专利名称：基于太阳能加热的天然气压差发电转换机组及其实现方法
技术领域：
本发明属于天然气发电领域，具体的说，是属于天然气压差发电转换机组及其实现方法。
背景技术：
21世纪，在人类迎来科技、经济蓬勃发展的同时也面临着环境恶化、城市人口膨胀等各种问题的威胁，而能源短缺也是一个不容忽略的方面。为了优化能源消耗结构，改善生态环境，实现可持续发展战略，天然气作为一种洁净环保、优质高效的能源燃料被世界各国广泛利用，它的需求量也日益增加。天然气是当今世界能源消耗中的重要组成部分，它与煤炭、石油并称为世界能源的三大支柱。天然气由地下开采出以后具有很高的压力，通常在数MPa到数十MPa之间，而天然气的长距离输送是采用5MPa SMPa的高压管道输送，在到达城市门站时，需减压至I. 6MPa 4MPa输送进入城市管网，再在高中压调压站中将天然气压力降为0. 4MPa左右的中压输送进入中压管网，并在中低压调压站中再次将中压天然气降低为0. IMPa左右的低压后输送至终端用户。而目前我国的天然气调压站采用的降压方法一般为通过调压器产生的节流作用来进行减压，这部分压差能量没有得到很好地利用。利用天然气调压站的压差进行发电，这是我国燃气行业讨论多年，但始终没有解决的一个课题，其难度主要在于
1、膨胀降压过程伴随着数十度甚至上百度的温度降，现阶段是通过换热器使用工业废热或者其他热源对透平膨胀机进行加热，这样导致对能源的依赖较高；
2、系统的经济效益不高，造价与收益得不到很好的平衡。但是天然气压差发电的市场潜力非常大，几乎每个城市都有数十个甚至上百个调压站。因此，研究开发一种运行可靠、经济效益高的天然气压差发电机组是非常必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于太阳能加热的天然气压差发电转换机组及其实现方法，克服现有技术中发电系统稳定性差、降压过程中冷量浪费严重以及发电效率低的缺陷。本发明采用的技术方案如下
基于太阳能加热的天然气压差发电转换机组，包括至少一个由天然气压差发电系统、与天然气压差发电系统相连的太阳能加热发电系统组成的天然气压差发电转换系统，且所述天然气压差发电系统上连接有进气管和出气管。为了更好的实现天然气压差发电系统的工作，所述天然气压差发电系统包括串联在进气管和太阳能加热发电系统之间的透平膨胀机，均与透平膨胀机连接的减速器和换热器，以及与减速器相连的第一发电机，其中所述透平膨胀机还与出气管相连。为了更好的实现太阳能加热发电系统的工作，所述太阳能加热发电系统由依次连、接的太阳能转化机组、工质循环系统和第二发电机组成；所述工质循环系统主要由依次连接相互构成回路的径流式膨胀机、冷凝器、循环泵和蒸发器组成，其中，径流式膨胀机与第二发电机相连，冷凝器连接于换热器上。进一步的，所述太阳能转化机组主要由循环管道、均设置于该循环管道上的太阳能吸热板和保温层组成，其中，该循环管道还与蒸发器相连。再进一步的，下一个天然气压差发电转换系统通过其透平膨胀机上的进气管与上一个天然气压差发电转换系统内膨胀机上的出气管相连，从而构成机组。为了提高透平膨胀机和径流式膨胀机的降温，所述透平膨胀机和径流式膨胀机的转轴上均设有具有润滑和降温功能的油路循环系统，该油路 循环系统主要由通过油管相互连通为回路的油箱、油泵、单向阀、第一冷却器、第一截止阀、第一过滤器和第二冷却器组成，其中，第一过滤器和第二冷却器之间的油管串联接通转轴上的油道。更进一步的，所述第一冷却器和第一截止阀之间还连通有第二过滤器，第一截止阀和第一过滤器之间还通过支路连通有蓄油器；第一冷却器的输出端还通过并联溢流回路与油箱连通，该溢流回路由相互连通的与第一冷却器连通的溢流阀和与油箱连通的第二截止阀组成；第二过滤器的输出端还通过并联第三截止阀与油箱连通。基于太阳能加热的天然气压差发电转换机组，本发明还提供了实现方法，包括以下两个部分
天然气压差发电系统
