CN214500908U - 一种天然气压力能的多级利用与调峰系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种天然气压力能的多级利用与调峰系统，包括：一级降压单元，其包括对高压天然气降温降压的气波制冷机、对降温后天然气冷能进行回收利用的一级换热器；二级降压单元，其包括发电系统和二级换热器，所述发电系统将与所述一级换热器换热之后的天然气压力能转化为调峰电能，所述二级换热器将被所述发电系统利用压力能之后的乏气冷能进行回收利用。本实用新型利用天然气两次降压的压力能制取天然气水合物及制冷、发电，实现用电、用气、空调制冷的多方面调峰，实现了天然气的压力能高效利用。

Description

一种天然气压力能的多级利用与调峰系统

技术领域

本实用新型涉及天然气管网压力能回收技术领域，尤其是一种天然气压力能的多级利用与调峰系统。

背景技术

天然气在管道输送给用户之前需要进行固体杂质处理、脱硫脱酸等净化工艺处理，以脱硫为例，脱硫时，需要使用一定的脱硫溶液，吸收含硫气体后，含硫的富液一般会送至发生器处理，转化为贫液，再次进行脱硫塔吸收含硫气体。这往往导致富液中蕴含的压力能的浪费，因此合理利用富液中含有的压力能具有重大意义。

天然气经净化等工艺处理后，为保证天然气正常输送，我国的高压天然气管网的输气压力可达10MPa以上，我国的天然气输气管网具有不同的压力等级，一般需要调压阀进行常规的调压操作，高压天然气蕴含的压力能由此白白浪费。同时由于压力急剧降低，往往还会导致水合物形成，引起阀门堵塞和安全问题。

目前，我国天然气发展迅速，管道长度逐年增加，其中蕴含巨大的压力能，但压力能利用系统却未能普及，这无疑是能源的巨大浪费。

随着能源的消耗以及生活水平的提高，能源的浪费严重，但由于燃气使用及电力使用存在明显的日不均匀性，如何有效保证居民用电、居民用气的合理需求，如何减少空调能耗等都是值得关注的问题。

实用新型内容

针对现有技术的缺陷，本实用新型提供了一种天然气压力能的多级利用与调峰系统，解决了高压天然气压力能得不到充分利用被浪费的技术问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种天然气压力能的多级利用与调峰系统，包括：

一级降压单元，其包括对高压天然气降温降压的气波制冷机、对降温后天然气冷能进行回收利用的一级换热器；

二级降压单元，其包括发电系统和二级换热器，所述发电系统将与所述一级换热器换热之后的天然气压力能转化为调峰电能，所述二级换热器将被所述发电系统利用压力能之后的乏气冷能进行回收利用。

其进一步技术方案为：

还包括脱硫单元，其包括对来自高压管网的天然气脱硫的脱硫反应器、将脱硫富液的压力能为合成氨反应的反应气进行加压的压力转换装置，脱硫反应器的气侧出口与所述气波制冷机入口连接。

所述压力转换装置内通过活动闸阀分隔成两个腔体，其中一个腔体上设有高压脱硫富液入口、低压脱硫富液出口，另一个腔体上设有低压反应气入口、高压反应气出口，所述高压脱硫富液入口与脱硫反应器的高压脱硫富液出口连接，所述低压脱硫富液出口通过三通阀一分别与含硫气体储罐、脱硫反应器的脱硫贫液入口连接；所述高压反应气出口与合成氨反应装置连接。

所述一级换热器、二级换热器分别通过蓄冷装置与用户侧的空调系统连接，为用户提供冷量；所述一级换热器、二级换热器均包括气侧管路和水侧管路。

所述一级换热器的气侧管路入口与所述气波制冷机的出口连接，所述一级换热器的气侧管路出口与所述发电系统中的透平膨胀机连接入口连接，所述透平膨胀机出口与所述二级换热器气侧管路入口连接，所述二级换热器气侧管路出口连接至天然气管网，将被所述二级换热器吸收冷能之后的乏气通过管网供给居民用户或燃气电厂。

所述空调系统包括与用户室内空气换热的风机盘管，其包括水侧管路和空气侧管路。

所述蓄冷装置采用自然分层蓄冷器，所述自然分层蓄冷器的冷水层入口与所述一级换热器或二级换热器冷水侧管路出口连接，冷水层出口与所述风机盘管的入水管连接，所述风机盘管的出水管与所述自然分层蓄冷器的温水层入口连接，温水层出口与所述一级换热器或二级换热器热水侧管路进口连接。

