CN2755288Y - 新型利用天然气输配管线压差发电的联合发电装置 - Google Patents

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姜小敏
王财友
凌志光
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Abstract

本实用新型属于天然气设备领域，所涉及的新型利用天然气输配管线压差发电的联合发电装置，它包括上级压力的天然气输配管线、下级压力的天然气输配管线、调压器、阀门，其特征是它还包括天然气透平膨胀机发电机组、内燃式燃气发动机发电机组或燃气轮机发电机组、分体式热管换热器。该装置是一种能量利用率很高的发电设备，既回收利用了天然气减压过程中释放的压力能，又回收利用了内燃式燃气发动机发电机组或燃气轮机发电机组发电过程中产生的废热能，由此，可以大幅度地提高天然气的能源利用率，经济效益非常显著。本实用新型可应用于天然气输配城市门站及各级调压站，也可应用于天然气生产气井口附近的调压输出设施中。

Description

新型利用天然气输配管线压差发电的联合发电装置
技术领域
本实用新型属于天然气设备领域，它涉及一种新型利用天然气输配管线压差发电的联合发电装置。
背景技术
我国天然气资源开发利用的重大工程项目进展迅速，西部地区和近海海域已开发了油气田，“西气东输”工程东段已全线贯通，西气已进入上海，东南沿海的大中型城市也正在实施引进液化天然气的工程，我国即将进入大规模使用天然气的新时期。
根据天然气输配的技术规范，天然气输配管线及管网分为若干个压力等级，长输管线压力较高，一般为5.0MPa～8.0MPa，到达城市的门站后，高压天然气需要减压到4.0MPa、2.5MPa和1.6MPa后，进入城市高压管网，然后，城市高压管网的天然气在各高中压调压站减压后进入中压管网，之后，中压管网的天然气还需再次减压进入低压管网，最后，通过低压管网将低压天然气输送至终端用户。传统的减压方法是采用如图1，图2中现有的调压器3，使现有的上级压力的天然气输配管线1中的高压天然气通过现有的调压器3产生的节流过程来降至所要求的压力，然后输入现有的下级压力的天然气输配管线2，这样，高压天然气所具有的压力能白白耗散而未能加以利用，非常可惜。
发明内容
针对现有技术的缺陷，经过分析和研究，本实用新型首次提出一种利用天然气输配管线压差发电的联合发电装置的新构思，在实现天然气减压的同时将原来减压过程损失的压力能转化为轴功率进行发电。
本实用新型解决技术问题的技术方案如下：
一种新型利用天然气输配管线压差发电的联合发电装置，它包括上级压力的天然气输配管线1、下级压力的天然气输配管线2、调压器3、阀门4，8，9，11，其特征是它还包括固装在地基上的由天然气透平膨胀机51，天然气透平膨胀机输出轴511和发电机52组成的天然气透平膨胀机发电机组5，它的天然气透平膨胀机51的天然气进气端口a与分体式热管换热器冷凝段72的天然气出气端口i相连，它的天然气透平膨胀机51的天然气出气端口b与下级压力的天然气输配管线2相连，它的天然气透平膨胀机51通过天然气透平膨胀机输出轴511与发电机52相连、固装在地基上的由内燃式燃气发动机61，内燃式燃气发动机输出轴611和发电机62组成的内燃式燃气发动机发电机组6，它的内燃式燃气发动机61的天然气进气端口c通过阀门8与下级压力的天然气输配管线2相连，它的内燃式燃气发动机61的空气进气端口d与大气相通，它的内燃式燃气发动机61的余热烟气排气端口e与分体式热管换热器蒸发段71的烟气进气端口f相连，它的内燃式燃气发动机61通过内燃式燃气发动机输出轴611与发电机62相连或采用固装在地基上的由压气机101，燃烧室102，热力透平103，转轴104，热力透平输出轴1031和发电机105组成的燃气轮机发电机组10，它的压气机101的空气进气端口j1与大气相通，它的压气机101的高压空气出气端口j2与燃烧室102的高压空气进气端口k1相连，它的燃烧室102的高压空气进气端口k1与压气机101的高压空气出气端口j2相连，它的燃烧室102的天然气进气端口k2通过阀门11与上级压力的天然气输配管线1相连，它的燃烧室102的高温高压烟气出气端口k3与热力透平103的高温高压烟气进气端口l1相连，它的热力透平103的高温高压烟气进气端口l1与燃烧室102的高温高压烟气出气端口k3相连，它的热力透平103的余热烟气排气