一种天然气管网压力能发电及冷库方法与装置与流程

本发明关于一种天然气管网压力能发电及冷库方法与装置，具体涉及管网天然气压力能膨胀发电和冷媒制冷的一体化装置。

背景技术：

天然气长输管道一般采用高压输送，在输送过程中需经压气站升至高压输送，而至用户侧则需降压使用。天然气在降压过程中产生巨大的能力，目前这部分能量的有效利用已经引起人们的广泛关注。

天然气压力能回收利用常通过膨胀机将其转成机械能及冷能。机械能常用于发电或连轴使用，冷能常用于制冰、冷库及冷水空调等常用冷产业。中国专利CN102563958A公开了一种利用管网天然气压力能发电与制冰的方法与装置，该发明回收天然气压力能用于发电和制冷，电能主要一部分用于供调压门站办公楼和职工生活用电，剩余部分则直接带动压缩制冷循环制冰，即消耗高品质的电能用来制冰。中国专利CN104863645A公开了一种管网压力能发电及冷能回收装置，一种管网天然气压力能及冷能回收的高效利用系统，用以将高压天然气管路中的天然气压力能回收发电并将管网天然气冷能回收制冰。此工艺压力能回收利用装置与冷能回收利用装置分别撬装，具有易安装、易拆卸、易维护等结构优点，保证了原设备和新装置的稳定运行，但是对于冷能的利用也仅限于一种温位。中国专利CN205025513U公开了一种天然气管网压力能回收综合利用系统，该专利实现了天然气膨胀发电和冷能回收，该工艺较为繁琐，并且对于冷能的回收利用仅限于制冰，有很大的局限性。上述工艺均对天然气管网压力能回收发电及冷能回收用于制冰进行描述，但对于制冷冷库尤其是多温位冷库的应用未进行相关探讨。

有鉴于此，现有技术仍存在一定的不足。

技术实现要素：

为了克服上述工艺的不足，本发明提供了一种天然气管网压力能用于发电及冷库方法与装置，回收利用管网压力能进行发电并网，发电的同时连轴带动压缩机运作，在实现管网压力能发电的同时带动压缩机运转，减少了单独使用压缩机时的外部所需提供的能耗；同时该装置实现两种不同温位的冷库的供冷，极大的适应市场的需求。

本发明实现上述目的的技术方案为：

一种天然气管网压力能用于发电及冷库装置，其中，包括膨胀发电系统和冷媒制冷系统；

所述膨胀系统包括通过管路依次连接在高压管网和低压管网之间的控制阀(1)，流量计(2)，膨胀机(3)，换热器(17)，复热器(18)，控制阀(4)，连接在膨胀机(3)之后的还有双轴发电机(5)，变压同步器(6)；

所述冷媒制冷系统依靠管路依次连接形成冷媒循环回路，其中循环管路依次流经调节阀(9)，换热器(17)，分流器(10)，控制阀(11)，高温冷库(12)，控制阀(15)，流量计(16)；另外一路冷媒制冷循环依靠管路依次流经分流阀(10)，节流阀(13)，低温冷库(14)，压缩机(8)，控制阀(15)，流量计(16)；两路冷媒制冷管路于缓冲罐(7)处合并形成回路；

优选的，所述的一种天然气管网压力能用于发电及冷库装置，其中：所述膨胀机为透平膨胀机、螺杆膨胀机；

优选的，所述的一种天然气管网压力能用于发电及冷库装置，其中：所述变压同步器为三相变压同步器；

优选的，所述的一种天然气管网压力能用于发电及冷库装置，其中：所述双轴发电机为隔爆永磁发电机；

优选的，所述的一种天然气管网压力能用于发电及冷库装置，其中：所述换热器为管壳式换热器，高温制冷剂走壳程，膨胀后的低温天然气走管程；

优选的，所述的一种天然气管网压力能用于发电及冷库装置，其中：压缩机为透平压缩机或螺杆压缩机等常规压缩设备；

优选的，所述的一种天然气管网压力能用于发电及冷库装置，其中：膨胀后的天然气和压缩后的冷媒换热后，经分流器分为两路，一路直接给高温冷库供冷，另一路经节流阀膨胀之后给低温冷库供冷，使冷媒制冷系统包含两种不同温位的冷库，并可根据实际情况调整；

