CN208473940U - 天然气压差冷电供应与储冷的联合系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种天然气压差冷电供应与储冷的联合系统，包括涡轮透平机组，所述透平膨胀机组与天然气管道相连接，并与发电机组同轴柔性连接，所述发电机组与电力并网控制系统通过高压电线连接，所述天然气管道后端依次连接有一级换热器和二级换热器，所述的一级换热器和二级换热器分别连接有一级蓄冰池和二级蓄水池，所述的一级蓄冰池和二级蓄水池分别与制冰系统和冷水空调系统连接；本实用新型的优点在于：利用管网压差带动膨胀机转动产生电能、冷能，高效利用高压天然气压力能制冷，对冷能进行梯级利用；透平机组与站内的电动机进行同轴连接，可在膨胀机开启时对于站内的电动机实现同轴联动，减少了电力需求，节约了用电量。

Description

天然气压差冷电供应与储冷的联合系统

技术领域

本实用新型涉及一种冷电供应系统，具体地说是一种天然气压差冷电供应与储冷的联合系统，属于冷电供应系统领域。

背景技术

目前国内外回收利用天然气管网压力能的方式主要有发电和制冷两大类。利用压力能发电，产生的电能可进入城市电网，或用于发电站自身生活、生产使用，或用于分布式制氢在制冷方面，目前主要是将膨胀后低温天然气的冷量，用于燃气调峰、冷库、冷水空调、橡胶深冷粉碎以及轻烃回收等。

利用天然气膨胀机输出功驱动同轴发电机发电。这类工艺一般在天然气膨胀前先将其预热，以保证天然气膨胀后的温度在0℃以上，从而可防止天然气中的水汽凝结将内燃机的余热用于预热天然气至40-200℃，膨胀后的天然气膨胀带动发电机发电，同时将部分膨胀后的天然气燃烧发电。利用该工艺，1m³(标准状态下)天然气可发电7.1kWh，是一般的热电联供机组的两倍。

不利用天然气膨胀所做功，将膨胀后的低温天然气冷量用于燃气轮机进气冷却。该方式可增加进入压气机和燃气透平的空气质量，从而在压比不变的情况下减少所需的压缩功，同时省去发电厂传统的燃气轮机机组冷却设备。Mahmood提出一种可使压气机进口空气温度降低4～25℃，并可将一年中近10个月的燃气轮机效率提高1．5％～5％(11～12月份的燃气轮机效率没有明显提高)的发电工艺。该工艺也需要先对高压天然气进行预热，然后进入膨胀机制冷，膨胀后的低温天然气用以冷却压气机进口空气，进而提高燃气轮机效率。

上述两种方式结合，在利用膨胀机做功的同时也利用膨胀后天然气的冷量。如25℃、4MPa天然气膨胀至0.4MPa后温度在-76℃左右，需要将其加热至0℃以上后进入燃气管网。为节省加热膨胀后低温天然气的热源，进一步利用了该低温天然气的冷量，将低温天然气冷量用于冷却压气机进口空气，此类方式也将经膨胀、升温后的部分天然气进入燃烧室燃烧发电。例如，美国专利US2009／0272115A11131将高压天然气进行多级膨胀做功，并利用冷媒回收各级膨胀后低温天然气冷能。

在压力能的其他利用方面，目前国内外回收利用天然气管网压力能的方式主要有发电和制冷两大类。利用压力能发电，产生的电能可进入城市电网，或用于发电站自身生活、生产使用，或用于分布式制氢；在制冷方面，目前主要是将膨胀后低温天然气的冷量，用于燃气调峰、冷库、冷水空调、橡胶深冷粉碎以及轻烃回收等。

名称为一种利用天然气压差发电冷能的空气分离系统申请号“CN201410205448.7”中国发明专利公开的一种利用天然气压差发电冷能的空气分离系统，为解决现有空气分离系统能耗、水耗大等问题而设计。该利用天然气压差发电冷能的空气分离系统包括天然气压差发电系统、空气分离装置以及连接天然气压差发电系统和空气分离装置的冷媒循环回路，冷媒循环回路用于将天然气压差发电系统产生的冷能输送至空气分离装置进行空气冷却，并将在进行空气冷却时吸收的热量输送至天然气压差发电系统进行天然气的加热。然而，该系统主要是用于解决现有空气分离系统能耗、水耗大等问题，而且对冷能的利用率较低。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型设计了一种天然气压差冷电供应与储冷的联合系统，利用管网压差带动膨胀机转动产生电能、冷能，高效利用高压天然气压力能制冷，对冷能进行梯级利用，减少了电力需求，并与发电机同轴布置电动机，利用机械传动，节约了用电量。