(I)若太阳能加热发电系统工作，所述太阳能加热发电系统中的冷凝器将吸收后的热量用于加热换热器，并进入步骤(3);若太阳能加热发电系统不工作，则进入下一步；
(II)换热器通过废热与天然气进行热交换，从而加热天然气，并进入步骤(4);
(III)换热器通过冷凝器吸收的热量与天然气进行热交换，从而将天然气进行加热，并进入下一步；
(IV)透平膨胀机通过加热后的天然气做功，并通过减速器和第一发电机进行发电； 太阳能加热发电系统
(1)太阳能吸热板吸收太阳能使循环管道内的水工质升温，并由保温层减少热能损
失;
(2)高温的水工质在蒸发器内与工质循环系统内的液体状的低沸点工质换热，使其汽化膨胀，形成高温高压的工质蒸汽；
(3)工质蒸汽由工质循环系统内部的动力输送进入径流式膨胀机，推动径流式膨胀机运动做功，带动太阳能发电机工作产生电能；
(4)工质蒸汽做功后压力降低，形成高温低压的工质蒸汽，进入冷凝器；
(5)工质蒸汽在冷凝器内与低温天然气换热，其自身冷凝为液体状的低压工质，而低温天然气被加热，温度升高；
(6 )工质液体由循环泵加压后通入蒸发器内，完成一次循环。并且，当天然气压差发电系统或/和太阳能加热发电系统工作时，油路循环系统也在工作，其工作步骤为
Ca)关闭第二截止阀和第三截止阀，打开第一截止阀，油泵提供动力，使油箱中的油在油管中循环；(b)油通过单向阀进入第一冷却器中冷却后输出，如输出压力大于油路压力标准值，则多余的油通过溢流回路回到油箱，在油路压力标准值范围内的油则进入第二过滤器；
(c)油依次经过第二过滤器、第一截止阀后分别进入蓄油器储存和第一过滤器过滤； Cd)油经过第一过滤器后进入膨胀机转轴上的油道；
(e)从油道出来的油经第二冷却器后回到油箱，完成一个循环。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果
(I)本发明原理简单，设计巧妙，实现方便，适合推广应用。( 2 )本发明将天然气压差发电和太阳能发电有机地结合起来，不仅对天然气的压差能量进行有效地利用，而且还对太阳能加热发电系统中冷却的工质释放的热量进行有效地利用，极大地提高了能量利用，充分利用各种能源，大大提高了经济效益。 (3)本发明通过设置的太阳能发电系统利用太阳能，不仅提高整体发电能力，而且大大减少了 CO2等温室气体的排放，从而降低了系统排放对环境产生的温室效应，使之在产业应用上更加绿色环保，符合我国提倡节能减排的要求。(4)本发明将冷凝器与换热器相连，使换热器接入太阳能加热发电系统，现阶段换热器利用工业废热或者其他废热对透平膨胀机进行加温，由于换热器上还连接有冷凝器，在太阳光充足即太阳能加热发电系统工作状况良好时，利用太阳能加热发电系统内的冷凝器对工质循环系统的工质进行降温冷却，使之液化，更好地完成循环做功，并且将冷凝器吸收的热量用于加热换热器，换热器再与天然进行热交换从而加热天然气，不仅提高了透平膨胀机做功的效率，还减少了对热源的依赖，从而提高了经济效益，一举两得。(5)本发明的天然气发电系统为多级发电系统，天然气通过多个串联的透平膨胀机做功，将天然气的压差能量完全转化，大大提高了发电效率。(6)本发明通过在膨胀机的转轴上设置的油路循环系统实现了对膨胀机转轴降温润滑的功能，减少了转轴摩擦并降低了转轴工作的温度，从而减少了膨胀机的能量损耗，进而提闻了发电效率。
图I为本发明一实施例中天然气压差发电转换系统的原理框图。图2为本发明一实施例中机组的原理框图。图3为本发明中油路循环系统原理框图。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例如图I所示的包括至少一个由天然气压差发电系统、与天然气压差发电系统相连的太阳能加热发电系统组成的天然气压差发电转换系统。如图2所示，其中天然气压差发电转换系统共有三个，上一个系统通过出气管与下一个系统的进气管，实现依次串联。
