CN116857032A - 一种天然气减压发电制氢系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种天然气减压发电制氢系统包括天然气减压发电模块、电解水模块和工质热泵循环模块；天然气减压发电模块包括依次连接的天然气膨胀机、第一换热器和第二换热器；第一换热器与电解水模块连接；第二换热器与工质热泵循环模块连接。本申请提供的一种天然气减压发电制氢系统，实现了天然气压力能的回收、清洁能源制备和系统的热平衡。
Description
技术领域
本申请涉及天然气压力能回收技术领域，具体涉及一种天然气减压发电制氢系统。
背景技术
天然气作为优质化石能源，其消费量增长迅速，在发电、化工、燃料等领域得到了广泛应用。我国天然气储运源头多在西北和沿海港口，多采用高压管输方式进行长距离输送，通过场站进行调压分配。管道输气上游压力高，输气量大，用户终端则用气分散，供气压力低，现有技术多采用J-T阀节流降压，节流过程中压力能浪费严重，且节流产生的低温使得管道材料性能劣化，存在安全风险。
发明内容
本申请的目的在于提供一种天然气减压发电制氢系统，可以实现天然气压力能的回收、清洁能源制备和系统的热平衡。
本申请实施例提供一种天然气减压发电制氢系统，包括天然气减压发电模块、电解水模块和工质热泵循环模块；所述天然气减压发电模块包括依次连接的天然气膨胀机、第一换热器和第二换热器；所述第一换热器与所述电解水模块连接；所述第二换热器与所述工质热泵循环模块连接。
在一些实施例中，所述电解水模块包括电解槽、储氧罐和储氢罐；所述电解槽的第一出口与所述储氧罐连接；所述电解槽的第二出口与所述储氢罐连接；所述电解槽与所述第一换热器连接。
在一些实施例中，还包括天然气合成模块；所述天然气合成模块与所述天然气减压发电模块和电解水模块连接。
在一些实施例中，所述天然气合成模块包括二氧化碳储存罐和甲烷合成器；所述二氧化碳储存罐和所述储氢罐与所述甲烷合成器的进口连接；所述甲烷合成器的出口与所述天然气减压发电模块连接。
在一些实施例中，所述甲烷合成器的出口与上游天然气运输管道连接。
在一些实施例中，所述储氢罐与下游天然气运输管道连接。
在一些实施例中，所述电解水模块还包括氢压缩机；所述电解槽的第二出口与所述氢压缩机连接；所述氢压缩机与所述储氢罐连接；所述电解槽和所述氢压缩机与所述第一换热器连接。
在一些实施例中，所述氢压缩机与下游天然气运输管道连接。
在一些实施例中，所述工质热泵循环模块包括工质热泵和节流阀；所述工质热泵包括第一出口和第二出口；所述工质热泵的第一出口与所述节流阀连接；所述工质热泵和所述节流阀与所述第二换热器连接。
在一些实施例中，所述工质热泵循环模块还包括工质压缩机；所述工质热泵的第二出口与所述工质压缩机连接；所述工质压缩机和所述节流阀与所述第二换热器连接。
在一些实施例中，所述天然气膨胀机与上游天然气运输管道连接。
在一些实施例中，所述第二换热器与下游天然气运输管道连接。
在一些实施例中，还包括储能模块；所述储能模块与所述天然气减压发电模块、所述电解水模块和所述工质热泵循环模块电连接。
本申请的有益效果在于：将上游的高压天然气经天然气膨胀机减压发电，实现了天然气场站压力能回收；将回收的压力能用于电解制氢，实现清洁能源的制备；同时电解得到的氢还可以用于天然气掺氢和用于合成天然气；将电解产生的热量和取热工质再用于低温天然气换热，实现了系统的热平衡。
附图说明
图1为本申请提供的第一种天然气减压发电制氢系统的结构示意图。
图2为本申请提供的第一种天然气减压发电制氢系统的模块示意图。
图3为本申请提供的第二种天然气减压发电制氢系统的结构示意图。
图4为本申请提供的第二种天然气减压发电制氢系统的模块示意图。
图5为本申请提供的第三种天然气减压发电制氢系统的模块示意图。
图6为现有的天然气减压系统的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
