传统调压路，包括A个分路，A≥1，第一路的每个分路均经过计量调压进入下游天然气管网，第二路为压力能发电制冰路，包括B个分路，B≥1，第二路的每个分路均经过过滤、计量、天然气膨胀发电机组后变为低级别压力天然气进入下游天然气管网；通过载冷剂循环系统连接热泵制冰机组和天然气膨胀发电机组并使热泵制冰机组远离天然气管路，载冷剂循环系统用于传输热泵制冰机组与天然气膨胀发电机组之间的热量；热泵制冰机组通过热泵压缩机使制冷剂通过与载冷剂换热，将天然气膨胀降压释放的冷能转移到制冰过程，既能实现补热，又能实现制冰；由第一路的A个分路和第二路的B个分路组成n=A+B个支路，将第一路的A个分路依次作为排前的支路、第二路的B个分路依次作为排后的支路，根据下游天然气管网用气情况，按前后支路顺序将各支路出口压力由低到高阶梯设置，通过下游天然气管网用气压力以控制各支路的开启运行或处于热备状态。
所述各支路出口压力按下式获得的Pi确定设置，
式中，Pi为第i支路出口压力，Qi为第i支路输气流量，i=1，2，…n，n=A+B；Pd为下游管网平均运行压力； Qd为下游管网总输气流量，通常Qd=Q1+Q2+……+Qn； e=2.7183；R=8.3143。将所述的支路按上述原则进行编排后，随着编排序号的增大，所设定分支路的出口压力也依次增大，且均大于下游管网平均运行压力，根据天然气出流特性，出口压力设定高的分支路优先调压送气，以此来保障所设置的压力能发电制冰路优先送气，而其他分支路处于热备状态。
参见图1和图2，上游天然气通过管道101进入本发明天然气压力能发电制冰路，通过天然气压力能发电制冰路调压前管道203，其间经过球阀1a、压力表PG0101、压力变送器PT0101、温度计TG0101、温度变送器TT0101、过滤器（过滤器2、球阀1d、阀套式排污阀20a）、压差表PdG0202、压差变送器PdT0202、流量计3、气动紧急切断阀4、电动调节阀5、调压前放散阀组（球阀1e、球阀1f、截止阀7a、安全放散阀6a）、球阀1b后进入天然气膨胀发电机组。其后天然气压力能发电制冰路调压后管道204经过温度计TG0501、温度变送器TT0501、压力表PG0501、压力变送器PT0501、调压后放散阀组（球阀1g、球阀1h、截止阀7b、安全放散阀6b）、球阀1c后进入下游天然气。
天然气膨胀发电机组内，高压天然气进入膨胀机9，天然气绝热膨胀输出动能，膨胀机9带动发电机10进行发电，所发电量除满足系统内部使用外还能有富裕电量进行外输。高压天然气在膨胀机9进行等熵膨胀过程中，在得到机械能的同时伴随着比等焓节流更大的温度降低，降温降压后的天然气经油气分离器11、换热器12补热、调压稳压器13稳压后进入下游。
载冷剂系统主要是用于传输热泵系统与天然气膨胀机组之间的热量，同时将热泵系统与天然气膨胀机组隔离开，保证系统安全性。载冷剂储存于载冷剂罐14内，载冷剂循环泵15为载冷剂循环提供动力，载冷剂与热泵系统中热泵压缩机出口的高温、高压制冷剂换热获得热量，再与经绝热膨胀后的天然气在换热器12中进行换热，保证膨胀后的天然气温度在5℃以上。
热泵制冰机组内，热泵压缩机17将低压低温的制冷剂压缩至高压高温，通过冷凝器16将制冷剂的热量传递给载冷剂，同时制冷剂冷凝为高压低温液体，再经节流阀18到制冰机19（起蒸发器作用）进行蒸发，一部分气化，大部分变为低压低温液体，吸收水的热量后制冷剂蒸发为低压低温气体，又被压缩机抽走，重复循环过程；而被吸收热量的水则成为成品冰制品，根据制冰机19的型式，可制成成品片冰或成品块冰。
