一种天然气压力能及冷能联合回收系统及方法与流程

本发明涉及天然气压力能回收领域，特别涉及一种天然气压力能及冷能联合回收系统及方法。

背景技术：

天然气开采过程中常在井口或井筒内安装节流装置，将气井天然气压力节流降压至集气管线压力，然后再经过调压分配站进一步降压，最后达到实际的输运压力，运送给用户。目前天然降压过程中普遍采用“节流降压”措施，一方面这种方式导致大量的天然气压力能在降压过程中被浪费；另一方面常温高压的天然气在膨胀过程中温度会急剧降低，过低的温度会对管道和设备产生严重的影响，传统的方式是利用空气换热器换热，由于空气比热小，空气换热器体积大，成本高。对于天然气降压过程中的压力能，可以通过多级透平膨胀发电机进行回收；天然气膨胀后产生的冷能可以作为二氧化碳CO₂发电循环热力循环的冷端，提高循环发电效率。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了克服现有天然气开采过程中压力能节流损失以及膨胀回收过程中冷能浪费的不足，本发明提供了一种天然气压力能及冷能联合回收系统和方法。

(二)技术方案

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种天然气压力能及冷能联合回收系统，包括天然气压力能回收子系统、超临界CO₂发电子系统和燃气轮机发电循环子系统：所述天然气压力能回收子系统将第一天然气进行多级膨胀，对外发电，并向系统外输出压力降低后的第二天然气；经所述天然气压力能回收子系统膨胀后的天然气所需的吸热量来自所述超临界CO₂发电子系统的放热量。所述超临界CO₂发电子系统向经所述天然气压力能回收子系统膨胀后的天然气放热，同时从所述燃气轮机发电循环子系统的排烟吸热，通过超临界CO₂工质闭式循环发电。所述燃气轮机发电循环子系统以所述天然气压力能回收子系统输出的部分第二天然气为燃料，并通过排烟向所述超临界CO₂发电子系统放热，进行燃气轮机发电。

所述天然气压力能回收子系统包括高压涡轮膨胀机、第一发电机、高压换热器、中压涡轮膨胀机、中压换热器、低压涡轮膨胀机、第二发电机及低压换热器；所述高压涡轮膨胀机的入口端引入所述第一天然气；所述高压涡轮膨胀机的出口端、高压换热器的吸热侧、中压涡轮膨胀机、中压换热器的吸热侧、低压涡轮膨胀机和低压换热器的吸热侧入口端依次通过管道连接；所述低压换热器的吸热侧出口端输出第二天然气；所述第一发电机与高压涡轮膨胀机同轴；所述第二发电机与中压涡轮膨胀机和低压涡轮膨胀机同轴；经所述天然气压力能回收子系统膨胀后的天然气从所述高压换热器的吸热侧、所述中压换热器的吸热侧和所述低压换热器的吸热侧依次吸收来自所述超临界CO₂发电子系统的放热量。

所述超临界CO₂发电子系统包括高压换热器、中压换热器、低压换热器、CO₂发电机、调节阀、CO₂膨胀机、CO₂压缩机、烟气-超临界CO₂换热器。所述CO₂压缩机的出口端、烟气-超临界CO₂换热器的吸热侧、CO₂膨胀机、高压换热器的放热侧、中压换热器的放热侧、低压换热器的放热侧入口端依次通过管道连接，并且所述低压换热器的放热侧的出口端与所述CO₂压缩机的入口端通过管道连接，构成超临界CO₂闭式循环。所述CO₂发电机与CO₂膨胀机和CO₂压缩机同轴；所述调节阀通过管道布置在CO₂膨胀机的出口端和高压换热器的入口端之间；所述调节阀用于调节进入高压换热器的放热侧的超临界CO₂的流量。所述超临界CO₂发电子系统通过所述高压换热器的放热侧、中压换热器的放热侧、低压换热器的放热侧依次向经所述天然气压力能回收子系统膨胀后的天然气释放热量；同时，所述超临界CO₂发电子系统通过所述烟气-超临界CO₂换热器的吸热侧从所述燃气轮机发电循环子系统的排烟吸热。

所述燃气轮机发电循环子系统包括控制阀、烟气-天然气换热器、燃烧室、压气机、透平、燃气发电机、回热器、烟气-超临界CO₂换热器。所述控制阀的入口端引入所述天然气压力能回收子系统输出的部分第二天然气；所述控制阀的出口端连接烟气-天然气换热器吸热侧入口；所述烟气-天然气换热器的吸热侧出口端通过管道连接至燃烧室的燃料入口端。所述压气机的入口端引入空气；所述压气机的出口端、回热器的放热侧、燃烧室的气体进出口端、透平、回热器的吸热侧、烟气-超临界CO₂换热器的放热侧、烟气-天然气换热器的放热侧入口端依次通过管道连接；所述燃气发电机与透平、压气机同轴。所述燃气轮机发电循环子系统的排烟通过所述烟气-超临界CO₂换热器的放热侧向所述超临界CO₂发电子系统放热。

