CN114622961A - 一种天然气余压发电和制冰循环利用系统及利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气余压发电和制冰循环利用系统，包括预冷装置、调压发电装置和制冰装置，预冷装置内设有高压供气管道，高压供气管道与预冷装置内侧壁之间形成预冷空间，调压发电装置包括膨胀机和发电机，膨胀机设有入气口，连通高压供气管道，膨胀机设有第一出气口和第二出气口，制冰装置包括第一换热器、第二换热器和制冰机，还包括天然气循环管道，天然气循环管道的一端连通第一天然气通道的出口和第二天然气通道的出口，另一端连通预冷空间的入口，预冷空间的出口连通下游天然气入气口。经减压发电、冷能制冰利用后的天然气再循环到上游天然气对上游天然气进行预降温，达到天然气调压前后的能量全利用。

Description

一种天然气余压发电和制冰循环利用系统及利用方法

技术领域

本发明涉及天然气余压利用技术领域，具体涉及一种天然气余压发电和制冰循环利用系统及利用方法。

背景技术

天然气从高压管网向低压管网输送，需要经过多次调压，两者压差巨大。目前我国的天然气调压站大多通过调压撬调压，其白白损失了大量压力能；而且天然气通过调压之后，其温度随着压力的下降急剧降低。为了维持天然气在管道内的正常运输，防止过于低温的天然气使输送管道及设备造成低温损害及引起阀门的冰堵，需要通过外部热源对调压后的天然气进行加热，使天然气温度达到一定温度。而外部加热需要外接提供额外的能量，因此传统的天然气调压站的调压方式亟待改进。

公告号为“CN210153557U”专利公开了一种天然气调压站余压综合利用系统。本申请提供了一种天然气调压站余压综合利用系统，包括：天然气调压装置、发电装置和冷库制冷装置；所述天然气调压装置包括原动机、第一冷凝器和温度调节器；所述发电装置包括发电机，所述原动机与所述发电机同轴相连，所述发电机与外部电网连接；所述冷库制冷装置包括第一压缩机、第一节流阀、冷库库房和冷库补充制冷装置；所述冷库库房内设有第一蒸发器和第二蒸发器。本申请的天然气调压站余压综合利用系统除了能利用天然气调压过程中产生的压差发电外，还利用了天然气调压过程中产生的余冷使得冷库库房降温。

公开号为“CN108316981A”专利公开了一种天然气余压与燃气轮机耦合联供系统、管网系统及方法，包括：天然气余压发电、冷能利用、燃气轮机发电、烟气余热利用和天然气预热等五个子系统，包括：膨胀机、第一发电机、制冷换热器、燃气轮机、第二发电机和余热吸收式利用装置，膨胀机和第一发电机连接；制冷换热器与天然气余压发电子系统的出口端连接；第二发电机通过燃气轮机与第二调节阀连接；余热吸收式利用装置与燃气轮机发电子系统的出口端连接。本发明将高压天然气压力能和化学能利用相结合，系统集成优化，对外产生电能、冷能和热能，并输出低压天然气，实现能源梯级利用，供能稳定性增强，系统综合效率大大提高，对分布式能源的推广应用意义重大。

公开号为“CN110118305A”专利公开了一种天然气调压站余压综合利用系统。本申请提供了一种天然气调压站余压综合利用系统，包括：天然气调压装置、发电装置和冷库制冷装置；所述天然气调压装置包括原动机、第一冷凝器和温度调节器；所述发电装置包括发电机，所述原动机与所述发电机同轴相连，所述发电机与外部电网连接；所述冷库制冷装置包括第一压缩机、第一节流阀、冷库库房和冷库补充制冷装置；所述冷库库房内设有第一蒸发器和第二蒸发器。本申请的天然气调压站余压综合利用系统除了能利用天然气调压过程中产生的压差发电外，还利用了天然气调压过程中产生的余冷使得冷库库房降温。

文献(杨会丰等，天然气余压利用技术与发展现状[J]，技术和应用，2019年第7卷第11期：15-18)报道了目前普遍采用的降压方式为节流降压，此过程会产生较大的能量损失，若将此部分压力能利用起来会带来可观的经济效益。通过分析天然气余压利用在余压发电、余压制冷和余压发电-制冷结合上应用的原理，介绍了这些工艺的新技术和新流程以及在现场应用的实例，并指出了这些技术存在的主要问题和日后的研究方向，为研究者们在该领域进行更为广泛和深入的研究提供现实依据。

