CN210396824U - 一种天然气余压冷能发电梯级利用系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及天然气余压利用技术领域，具体涉及一种天然气余压冷能发电梯级利用系统，包括膨胀发电模块和冷媒制冷系统；所述膨胀发电系统包括通过管路依次连通在高压调节阀和低压调节阀之间的透平膨胀机、冷能换热器和电加热器，所述透平膨胀机与发电机电连接，发电机与电加热器电连接；冷媒制冷系统包括通过管道依次连通设置的工质泵、制冰蒸发器、河水加热器和透平膨胀机，工质泵和透平膨胀机分别与冷能换热器的出口和进口连通；所述制冰蒸发器的工作端与制冰装置循环连通；与现有技术相比，冷凝后的低沸点有机工质中的冷能通过制冰蒸发器得以利用起来，换热设备投资小，且能源利用效率高，制冰可获取收益，增强技术实施经济性。

Description

一种天然气余压冷能发电梯级利用系统

技术领域

本实用新型涉及天然气余压利用技术领域，具体涉及天然气余压冷能发电梯级利用系统。

背景技术

目前我国天然气在输送工艺过程中，需要经压气站升至高压输送，而至用户侧则需要降压使用。在此过程中，提高输气压力时，需要消耗动力驱动压气机组；降低输气压力时，现在一般采用调压阀组降压的方式。采用调压阀调压时，具有高品质的压力能完全消耗在克服阀门的局部阻力上，无法得到有效利用；且经调压阀组降压后，天然气温度降低(焦耳—汤姆逊效应)，为了提供给用户使用，还需要额外提供热量提升天然气至合适的温度，该过程又将是一个能量消耗过程。

在液化天然气的冷能利用中，国内外的一些技术都较为成熟。而天然气这块由于冷

较小，余压回收技术较少。随着经济和技术的发展，国内也出现了天然气余压利用技术的研发，大多采用余压发电配合冷能制冰的利用工艺。目前的天然气压差发电技术中都是利用冷

较高部分发电，在冷

较低部分利用途径较少，多数用来制冰，且在余冷发电部分的剩余冷量没有很好的利用起来，例如以下的几个技术方案。

授权公告号为CN105201558A的发明专利公开了一种基于单螺杆膨胀机的天然气输送管线余压发电系统，该发明主要是利用单螺杆膨胀机将天然气输送管线的压力能进行发电，膨胀后的低压天然气进入油气分离器将天然气和润滑油分离，分离后的天然气经空气加热器进入原有天然气输送管线送至下游用户，分离后润滑油通过润滑油泵将润滑油加压后再次泵入单螺杆膨胀机需要润滑的位置，同时通过空气加热器将低温天然气回升至下游用户需要的温度。该发明提出的工艺仅仅是利用了部分的天然气余压，还有大量的冷能被浪费掉，发电效率较低，而且润滑油与天然气相接触，造成了天然气的污染。

授权公告号为CN103334891A的发明专利公开了一种天然气调压式发电装置，该发明采用涡轮装置回收天然气压力能发电。该发明提出的工艺，既没有考虑冷能的回收利用，也没有解决天然气直接膨胀后释放大量冷能引起的设备堵塞和腐蚀等问题。

授权公告号为CN203430574U的实用新型专利公开了一种利用小型天然气管网压力能发电的装置，该实用新型提出采用小型气体膨胀机回收天然气压力能发电，实现小功率发电自用功能。膨胀后的天然气通过压力温度平衡器稳定天然气压力和对天然气回温。该实用新型尽管合理利用了天然气压力能实现发电自用，但由于发电功率较小，仅在1-5kW，不适合流量较大的天然气调压场所。同时，该实用新型同样存在天然气冷能无法回收的问题，且膨胀后的天然气通过压力温度平衡器调节后，天然气回温幅度有限，膨胀释放的冷能仍旧会引起设备堵塞和腐蚀问题。

授权公告号为CN104088605A的发明专利公开了一种基于压力能发电和热泵加热的天然气井口加热节流系统，该发明采用膨胀机发电机组替代传统的节流调压装置，利用膨胀发电机把气井采出的天然气中的压力能转换为电能，膨胀后的低温天然气加热首先通过空气预热器利用环境热量使天然气温度部分恢复，再通过膨胀发电机组生产的电能驱动热泵系统，通过再热器将热泵的热量用来加热经空气预热器后的天然气，使得膨胀降压后的天然气加热到外送集输管道所需的温度。该发明提出的工艺尽管节省了天然气加热的能源，并通过热泵装置实现膨胀后天然气的补热回温，但是仍旧没有考虑冷能的回收利用。

