本发明属于天然气管道技术领域，具体涉及一种结合太阳能和地热能的天然气地埋管道防冻胀系统。
背景技术：
天然气是高效清洁能源，在能源结构中的比重日益加大。而由于天然气的资源和市场分布非常不平衡，使得天然气的运输成了天然气产业发展的一个重要环节。目前，大口径、高压力、长距离已经是世界上天然气输气管道发展的总趋势。天然气在长距离输运的过程中，需要较高的压力以提供运输动力(例如，西气东输二线一般在8～12MPa)，而当天然气到达分输站后，为满足下游用户的压力(一般在1.5～4MPa)需求，需要在分输站进行调压。高压天然气经调压阀调压后，压力降低，由于焦耳-汤姆逊效应会使温度骤降至冰点以下。低温天然气在运输工程中，尤其在冬季，会导致调压后的天然气埋地管道周围土壤冻结，发生“冻胀”现象。
管道冻胀会造成部分地面、墙体出现裂痕，部分管道在冻胀载荷作用下会发生变形，甚至出现天然气管道阀体离开阀座，造成天然气泄露，对分输站的安全运行造成极大地影响。因此，必须采取有效的措施解决来冻胀问题，以确保分输站的安全运行。
目前已有的解决天然气冻胀问题的方法中，最常见的被动式方法是换土、防水或排水的方法，这些方法都是通过减少土壤中的水分来降低发生冻胀的可能性，但这些方法不能彻底解决冻胀问题。还有管沟方法，此方法是将天然气管道周围砌成防水水泥管道，但这种方法没有对天然气管道进行换热，冷量未被带走，因此在分输站外与土壤接触的天然气管道依然会吸收土壤的热量，依然会造成管道冻胀；最常用的主动式方法是在天然气管道的调压阀前设置电加热器，但是，由于加热过程中最小量不确定，采用固定式加热方式造成大量一次能源浪费；此外，也有采用热管组件，将地下恒温层热量传输到冻胀位置的方法，该方法不消耗高品位电能且对天然气管道附近土壤加热相对均匀，但该方法实施过程中，由于土壤层热阻较大，与热管换热较慢，使得由于天然气管道没有得到及时地热补偿依然会造成管道冻胀。
如何提供一种系统，基于充分利用可再生能源原则，通过合理设计，不仅能够解决天然气地埋管的冻胀问题，而且能够实现节能并减少高品位电能的使用，是需要迫切解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结合太阳能和地热能的天然气地埋管道防冻胀系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种结合太阳能和地热能的天然气地埋管道防冻胀系统，包括管道换热装置、太阳能集热装置及地源热泵，
所述的管道换热装置由天然气地埋管及用于与天然气地埋管换热的换热介质通道组成，
所述的换热介质通道的两端连接有换热介质主管路，换热介质主管路上并联设有第一支管和第二支管，第一支管上设有太阳能集热装置，第二换热支管上设有地源热泵。
所述的第一支管及第二支管与换热介质主管路通过三通阀连接。
所述的太阳能集热装置为槽式太阳能集热器，包括槽式聚光组件及用于将槽式聚光组件聚集的太阳光转化成热能的接收器，所述的接收器与第一支管连接。
所述的地源热泵包括依次通过第一热泵管道连接形成回路的蒸发器、压缩机、冷凝器及节流阀，所述的蒸发器还通过第二热泵管道与土壤换热器连接形成回路，所述的冷凝器与第二支管连接。
所述的第一热泵管道上的蒸发器、压缩机、冷凝器及节流阀之间及第二热泵管道上的蒸发器和土壤换热器之间设有截止阀。
所述的第一热泵管道内设有循环工质，所述的循环工质为R290工质。
所述的管道换热装置为套管式换热器，套管式换热器的内管为天然气地埋管，外管与内管之间的环形空间为换热介质通道。
所述的套管式换热器采用逆流换热。
太阳能作为可再生能源，尽管到达地球表面的太阳辐射的总量很大，但是能流密度很低，同时由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，到达某一地面的太阳辐照度是极不稳定的，使得光伏光热设备的光电、光热效率相对较低，这就需要通过聚光装置将太阳光聚集起来、并经接收器将辐射能转化为足够温度的热能。
槽式太阳能集热器是一种将太阳的辐射能转换为热能的设备，作为中高温集热器的一种,能够通过槽式聚光组件将太阳光聚集起来、并经接收器将辐射能转化为足够温度的热能，获得较高的集热温度。
而应用槽式太阳能集热器解决天然气管道冻胀问题的缺陷是在夜晚时没有光照，这就需要另一种回温设备在夜晚时为天然气地埋管提供热能。