10、天然气减压发电模块；11、天然气膨胀机；12、第一换热器；13、第二换热器；14、上游天然气运输管道；15、下游天然气运输管道；16、焦耳-汤姆逊节流膨胀阀；20、电解水模块；21、电解槽；22、储氧罐；23、储氢罐；24、氢压缩机；30、工质热泵循环模块；31、工质热泵；32、节流阀；33、工质压缩机；40、天然气合成模块；41、二氧化碳储存罐；42、甲烷合成器；50、储能模块。
具体实施方式
下面将结合本申请的实施例和附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。本申请的各种实施例可以以一个范围的型式存在；应当理解，以一范围型式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本申请范围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所数范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。
如图1-图2所示，为本申请提供的第一种天然气减压发电制氢系统，天然气减压发电制氢系统包括天然气减压发电模块10、电解水模块20和工质热泵循环模块30；天然气减压发电模块10包括依次连接的天然气膨胀机11、第一换热器12和第二换热器13；第一换热器12与电解水模块20连接；第二换热器13与工质热泵循环模块30连接。
具体的，上游的高压天然气通过天然气膨胀机11减压发电后，减压后的低温天然气经过第一换热器12和第二换热器13换热升温，达到输气要求后输送至下游天然气运输管道15。天然气减压发电所得电力可以用于电解水模块20电解水，以及工质热泵循环模块30用于给减压后的低温天然气取热。
可以理解的是，上游的高压天然气具有的压力值P1和温度T1，满足：4MPa≥P1≥15MPa；15℃≤T1≤25℃。
本申请通过将上游的高压天然气经天然气膨胀机11减压发电，实现了天然气场站压力能回收，回收电能量级在百千瓦级至兆瓦级之间；通过将回收的压力能用于电解水模块20电解水制氢，实现清洁能源的制备；通过将电解产生的热量和取热工质再用于低温天然气换热，实现了天然气减压发电制氢系统的热平衡，同时还解决了天然气管道出口处气体温度过低，以及低温可能造成的管道损坏，下游设施的运行安全风险，管道结冰等问题。
在一些实施例中，电解水模块20包括电解槽21、储氧罐22和储氢罐23；电解槽21的第一出口与储氧罐22连接；电解槽21的第二出口与储氢罐23连接；电解槽21与第一换热器12连接。
可以理解的是，天然气减压发电所得电能进入电解槽21，用于电解槽21电解水制取氧气和氢气，其中，氧气进入储氧罐22储存以待销售，氢气则进入储氢罐23。电解槽21电解水过程中的产热则传送至第一换热器12用于给减压后的低温天然气取热。
如图3-图4所示，为本申请提供的第二种天然气减压发电制氢系统，天然气减压发电制氢系统还包括天然气合成模块40；天然气合成模块40与天然气减压发电模块10和电解水模块20连接。
可以理解的是，储氢罐23内的氢气可以用于合成天然气。
在一些实施例中，天然气合成模块40包括二氧化碳储存罐41和甲烷合成器42；二氧化碳储存罐41和储氢罐23与甲烷合成器42的进口连接；甲烷合成器42的出口与天然气减压发电模块10连接。
将二氧化碳储存罐41中的二氧化碳和储氢罐23中氢气传输至甲烷合成器42用于合成天然气。
在一些实施例中，甲烷合成器42的出口与上游天然气运输管道14连接。
将合成的天然气输送至上游天然气运输管道14。
在一些实施例中，储氢罐23与下游天然气运输管道15连接。
储氢罐23内的氢气还可以掺入天然气运输管道，实现天然气掺氢运输。
在一些实施例中，电解水模块20还包括氢压缩机24；电解槽21的第二出口与氢压缩机24连接；氢压缩机24与储氢罐23连接；电解槽21和氢压缩机24与第一换热器12连接。
电解槽21电解水制取的氢气可以先通过氢压缩机24加压后进入储氢罐23。
在一些实施例中，氢压缩机24与天然气运输管道连接。
电解槽21电解水制取的氢气还可以先通过氢压缩机24加压后直接进入天然气运输管道，实现天然气掺氢运输。
在一些实施例中，工质热泵循环模块30包括工质热泵31和节流阀32；工质热泵31包括第一出口和第二出口；工质热泵31的第一出口与节流阀32连接；工质热泵31和节流阀32与第二换热器13连接。