综上所述，天然气余压在调压过程中释放的能量巨大，如果不加以利用将造成极大的能源浪费，同时其释放的能量也会对天然气调压站设备、天然气输送设备造成较大的影响。但目前天然气余压利用主要仍集中在余压发电、制冰，其利用率不高，余压发电、制冰之后的天然气仍存在一些剩余冷能，尚未达到良好的利用。

发明内容

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明公开一种天然气余压发电和制冰循环利用系统，包括预冷装置、调压发电装置和制冰装置，所述预冷装置设置在上游的高压天然气出气口和下游的所述调压发电装置之间，所述预冷装置内设有高压供气管道，所述高压供气管道与所述预冷装置内侧壁之间形成预冷空间，所述调压发电装置包括膨胀机和发电机，所述膨胀机连接所述发电机和所述制冰装置，所述膨胀机设有入气口，所述入气口连通所述高压供气管道，所述膨胀机设有第一出气口和第二出气口，所述制冰装置包括第一换热器、第二换热器和制冰机，所述第一换热器内设有能进行热交换的第一天然气通道和高压制冷剂气体通道，所述第二换热器内设有能进行热交换的第二天然气通道和制冰水通道，所述第一出气口连通所述第一天然气通道的入口，所述高压制冷剂气体通道的入口连通一输入高压制冷剂气体的管道，所述高压制冷剂气体通道的出口连通至所述制冰机使得由所述高压制冷剂气体经换热后形成的低温制冷剂液体进入所述制冰机，所述第二出气口连通所述第二天然气通道的入口，所述制冰水通道的入口连通一输入制冰水的管道，所述制冰水通道的出口连通至所述制冰机，还包括天然气循环管道，所述天然气循环管道的一端连通所述第一天然气通道的出口和所述第二天然气通道的出口，所述天然气循环管道的另一端连通所述预冷空间的入口，所述预冷空间的出口连通下游天然气入气口。

作为优选，还包括蒸发器和压缩机，所述蒸发器用于蒸发进入所述蒸发器的制冷剂，所述蒸发器连通所述压缩机，所述压缩机压缩由所述蒸发器输出进入所述压缩机的制冷剂气体，使其形成所述高压制冷剂气体，所述压缩机连通所述第一换热器的所述高压制冷剂气体通道的入口。

作为优选，所述预冷空间分为相互隔离的第一预冷空间和第二预冷空间，所述天然气循环管道的另一端连通所述第二预冷空间的入口，所述第二预冷空间的出口连通所述下游天然气入气口，还包括制冷剂循环管道，所述制冷剂循环管道的一端连通所述制冰机使得经过所述制冰机的所述低温制冷剂液体流入所述制冷剂循环管道，所述制冷剂循环管道的另一端连通所述第一预冷空间，使得所述低温制冷剂液体流入所述第一预冷空间，所述第一预冷空间通过管道连通所述蒸发器，使得经热交换的所述低温制冷剂液体进入所述蒸发器。

作为优选，包括第一储水池，所述第一储水池内储存有所述制冰水，所述第一储水池通过管道连通所述制冰水通道的入口。

作为优选，还包括第二储水池，所述第二储水池连通所述第一储水池且用于向所述第一储水池提供所述制冰水，所述天然气循环管道穿过所述第二储水池设置，使得由所述第一天然气通道和所述第二天然气通道排出的进入所述天然气循环管道的天然气与所述第二储水池内储存的水进行热交换。

作为优选，所述预冷装置的内侧壁呈螺旋型设置，所述螺旋方向与所述高压供气管道内的气流方向相反，所述预冷空间的进入口到排出口的设置方向相反于所述高压供气管道的气流方向。