地源热泵能够利用陆地浅层能源，通过输入少量的高品位能源(如电能)实现由低品位热能向高品位热能转移。地源热泵属经济有效的节能技术，COP值达到了4以上,并且其环境效益显著，其装置的运行没有任何污染，没有燃烧，没有排烟，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。
本发明根据昼夜不同，对系统运行做出如下调整：
(1)在白天，光照条件正常情况下，地源热泵不运行，地表浅层处于集热状态，为夜晚地源热泵的运行储存能量。即在白天时，充分利用太阳能集热装置对天然气地埋管提供热量。对于低温天然气地埋管的热补偿热过程，首先，槽式太阳能集热器通过槽式聚光组件将太阳光充分聚集起来、并经接收器将辐射能转化为足够温度的热能，进而加热换热介质，获得较高温度的换热介质再对天然气地埋管进行充分换热，低温的天然气地埋管由于得到了热补偿而避免了管道冻胀，而换热介质由于获得大量的冷量而温度降低，再次进入槽式太阳能集热器，实现换热介质的制热循环，进而为天然气地埋管的提供持续稳定的热量。
(2)在白天，光照条件非正常情况下，当槽式太阳能集热器聚集的热量不能满足天然气地埋管的回温热量需求时，同步开启地源热泵，槽式太阳能集热器与地源热泵并联运行，为天然气地埋管提供足够热补偿。
(3)在夜晚，应用地源热泵充分利用地表浅层地热资源对天然气地埋管提供热量。
本发明中地源热泵采用的是对臭氧层的破坏为零且无温室效应的R290工质。对于地源热泵内部工质的相变过程，首先，蒸发器通过吸收经土壤换热器加热后的热源水热量来对经节流阀流入的R290液体工质气化，气化后的低温、低压的工质经压缩机做功后变为高温、高压的气体；然后高温高压的气体工质进入冷凝器，与经管道换热设备换热后的温度低的换热介质进行充分换热，高温、高压的气体工质由于获得了冷量而冷凝成高温高压的液体工质；最后高温、高压的液体工质经节流阀作用后成为低温、低压的液体工质，之后再次进入蒸发器，与土壤换热器进行充分换热，从而实现工质的制热循环。
对天然气地埋管的换热过程，首先，温度低的换热介质进入冷凝器中，吸收R290工质由气态转变为液态的相变热，成为温度高的换热介质后再进入管道换热设备，温度高的换热介质流体与天然气进行逆流换热，换热后的换热介质获得大量冷量而温度降低，地埋管由于得到了热补偿而避免了管道冻胀。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：可再生能源对天然气地埋管提供热补偿，全程有效降低高品位能耗。在白天运行时，槽式太阳能集热器通过槽式聚光组件将太阳光充分聚集起来、并经接收器将辐射能转化为足够温度的热能，最终间接对天然气管道进行充分换热，具有较高的光热效率；在夜晚运行时，应用地源热泵充分利用地表浅层地热资源对天然气地埋管提供热补偿，由于与低温天然气管道间接结合的地源热泵的冷、热源之间的温差较小，根据逆卡诺循环理论，地源热泵的制热系数COP相对较高，达到了4以上,其热力学经济性能比单纯消耗电能供热系统要好，具有显著的节能效果。本发明将槽式太阳能集热器与地源热泵合理结合，能够实现有效避免天然气地埋管发生冻胀，充分利用可再生能源、减少高品位电能消耗的双赢局面，并且其环境效益显著，整个系统运行没有任何污染，没有燃烧，没有排烟，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量，符合我国当前节能减排的基本国策。对于调压后温度降低明显的天然气埋地管线来说，本发明具有很好的节能空间与更加广阔的实用价值。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图中，1为管道换热装置，2为天然气地埋管，3为槽式太阳能集热器，4为冷凝器，5为节流阀，6为蒸发器，7为压缩机，8为土壤换热器，91为第一三通阀，92为第二三通阀，93为第一截止阀，94为第二截止阀，95为第三截止阀，96为第四截止阀，97为第五截止阀，98为第六截止阀，10为换热介质主管路，11为第一支管，12为第二支管，13为第一热泵管道，14为第二热泵管道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种结合太阳能和地热能的天然气地埋管道防冻胀系统，如图1所示，包括管道换热装置1、太阳能集热装置2及地源热泵，管道换热装置1由天然气地埋管2及用于与天然气地埋管2换热的换热介质通道组成，换热介质通道的两端连接有换热介质主管路10，换热介质主管路10上通过第一三通阀91和第二三通阀92并联设有第一支管11和第二支管12，第一支管11上设有太阳能集热装置3，第二换热支管12上设有地源热泵。