当与所述一级换热器、二级换热器分别换热的蓄冷装置的冷量，不足使所述空调系统满足用户侧的用冷需求时，采用与蒸汽压缩制冷系统的换热的额外的所述蓄冷装置，额外的所述蓄冷装置与所述空调系统连接，用于给所述空调系统提供额外的冷量；所述蒸汽压缩制冷系统包括形成制冷剂循环回路的压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，所述蒸发器内设有额外的水侧管路用于与额外的所述蓄冷装置连接。

所述发电系统还包括与所述透平膨胀机动力连接的发电机。

所述二级降压单元还包括水合反应物储罐，所述水合反应物储罐的入口与所述一级换热器的气侧管路出口连接，并在连接管路上设有调压装置和水管入口，所述水合反应物储罐出口与天然气管网连接，用于供给居民用户或燃气电厂。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型充分利用天然气两次降压分别用于制取天然气水合物及制冷与用电，并实现用电、用气、空调制冷的多方面调峰，实现了天然气的压力能高效利用。本实用新型具有如下优点：

1、本实用新型将天然气脱硫工艺中的富液压力能用于合成氨反应中氮气和氢气的初级增压，且采用的是效率更高的正位移技术，是压力能向压力能的转换，有效利用富液中的压力能。

2、本实用新型使用气波制冷机将管道天然气压力能转换为冷能，适合功率的气波制冷机为天然气水合物的生成创造压力条件，换热器和蓄冷装置的配合创造合适的温度条件，由此天然气与水反应生成天然气水合物，同时避免了天然气因温度过低引发水合物阻塞管路的问题。

3、本实用新型采用透平膨胀机对管道天然气进行二次降压利用，透平膨胀机和磁力联轴器和发电机配合工作，发电可直接供给用户，冷量通过换热器与蓄冷装置供夏季空调用户使用，充分利用天然气压力能。

4、本实用新型采用透平膨胀发电减少了高峰用电时燃气电厂的供电压力，透平膨胀制冷与气波制冷减少了原电力蒸汽压缩制冷系统的夏季供冷压力，备用气罐的天然气以及天然气水合物保障了用气高峰时燃气电厂和用气居民的正常需求。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的蓄冷装置的结构示意图。

图3为本实用新型风机盘管的结构示意图。

图中：1、调节阀一；2、脱硫反应器；2a、气侧入口；2b、高压脱硫富液出口；2c、脱硫贫液入口；2d、气侧出口；3、调节阀二；4、压力转换装置；4a、高压脱硫富液入口；4b、低压反应气入口；4c、低压脱硫富液出口；4d、高压反应气出口；5、压缩装置；6、合成氨反应器及后处理装置；7、调节阀三；8、压力表；9、气波制冷机；11、一级换热器；12、蓄冷装置一；13、调节阀四；15、水合反应物储罐；16、调节阀五；17、透平膨胀机；18、磁力联轴器；19、发电机；20、二级换热器；21、蓄冷装置二；26、备用气罐；29、三通阀二；30、压缩机；31、冷凝器；32、膨胀阀；33、蒸发器；34、蓄冷装置三；35、贫液输送泵；36、三通阀一；37、含硫气体储罐；38、自然分层蓄冷器；38a、温水层出口；38b、温水层入口；38c、冷水层出口；38d、冷水层入口；39、温水回水泵；42、蓄冷水泵；43、供冷水泵；46、冷冻水泵；47、风机盘管；47a、入水管；47b、出水管。

具体实施方式

以下结合附图说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，本实施例的天然气压力能的多级利用与调峰系统，包括：

一级降压单元，其包括对高压天然气降温降压的气波制冷机9、对降温后天然气冷能进行回收利用的一级换热器11；

二级降压单元，其包括发电系统和二级换热器20，发电系统将被一级换热器11吸热之后的天然气压力能转化为调峰电能，二级换热器20将被发电系统利用压力能之后的乏气冷能进行回收利用。

上述实施例中，还包括脱硫单元，其包括对来自高压管网的天然气脱硫的脱硫反应器2、将脱硫富液的压力能为合成氨反应的反应气进行加压的压力转换装置4，脱硫反应器2的气侧出口2d与气波制冷机9入口连接。