地热资源是一种可循环利用的可再生矿产资源。地热资源其功能多，用途广，不仅是一种洁净的能源资源，还可供发电、采暖等利用。在本申请中，工质热泵循环模块30采用地源热泵；地源热泵是一种利用地下浅层地热资源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统；具体的，在本申请中，地源热泵是土壤取热。
工质经过工质热泵31取热后用于低温天然气换热，换热后的工质通过节流阀32减压降温后进入工质热泵31再次取热进行循环。
在一些实施例中，工质热泵循环模块30还包括工质压缩机33；工质热泵31的第二出口与工质压缩机33连接；工质压缩机33和节流阀32与第二换热器13连接。
工质经过工质热泵31取热后，再通过工质压缩机33压缩取热，再用于低温天然气换热，换热后的工质通过节流阀32减压降温后进入工质热泵31再次取热进行循环。
在一些实施例中，天然气膨胀机11与上游天然气运输管道14连接。
可以理解的是，天然气膨胀机11将上游的高压天然气减压发电，实现天然气压力能的回收。
在一些实施例中，第二换热器13与下游天然气运输管道15连接。
减压后的低温天然气在换热升温后，达到输气要求后输送至下游天然气运输管道15。
如图5所示，为本申请提供的第三种天然气减压发电制氢系统，天然气减压发电制氢系统还包括储能模块50；储能模块50与天然气减压发电模块10、电解水模块20和工质热泵循环模块30电连接。
上游的高压天然气通过天然气膨胀机11减压发电后，将电能储存在储能模块50内为电解槽21电解水、氢压缩机24和工质压缩机33提供电能。
综上所述，本申请提供的天然气减压发电制氢系统，通过将上游的高压天然气经天然气膨胀机11减压发电，实现了天然气场站压力能回收，回收电能量级在百千瓦级至兆瓦级之间；通过将回收的压力能为电解槽21电解水、氢压缩机24和工质压缩机33提供电能，实现清洁能源的制备和能源利用；通过将电解产生的热量和取热工质再用于低温天然气换热，实现了天然气减压发电制氢系统的热平衡，同时还解决了天然气管道出口处气体温度过低，以及低温可能造成的管道损坏，下游设施的运行安全风险，管道结冰等问题；通过将电解水制取的氢气掺入下游天然气运输管道15，实现天然气掺氢运输；通过将电解水制取的氢气用于合成天然气，实现了能源的利用，节约了成本。
实施例1
天然气减压发电制氢系统包括天然气减压发电模块10、电解水模块20和工质热泵循环模块30。天然气减压发电模块10包括依次连接的天然气膨胀机11、第一换热器12和第二换热器13。电解水模块20包括电解槽21、储氧罐22、储氢罐23和氢压缩机24；电解槽21的第一出口与储氧罐22连接；电解槽21的第二出口与氢压缩机24连接；氢压缩机24与储氢罐23连接；电解槽21和氢压缩机24与第一换热器12连接；储氢罐23与下游天然气运输管道15连接。工质热泵循环模块30包括工质热泵31、节流阀32和工质压缩机33；工质热泵31的第一出口与节流阀32连接；工质热泵31的第二出口与工质压缩机33连接；工质压缩机33和节流阀32与第二换热器13连接。
实施例2
天然气减压发电制氢系统包括天然气减压发电模块10、电解水模块20、工质热泵循环模块30和天然气合成模块40。天然气减压发电模块10包括依次连接的天然气膨胀机11、第一换热器12和第二换热器13。电解水模块20包括电解槽21、储氧罐22、储氢罐23和氢压缩机24；电解槽21的第一出口与储氧罐22连接；电解槽21的第二出口与氢压缩机24连接；氢压缩机24与储氢罐23连接；电解槽21和氢压缩机24与第一换热器12连接；储氢罐23与下游天然气运输管道15连接。工质热泵循环模块30包括工质热泵31、节流阀32和工质压缩机33；工质热泵31的第一出口与节流阀32连接；工质热泵31的第二出口与工质压缩机33连接；工质压缩机33和节流阀32与第二换热器13连接。天然气合成模块40包括二氧化碳储存罐41和甲烷合成器42；二氧化碳储存罐41和储氢罐23与甲烷合成器42的进口连接；甲烷合成器42的出口与天然气减压发电模块10连接。
实施例3