同时，太阳能加热发电系统共有三个，分别连接在每一个天然气压差发电系统上。其中，每一个太阳能加热发电系统主要由相互连接的太阳能转化机组、工质循环系统和第二发电机组成。所述工质循环系统主要由依次连接相互构成回路的径流式膨胀机、冷凝器、循环泵和蒸发器组成，其中，径流式膨胀机与第二发电机相连，冷凝器连接于每个换热器上。太阳能转化机组主要由循环管道和设置于该循环管道上的太阳能吸热板和保温层组成，其中，循环管道与蒸发器相连。所述天然气压差发电系统由依次连接的透平膨胀机、减速器、第一发电机和透平
膨胀机组成，且该透平膨胀机上还连接有换热器，同时进气管和出气管分别连接有透平膨胀机。如图3所示为了实现降温功能，所述三个透平膨胀机和径流式膨胀机的转轴上均设有一个具有润滑和降温功能的油路循环系统。其中每一个油路循环系统主要由通过油管相互连通为回路的油箱、油泵、单向阀、第一冷却器、第一截止阀、第一过滤器和第二冷却器组成，其中，第一过滤器和第二冷却器之间的油管串联接通转轴上的油道。其中整个系统的工作过程如下
(一)太阳能吸热板吸收太阳能使循环管道内的工质升温，并由保温层减少热能损失；
(二)高温的工质在蒸发器内与工质循环系统内的低沸点工质换热，使其汽化膨胀，形成高温高压的工质蒸汽；
(三)工质蒸汽由工质循环系统内部的动力输送进入径流式膨胀机，推动径流式膨胀机运动做功，带动第二发电机工作产生电能；
(四)工质蒸汽做工后压力降低，形成高温低压的工质蒸汽，该高温低压的工质蒸汽进入冷凝器；
(五)冷凝器与工质蒸气进行换热，工质自身冷凝为液体状的低压工质；
(六)由于换热器接入太阳能加热发电系统，冷凝器通过与换热器相连从而加热换热
器；
(七)换热器与透平膨胀机相连，从而通过与天然气换热而加热天然气，这样充分利用冷凝器内的热量加热天然气，大大提高了透平膨胀机的发电效率的同时节约了大量能量；
(A)透平膨胀机通过加热后的天然气进行做功，并通过减速器使第一发电机发电。在太阳能加热发电系统不工作时，如阴雨天气或者夜晚，换热器由工业废热或者其他废热进行加热，然后换热器与天然气进行热交换从而加热天然气，使透平膨胀机完成做功，带动第一发电机的工作。同时整个工作时，油路循环系统也在工作，其工作步骤为
(1)关闭第二截止阀和第三截止阀，打开第一截止阀，油泵提供动力，使油箱中的油在油管中循环；
(2)油通过单向阀进入第一冷却器中冷却后输出，如输出压力大于油路压力标准值，则多余的油通过溢流回路回到油箱，在油路压力标准值范围内的油则进入第二过滤器；
(3)油依次经过第二过滤器、第一截止阀后分别进入蓄油器储存和第一过滤器过滤；
(4)油经过第一过滤器后进入膨胀机转轴上的油道；(5)从油道出来的油经第二冷却器后回到油箱，完成一个循环。这样通过油路循环系统实现了膨胀机转轴的润滑和降温，提高了发电效率，并且更加环保，运行更加可靠。 按照上述实施例，便可很好的实现本发明。
权利要求
1.基于太阳能加热的天然气压差发电转换机组，其特征在于，包括至少一个由天然气压差发电系统、与天然气压差发电系统相连的太阳能加热发电系统组成的天然气压差发电转换系统，且所述天然气压差发电系统上连接有进气管和出气管。
2.根据权利要求I所述的基于太阳能加热的天然气压差发电转换机组，其特征在于，所述天然气压差发电系统包括串联在进气管和太阳能加热发电系统之间的透平膨胀机，均与透平膨胀机连接的减速器和换热器，以及与减速器相连的第一发电机，其中所述透平膨胀机还与出气管相连。
3.根据权利要求2所述的基于太阳能加热的天然气压差发电转换机组，其特征在于，所述太阳能加热发电系统由依次连接的太阳能转化机组、工质循环系统和第二发电机组成；所述工质循环系统主要由依次连接相互构成回路的径流式膨胀机、冷凝器、循环泵和蒸发器组成，其中，径流式膨胀机与第二发电机相连，冷凝器连接于换热器上。
4.根据权利要求3所述的基于太阳能加热的天然气压差发电转换机组，其特征在于，所述太阳能转化机组主要由循环管道、均设置于该循环管道上的太阳能吸热板和保温层组成，其中，该循环管道还与蒸发器相连。