压力转换装置4内通过活动闸阀分隔成两个腔体，其中一个腔体上设有高压脱硫富液入口4a、低压脱硫富液出口4c，另一个腔体上设有低压反应气入口4b、高压反应气出口4d，高压脱硫富液入口4a与脱硫反应器2的高压脱硫富液出口2b连接，低压脱硫富液出口4c通过三通阀一36分别与含硫气体储罐37、脱硫反应器2的脱硫贫液入口2c连接；高压反应气出口4d与合成氨反应装置连接。

作为一种具体形式，脱硫反应器2的气侧入口2a与高压天然气管网连接，并在连接管路上设置调节阀一1，用于调节流量。脱硫反应器2中的脱硫药剂与高压天然气中含硫物质反应，生成高压脱硫富液，从高压脱硫富液出口2b经管路由高压脱硫富液入口4a流入压力转换装置4，并在上设置调节阀二3用于控制流量。

作为一种具体形式，合成氨反应装置包括压缩装置5和合成氨反应器及后处理装置6，合成氨反应的反应气：低压氮气、氢气进入压力转换装置4升压后变成高压氮气、氢气，进入压缩装置5，具体可采用压缩机设备，进一步升压后，进入合成氨反应器及后处理装置6发生后续的反应最终制成氨。

降压后的低压脱硫富液由低压脱硫富液出口4c经过三通阀一36，在压力差的作用下，将吸收的含硫气体释放到含硫气体储罐37内，并排到外部处理装置(图中未示出)，释放含硫气体的低压脱硫富液经三通阀一36由贫液输送泵35输送，通过脱硫贫液入口2c进入脱硫反应器2，参与下个脱硫循环；被脱硫后的天然气由脱硫反应器2的气侧出口2d进入气波制冷机9，气波制冷机9的出口与一级换热器11的气侧管路入口连接；气侧出口2d与气波制冷机9进口的管路上设置有调节阀三7，气波制冷机9进口、出口侧管路上均设有压力表8。

在脱硫单元中，压力转换装置4利用了脱硫富液的压力能，为合成氨反应的反应气提供了部分压力能。

压力转换装置4作为现有技术中常见的压力转换器，其工作原理是：具有活动的阀门，具有两个入口4a、4b和两个出口4c、4d，活动的阀门受左右阀室的压力影响。该装置采用压力能向压力能的转换，使用了正位移技术，仅仅给氮气和氢气进行初级增压，并非直接达到合成氨的压力水平，因而只是节省一部分压缩装置5的功耗。

一级换热器11、二级换热器20分别通过蓄冷装置与用户侧的空调系统连接，为用户提供冷量；一级换热器11、二级换热器20均包括气侧管路和水侧管路。

一级换热器11的气侧管路入口与气波制冷机9的出口连接，一级换热器11的气侧管路出口与发电系统中的透平膨胀机17连接入口连接，并在连接管路上设有调节阀五16，透平膨胀机17出口与二级换热器20气侧管路入口连接，二级换热器20气侧管路出口连接至天然气管网，将被二级换热器20吸收冷能之后的乏气通过下游低压管路供给居民用户或燃气电厂。具体地，完成透平膨胀后的天然气的压力和温度达到要求时才能送至下游用户。

具体地，将被二级换热器20吸收冷能之后的乏气通过低压管网分别被输送用于居民用气、备用气罐26和燃气电厂，并且输送管路上均设有调压阀。备用气罐26设有与燃气电厂、居民用气相连的出气端。用于用气调峰。

当与一级换热器11、二级换热器20分别换热的蓄冷装置的冷量，不足使空调系统满足用户侧的用冷需求时，采用与蒸汽压缩制冷系统的换热的额外的蓄冷装置，额外的蓄冷装置与空调系统连接，用于给空调系统提供额外的冷量；蒸汽压缩制冷系统包括形成制冷剂循环回路的压缩机30、冷凝器31、膨胀阀32和蒸发器33，蒸发器33内设有额外的水侧管路用于与额外的蓄冷装置连接，额外的水侧管路与蒸发器33内制冷剂盘管换热。