本实用新型的技术方案为：

天然气压差冷电供应与储冷的联合系统，包括透平膨胀机组，所述透平膨胀机组布置在天然气管道管段连接处，使天然气轴向通过透平，带动涡轮转动，所述透平膨胀机组由膨胀机、齿轮减速箱和发电机组构成，所述膨胀机和所述齿轮箱直接连接，所述齿轮箱和所述发电机组之间通过联轴器连接，所述天然气管道后端依次连接有一级换热器和二级换热器，所述的一级换热器和二级换热器分别连接有一级蓄冰池和二级蓄水池，所述的一级蓄冰池和二级蓄水池分别与制冰系统和冷水空调系统连接，通过换热器与透平膨胀机组后端的天然气管道连接进行换热吸收做功降温后的天然气冷量，冷水空调无法完全利用的冷水通往蓄水池进行蓄冷。

其中，所述发电机组为异步发电机。

以上所述，透平膨胀机是一种使压缩气体膨胀并输出功率，因而压力降低和能量减少的原动机。在透平膨胀机中，气体的能量交换发生在导流器的喷嘴叶片间与工作叶轮内。高压气流在喷嘴内进行部分膨胀，然后以一定的速度进入叶轮，推动叶轮旋转；气流进入叶轮后还会进一步膨胀，气流的反冲力进一步推动叶轮旋转，旋转的叶轮轴驱动发电机组进行发电。

在利用膨胀机做功的同时也利用膨胀后天然气的冷量。25℃、4MPa天然气膨胀至1.6MPa后温度在-29℃左右，需要将其加热至0℃以上后进入燃气管网。为节省加热膨胀后低温天然气的热源，进一步利用该低温天然气的冷量，将低温天然气冷量用于蓄冰、蓄冷水及办公制冷的梯级利用方式。

所述透平膨胀机组与电动机同轴连接，所述电动机为同步电动机，可利用机械能传动直接做功输送至门站的高压天然气的压降可以经过透平膨胀机进行回收发电，满足门站内生产、办公设施对电能的需求，将电动机与透平膨胀机同轴布置，利用机械能驱动站内的同轴电动机，并且可以利用天然气调压后的-29℃的天然气进行一级换热器换冷用于蓄冰工艺，二级换热器换冷至-5℃冷能对办公进行制冷或蓄冷水，此时天然气温度达到0℃回到输入下级主管网中。

在透平膨胀机后端做功发电后的天然气的最冷温度可达到零下20℃左右，此时通过不同温度段冷能的梯级利用，在第一梯度利用换热器将零下29℃的冷能对蓄冰池进行制冰，可运输至冷库满足其冷需求；第二梯度利用换热器将零下5℃的冷能对办公楼直接进行供冷或进入蓄水池进行蓄冷水，为办公楼的冷负荷进行调峰，可替代电空调节约电能。

根据不用季节的冷需求进行运行方式的调节，夏季可通过阀门调节减少蓄冰量，增加办公楼制冷量；冬季则关闭供冷负荷及蓄冷水的换热器阀门，全部冷量用于制冰对冷库进行制冷。

透平机组与站内的电动机进行同轴连接，可在膨胀机开启时对于站内的电动机实现同轴联动，节约部分电能。

本实用新型利用高压天然气压力能制冷，即利用透平膨胀机、电力并网设备、换热器等设备实现高压天然气的降压，以冷媒回收降压后低温天然气的冷量进行供冷，如建筑无法利用，可通过蓄冰系统将冷量进行储存，对冷库进行销售，其余冷量可选择在白天电价峰平时段供给多种冷量需求用户，降低制冷费用，或进行蓄冷水对其余时间段对于供冷进行调峰；最后将电动机与透平机组同轴布置，直接利用机械能，减少电能到机械能的转化，在压差发电的同时减少站内其余电动机的电力需求。

本实用新型的优点在于：

（1）将天然气的压力能转化为电能，并且再利用天然气压力降低释放的冷能；

（2）对冷能进行梯级利用，不仅为冷库提供冷源还可对建筑提供冷负荷；

（3）增加水蓄冷设备储存冷量，在白天电价封平时段为附近的建筑的冷负荷进行调峰，减少电力需求；

（4）与透平机组同轴布置电动机利用同轴机械传动，节约电力需求。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