作为优选，所述调压发电装置还包括稳压阀，所述稳压阀设置于所述膨胀机的上游对流经所述高压供气管道的气体进行调压。

作为优选，还包括旁通管道，所述旁通管道的一端连通所述天然气循环管道，所述旁通管道的另一端连通所述下游天然气入气口。

具有如下技术效果：

天然气在门站调压前后会产生很大的压力降，在焦耳—汤姆逊效应下天然气温度会骤降，同时，降压后会释放大量的冷能。而目前调压站一般均采用节流阀等调压装置将天然气直接降压，压力能就会完全消耗在克服流动阻力上而未推动任何的机械做功，从而造成能源浪费。本发明提供的利用系统，将经过减压发电、冷能制冰利用后的天然气再循环到上游天然气对上游天然气进行预降温，同时使得冷能利用后的天然气吸收上游天然气的热量达到接近下游天然气使用温度，达到天然气调压前后的能量全利用。

进一步的，设置制冷剂循环管道，实现制冷剂循环使用的同时，该制冷剂在第一预冷空间内可以对高压天然气进行预冷。

进一步的，设置第二储水池，使得低压天然气穿过第二储水池进行热交换，并第二储水池内水进入第一储水池，使第一储水池中的水先经过在第二储水池中与低压天然气经过热交换降温后再进入第一储水池中，然后通过第一储水池进入第二换热器中进行换热降温，再进入制冰机中制冰，可知，该制冰水依次通过两次与低温天然气换热后再进入制冰机中。

进一步的，预冷装置的内侧壁呈螺旋型设置，可增大接触面积，提高热交换效果。

进一步的，设置旁通管道，当高压供气管内的天然气温度与循环管道内的低压天然气温度差异不超过15℃时，就打开所述旁通管道，使低压天然气不经过预冷室就进入下游天然气入气口，如此设置，是因为温度差太低，则热交换不明显，不具有预降温的必要，反而增加成本。

本发明还提供一种天然气余压发电和制冰循环利用方法，包括如下步骤：

高压天然气从上游的高压天然气出气口穿过预冷室进入膨胀机进行减压膨胀，并带动与膨胀机连接的发电机发电，高压天然气减压膨胀后得到的低温天然气输出膨胀机、并分别输出到第一换热器和第二换热器；

低温天然气在第一换热器中与高压制冷剂气体换热，使高压制冷剂气体降温冷凝得到低温制冷剂液体，换热后得到的低压天然气进入预冷室中，低温天然气在第二换热器中与制冰水换热，使得制冰水降温得到低温水，换热后的低压天然气进入预冷室中；

低温制冷剂液体和制冰水输入制冰机中进行制冰；

换热后的低压天然气在预冷室中与高压天然气换热后输出到下游天然气入气口。

作为优选，所述低压天然气对所述高压天然气进行预降温时，所述低压天然气的流向与所述高压天然气的流向相反。

作为优选，所述低压天然气的流向为沿所述高压天然气的输入管道外表面呈螺旋线流动。

作为优选，所述低压天然气与所述高压天然气的温度差不低于30℃。

具有如下技术效果：

提供的方法中，使得换热后的低压天然气在预冷室中与高压天然气换热，达到天然气调压前后的能量全利用。

进一步的，低压天然气的流向与所述高压天然气的流向相反，可实现充分的热交换。

进一步的，低压天然气的流向为沿所述高压天然气的输入管道外表面呈螺旋线流动，可增大接触面积，提高热交换效果。

进一步的，进行温度差限定，若温度差太低，则热交换不明显，不具有预降温的必要，反而增加成本。

附图说明

图1为本发明所提供的一种天然气余压发电和制冰循环利用系统的一种具体实施方式的结构示意图。

图1中附图标记如下：

1预冷装置，2调压发电装置，3制冰装置，4高压天然气出气口，5膨胀机，6发电机，7第一换热器，8第二换热器，9制冰机，10天然气循环管道，11蒸发器，12压缩机，13制冷剂循环管道，14第一储水池，15第二储水池，16稳压阀，17旁通管道，18下游天然气入气口。