5 .根据权利要求I 4任意一项所述的基于太阳能加热的天然气压差发电转换机组，其特征在于，下一个天然气压差发电转换系统通过其透平膨胀机上的进气管与上一个天然气压差发电转换系统内膨胀机上的出气管相连，从而构成机组。
6.根据权利要求5所述的基于太阳能加热的天然气压差发电转换机组，其特征在于，所述透平膨胀机和径流式膨胀机的转轴上均设有具有润滑和降温功能的油路循环系统，该油路循环系统主要由通过油管相互连通为回路的油箱、油泵、单向阀、第一油冷却器、第一截止阀、第一油过滤器和第二油冷却器组成，其中，第一油过滤器和第二油冷却器之间的油管串联接通转轴上的油道。
7.根据权利要求6所述的基于太阳能加热的天然气压差发电转换机组，其特征在于，所述第一油冷却器和第一截止阀之间还连通有第二油过滤器，第一截止阀和第一油过滤器之间还通过支路连通有蓄油器；第一油冷却器的输出端还通过并联溢流回路与油箱连通，该溢流回路由相互连通的与第一油冷却器连通的溢流阀和与油箱连通的第二截止阀组成；第二油过滤器的输出端还通过并联第三截止阀与油箱连通。
8.基于太阳能加热的天然气压差发电转换机组的实现方法，其特征在于，包括以下两个部分 天然气压差发电系统 (I)若太阳能加热发电系统工作，所述太阳能加热发电系统中的冷凝器将吸收后的热量用于加热换热器，并进入步骤(3);若太阳能加热发电系统不工作，则进入下一步； (II)换热器通过废热与天然气进行热交换，从而加热天然气，并进入步骤(4)； (III)换热器通过冷凝器吸收的热量与天然气进行热交换，从而将天然气进行加热，并进入下一步； (IV)透平膨胀机通过加热后的天然气做功，并通过减速器和第一发电机进行发电； 太阳能加热发电系统 (I)太阳能吸热板吸收太阳能使循环管道内的水工质升温，并由保温层减少热能损失；(2)高温的水工质在蒸发器内与工质循环系统内的液体状的低沸点工质换热，使其汽化膨胀，形成高温高压的工质蒸汽； (3)工质蒸汽由工质循环系统内部的动力输送进入径流式膨胀机，推动径流式膨胀机运动做功，带动太阳能发电机工作产生电能； (4)工质蒸汽做功后压力降低，形成高温低压的工质蒸汽，进入冷凝器； (5)工质蒸汽在冷凝器内与低温天然气换热，其自身冷凝为液体状的低压工质，而低温天然气被加热，温度升高； (6 )工质液体由循环泵加压后通入蒸发器内，完成一次循环。
9.根据权利要求8所述的基于太阳能加热的天然气压差发电转换机组的实现方法，其特征在于，当天然气压差发电系统或/和太阳能加热发电系统工作时，油路循环系统也在 工作，其工作步骤为 Ca)关闭第二截止阀和第三截止阀，打开第一截止阀，油泵提供动力，使油箱中的油在油管中循环； (b)油通过单向阀进入第一油冷却器中冷却后输出，如输出压力大于油路压力标准值，则多余的油通过溢流回路回到油箱，在油路压力标准值范围内的油则进入第二油过滤器； (c)油依次经过第二油过滤器、第一截止阀后分别进入蓄油器储存和第一油过滤器过滤； Cd)油经过第一油过滤器后进入膨胀机转轴上的油道； (e)从油道出来的油经第二油冷却器后回到油箱，完成一个循环。
全文摘要
本发明公开了一种基于太阳能加热的天然气压差发电转换机组及其实现方法，属于天然气压差发电领域，提供了一种基于太阳能加热的天然气压差发电转换机组，克服现有技术中发电系统稳定性差、降压过程中冷量浪费严重以及发电效率低、经济效益低下的缺陷。本发明包括至少一个由天然气压差发电系统、与天然气压差发电系统相连的太阳能加热发电系统组成的天然气压差发电转换系统，且所述天然气压差发电系统上连接有进气管和出气管。本发明不仅效率高，减少了对热能的消耗从而减少能源消耗，同时非常环保，符合能源发展规律，适合推广使用。
文档编号F01D15/10GK102748254SQ20121023812
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月11日 优先权日2012年7月11日
发明者李建 申请人:李建