一种新型天然气高压管网余压发电系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种新型天然气高压管网余压发电系统，该系统包括依次相连的预处理装置、透平膨胀机、齿轮变速箱、发电机、滤波器Ⅰ、变流器、滤波器Ⅱ和电量感应器，所述预处理装置的气体出口端连通所述透平膨胀机的气体入口端，所述透平膨胀机的气体出口端连通换热器的气体入口端；所述预处理装置、透平膨胀机、齿轮变速箱、滤波器Ⅰ、变流器、滤波器Ⅱ和电量感应器的工作过程受自动控制器控制。城市天然气高压管网蕴含了巨大的压力能，本实用新型根据我国天然气管网情况，设计了一种新颖可靠、性价比高的新型天然气余压发电系统，彻底解决了天然气流量、压力大幅波动情况下稳定发电的难题。
【专利说明】一种新型天然气高压管网余压发电系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于发电领域，具体涉及一种新型天然气高压管网余压发电系统。
【背景技术】
[0002]天然气的长距离输送一般均采用高压管输的方式。近年来，从世界范围来看管道输送压力越来越高。各国陆上输气管道的最高设计压力分别为:美国lOMPa，前苏联7.5MPa，德国和意大利8MPa。海底输气管道的设计压力一般比陆地更高，我国“西气东输”和“陕-京二线”等的输气压力为lOMPa，忠武线的设计压力为6.3MPa?7.0MPa0上游天然气通过高压管网送至各城市或大型用户，由各级调压站降压至0.4-1.6MPa左右送至用户使用。
[0003]压力能理论分析:从热力学角度，天然气管道可视作一开口系统，利用分析法可对此系统进行分析。处于温度、压力的天然气，其物理拥值为:
[0004]Ψ = h-hO-TX (s-sO) = (h-hO) -TO (cp X In (Τ/Τ0) -R/MX In (P/P0))=(h-h0-T0 XcpXln (Τ/Τ0)) +TO X R/MX In (Ρ/Ρ0)
[0005]其中:Ψ—天然气的比调I/kg ；
[0006]h、h0 分别为天然气所处温度T和环ija温度TO下的比焰'，J/kg ；
[0007]s、s0—分别为天然气所处温度T和环境温度TO下的比熵，J/(kg.K)；
[0008]cp-天然气的定压比热，J/(kg.K);
[0009]R——通用气体常数，8.314J/ (moI.K)；
[0010]M-天然气的分子量，kg/mol。
[0011]若定义:温度烟1ΨΤ = h-h0-T0*cp*ln(T/T0)；
[0012]压力烟ΨΡ = T0*R/M*ln (Ρ/Ρ0)，
[0013]则有:Ψ= ΨΤ+ΨΡ
[0014]显然压力烟相当于天然气等温流动时由于膨胀而做出的技术功。简单起见，可设天然气为100%甲烷，取环境温度为25°C，环境压力(绝对压力)为0.1MPa，天然气的定压比热为cp = 2.2kJ/kg.K，可计算得出不同输气压力下，天然气(甲烷)的比压力烟。
[0015]对同一输气压力，当用户端压力(即PO)不同时，压力也不同。环境温度为25°C，输气管道压力(表压)P分别为10MPa、8MPa、6MPa、4MPa时，可计算出天然气(甲烷)从管网进入不同压力用户端所具有的比压力烟。
[0016]如果某城市天然气供应规模达到100亿m3/a。假设其中50%可经由4MPa?0.4MPa压力段来回收压力能，那么每年可回收12825X 108kJ，相当于40MW发电站全年的满负荷发电量。
[0017]调压站目前一般采用调压阀进行降压，管网压力能无法回收利用。因此，随着天然气压力的降低，损失了大量的压力能，例如高压天然气由4.0MPa降为0.4MPa时，可回收的最大压力能约为322kJ/kg，以120亿m3/a的输气量计算，每年可回收压力能约为
3.5X1012kJ。
[0018]天然气压力能利用的历史可追溯1980年代的日本，其时是做LNG电厂发电工艺的一个环节。现有技术中利用高压管网天然气压力能发电的方法为以膨胀机代替传统的调压器来回收高压天然气降压过程中的压力能，并将其用于发电，在利用膨胀机做功的同时也利用膨胀后天然气的冷量。近些年来随着全球节能浪潮而再度成为热门话题；但该技术在城市天然气管网中的应用受到场站条件、工艺要求、电力并网等的限制，实际工程也非常少。
[0019]现有技术中，推广利用高压管网天然气压力能发电存在诸多不利因素，在城市天然气管网中，使用压力能回收技术时，必须考虑以下情况:(1)天然气调压站布局分散，不利于建设大型电力回收系统:以上海为例，现有6.0MPa-4.0MPa-2.5MPa_l.6MPa等高压输气干管系统，级间的压差不大，建设发电或制冷等压力能回收系统的经济性势必大大下降。