如图1所示，一种天然气压差冷电供应与储冷的联合系统，包括透平膨胀机组，透平膨胀机组最主要的部件是旋转元件（转子或叶轮），被安装在透平轴上，具有沿圆周均匀排列的叶片，属于常规设备的一种；

从天然气管道连接处断开，将等进口内径小于出口内径的透平膨胀机轴向布置在中间，将两端天然气管道与透平机接口处加装法兰，确保密闭性。透平膨胀机及发电机组安装在一结构钢的公共底盘上，每套机组由膨胀机、齿轮减速箱和发电机等构成，膨胀机和齿轮箱直接连接，齿轮箱和发电机之间通过联轴器连接，所述发电机组与电力并网控制系统通过10kV高压电线连接，电力并网控制系统主要为主接线柜及并网柜等常规电气设备，主要接入站内10kV母线，保证站内电力使用并保障不上网向电网反送电。电力并网控制系统包含异步发电机、电机综合保护装置、主断路器等，并将交流输出直接接入电压母线10kV开关柜，经10kV开关柜并入低压交流电网，从而最终实现系统的并网发电功能。所述天然气管道后端依次连接有一级换热器和二级换热器，所述的一级换热器和二级换热器分别连接有一级蓄冰池和二级蓄水池，所述的一级蓄冰池和二级蓄水池分别与制冰系统（为常规设备）和冷水空调系统（如风机盘管为常规设备）连接，通过换热器与透平膨胀机组后端连接吸收冷量，冷水空调无法完全利用的冷水通往蓄水池进行蓄冷。其中，所述发电机组为异步发电机。

所述透平膨胀机是一种使压缩气体膨胀并输出功率，因而压力降低和能量减少的原动机。高压气流在喷嘴内进行部分膨胀，然后以一定的速度进入叶轮，推动叶轮旋转；气流进入叶轮后还会进一步膨胀，气流的反冲力进一步推动叶轮旋转，旋转的叶轮轴驱动发电机组进行发电。

在利用膨胀机做功的同时也利用膨胀后天然气的冷量。25℃、4MPa天然气膨胀至1.6MPa后温度在-29℃左右，需要将其加热至0℃以上后进入燃气管网。为节省加热膨胀后低温天然气的热源，进一步利用该低温天然气的冷量，将低温天然气冷量用于蓄冰、蓄冷水及办公制冷的梯级利用方式。

所述透平膨胀机组与电动机同轴连接，所述电动机为同步电动机。输送至门站的高压天然气可以经过透平膨胀机进行回收发电，满足门站内生产、办公设施对电能的需求，将电动机与透平膨胀机同轴布置，利用机械能驱动站内的同轴电动机，并且可以利用天然气调压后的-29℃的天然气进行一级换热器换冷用于蓄冰工艺，二级换热器换冷至-5℃冷能对办公进行制冷或蓄冷水，此时天然气温度达到0℃回到输入下级主管网中。

Claims (4)

1.天然气压差冷电供应与储冷的联合系统，其特征在于：包括透平膨胀机组，所述透平膨胀机组与天然气管道相连接，所述透平膨胀机组与发电机组柔性连接，所述发电机组与透平膨胀机组同轴连接，所述发电机组与电力并网控制系统通过高压电线连接，所述天然气管道后端依次连接有一级换热器和二级换热器，所述的一级换热器和二级换热器分别连接有一级蓄冰池和二级蓄冰池，所述的一级蓄冰池和二级蓄水池分别与制冰系统和冷水空调系统连接。

2.根据权利要求1所述的天然气压差冷电供应与储冷的联合系统，其特征在于：所述发电机组为异步发电机。

3.根据权利要求1所述的天然气压差冷电供应与储冷的联合系统，其特征在于：在所述透平膨胀机中，气体的能量交换发生在导流器的喷嘴叶片间与工作叶轮内；高压气流在所述喷嘴内进行部分膨胀，然后以一定的速度进入所述叶轮，推动所述叶轮旋转；气流进入所述叶轮后还会进一步膨胀，气流的反冲力进一步推动所述叶轮旋转，旋转的叶轮轴驱动发电机组进行发电。

4.根据权利要求1所述的天然气压差冷电供应与储冷的联合系统，其特征在于：所述透平膨胀机组与电动机同轴连接，所述电动机为同步电动机。