具体实施方式

如图1所示，图1为本发明所提供的一种天然气余压发电和制冰循环利用系统的一种具体实施方式的结构示意图。

本发明提供一种天然气余压发电和制冰循环利用系统，包括预冷装置1、调压发电装置2和制冰装置3，所述预冷装置1设置在上游的高压天然气出气口4和下游的所述调压发电装置2之间，所述预冷装置1内设有高压供气管道，所述高压供气管道与所述预冷装置1内侧壁之间形成预冷空间，所述调压发电装置2包括膨胀机5和发电机6，所述膨胀机5连接所述发电机6和所述制冰装置3，所述膨胀机5设有入气口，所述入气口连通所述高压供气管道，所述膨胀机5设有第一出气口和第二出气口，所述制冰装置3包括第一换热器7、第二换热器8和制冰机9，所述第一换热器7内设有能进行热交换的第一天然气通道和高压制冷剂气体通道，所述第二换热器8内设有能进行热交换的第二天然气通道和制冰水通道，所述第一出气口连通所述第一天然气通道的入口，所述高压制冷剂气体通道的入口连通一输入高压制冷剂气体的管道，所述高压制冷剂气体通道的出口连通至所述制冰机9使得由所述高压制冷剂气体经换热后形成的低温制冷剂液体进入所述制冰机9，所述第二出气口连通所述第二天然气通道的入口，所述制冰水通道的入口连通一输入制冰水的管道，所述制冰水通道的出口连通至所述制冰机9，还包括天然气循环管道10，所述天然气循环管道10的一端连通所述第一天然气通道的出口和所述第二天然气通道的出口，所述天然气循环管道10的另一端连通所述预冷空间的入口，所述预冷空间的出口连通下游天然气入气口18。

天然气在门站调压前后会产生很大的压力降，在焦耳—汤姆逊效应下天然气温度会骤降，同时，降压后会释放大量的冷能。而目前调压站一般均采用节流阀等调压装置将天然气直接降压，压力能就会完全消耗在克服流动阻力上而未推动任何的机械做功，从而造成能源浪费。本发明提供的利用系统，将经过减压发电、冷能制冰利用后的天然气再循环到上游天然气对上游天然气进行预降温，同时使得冷能利用后的天然气吸收上游天然气的热量达到接近下游天然气使用温度，达到天然气调压前后的能量全利用。

如图1所示，还包括蒸发器11和压缩机12，所述蒸发器11用于蒸发进入所述蒸发器11的制冷剂，所述蒸发器11连通所述压缩机12，所述压缩机12压缩由所述蒸发器11输出进入所述压缩机12的制冷剂气体，使其形成所述高压制冷剂气体，所述压缩机12连通所述第一换热器7的所述高压制冷剂气体通道的入口。

进一步的，一种具体实施方式中，预冷空间分为相互隔离的第一预冷空间和第二预冷空间，所述天然气循环管道10的另一端连通所述第二预冷空间的入口，所述第二预冷空间的出口连通所述下游天然气入气口18(图中未示出)，还包括制冷剂循环管道13，所述制冷剂循环管道13的一端连通所述制冰机9使得经过所述制冰机9的所述低温制冷剂液体流入所述制冷剂循环管道13，所述制冷剂循环管道13的另一端连通所述第一预冷空间，使得所述低温制冷剂液体流入所述第一预冷空间，所述第一预冷空间通过管道连通所述蒸发器11，使得经热交换的所述低温制冷剂液体进入所述蒸发器11。

设置制冷剂循环管道13，实现制冷剂循环使用的同时，该制冷剂在第一预冷空间内可以对高压天然气进行预冷。

如图1所示，该具体实施方式中，其包括第一储水池14，所述第一储水池14内储存有所述制冰水，所述第一储水池14通过管道连通所述制冰水通道的入口。

进一步的，还包括第二储水池15，所述第二储水池15连通所述第一储水池14且用于向所述第一储水池14提供所述制冰水，所述天然气循环管道10穿过所述第二储水池15设置，使得由所述第一天然气通道和所述第二天然气通道排出的进入所述天然气循环管道10的天然气与所述第二储水池15内储存的水进行热交换。

设置第二储水池15，使得低压天然气穿过第二储水池15进行热交换，并第二储水池15内水进入第一储水池14，使第一储水池14中的水先经过在第二储水池15中与低压天然气经过热交换降温后再进入第一储水池14中，然后通过第一储水池14进入第二换热器8中进行换热降温，再进入制冰机9中制冰，可知，该制冰水依次通过两次与低温天然气换热后再进入制冰机9中。