天然气减压发电制氢系统包括天然气减压发电模块10、电解水模块20、工质热泵循环模块30、天然气合成模块40和储能模块50。储能模块(50)与所述天然气减压发电模块(10)、所述电解水模块(20)和所述工质热泵循环模块(30)电连接。天然气减压发电模块10包括依次连接的天然气膨胀机11、第一换热器12和第二换热器13。电解水模块20包括电解槽21、储氧罐22、储氢罐23和氢压缩机24；电解槽21的第一出口与储氧罐22连接；电解槽21的第二出口与氢压缩机24连接；氢压缩机24与储氢罐23连接；电解槽21和氢压缩机24与第一换热器12连接；储氢罐23与下游天然气运输管道15连接。工质热泵循环模块30包括工质热泵31、节流阀32和工质压缩机33；工质热泵31的第一出口与节流阀32连接；工质热泵31的第二出口与工质压缩机33连接；工质压缩机33和节流阀32与第二换热器13连接。天然气合成模块40包括二氧化碳储存罐41和甲烷合成器42；二氧化碳储存罐41和储氢罐23与甲烷合成器42的进口连接；甲烷合成器42的出口与天然气减压发电模块10连接。
实施例4
天然气减压发电制氢系统包括天然气减压发电模块10、电解水模块20和工质热泵循环模块30。天然气减压发电模块10包括依次连接的天然气膨胀机11、第一换热器12和第二换热器13。电解水模块20包括电解槽21、储氧罐22、储氢罐23和氢压缩机24；电解槽21的第一出口与储氧罐22连接；电解槽21的第二出口与氢压缩机24连接；氢压缩机24与储氢罐23连接；电解槽21和氢压缩机24与第一换热器12连接。工质热泵循环模块30包括工质热泵31、节流阀32和工质压缩机33；工质热泵31的第一出口与节流阀32连接；工质热泵31的第二出口与工质压缩机33连接；工质压缩机33和节流阀32与第二换热器13连接。
实施例5
天然气减压发电制氢系统包括天然气减压发电模块10、电解水模块20、工质热泵循环模块30和天然气合成模块40。天然气减压发电模块10包括依次连接的天然气膨胀机11、第一换热器12和第二换热器13。电解水模块20包括电解槽21、储氧罐22、储氢罐23和氢压缩机24；电解槽21的第一出口与储氧罐22连接；电解槽21的第二出口与氢压缩机24连接；氢压缩机24与储氢罐23连接；电解槽21和氢压缩机24与第一换热器12连接；储氢罐23与下游天然气运输管道15连接。工质热泵循环模块30包括工质热泵31、节流阀32和工质压缩机33；工质热泵31的第一出口与节流阀32连接；工质热泵31的第二出口与工质压缩机33连接；工质压缩机33和节流阀32与第二换热器13连接。天然气合成模块40包括二氧化碳储存罐41和甲烷合成器42；二氧化碳储存罐41和储氢罐23与甲烷合成器42的进口连接；甲烷合成器42的出口与上游天然气运输管道14连接。
对比例1
如图6所示，高压天然气经上游天然气运输管道14输送至焦耳-汤姆逊节流膨胀阀16进行节流降压后经下游天然气运输管道15输送至用户终端。
高压天然气节流过程中的压力能浪费严重，且节流产生的低温使得管道材料性能劣化，存在安全风险。
通过实施例1-5与对比例1对比可知，本申请提供的天然气减压发电制氢系统可以实现天然气压力能的回收、清洁能源制备和系统的热平衡。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上对本申请所提供的一种天然气减压发电制氢系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (13)
1.一种天然气减压发电制氢系统，其特征在于，包括天然气减压发电模块(10)、电解水模块(20)和工质热泵循环模块(30)；所述天然气减压发电模块(10)包括依次连接的天然气膨胀机(11)、第一换热器(12)和第二换热器(13)；所述第一换热器(12)与所述电解水模块(20)连接；所述第二换热器(13)与所述工质热泵循环模块(30)连接。
2.根据权利要求1所述的天然气减压发电制氢系统，其特征在于，所述电解水模块(20)包括电解槽(21)、储氧罐(22)和储氢罐(23)；所述电解槽(21)的第一出口与所述储氧罐(22)连接；所述电解槽(21)的第二出口与所述储氢罐(23)连接；所述电解槽(21)与所述第一换热器(12)连接。