端口l2与分体式热管换热器蒸发段71的烟气进气端口f相连，它的压气机101通过转轴104与热力透平103连为一体，它的热力透平103通过热力透平输出轴1031与发电机105相连、由固装在地基上的分体式热管换热器蒸发段71，固装在高架上的分体式热管换热器冷凝段72，将分体式热管换热器蒸发段71与分体式热管换热器冷凝段72彼此相连的工质蒸汽输送管道73和工质液体回流管道74组成的分体式热管换热器7，它的分体式热管换热器蒸发段71的烟气进气端口f与内燃式燃气发动机61的余热烟气排气端口e相连或与热力透平103的余热烟气排气端口l2相连，它的分体式热管换热器蒸发段71的烟气排气端口g通过排烟管道与大气相通，它的分体式热管换热器冷凝段72的天然气进气端口h通过阀门9与上级压力的天然气输配管线1相连，它的分体式热管换热器冷凝段72的天然气出气端口i与天然气透平膨胀机51的天然气进气端口a相连。
与现有技术相比本实用新型的优点如下：
研究结果表明，新型利用天然气输配管线压差发电的联合发电装置是一种能量利用率很高的发电设备，既回收利用了天然气减压过程中释放的压力能，又回收利用了内燃式燃气发动机发电机组或燃气轮机发电机组发电过程中产生的废热能，由此，可以大幅度地提高天然气的能源利用率，经初步计算，一般的热电联供机组每消耗1NM3的天然气可发电约3～3.5kWh，而利用本实用新型的新构思，由于回收利用了压力能和废热能，每消耗1NM3的天然气可发电7kWh，经济效益非常显著。
此外，采用分体式热管换热器可保证天然气加热过程中的安全问题。
附图说明
图1为本实用新型含内燃式燃气发动机发电机组的新型利用天然气输配管线压差发电的联合发电装置示意图
图1中，1-上级压力的天然气输配管线，
2-下级压力的天然气输配管线，3-调压器，
4、8、9-阀门，
5-天然气透平膨胀机发电机组，5中包括：
51-天然气透平膨胀机，511-天然气透平膨胀机输出轴，
52-发电机，a-天然气进气端口，b-天然气出气端口，
6-内燃式燃气发动机发电机组，6中包括：
61-内燃式燃气发动机，611-内燃式燃气发动机输出轴，
62-发电机，c-天然气进气端口，d-空气进气端口，
e-余热烟气排气端口，
7-分体式热管换热器，7中包括：
71-分体式热管换热器蒸发段，
72-分体式热管换热器冷凝段，
73-工质蒸汽输送管道，74-工质液体回流管道，
f-烟气进气端口，g-烟气排气端口，
h-天然气进气端口，i-天然气出气端口；
图2为本实用新型含燃气轮机发电机组的新型利用天然气输配管线压差发电的联合发电装置示意图
图2中，1-上级压力的天然气输配管线，
2-下级压力的天然气输配管线，3-调压器，
4、9、11-阀门，
5-天然气透平膨胀机发电机组，5中包括：
51-天然气透平膨胀机，511-天然气透平膨胀机输出轴，
52-发电机，a-天然气进气端口，b-天然气出气端口，
10-燃气轮机发电机组，10中包括：
101-压气机，102-燃烧室，103-热力透平，
1031-热力透平输出轴，104-转轴，105-发电机，
j1-空气进气端口，j2-高压空气出气端口，
k1-高压空气进气端口，k2-天然气进气端口，
k3-高温高压烟气出气端口，l1-高温高压烟气进气端口，
l2-余热烟气排气端口，
7-分体式热管换热器，7中包括：
71-分体式热管换热器蒸发段，
72-分体式热管换热器冷凝段，
73-工质蒸汽输送管道，74-工质液体回流管道，
f-烟气进气端口，g-烟气排气端口，
h-天然气进气端口，i-天然气出气端口。
具体实施方式
在天然气的输配过程中，管道内的天然气温度接近于环境温度，高压天然气在通过天然气透平膨胀机膨胀做功的过程中，温度将大幅下降，当温度下降到零下温度时，天然气内含有的水蒸汽将发生凝结、凝固而析出冰粒，这些冰粒将会对天然气透平膨胀机造成损伤，因此，应当在较高压力天然气进入天然气透平膨胀机之前对其进行加热以提高初始温度，保证其在天然气透平膨胀机内膨胀做功后的温度仍然高于0℃，这样，既可以防止天然气在膨胀做功过程中其内部含有的水蒸汽凝结、凝固析出冰粒损伤天然气透平膨胀机，又可以增加天然气透平膨胀机的轴功率。