优选的，所述的一种天然气管网压力能用于发电及冷库装置，其中：所述冷媒为R404a、R134a、R22、CO₂等常用冷媒；

优选的，所述的一种天然气管网压力能用于发电及冷库装置，其中：所述膨胀机后连接双轴发电机，连轴带动发电机及压缩机；

一种天然气管网压力能用于发电及冷库方法，应用所述的天然气管网压力能用于发电及冷库装置，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S100、高压天然气流经第一控制阀(1)，第一流量计，膨胀机(3)膨胀发电，膨胀后的天然气温度降低，膨胀发电部分通过变压同步器(6)用于输出，同时带动压缩机(8)；

膨胀后的天然气与换热器(17)中的冷媒进行换热，使换热后的天然气经复热器加热后，温度达到要求，然后经过第二控制阀(4)进入城市燃气管网；

S200、流经换热器的制冷剂经过换热器(17)，然后流经(10)分流器分成两路，一路流经第三控制阀(11)，高温冷库(12)，第四控制阀(15)，第二流量计(16)，缓冲罐(7)；另一路流经节流阀(13)，低温冷库(14)，压缩机(8)，第四控制阀，第二流量计(16)，然后和第一路制冷剂混合在一起进入缓冲罐(7)，随后流经第五控制阀(9)一起流经换热器(17)与膨胀发电后的天然气进行换热。

本发明与现有技术比较有以下的优异效果:

1、实现能源有效利用。本发明回收了原本天然气管道中浪费的压力能；其次膨胀降温后的低温天然气与压缩后的冷媒在管壳式换热器换热，不仅节约了原有工艺中提升调压后低温天然气的温度所耗费的能量和设备，而且也节省了冷媒制冰所需的冷量。

2、能源利用率高，可以实现不同温位的冷库供冷。通过膨胀机、发电机和压缩机的联轴，实现膨胀发电与压缩制冷一体化，视输出功的大小有效利用电能，大大提升能源综合利用率；其次该装置中能实现两种不同温位的冷库，能够实现不同食品、海鲜或者设备的冷冻保藏，极大的适应市场的需求。

3、工艺流程简单，安全稳定性高。利用载冷剂作为冷量传递介质，分级回收天然气膨胀后的冷能，同时也保证了天然气调压站和天然气压力能回收综合利用系统的安全稳定性。

4、易于推广使用。该工艺可实现发电和制冷一体化，工艺流程简单。可建在对冷市场需求较大的地方，具有良好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1为本发明的天然气管网压力能用于发电及冷库装置的示意图。

图2为本发明的天然气管网压力能用于发电及冷库方法的流程示意图。

其中1—第一控制阀，2—第一流量计，3—膨胀机，4—第二控制阀，5—发电机，6—变压同步器，7—缓冲罐，8—压缩机，9—第五控制阀，10—分流器，11—第三控制阀，12—高温冷库，13—节流阀，14—低温冷库，15—第四控制阀，16—第二流量计，17—换热器，18—复热器。

具体实施方式

下面结合实例和工艺流程图(见图1)做进一步说明。如图1所示，一种天然气管网压力能发电及冷库方法与装置，包括膨胀机发电系统和冷媒制冷系统；

所述膨胀系统包括通过管路依次连接在高压管网和低压管网之间的控制阀1、流量计2、膨胀机3、换热器17、复热器18、控制阀4，其中膨胀机3后端还连接双轴发电机5，变压同步器6；所述透平膨胀机3的输出轴连接双轴发电机6的一轴，所述双轴发电机6的电力供场地设备使用或者通过变压同步器向外供电；

所述冷媒制冷系统依靠管路依次连接形成冷媒循环回路，其中循环管路依次流经换热器17、分流器10、第五控制阀11、高温库12、第四控制阀15、第二流量计16，缓冲罐7；另外一路冷媒制冷循环依靠管路依次流经分流器10、节流阀13、低温库14、压缩机8、第四控制阀15、第二流量计16，缓冲罐7，形成两种不同温位的冷库。