3.根据权利要求2所述的天然气减压发电制氢系统，其特征在于，还包括天然气合成模块(40)；所述天然气合成模块(40)与所述天然气减压发电模块(10)和电解水模块(20)连接。
4.根据权利要求3所述的天然气减压发电制氢系统，其特征在于，所述天然气合成模块(40)包括二氧化碳储存罐(41)和甲烷合成器(42)；所述二氧化碳储存罐(41)和所述储氢罐(23)与所述甲烷合成器(42)的进口连接；所述甲烷合成器(42)的出口与所述天然气减压发电模块(10)连接。
5.根据权利要求4所述的天然气减压发电制氢系统，其特征在于，所述甲烷合成器(42)的出口与上游天然气运输管道(14)连接。
6.根据权利要求2所述的天然气减压发电制氢系统，其特征在于，所述储氢罐(23)与下游天然气运输管道(15)连接。
7.根据权利要求2所述的天然气减压发电制氢系统，其特征在于，所述电解水模块(20)还包括氢压缩机(24)；所述电解槽(21)的第二出口与所述氢压缩机(24)连接；所述氢压缩机(24)与所述储氢罐(23)连接；所述电解槽(21)和所述氢压缩机(24)与所述第一换热器(12)连接。
8.根据权利要求7所述的天然气减压发电制氢系统，其特征在于，所述氢压缩机(24)与下游天然气运输管道(15)连接。
9.根据权利要求1所述的天然气减压发电制氢系统，其特征在于，所述工质热泵循环模块(30)包括工质热泵(31)和节流阀(32)；所述工质热泵(31)包括第一出口和第二出口；所述工质热泵(31)的第一出口与所述节流阀(32)连接；所述工质热泵(31)和所述节流阀(32)与所述第二换热器(13)连接。
10.根据权利要求9所述的天然气减压发电制氢系统，其特征在于，所述工质热泵循环模块(30)还包括工质压缩机(33)；所述工质热泵(31)的第二出口与所述工质压缩机(33)连接；所述工质压缩机(33)和所述节流阀(32)与所述第二换热器(13)连接。
11.根据权利要求1所述的天然气减压发电制氢系统，其特征在于，所述天然气膨胀机(11)与上游天然气运输管道(14)连接。
12.根据权利要求1所述的天然气减压发电制氢系统，其特征在于，所述第二换热器(13)与下游天然气运输管道(15)连接。
13.根据权利要求1所述的天然气减压发电制氢系统，其特征在于，还包括储能模块(50)；所述储能模块(50)与所述天然气减压发电模块(10)、所述电解水模块(20)和所述工质热泵循环模块(30)电连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310763768.3A CN116857032A (zh) | 2023-06-26 | 2023-06-26 | 一种天然气减压发电制氢系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310763768.3A CN116857032A (zh) | 2023-06-26 | 2023-06-26 | 一种天然气减压发电制氢系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116857032A true CN116857032A (zh) | 2023-10-10 |
Family
ID=88226081
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310763768.3A Pending CN116857032A (zh) | 2023-06-26 | 2023-06-26 | 一种天然气减压发电制氢系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116857032A (zh) |
-
2023
- 2023-06-26 CN CN202310763768.3A patent/CN116857032A/zh active Pending
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