综上所述，本发明主要技术路线为：天然气压力能膨胀发电+热泵补热+冷能制冰。相比于传统的等焓节流需要补热的调压方式，本发明既利用天然气压力能进行发电，还利用从水中的热量对等熵膨胀的天然气进行了补热，并且还利用冷能进行了制冰，这是一举三得的利用方式。
除特别说明外，本发明中所涉及的仪器、仪表及设备均为公知产品。
本设施系统可以单路设置，可以多路并联设置，也可以和传统调压路并联设置，参见图2。
参见图2，当本设施系统和传统调压路并联设置时，通过对膨胀机9、调压稳压器10运行压力的设定，使天然气压力能发电制冰路出口压力P3略高于传统调压路1、2的出口压力P1、P2，形成阶梯式出口压力，即可使天然气压力能发电制冰路优先运行，原有传统计量调压路可以不做改动，且处于热备状态，不会影响站场平稳运行。
并联系统压力设定值：P3＞P2＞P1。
当处于夏季用气低峰时：下游流量需求减小，下游压力较高，处于P2~P3范围内时，原有调压支路因出口压力设定值较低，先行自动关闭，天然气压力能发电制冰路因出口压力设定值P3较高仍然开启运行。
当处于冬季用气高峰时：膨胀发电机组内置限流装置电动调节阀5，使天然气压力能发电制冰路的天然气流量不高于设定值；下游天然气的流量需求增大时，出口压力下降，当降低至P1~P2范围内时，原有传统调压路2自动开启投入运行，天然气压力能发电制冰路、传统调压路2共同运行向下游供气；若下游天然气需求进一步增加，则表明其出口压力进一步降低至小于P1时，原有传统调压路1自动开启投入运行，天然气压力能发电制冰路、传统调压路2、传统调压路1同运行向下游供气。
多路设置时，每路的阶梯压力经验公式如下：
式中，
Pi——并联管网每路分输设置阶梯压力，i=1，2，3…n，MPa；Pi+1＞Pi；
△P——阶梯压力压差，MPa；
Pd——下游管网平均运行压力，MPa；
Pt——调压器稳压精度下最小调节压力，MPa；
k——下游管网容忍度系数；
Qi——并联管网每路分输量，i=1，2，3…n，Nm3/h；
Qd——下游管网总流量，Nm3/h；
a——阶梯压力系数；
n——向下游管网输送的并联路数，一般情况下n≤6；
e——自然底数，e=2.7183；
R——气体常数，R=8.3143。
示例：某一门站，下游管网平均运行压力为0.30MPa，工艺流程内设置3条分支路1万方/h的压力能发电制冰路、2万方/h的传统调压路、4万方/h的传统调压路并联向同一下游进行送气，其具体步骤如下：
1）明确具体送气功能，需要1万方/h的压力能发电制冰路最先开启送气，不足时2万方/h的传统调压路开启送气，仍不足时4万方/h的传统调压路进行开启送气；
2）按照上述编排原则，将4万方/h的传统调压路编号为1，2万方/h的传统调压路编号为2，1万方/h的压力能发电制冰路编号为3，则Q1=40000Nm3/h、Q2=20000Nm3/h、Q3=10000Nm3/h；
3）根据上述公式求得，a=1.873774、k=0.03553；假设查得该工况调压器稳压精度下最小调节压力Pt为0.01MPa，而下游管网平均运行压力Pd为0.30MPa，算得△P=0.02MPa，则算得，P1=0.30MPa、P2=0.32MPa、P3=0.34MPa。
4）由此得到，该门站此3条分支路出口压力应设置如下：1万方/h的压力能发电制冰路出口压力设置为0.34MPa、2万方/h的传统调压路出口压力设置为0.32MPa、4万方/h的传统调压路出口压力设置为0.30MPa。实验证明，按上述方法设置的各分支路出口压力，能够很好地分配各分支路的调节开闭，并很好满足下游用气变化的需求。