授权公告号为CN105041395A的发明专利公开了一种通过载冷剂子系统把压力能发电子系统和制冷补热子系统整合在一起，以实现压力能回收综合利用，利用分级补热方式，提高天然气膨胀发电量的同时，回收天然气冷能用于生产商品冰或者提供冷需求。该发明提出的工艺，虽然考虑了膨胀后释放大量冷能引起的设备堵塞和腐蚀问题，但是采用分级补热的方式进行的，增加了工艺的复杂性，而且浪费了部分的冷能。

授权公告号为CN203847188U的实用新型专利公开了一种天然气调压站余能综合利用系统，该实用新型采用膨胀发电机组回收天然气中的压力能，并通过低温发电机组利用低温天然气冷能发电并回收部分冷能。同时，通过换热器进一步回收低温发电机组利用后的冷能，回收的冷量供冷用户或者直接向环境排放。与上述发明专利相比，有效利用了天然气的冷能，但由于天然气未经预处理，在常温下采用膨胀发电机组直接膨胀将导致设备堵塞、腐蚀和磨蚀现象的发生，并且低温发电机组的发电效率基本在10％左右，投资成本大，冷能利用率低。

授权公告号为CN106437911A的发明专利公开了一种天然气管网余压综合发电系统。天然气余压发电子系统利用高压天然气降压所产生的压力能进行发电，天然气余冷发电子系统以经过天然气余压发电子系统降压之后的低温天然气为冷源，以常温空气为热源进行发电，润滑油子系统提供润滑作用，由监测调控子系统对运行状态进行监测调整。该发明利用余冷来发电，但使用的是CO2等无机工质冷凝温度非常低，很多天然气余压膨胀后参数达不到这一数值，普适性差，且只利用空气作热源在冬季温度较低时加热效果差，换热投资大没有效益，造成了这部分冷量白白浪费。

综上，现有的天然气余压冷能发电梯级利用系统，存在不能最大能效地利用天然气余压能，并大多数只适用于单独一种调压站天然气参数的利用，适用范围小。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术中的不足，本实用新型的目的是提供一种天然气余压冷能发电梯级利用系统，能够最大能效的利用天然气余压能，并对大多数不同调压站天然气参数的利用具有适用范围广的特点。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：本申请提供一种天然气余压冷能发电梯级利用系统，包括膨胀发电模块和冷媒制冷系统；所述膨胀发电系统包括通过管路依次连通在高压调节阀和低压调节阀之间的透平膨胀机、冷能换热器和电加热器，所述透平膨胀机与发电机电连接，发电机与电加热器电连接；冷媒制冷系统包括通过管道依次连通设置的工质泵、制冰蒸发器、河水加热器和余冷透平膨胀机，工质泵和透平膨胀机分别与冷能换热器的出口和进口连通；所述制冰蒸发器的工作端与制冰装置循环连通。

其中，高压调节阀和低压调节阀之间连通设置有天然气调压装置。

其中，河水加热器和余冷透平膨胀机之间设置有用于加热的备用加热器。

本实用新型的有益效果：与现有技术相比，(1)与其他的天然气余压利用系统相比，采用了透平膨胀机进行余压发电，机组运行稳定可靠，发电效率高。相比其他余压能利用装置，发电量大大增加，可用于输气量大的天然气调压站，适用范围广；(2)相对于常规的天然气余压利用系统，本申请采用低沸点有机工质进行余冷发电，对天然气余压利用后的温度要求较低，适用于绝大多数的调压站天然气调压后降温参数，提高余压发电总量。增加备用电加热器，保障在各种情况下天然气输送的安全性；(3)相对于常规的天然气余压利用系统，冷凝后的低沸点有机工质中的冷能通过制冰蒸发器得以利用起来，换热设备投资小，且能源利用效率高，制冰可获取收益，增强技术实施经济性。

附图说明

利用附图对本实用新型作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本实用新型的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本实用新型天然气余压冷能发电梯级利用系统的流程图。

附图说明：10-天然气调压装置；11-高压调节阀；12-低压调节阀；23-调节阀；20-透平膨胀机；21-冷能换热器；22-电加热器；30-余冷透平膨胀机；31-制冰蒸发器；32-河水加热器；33-备用加热器；34-工质泵；40-制冰装置。