(2)发电或制冷均要求天然气压力和流量相对稳定，而天然气使用存在着严重的季节、昼夜以及小时的不均匀性。上海某4.0MPa-1.6MPa调压站在一年(8760h)内的出口小时流量，其最大/最小流量比例超过10。(3)余压发电成套进口设备价格昂贵，使得余压发电的收益大打折扣。
[0020]针对以上技术问题需要设计一种新颖可靠、性价比高的系统，彻底解决了天然气流量、压力大幅波动情况下稳定发电并并网的难题，就可以推广应用天然气余压发电。
实用新型内容
[0021]本实用新型的目的在于提供一种新型天然气高压管网余压发电系统。
[0022]本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现:
[0023]一种新型天然气高压管网余压发电系统，其在于包括依次相连的预处理装置、透平膨胀机、齿轮变速箱、发电机、滤波器1、变流器、滤波器II和电量感应器，所述预处理装置的气体出口端连通所述透平膨胀机的气体入口端，所述透平膨胀机的气体出口端连通换热器的气体入口端；所述预处理装置、透平膨胀机、齿轮变速箱、滤波器1、变流器、滤波器II和电量感应器的工作过程受自动控制器控制。
[0024]本实用新型系统中的透平膨胀机、齿轮变速箱和发电机为本领域已有装置，高压天然气带动透平膨胀机的转轴转动，透平膨胀机转轴的转速过大不适于发电机发电，需要通过齿轮变速箱调速至适合发电机工作的转速范围。
[0025]所述的预处理装置为高压天然气的脱除水、硫化物和二氧化碳中任意一种或两种的装置、或者同时脱除水、硫化物和二氧化碳的装置。
[0026]所述的换热器为加热器、制冷器或者加热器和制冷器的组合。
[0027]所述的自动控制器为PLC、DCS或ARM，或者DCS与PLC、DCS与ARM的组合。
[0028]本实用新型用于预处理高压天然气的技术:脱水、脱硫和脱二氧化碳技术为本领域技术人员所公知的。
[0029]采用上述天然气高压管网余压发电方法:高压天然气经预处理装置预处理后进入透平膨胀机膨胀降压并输出膨胀功，降压降温后的天然气经换热器加热到-10°C?30°C后进入中低压天然气管网；透平膨胀机输出的机械功经高速齿轮变速箱变速后带动发电机发电，发电机发出的电能经滤波器滤掉高次谐波后进入变流器；在变流器内，电压与频率均不稳定的电能先被转换成直流电，随后直流电再次被转换成电压、频率和相位均与电网完全同步的交流电；交流电经滤波器二次滤波后，通过电量感应器采集发电量，然后进入电量匹配单元与电网和自用电负载进行自动匹配。
[0030]优选的，降压降温后的天然气经所述的换热器加热到O?30°C。
[0031]本实用新型的有益效果:
[0032]本实用新型开发出一套适合中国国情，性价比高的新型天然气余压发电系统，该系统不仅解决了目前长期阻碍余压发电发展的工艺难题，还大幅降低了设备造价，使得天然气余压发电的推广成为可能。该实用新型彻底解决了天然气流量、压力大幅波动情况下稳定发电的难题，能够做到发电大幅波动时，网电实时调整，负载平稳；当不发电时，负载用电全部来自网电；当发电时，负载用电来自发电和网电，负载发生变化，网电实时自动调整；发电自用多余电量可以并网。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1新型天然气高压管网余压发电系统结构图。
【具体实施方式】
[0034]如图1所示的一种新型的天然气高压管网余压发电系统，包括依次相连的预处理装置1、透平膨胀机2、齿轮变速箱3、发电机4、滤波器I 5、变流器6、滤波器II 7和电量感应器8，所述预处理装置I的气体出口端连通所述透平膨胀机2的气体入口端，所述透平膨胀机2的气体出口端连通换热器9的气体入口端；所述预处理装置1、透平膨胀机2、齿轮变速箱3、滤波器I 5、变流器6、滤波器II 7和电量感应器8的工作过程受自动控制器10控制。
[0035]所述的预处理装置I为采用本领域的常规脱水、脱硫和脱二氧化碳技术设计的高压天然气的脱水、脱硫及脱二氧化碳的装置。该装置为本领域的常规装置。
[0036]所述的换热器9为加热器、制冷器或者加热器和制冷器的组合。根据通过透平膨胀机2降压降温后的天然气的应用确定天然气是需要加热或制冷，进而选择换热器9的类型。
[0037]所述的自动控制器10为PLC、DCS或ARM，或者DCS与PLC、DCS与ARM的组合。本实施例采用DCS与PLC的组合。
[0038]本实用新型系统中的透平膨胀机2、齿轮变速箱3和发电机4为本领域已有装置，高压天然气带动透平膨胀机2的转轴转动，透平膨胀机2转轴的转速过大不适于发电机发电，需要通过齿轮变速箱3调速至适合发电机工作的转速范围。