该具体实施方式中，预冷装置1的内侧壁呈螺旋型设置，所述螺旋方向与所述高压供气管道内的气流方向相反，所述预冷空间的进入口到排出口的设置方向相反于所述高压供气管道的气流方向。

预冷装置1的内侧壁呈螺旋型设置，可增大接触面积，提高热交换效果。

如图1所示，所述调压发电装置2还包括稳压阀16，所述稳压阀16设置于所述膨胀机5的上游对流经所述高压供气管道的气体进行调压。

该具体实施方式中，还包括旁通管道17，所述旁通管道17的一端连通所述天然气循环管道10，所述旁通管道17的另一端连通所述下游天然气入气口18。

设置旁通管道17，当高压供气管内的天然气温度与循环管道内的低压天然气温度差异不超过15℃时，就打开所述旁通管道17，使低压天然气不经过预冷室就进入下游天然气入气口18，如此设置，是因为温度差太低，则热交换不明显，不具有预降温的必要，反而增加成本。

本发明还提供一种天然气余压发电和制冰循环利用方法，结合图1，包括如下步骤：

高压天然气从上游的高压天然气出气口4穿过预冷室进入膨胀机5进行减压膨胀，并带动与膨胀机5连接的发电机6发电，高压天然气减压膨胀后得到的低温天然气输出膨胀机5、并分别输出到第一换热器7和第二换热器8；

低温天然气在第一换热器7中与高压制冷剂气体换热，使高压制冷剂气体降温冷凝得到低温制冷剂液体，换热后得到的低压天然气进入预冷室中，低温天然气在第二换热器8中与制冰水换热，使得制冰水降温得到低温水，换热后的低压天然气进入预冷室中；

低温制冷剂液体和制冰水输入制冰机9中进行制冰；

换热后的低压天然气在预冷室中与高压天然气换热后输出到下游天然气入气口18。

提供的方法中，使得换热后的低压天然气在预冷室中与高压天然气换热，达到天然气调压前后的能量全利用。

进一步的，所述低压天然气对所述高压天然气进行预降温时，所述低压天然气的流向与所述高压天然气的流向相反。

低压天然气的流向与所述高压天然气的流向相反，可实现充分的热交换。

再者，所述低压天然气的流向为沿所述高压天然气的输入管道外表面呈螺旋线流动。

低压天然气的流向为沿所述高压天然气的输入管道外表面呈螺旋线流动，可增大接触面积，提高热交换效果。

另，所述低压天然气与所述高压天然气的温度差不低于30℃。

进行温度差限定，若温度差太低，则热交换不明显，不具有预降温的必要，反而增加成本。

该方法中，可使得入气口的轴线与预冷室的内侧壁切线的夹角为30～45℃。并所述低压天然气对所述高压天然气进行预降温时，所述低压天然气完全覆盖在所述高压天然气输气管道的外表面。

以上实施方式仅为本发明的示例性实施方式，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出的各种修改或等同替换也落在本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种天然气余压发电和制冰循环利用系统，其特征在于，包括预冷装置、调压发电装置和制冰装置，所述预冷装置设置在上游的高压天然气出气口和下游的所述调压发电装置之间，所述预冷装置内设有高压供气管道，所述高压供气管道与所述预冷装置内侧壁之间形成预冷空间，所述调压发电装置包括膨胀机和发电机，所述膨胀机连接所述发电机和所述制冰装置，所述膨胀机设有入气口，所述入气口连通所述高压供气管道，所述膨胀机设有第一出气口和第二出气口，所述制冰装置包括第一换热器、第二换热器和制冰机，所述第一换热器内设有能进行热交换的第一天然气通道和高压制冷剂气体通道，所述第二换热器内设有能进行热交换的第二天然气通道和制冰水通道，所述第一出气口连通所述第一天然气通道的入口，所述高压制冷剂气体通道的入口连通一输入高压制冷剂气体的管道，所述高压制冷剂气体通道的出口连通至所述制冰机使得由所述高压制冷剂气体经换热后形成的低温制冷剂液体进入所述制冰机，所述第二出气口连通所述第二天然气通道的入口，所述制冰水通道的入口连通一输入制冰水的管道，所述制冰水通道的出口连通至所述制冰机，还包括天然气循环管道，所述天然气循环管道的一端连通所述第一天然气通道的出口和所述第二天然气通道的出口，所述天然气循环管道的另一端连通所述预冷空间的入口，所述预冷空间的出口连通下游天然气入气口。