本公式提供了一种多分支路并联向同一下游送气情况下的阶梯压力设置方法，公式结合了对实际工程中设置方式的数值拟合，并融入了调压设备中性能参数在实际调压设置中的影响因素，能够很好地分配各分支路的调节开闭，并很好满足下游用气变化的需求。
本设施系统其控制逻辑如下：
1）与PLC相连的信号点位有压力变送器PT0101、温度变送器TT0101、压差变送器PdT0202、流量信号FY0301、切断信号XIS0401、调节阀信号HV0401、温度变送器TT0501、压力变送器PT0501。
2）所述的电动调节阀5自带阀位反馈功能，其调节信号输入端来自PLC，而PLC针对此信号的来源，连接流量计3的信号输出端，能够根据流量来进行开度的调节，保障其通过流量不超过膨胀机调节上限，当流量低于设定的经济流量时自动关闭该路。
3）所述的气动调节阀4自带阀位反馈功能，调节信号输入端来自PLC，而PLC针对此信号的来源，连接压力变送器PT0101、流量计3、压力变送器PT0501、温度变送器TT0501的信号输出端，当压力、温度、流量超限，能够进行紧急关断，来保障系统及下游的安全。
本发明对整体设施系统及下游管道有多级设施，当设备发生故障导致超压或超流时，可以起到保护作用，具体如下：
1）第一级保护：电动调节阀5，主要负责进行流量调节，也可以执行启动及关断命令。当流量计3检测到流量达到1.05倍设计流量时，进行报警提示并联锁电动调节阀5关小开度；当流量计3检测到流量达到1.10倍设计流量时，进行高报警提示提示并联锁电动调节阀5关小开度；当流量计3检测到流量超过1.10倍设计流量时，进行高高报警并联锁电动调节阀5、气动紧急切断阀4执行关断命令。
2）第二级保护：气动紧急切断阀4，主要负责紧急关断，响应速度快。当收到流量计3的超流信号、上游压力变送器PT0101、下游压力变送器PT0501的超压信号、温度变送器TT0501的低温信号后，都会进行紧急切断，以保障下游管网的安全。
3）第三级保护：安全放散阀6a、6b，安全放散阀6a主要是作为上游管道的超压放散，安全放散阀6b主要是作为下游管道的超压放散。当上游压力超压时，安全放散阀6a会即时开启进行安全放散保障设施系统的安全。当膨胀机出现故障导致丧失调压功能后，上游高压天然气会直接过气，而安全放散阀6b则会即时开启进行安全放散保障下游管网的安全。

Claims (7)

1.一种利用天然气压力能发电制冰的调压方法，其特征在于：上游高压天然气分二路；第一路为传统调压路，包括A个分路，A≥1，第一路的每个分路均经过计量调压进入下游天然气管网；第二路为压力能发电制冰路，包括B个分路，B≥1，第二路的每个分路均经过过滤、计量、天然气膨胀发电机组后变为低级别压力天然气进入下游天然气管网，通过载冷剂循环系统连接热泵制冰机组和天然气膨胀发电机组并使热泵制冰机组远离天然气管路，载冷剂循环系统用于传输热泵制冰机组与天然气膨胀发电机组之间的热量，热泵制冰机组通过热泵压缩机使制冷剂通过与载冷剂换热，将天然气膨胀降压释放的冷能转移到制冰过程，既能实现补热，又能实现制冰；由第一路的A个分路和第二路的B个分路组成n=A+B个支路，将第一路的A个分路依次作为排前的支路、第二路的B个分路依次作为排后的支路，根据下游天然气管网用气情况，按前后支路顺序将各支路出口压力由低到高阶梯设置，通过下游天然气管网用气压力以控制各支路的开启运行或处于热备状态；所述各支路出口压力按下式获得的Pi确定设置，