以天然气为燃料的内燃式燃气发动机发电机组或燃气轮机发电机组在发电过程中，都要产生相当数量的废热，这部分废热可以利用作为对进入天然气透平膨胀机之前的高压天然气进行加热的热源，因此，本实用新型首次提出将天然气透平膨胀机发电机组与以天然气为燃料的内燃式燃气发动机发电机组或燃气轮机发电机组以及分体式热管换热器组合在一起构成利用天然气输配管线压差发电的联合发电装置，既回收利用了天然气输配管线之间压力级差转换过程中释放的压力能，又回收利用了内燃式燃气发动机发电机组或燃气轮机发电机组发电过程中产生的废热能，由此，可以大大提高能源的利用率并获得显著的经济效益。
本实用新型的新型利用天然气输配管线压差发电的联合发电装置有两套实施方案：
如图1所示，在第一套方案中，利用了天然气输配管线压差并设置了包括由天然气透平膨胀机51，天然气透平膨胀机输出轴511和发电机52组成的天然气透平膨胀机发电机组5、由内燃式燃气发动机61，内燃式燃气发动机输出轴611和发电机62组成的内燃式燃气发动机发电机组6和由分体式热管换热器蒸发段71，分体式热管换热器冷凝段72，工质蒸汽输送管道73和工质液体回流管道74组成的分体式热管换热器7；参见图1，对本实用新型再作进一步阐述，下级压力的天然气输配管线2中的额定量的下级压力的天然气通过阀门8及天然气进气端口c进入内燃式燃气发动机61与从空气进气端口d吸入的空气均匀混合后进入内燃式燃气发动机61的气缸以爆燃的方式膨胀做功，并通过内燃式燃气发动机输出轴611带动发电机62发电，膨胀做功后的余热烟气通过余热烟气排气端口e及烟气进气端口f流入分体式热管换热器蒸发段71，烟气在流经分体式热管换热器蒸发段71的过程中逐步将自身的大部分热量传给热管内部的工质，使其蒸发升腾经工质蒸汽输送管道73送至分体式热管换热器冷凝段72，在那里，热管内部的汽态工质又将热量传给流经分体式热管换热器冷凝段72的来自上级压力的天然气输配管线1的天然气，使其提高初始温度后再进入天然气透平膨胀机51膨胀做功，热管内部工质在放出热量之后自身凝结成液体经工质液体回流管道74流回分体式热管换热器蒸发段71，又被重新加热蒸发，如此不断进行循环，这样，便可以将内燃式燃气发动机发电机组6发电过程中排出的废热有效地加以利用来对进入天然气透平膨胀机51前的上级压力的天然气进行加热以提高其初始温度，放热后的烟气通过烟气排气端口g及排烟管道排入大气；上级压力的天然气输配管线1中的天然气通过阀门9及天然气进气端口h进入分体式热管换热器冷凝段72，在流经分体式热管换热器冷凝段72的过程中被逐步加热到40.0～200.0℃，加热后的高压天然气通过天然气出气端口i及天然气进气端口a进入天然气透平膨胀机51膨胀做功，通过天然气透平膨胀机输出轴511带动发电机52发电，在膨胀做功的过程中，天然气的压力和温度都大幅下降，在天然气透平膨胀机51的天然气出气端口b处，天然气的压力和温度都达到其需要的出口值，然后流入下级压力的天然气输配管线2。
如图2所示，在第二套方案中，与第一套方案的最大区别在于采用由压气机101，燃烧室102，热力透平103，转轴104，热力透平输出轴1031和发电机105组成的燃气轮机发电机组10来代替第一套方案中的内燃式燃气发动机发电机组6；参见图2，一路由与热力透平103共轴的压气机101通过其空气进气端口j1吸入空气并将其压缩到需要压力后经高压空气出气端口j2及燃烧室102的高压空气进气端口k1输入燃烧室102，同时，另一路来自上级压力的天然气输配管线1中的额定量的上级压力的天然气通过阀门11及天然气进气端口k2进入燃烧室102，由所述的两路高压空气和高压天然气在燃烧室102内均匀混合燃烧，混合燃烧后的高温高压烟气经高温高压烟气出气端口k3及高温高压烟气进气端口l1进入热力透平103膨胀做功，通过热力透平输出轴1031带动发电机105发电，流经热力透平103膨胀做功后的余热烟气通过余热烟气排气端口l2及烟气进气端口f流入分体式热管换热器蒸发段71，烟气在流经分体式热管换热器蒸发段71的过程中逐步将自身的大部分热量传给热管内部的工质，使其蒸发升腾经工质蒸汽输送管道73送至分体式热管换热器冷凝段72，在那里，热管内部的汽态工质又将热量传给流经分体式热管换热器冷凝段72的来自上级压力的天然气输配管线1的天然气，使其提高初始温度后再进入天然气透平膨胀机51膨胀做功，热管内部工质在放出热量之后自身凝结成液体经工质液体回流管道74流回分体式热管换热器蒸发段71，又被重新加热蒸发，如此不断进行循环，这样，便可以将燃气轮机发电机组10发电过程中排出的废热有效地加以利用来对进入天然气透平膨胀机51前的上级压力的天然气进行加热以提高其初始温度，放热后的烟气通过烟气排气端口g及排烟管道排入大气；上级压力的天然气输配管线1中的天然气通过阀门9及天然气进气端口h进入分体式热管换热器冷凝段72，在流经分体式热管换热器冷凝段72的过程中被逐步加热到40.0～200.0℃，加热后的高压天然气通过天然气出气端口i及天然气进气端口a进入天然气透平膨胀机51膨胀做功，通过天然气透平膨胀机输出轴511带动发电机52发电，在膨胀做功的过程中，天然气的压力和温度都大幅下降，在天然气透平膨胀机51的天然气出气端口b处，天然气的压力和温度都达到其需要的出口值，然后流入下级压力的天然气输配管线2。