2.根据权利要求1所述的天然气余压发电和制冰循环利用系统，其特征在于，还包括蒸发器和压缩机，所述蒸发器用于蒸发进入所述蒸发器的制冷剂，所述蒸发器连通所述压缩机，所述压缩机压缩由所述蒸发器输出进入所述压缩机的制冷剂气体，使其形成所述高压制冷剂气体，所述压缩机连通所述第一换热器的所述高压制冷剂气体通道的入口。

3.根据权利要求2所述的天然气余压发电和制冰循环利用系统，其特征在于，所述预冷空间分为相互隔离的第一预冷空间和第二预冷空间，所述天然气循环管道的另一端连通所述第二预冷空间的入口，所述第二预冷空间的出口连通所述下游天然气入气口，还包括制冷剂循环管道，所述制冷剂循环管道的一端连通所述制冰机使得经过所述制冰机的所述低温制冷剂液体流入所述制冷剂循环管道，所述制冷剂循环管道的另一端连通所述第一预冷空间，使得所述低温制冷剂液体流入所述第一预冷空间，所述第一预冷空间通过管道连通所述蒸发器，使得经热交换的所述低温制冷剂液体进入所述蒸发器。

4.根据权利要求1所述的天然气余压发电和制冰循环利用系统，其特征在于，包括第一储水池，所述第一储水池内储存有所述制冰水，所述第一储水池通过管道连通所述制冰水通道的入口。

5.根据权利要求4所述的天然气余压发电和制冰循环利用系统，其特征在于，还包括第二储水池，所述第二储水池连通所述第一储水池且用于向所述第一储水池提供所述制冰水，所述天然气循环管道穿过所述第二储水池设置，使得由所述第一天然气通道和所述第二天然气通道排出的进入所述天然气循环管道的天然气与所述第二储水池内储存的水进行热交换。

6.根据权利要求1所述的天然气余压发电和制冰循环利用系统，其特征在于，所述预冷装置的内侧壁呈螺旋型设置，所述螺旋方向与所述高压供气管道内的气流方向相反，所述预冷空间的进入口到排出口的设置方向相反于所述高压供气管道的气流方向。

7.根据权利要求1所述的天然气余压发电和制冰循环利用系统，其特征在于，所述调压发电装置还包括稳压阀，所述稳压阀设置于所述膨胀机的上游对流经所述高压供气管道的气体进行调压。

8.根据权利要求1所述的天然气余压发电和制冰循环利用系统，其特征在于，还包括旁通管道，所述旁通管道的一端连通所述天然气循环管道，所述旁通管道的另一端连通所述下游天然气入气口。

9.一种天然气余压发电和制冰循环利用方法，其特征在于，包括如下步骤：

高压天然气从上游的高压天然气出气口穿过预冷室进入膨胀机进行减压膨胀，并带动与膨胀机连接的发电机发电，高压天然气减压膨胀后得到的低温天然气输出膨胀机、并分别输出到第一换热器和第二换热器；

低温天然气在第一换热器中与高压制冷剂气体换热，使高压制冷剂气体降温冷凝得到低温制冷剂液体，换热后得到的低压天然气进入预冷室中，低温天然气在第二换热器中与制冰水换热，使得制冰水降温得到低温水，换热后的低压天然气进入预冷室中；

低温制冷剂液体和制冰水输入制冰机中进行制冰；

换热后的低压天然气在预冷室中与高压天然气换热后输出到下游天然气入气口。

10.根据权利要求9所述的天然气余压发电和制冰循环利用方法，其特征在于，所述低压天然气对所述高压天然气进行预降温时，所述低压天然气的流向与所述高压天然气的流向相反。

11.根据权利要求10所述的天然气余压发电和制冰循环利用方法，其特征在于，所述低压天然气的流向为沿所述高压天然气的输入管道外表面呈螺旋线流动。

12.根据权利要求11所述的天然气余压发电和制冰循环利用方法，其特征在于，所述低压天然气与所述高压天然气的温度差不低于30℃。

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