式中，Pi为第i支路出口压力，Qi为第i支路输气流量，i=1，2，…n，n=A+B；Pd为下游管网平均运行压力；Qd为下游管网总输气流量；Pt为调压器稳压精度下最小调节压力；e =2.7183；R=8.3143。
2.根据权利要求1所述的利用天然气压力能发电制冰的调压方法，其特征在于：将所述的支路进行编排后，随着编排序号的增大，所设定分支路的出口压力也依次增大，且均大于下游管网平均运行压力，根据天然气出流特性，出口压力设定高的分支路优先调压送气，以此来保障所设置的压力能发电制冰路优先送气，而其他分支路处于热备状态。
3.根据权利要求1或2所述的利用天然气压力能发电制冰的调压方法，其特征在于：经过天然气膨胀发电机组膨胀后的天然气温度控制在设定值，设定值为5℃以上。
4.根据权利要求1或2所述的利用天然气压力能发电制冰的调压方法，其特征在于：采用多级保护，有效保障设施系统及下游管网的安全：第一级保护：在第二路进口设置电动调节阀和气动紧急切断阀并检测第二路输气流量，当流量达到1.05倍设计流量时，启动报警并通过关小电动调节阀开度控制输气流量；当检测到输气流量达到1.10倍设计流量时，启动高报警并通过关小电动调节阀开度控制输气流量；当检测到流量超过1.10倍设计流量时，启动高高报警并联锁电动调节阀和气动紧急切断阀执行关断命令；第二级保护：监测天然气膨胀发电机组前后管道的压力和温度，当压力高于设定值和温度低于设定值时关闭设置在第二路进口的气动紧急切断阀；第三级保护：在第二路进口设置安全放散阀，当上游压力超压时，通过开启安全放散阀进行安全放散。
5.一种利用天然气压力能发电制冰的调压设施系统，其特征在于：包括分别连接于上游高压天然气管道和下游天然气管网之间的第一计量调压路和第二计量调压路，第一计量调压路采用常规计量调压路，第二计量调压路包括依次连接的天然气压力能发电制冰路调压前管道、天然气膨胀发电机组和天然气压力能发电制冰路调压后管道，所述天然气压力能发电制冰路调压前管道上设有压力表一、压力变送器一、温度计一、温度变送器一、过滤器、流量计、气动紧急切断阀、电动调节阀和调压前放散阀组，所述天然气压力能发电制冰路调压后管道上设有温度计二、温度变送器二、压力表二、压力变送器二、调压后放散阀组；
所述第一计量调压路包括A个分路，A≥1，第一计量调压路的每个分路均经过计量调压进入下游天然气管网；第二计量调压路包括B个分路，B≥1，由A个分路和B个分路组成n=A+B个支路，将A个分路依次作为排前的支路、B个分路依次作为排后的支路，根据下游天然气管网用气情况，按前后支路顺序将各支路出口压力由低到高阶梯设置，通过下游天然气管网用气压力以控制各支路的开启运行或处于热备状态；各支路出口压力按下式获得的Pi确定设置，
式中，Pi为第i支路出口压力，Qi为第i支路输气流量，i=1，2，…n，n=A+B；Pd为下游管网平均运行压力；Qd为下游管网总输气流量；Pt为调压器稳压精度下最小调节压力；e=2.7183；R=8.3143。
6.如权利要求5所述的利用天然气压力能发电制冰的调压设施系统，其特征在于：所述天然气膨胀发电机组上设有换热器，天然气膨胀发电机组侧设有载冷剂循环系和热泵制冰机组，热泵制冰机组通过载冷剂循环系统和换热器连接。
7.如权利要求5或6所述的利用天然气压力能发电制冰的调压设施系统，其特征在于：还包括PLC控制器，PLC控制器的控制端分别与压力变送器一、温度变送器一、流量计、气动紧急切断阀、电动调节阀、温度计二、温度变送器二、压力表二和压力变送器二的信号端连接。
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