进一步地，所述双轴发电机5为隔爆永磁发电机，安全可靠、稳定性高。

进一步地，所述变压同步器6为三相变压同步器，具有体积小、重量轻、维护简单、运行可靠等优点。

进一步地，所述换热器为管壳式换热器17，膨胀后的低温天然气流经换热器与经压缩机压缩的高温冷媒进行换热,高温冷媒走壳层，膨胀后的天然气走管层，具有结构简单，成本低，换热效果好等优点。

进一步地，所述膨胀机3为透平膨胀机、螺杆膨胀机，具体需根据不同的工况选择合适的膨胀机。

进一步地，所述的冷媒制冷系统包含两种不同温位的冷库，能够实现不同食品、海鲜或者设备的冷冻保藏，可满足不同温位冷产品需冷要求，极大的适应市场的需求。

进一步地，所述冷媒为R404a、R134a、R22、CO₂等常用冷媒。

进一步地，所述膨胀机后接双轴发电机，连轴带动压缩机，在实现管网压力能发电的同时带动压缩机运转，减少了单独使用压缩机时的外部所需提供的能耗。

应用所述装置的天然气管网压力能用于发电及冷库方法，如图2所示，包括如下步骤：

S100、高压天然气流经第一控制阀1，第一流量计2，膨胀机3膨胀发电，膨胀后的天然气温度降低，膨胀发电部分通过变压同步器6用于输出，同时带动压缩机8；

膨胀后的天然气与换热器17中的冷媒进行换热，使换热后的天然气经复热器加热后，温度达到要求，然后经过第二控制阀4进入城市燃气管网；

S200、经换热器的制冷剂经过换热器17，然后流经10分流器分成两路，一路流经第三控制阀11，高温冷库12，第四控制阀15，第二流量计16，缓冲罐7；另一路流经节流阀13，低温冷库14，压缩机8，第四控制阀，第二流量计16，然后和第一路制冷剂混合在一起进入缓冲罐7，随后流经第五控制阀9一起流经换热器17与膨胀发电后的天然气进行换热。

某门站天然气调压前相关参数为20℃、4.0MPa、50000Nm³/h，调压后天然气压力为1.2MPa。该地有周边有猪肉类和瓜果类需冷产业，需要库容为5000m³，温位为-5℃左右的冷库及库容为5000m³，温位为-30℃左右的冷库进行保冷保鲜。

根据上述项目背景进行方案设计，本方案中所用的制冷剂为R404a，膨胀机3选用透平膨胀机，膨胀效率约为0.78，发电机5选用防爆型的异步发电机，换热器17为管壳式特型设备，所用压缩机7为螺杆式压缩机，压缩机的机械效率为0.78，具体实施方案如下。

现有30000Nm³/h的高压管网天然气20℃、4.0MPa的天然气经透平膨胀机膨胀3至1.2MPa，天然气的温度降低至-45℃；-45℃的低温天然气与换热器17中的制冷剂R404a换热，天然气的温度升高至-8℃后，在经过复热器18，达到要求后并入城市低压燃气管网；1℃、0.5MPa、139000kg/h的冷媒R404a，换热后的温度为-7℃，然后流经分流器10，第一路为8757kg/h，经过第三控制阀11，随后给-5℃高温冷库12供冷；另一管路为5143kg/h，经过节流膨胀后温度可达到-32℃左右，然后给-30℃低温冷库14供冷，随后通过压缩机8压缩后，压力增加至0.5MPa，随后和第一路管道的冷媒在缓冲罐中混合在一起，混合后的压力为0.5MPa、温度为1℃随后流经调节阀9，经过换热器17形成整个回路。

整个工艺中换热器所需的换热面积为7180m²，第一路制冷剂能提供442kW的冷量，可供应5000t温位为-5℃的冷库；第二路制冷剂能提供231kW的冷量，可供5000t温位-30℃的冷库存储保鲜。

本工艺运用天然气管网压力能发电及冷库方法与装置发电能产生1220kW电能，压缩机需耗功26kW。以全年运行时间8600h，电费0.8元/kWh计算，本工艺总节能效益为820万元/年。

本发明的上述实施例仅仅为清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所述领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。