具体实施方式

结合以下实施例对本实用新型作进一步描述。

本实用新型的一种天然气余压冷能发电梯级利用系统的具体实施方式，如图1所示，包括膨胀发电模块和冷媒制冷系统。

膨胀发电系统包括通过管路依次连通在高压调节阀2311和低压调节阀2312之间的透平膨胀机20、冷能换热器21和电加热器22；透平膨胀机20与发电机电连接，发电机与电加热器22电连接。应当说明的是，透平膨胀机20采用的是阿特拉斯透平膨胀机20，高压调节阀2311连通的是天然气高压管网，低压调节阀2312连通的是天然气低压管网，天然气低压管网是为下游用户进行天然气提供的；高压调节阀2311和低压调节阀2312之间连通设置有天然气调压装置10。膨胀发电系统的工作过程如下，在本系统运行时，关闭天然气调压装置10，高压常温的天然气从高压调节阀2311进入并流经调节阀2323，然后进入透平膨胀机20进行发电，透平膨胀机20带动发电机组发电，发电电量可用于调压站内用电，发电量较大时多余电力并入电网上网。高压天然气在流经透平膨胀机20后变成低温低压天然气，膨胀后的低压低温天然气流入冷能换热器21进行换热，天然气的温度压力是根据下游用户输气要求而定，例如，低温天然气经过冷能换热器21后升温至-15℃左右，升温后的低压天然气再经过电加热器22加热到0℃以上回到调压装置后管道送去下游用户，电加热器22电力由发电机组(透平膨胀机20)提供。

冷媒制冷系统包括通过管道依次连通设置的工质泵34、制冰蒸发器31、河水加热器32和余冷透平膨胀机3020，工质泵34和余冷透平膨胀机3020分别与冷能换热器21的出口和进口连通；所述制冰蒸发器31的工作端与制冰装置40循环连通。其工作过程如下，低温天然气进入冷能换热器21内并与冷能换热器21内的低沸点有机工质换热，将从冷媒制冷系统的余冷透平膨胀机3020出来的低压有机工质蒸汽冷凝，冷凝后的有机工质然后通过工质泵34增压后到制冰蒸发器31，并与制冰装置40进行换热，降低制冰装置40中盐水的盐水温度至-20～-30℃左右。冷凝后的有机工质在制冰蒸发器31中换热后，低沸点有机工质蒸发气化，在此过程升温至0℃以上，变成过热气体。低沸点有机工质再经过河水加热器3233与河水换热，升温至10～15℃过热后进入余冷透平膨胀机3020，带动发电机组发电，膨胀后的低压有机气体再回到冷能换热器21循环换热，从而构成低温朗肯循环。此循环能够最大程度的利用冷能并冷

较小的天然气参数环境。

在本实施例中，河水加热器32和余冷透平膨胀机3020之间设置有用于加热的备用加热器33。备用加热器33作为低沸点有机工质过热的备用热源，保证整个低温朗肯循环的正常运行。制冰装置40采用成熟的盐水制冰工艺，既蒸发有机工质的同时又能将剩余冷能利用起来，制造冰块售冰获益。

本实施例的天然气余压冷能发电梯级利用系统，与现有技术相比，第一、与其他的天然气余压利用系统相比，采用了透平膨胀机20进行余压发电，机组运行稳定可靠，发电效率高。相比其他余压能利用装置，发电量大大增加，可用于输气量大的天然气调压站，适用范围广。第二、相对于常规的天然气余压利用系统，本申请采用低沸点有机工质进行余冷发电，对天然气余压利用后的温度要求较低，适用于绝大多数的调压站天然气调压后降温参数，提高余压发电总量。增加备用电加热器22，保障在各种情况下天然气输送的安全性。第三、相对于常规的天然气余压利用系统，冷凝后的低沸点有机工质中的冷能通过制冰蒸发器31得以利用起来，换热设备投资小，且能源利用效率高，制冰可获取收益，增强技术实施经济性。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。

Claims (3)

1.一种天然气余压冷能发电梯级利用系统，其特征在于：包括膨胀发电模块和冷媒制冷系统；

所述膨胀发电系统包括通过管路依次连通在高压调节阀(11)和低压调节阀(12)之间的透平膨胀机(20)、冷能换热器(21)和电加热器(22)，所述透平膨胀机(20)与发电机电连接，发电机与电加热器(22)电连接；

冷媒制冷系统包括通过管道依次连通设置的工质泵(34)、制冰蒸发器(31)、河水加热器(32)和余冷透平膨胀机(30)，工质泵(34)和透平膨胀机(30)分别与冷能换热器(21)的出口和进口连通；

所述制冰蒸发器(31)的工作端与制冰装置(40)循环连通。

2.根据权利要求1所述的天然气余压冷能发电梯级利用系统，其特征在于：高压调节阀(11)和低压调节阀(12)之间连通设置有天然气调压装置(10)。

3.根据权利要求1所述的天然气余压冷能发电梯级利用系统，其特征在于：河水加热器(32)和余冷透平膨胀机(30)之间设置有用于加热的备用加热器(33)。

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