本实用新型采用的各装置均可以根据上级压力的天然气输配管线1和下级压力的天然气输配管线2的运行要求通过市场选购配置或由相关设备的制造厂家设计制造，该方案中的阀门4是现有的，阀门8，9，11是新增的市场有购，其现有的调压器3在本实用新型中仅是一个备用设备，它只是在本实用新型进行检修时才使用。
本实用新型可应用于天然气输配管线城市门站及各级调压站，也可应用于天然气生产气井口附近的调压输出设施中，都可取得良好的节能效果和经济效益。

Claims (1)

1.一种新型利用天然气输配管线压差发电的联合发电装置，它包括上级压力的天然气输配管线(1)、下级压力的天然气输配管线(2)、调压器(3)、阀门(4，8，9，11)，其特征是它还包括固装在地基上的由天然气透平膨胀机(51)，天然气透平膨胀机输出轴(511)和发电机(52)组成的天然气透平膨胀机发电机组(5)，它的天然气透平膨胀机(51)的天然气进气端口(a)与分体式热管换热器冷凝段(72)的天然气出气端口(i)相连，它的天然气透平膨胀机(51)的天然气出气端口(b)与下级压力的天然气输配管线(2)相连，它的天然气透平膨胀机(51)通过天然气透平膨胀机输出轴(511)与发电机(52)相连、固装在地基上的由内燃式燃气发动机(61)，内燃式燃气发动机输出轴(611)和发电机(62)组成的内燃式燃气发动机发电机组(6)，它的内燃式燃气发动机(61)的天然气进气端口(c)通过阀门(8)与下级压力的天然气输配管线(2)相连，它的内燃式燃气发动机(61)的空气进气端口(d)与大气相通，它的内燃式燃气发动机(61)的余热烟气排气端口(e)与分体式热管换热器蒸发段(71)的烟气进气端口(f)相连，它的内燃式燃气发动机(61)通过内燃式燃气发动机输出轴(611)与发电机(62)相连或采用固装在地基上的由压气机(101)，燃烧室(102)，热力透平(103)，转轴(104)，热力透平输出轴(1031)和发电机(105)组成的燃气轮机发电机组(10)，它的压气机(101)的空气进气端口(j1)与大气相通，它的压气机(101)的高压空气出气端口(j2)与燃烧室(102)的高压空气进气端口(k1)相连，它的燃烧室(102)的高压空气进气端口(k1)与压气机(101)的高压空气出气端口(j2)相连，它的燃烧室(102)的天然气进气端口(k2)通过阀门(11)与上级压力的天然气输配管线(1)相连，它的燃烧室(102)的高温高压烟气出气端口(k3)与热力透平(103)的高温高压烟气进气端口(l1)相连，它的热力透平(103)的高温高压烟气进气端口(l1)与燃烧室(102)的高温高压烟气出气端口(k3)相连，它的热力透平(103)的余热烟气排气端口(l2)与分体式热管换热器蒸发段(71)的烟气进气端口(f)相连，它的压气机(101)通过转轴(104)与热力透平(103)连为一体，它的热力透平(103)通过热力透平输出轴(1031)与发电机(105)相连、由固装在地基上的分体式热管换热器蒸发段(71)，固装在高架上的分体式热管换热器冷凝段(72)，将分体式热管换热器蒸发段(71)与分体式热管换热器冷凝段(72)彼此相连的工质蒸汽输送管道(73)和工质液体回流管道(74)组成的分体式热管换热器(7)，它的分体式热管换热器蒸发段(71)的烟气进气端口(f)与内燃式燃气发动机(61)的余热烟气排气端口(e)相连或与热力透平(103)的余热烟气排气端口(l2)相连，它的分体式热管换热器蒸发段(71)的烟气排气端口(g)通过排烟管道与大气相通，它的分体式热管换热器冷凝段(72)的天然气进气端口(h)通过阀门(9)与上级压力的天然气输配管线(1)相连，它的分体式热管换热器冷凝段(72)的天然气出气端口(i)与天然气透平膨胀机(51)的天然气进气端口(a)相连。
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