如图1所示，与一级换热器11、二级换热器20连接的蓄冷装置分别为蓄冷装置一12、蓄冷装置二21，额外的蓄冷装置为蓄冷装置三34。

如图3所示，空调系统包括与用户室内空气换热的风机盘管47，其包括水侧管路和空气侧管路。

如图2和图3所示，上述三个蓄冷装置结构相同，均采用自然分层蓄冷器38，自然分层蓄冷器38的冷水层入口38d与一级换热器11或二级换热器20或蒸发器33的冷水侧管路出口连接，并在连接管路上设置冷冻水泵46、调节阀；冷水层出口38c与风机盘管47的入水管47a连接，并在连接管路上设置调节阀、供冷水泵43；风机盘管47的出水管47b与自然分层蓄冷器38的温水层入口38b连接，并在连接管路上设置温水回水泵39、调节阀；温水层出口38a与一级换热器11或二级换热器20或蒸发器33的热水侧管路进口连接，并在连接管路上设置调节阀、蓄冷水泵42；

二级降压单元还包括水合反应物储罐15，水合反应物储罐15的入口与一级换热器11的气侧管路出口连接，并在连接管路上设有调压装置和水管入口，水合反应物储罐15出口与天然气管网连接，用于供给居民用户或燃气电厂。

上述气波制冷机9作为现有技术中常见利用气体压力能制冷的设备，其工作原理如下：气波制冷机9中分布着多根脉动管，高压天然气高速气流喷入一端封闭的脉动管后，压缩管内原有气体并产生激波。喷入管内的气流通过动力压缩和激波压缩将部分能量传给管内原有气体，使自身温度下降。降温后的天然气从气波制冷机9出口输出到一级换热器11中，与一级换热器11换热升温后，大部分进入透平膨胀机17做功，另一小部分由于一级降压单元中适当功率的气波制冷机9为天然气水合物的生成创造压力条件，由支管经调节阀四13调压与支管上接入的水在压力(0℃、3MPa)条件下，发生水合反应生产天然气水合物，由水合反应物储罐15暂存，水合反应物储罐15的天然气水合物通过管路和三通阀二29分别输送到居民用气侧和燃气电厂侧。具体地，蓄冷装置一12中的温水层出口管38b连接的调节阀，可调节蓄水流量，创造天然气水合物生成的温度条件(0～10℃)，如此方能实现天然气水合物的制取，蓄冷装置一12还可以将部分冷量应用至夏季空调系统。

发电系统还包括与透平膨胀机17依次动力连接的磁力联轴器18、发电机19。该发电系统以及燃气电厂的发电用于用户用电、以及压缩整齐制冷循环用电。

本实施例的天然气压力能的多级利用与调峰系统的工作流程：

天然气首先进行脱硫处理，在脱硫单元中，利用正位移技术将脱硫富液中的压力能转换为氮气和氢气的压力能，为合成氨原料气进行了初级增压，该脱硫单元中的压力转换装置使得脱硫工艺中压力能得到有效利用；经脱硫等净化工艺以及其他工艺处理后的天然气往往具有很高的压力，一级降压单元使用气波制冷机替代了原始的调压阀，气波制冷机将天然气压力降至3Mpa左右，降压后的天然气与换热器、蓄冷装置换热，在适宜的条件下与水反应生成天然气水合物；二级降压单元主要利用一级降压后的天然气的压力能，使用透平膨胀系统将压力能转换为电能和冷能；电、气、冷的多方调峰单元在以上的基础上，利用一级降压单元和二级降压单元的冷量，减少原电力供应的蒸发压缩制冷系统的能耗；利用二级降压单元的电能，减少电厂的电力供应压力；利用备用气罐和天然气水合物储罐作为用户用气高峰时的替补气源。

本实施例的天然气压力能的多级利用与调峰系统实现了电、气、冷的多方调峰，燃气电厂和发电机19电力供应，其中发电机19优先供应；下游低压管路、备用气罐26和水合反应物储罐15的燃气供应，下游低压管路优先供应；三个蓄冷装置的冷量供应，其中蓄冷装置一12和蓄冷装置二21优先供应。蓄冷装置一12和蓄冷装置二21的冷能用于夏季空调系统，从而节省蓄冷装置三34的能耗，节省了蒸汽压缩制冷系统的能耗；用气高峰时燃气供应不足时，备用气罐26内的天然气和水合反应物储罐15作为备用气源；用电高峰时，来自发电机19的电能可减少燃气电厂的供电压力。

Claims (10)