[0039]采用上述系统进行天然气高压管网余压发电的过程为:高压天然气经预处理装置I预处理后进入透平膨胀机2膨胀降压并输出膨胀功，降压降温后的天然气经换热器9加热到0°C以上后进入中低压天然气管网；透平膨胀机2输出的机械功经高速齿轮变速箱3变速后带动发电机4发电，发电机4发出的电能经滤波器I 5滤掉高次谐波后进入变流器6 ；在变流器6内，电压与频率均不稳定的电能先被转换成直流电，随后直流电再次被转换成电压、频率和相位均与电网完全同步的交流电；交流电经滤波器II 7 二次滤波后，通过电量感应器8采集发电量，然后进入电量匹配单元与电网和自用电负载进行自动匹配。能够做到发电大幅波动时，网电实时调整，负载平稳；当不发电时，负载用电全部来自网电；当发电时，负载用电来自发电和网电，负载发生变化，网电实时自动调整；发电自用多余电量可以并网。
[0040]所述的预处理为脱除高压天然气中的水分、硫化物和二氧化碳。
[0041]本实用新型的发电方法和系统能够做到发电大幅波动时，网电实时调整，负载平稳；当不发电时，负载用电全部来自网电；当发电时，负载用电来自发电和网电，负载发生变化，网电实时自动调整；发电自用多余电量可以并网。
[0042]本实用新型天然气高压管网余压发电系统的经济分析:假定某天然气调压站高压压力4.0MPa，管网压力1.6MPa，进气温度10°C，年用气量5亿立方米，按年工作时间8000小时进行计算天然气余压发电的经济性。
[0043]天然气余压能量回收透平发电装置是等熵膨胀，理论上透平膨胀机发电做功与气流压力能之间的关系如下:
[0044]W = QXCpX P XTlX (1-(P2/P1)(卜1/k)) ntX nfx nbx np/3600
[0045]上式中:
[0046]天然气流量Q = 57000m3/h (标准状况下，下同)；
[0047]透平膨胀机入口天然气温度Tl = 283K
[0048]入口压力 Pl = 4.1MPa
[0049]透平膨胀机出口天然气压力P2 = 1.7MPa
[0050]天然气密度P=0.7156kg/m3
[0051]天然气定压比热容Cp = 2.15kJ/K.kg
[0052]天然气绝热系数k = 1.309
[0053]透平膨胀机效率η T = 0.82
[0054]发电机效率η f = 0.94
[0055]变速箱效率nb = 0.98
[0056]配电效率ηρ = 0.98
[0057]W—透平输出功率，kW
[0058]代入上式后可得发电功率957.5Kw，按年工作时间8000小时进行计算发电量为
7.7 X 16Kwh0入网电价按0.61元/KWh计价，7.7 X 16Kwh年发电收益4.7 X 16元/年。余压发电量可折标煤=7700MWh/aX0.399 = 3072t/a ;相当于年减排(吨碳)=7700MWh/aX0.2268 = 1746t/a。
[0059]结论:管网的压力越高，燃气的焓值也越高，因此压力就是财富，应该充分合理利用高压输气管道蕴藏了大量的压力能，简单调压过程会造成巨大能源浪费。天然气透平膨胀余压发电装置能有效地回收管网的压力能。
[0060]通过以上的分析可以看出，采用本实用新型的发电系统投资少、见效快，可降低天然气输送成本，弥补部分电力缺口，是缓解我国电力紧张的可行方式之一。
[0061]本实用新型充分利用天然气在输气管道的压力差膨胀发电，几乎无需消耗其他能源，运行费用低。对于城市燃气用户用气的不均匀性，采用变流控制技术将发电机所发的电压与频率均不稳定的交流电转换成直流电，再将直流电转换成电压，频率与相位均与电网同步的交流电，消除了用气峰谷差异对余压发电装置发电效率、运行稳定性及并网控制的影响。
【权利要求】
1.一种新型天然气高压管网余压发电系统，其特征在于包括依次相连的预处理装置、透平膨胀机、齿轮变速箱、发电机、滤波器1、变流器、滤波器II和电量感应器，所述预处理装置的气体出口端连通所述透平膨胀机的气体入口端，所述透平膨胀机的气体出口端连通换热器的气体入口端；所述预处理装置、透平膨胀机、齿轮变速箱、滤波器1、变流器、滤波器II和电量感应器的工作过程受自动控制器控制。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的预处理装置为高压天然气的脱除水、硫化物和二氧化碳中任意一种或两种的装置、或者同时脱除水、硫和二氧化碳的装置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的换热器为加热器、制冷器或者加热器和制冷器的组合。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的自动控制器为PLC、DCS或ARM，或者DCS与PLC、DCS与ARM的组合。
【文档编号】F01D15/10GK204002944SQ201420447948
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月8日 优先权日:2014年8月8日
【发明者】韩穗奇, 赵新 申请人:南京天膜科技股份有限公司