具体的：管道换热装置1为采用逆流换热的套管式换热器，套管式换热器的内管为天然气地埋管2，外管与内管之间的环形空间为换热介质通道。太阳能集热装置3为槽式太阳能集热器，包括槽式聚光组件及用于将槽式聚光组件聚集的太阳光转化成热能的接收器，接收器与第一支管11连接。地源热泵包括依次通过第一热泵管道13连接形成回路的蒸发器6、压缩机7、冷凝器4及节流阀5，蒸发器6还通过第二热泵管道14与土壤换热器8连接形成回路，冷凝器4与第二支管12连接，第一热泵管道13内设有循环工质，循环工质为R290工质。第一热泵管道13上的蒸发器6与压缩机7之间设有第四截止阀96，压缩机7与冷凝器4之间设有第二截止阀94，冷凝器4与节流阀5之间设有第一截止阀93，节流阀5与蒸发器6之间设有第三截止阀95，第二热泵管道14上的蒸发器6和土壤换热器8之间设有第五截止阀97和第六截止阀98。
根据外界环境条件不同，运行方案及相关运行步骤如下：
(1)在白天，光照条件正常情况下，地源热泵不运行，地表浅层处于集热状态，为夜晚地源热泵的运行储存能量。即在白天时，第一三通阀91的a、b侧全开，c侧关闭，第二三通阀92的e、f侧全开，d侧关闭,其他截止阀门全部关闭。充分利用太阳能对天然气地埋管2提供热量，对于低温天然气地埋管的热补偿热过程，首先，槽式太阳能集热器3通过槽式聚光组件将太阳光充分聚集起来、并经接收器将辐射能转化为足够温度的热能，进而加热换热介质，本实施例采用循环水作为换热介质，获得较高温度的热循环水再对天然气地埋管2进行充分换热，低温的天然气地埋管2由于得到了热补偿而避免了管道冻胀，而热循环水由于获得大量的冷量而成为冷水，再次进入槽式太阳能集热器3，实现循环水的制热循环，进而为天然气地埋管2的提供持续稳定的热量。
(2)在白天，光照条件非正常情况下，当槽式太阳能集热器3聚集的热量不能满足天然气地埋管2的回温热量需求时，同步开启地源热泵，槽式太阳能集热器3与地源热泵并联运行，为天然气地埋管2提供足够热补偿。此时根据光照条件及外界温度情况适当调节第一三通阀91的a、b、c侧和第二三通阀92的d、e、f侧的开度，其余截止阀全开。
(3)在夜晚，应用地源热泵充分利用地表浅层地热资源对天然气地埋管2提供热量。此时第一三通阀91的a、c侧全开，b侧关闭，第二三通阀92的d、f侧全开，e侧关闭，其余截止阀。
本发明中地源热泵采用的是对臭氧层的破坏为零且无温室效应的R290工质。对于地源热泵内部工质的相变过程，首先，蒸发器6通过吸收经土壤换热器8加热后的热源水热量来对经节流阀5流入的R290液体工质气化，气化后的低温、低压的工质经压缩机7做功后变为高温、高压的气体；然后高温高压的气体工质进入冷凝器4，与经管道换热装置1换热后的冷水进行充分换热，高温、高压的气体工质由于获得了冷量而冷凝成高温高压的液体工质；最后高温、高压的液体工质经节流阀5作用后成为低温、低压的液体工质，之后再次进入蒸发器6，从而实现工质的制热循环。
对天然气地埋管2的换热过程，首先，冷水进入冷凝器4中，吸收R290工质由气态转变为液态的相变热，成为热水后再进入管道换热装置1，热水流体与天然气进行逆流换热，换热后的热水获得大量冷量而变为冷水，天然气地埋管2由于得到了热补偿而避免了管道冻胀。
本发明将槽式太阳能集热装置与地源热泵合理结合，能够实现有效避免天然气地埋管发生冻胀，充分利用可再生能源、减少高品位电能消耗的双赢局面。
槽式太阳能集热器作为一种中高温集热器的,能够通过聚光装置将太阳光聚集起来、并经接收器将辐射能转化为足够温度的热能，获得较高的集热温度，能够克服太阳能能流密度较低、光照强度不稳定等缺点，具有较高的光热效率。
地源热泵充分利用地表浅层地热资源对天然气地埋管提供热补偿，由于与低温天然气管道间接结合的地源热泵的冷、热源之间的温差较小，根据逆卡诺循环理论，地源热泵的制热系数COP相对较高，达到了4以上,其热力学经济性能比单纯消耗电能供热系统要好，具有显著的节能效果。
整个系统运行没有任何污染，没有燃烧，没有排烟，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量，符合我国当前节能减排的基本国策。
天然气高压管网在调压过程中存在大量的冷能，对于调压后温度降低明显的天然气埋地管线来说，本发明具有很好的节能空间与更加广阔的实用价值。