1.一种天然气压力能的多级利用与调峰系统，其特征在于，包括：

一级降压单元，其包括对高压天然气降温降压的气波制冷机(9)、对降温后天然气冷能进行回收利用的一级换热器(11)；

二级降压单元，其包括发电系统和二级换热器(20)，所述发电系统将与所述一级换热器(11)换热之后的天然气压力能转化为调峰电能，所述二级换热器(20)将被所述发电系统利用压力能之后的乏气冷能进行回收利用。

2.根据权利要求1所述的天然气压力能的多级利用与调峰系统，其特征在于，还包括脱硫单元，其包括对来自高压管网的天然气脱硫的脱硫反应器(2)、将脱硫富液的压力能为合成氨反应的反应气进行加压的压力转换装置(4)，脱硫反应器(2)的气侧出口(2d)与所述气波制冷机(9)入口连接。

3.根据权利要求2所述的天然气压力能的多级利用与调峰系统，其特征在于，所述压力转换装置(4)内通过活动闸阀分隔成两个腔体，其中一个腔体上设有高压脱硫富液入口(4a)、低压脱硫富液出口(4c)，另一个腔体上设有低压反应气入口(4b)、高压反应气出口(4d)，所述高压脱硫富液入口(4a)与脱硫反应器(2)的高压脱硫富液出口(2b)连接，所述低压脱硫富液出口(4c)通过三通阀一(36)分别与含硫气体储罐(37)、脱硫反应器(2)的脱硫贫液入口(2c)连接；所述高压反应气出口(4d)与合成氨反应装置连接。

4.根据权利要求1所述的天然气压力能的多级利用与调峰系统，其特征在于，所述一级换热器(11)、二级换热器(20)分别通过蓄冷装置与用户侧的空调系统连接，为用户提供冷量；所述一级换热器(11)、二级换热器(20)均包括气侧管路和水侧管路。

5.根据权利要求4所述的天然气压力能的多级利用与调峰系统，其特征在于，所述一级换热器(11)的气侧管路入口与所述气波制冷机(9)的出口连接，所述一级换热器(11)的气侧管路出口与所述发电系统中的透平膨胀机(17)连接入口连接，所述透平膨胀机(17)出口与所述二级换热器(20)气侧管路入口连接，所述二级换热器(20)气侧管路出口连接至天然气管网，将被所述二级换热器(20)吸收冷能之后的乏气通过管网供给居民用户或燃气电厂。

6.根据权利要求5所述的天然气压力能的多级利用与调峰系统，其特征在于，所述空调系统包括与用户室内空气换热的风机盘管(47)，其包括水侧管路和空气侧管路。

7.根据权利要求6所述的天然气压力能的多级利用与调峰系统，其特征在于，所述蓄冷装置采用自然分层蓄冷器(38)，所述自然分层蓄冷器(38)的冷水层入口(38d)与所述一级换热器(11)或二级换热器(20)冷水侧管路出口连接，冷水层出口(38c)与所述风机盘管(47)的入水管(47a)连接，所述风机盘管(47)的出水管(47b)与所述自然分层蓄冷器(38)的温水层入口(38b)连接，温水层出口(38a)与所述一级换热器(11)或二级换热器(20)热水侧管路进口连接。

8.根据权利要求5所述的天然气压力能的多级利用与调峰系统，其特征在于，当与所述一级换热器(11)、二级换热器(20)分别换热的蓄冷装置的冷量，不足使所述空调系统满足用户侧的用冷需求时，采用与蒸汽压缩制冷系统的换热的额外的所述蓄冷装置，额外的所述蓄冷装置与所述空调系统连接，用于给所述空调系统提供额外的冷量；所述蒸汽压缩制冷系统包括形成制冷剂循环回路的压缩机(30)、冷凝器(31)、膨胀阀(32)和蒸发器(33)，所述蒸发器(33)内设有额外的水侧管路用于与额外的所述蓄冷装置连接。

9.根据权利要求5所述的天然气压力能的多级利用与调峰系统，其特征在于，所述发电系统还包括与所述透平膨胀机(17)动力连接的发电机(19)。

10.根据权利要求1所述的天然气压力能的多级利用与调峰系统，其特征在于，所述二级降压单元还包括水合反应物储罐(15)，所述水合反应物储罐(15)的入口与所述一级换热器(11)的气侧管路出口连接，并在连接管路上设有调压装置和水管入口，所述水合反应物储罐(15)出口与天然气管网连接，用于供给居民用户或燃气电厂。

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