本发明还提供了一种天然气压力能及冷能联合回收的方法，包括：

S1、天然气压力能回收子系统将第一天然气进行多级膨胀后向系统外输出压力降低后的第二天然气，同时对外发电，从而实现对所述第一天然气的压力能的回收；

S2、所述超临界CO₂发电子系统向经所述天然气压力能回收子系统膨胀后的天然气放热，并从所述燃气轮机发电循环子系统的排烟吸热，实现超临界CO₂工质闭式循环，对外发电，从而实现对所述第一天然气冷能的回收；

S3、所述燃气轮机发电循环子系统以部分所述第二天然气为燃料，进行燃气轮机发电；并通过排烟向所述超临界CO₂发电子系统放热。

步骤S1的天然气压力能回收子系统包括高压涡轮膨胀机、第一发电机、高压换热器、中压涡轮膨胀机、中压换热器、低压涡轮膨胀机、第二发电机及低压换热器。步骤S1包括：所述高压涡轮膨胀机的入口端引入所述第一天然气；第一天然气依次经过所述高压涡轮膨胀机一次膨胀、从高压换热器一次吸热、在中压涡轮膨胀机二次膨胀、从中压换热器二次吸热、在低压涡轮膨胀机三次膨胀和从低压换热器三次吸热后，转换为第二天然气并输出至系统外；所述第一天然气在所述高压涡轮膨胀机一次膨胀的同时带动所述第一发电机转动，对外发电；所述第一天然气在所述中压涡轮膨胀机中二次膨胀和在低压涡轮膨胀机三次膨胀的同时，带动所述第二发电机转动，对外发电；经所述天然气压力能回收子系统膨胀后的天然气从所述高压换热器的一次吸热、所述中压换热器的二次吸热和所述低压换热器的三次吸热的热量均来自所述超临界CO₂发电子系统的放热。

步骤S2的超临界CO₂发电子系统包括高压换热器、中压换热器、低压换热器、CO₂发电机、调节阀、CO₂膨胀机、CO₂压缩机、烟气-超临界CO₂换热器。步骤S2包括：CO₂压缩机引入超临界CO₂工质；所述超临界CO₂工质依次经过所述CO₂压缩机进行压缩、从烟气-超临界CO₂换热器吸热、在CO₂膨胀机中膨胀、向高压换热器一次放热、再向中压换热器二次放热、向低压换热器三次放热，最后又回到CO₂压缩机中进行循环；所述超临界CO₂工质在CO₂膨胀机中膨胀的同时带动所述CO₂发电机转动，对外发电。

步骤S3的燃气轮机发电循环子系统包括控制阀、烟气-天然气换热器、燃烧室、压气机、透平、燃气发电机、回热器、烟气-超临界CO₂换热。步骤S3包括：所述控制阀将所述第二天然气引入燃气轮机发电循环子系统；所述第二天然气经过在烟气-天然气换热器吸热后进入燃烧室。所述压气机引入空气；所述空气经所述压气机的压缩、在回热器吸热后进入燃烧室与天然气混合后燃烧形成烟气。所述烟气进入透平膨胀后排出成为排烟，并依次向回热器一次放热、向烟气-超临界CO₂换热器二次放热、向烟气-天然气换热器三次放热。所述烟气在透平中膨胀的同时带动压气机和燃气发电机转动；所述燃气发电机对外发电。所述排烟二次放热的热量被所述超临界CO₂发电子系统吸收。

(三)有益效果

1、本发明提供的天然气压力能及冷能联合回收系统和方法，可同时回收天然气膨胀过程中的压力能以及膨胀后的冷能，不需要搭建额外的辅助系统来回收不同形式的能量。

2、本发明提供的天然气压力能及冷能联合回收系统和方法，采用燃气轮机发电循环子系统以及余热超临界CO₂发电子系统的闭式布雷顿循环发电循环，系统整体体积小，启动快。

3、本发明提供的天然气压力能及冷能联合回收系统和方法，利用超临界CO₂工质与膨胀后的低温天然气换热，CO₂工质比热容比空气大，因此所需的换热器体积小，初始投资少。

4、本发明提供的天然气压力能及冷能联合回收系统和方法，最终输出的能量形式都是电能，能够实现回收能量的统一运输。

5、本发明提供的天然气压力能及冷能联合回收系统和方法，中间循环采用超临界CO₂闭式布雷顿循环，以膨胀后的低温天然气作为中间循环的低温侧，能够提高中间循环的发电效率。

附图说明

图1是本发明一实施例的的天然气压力能及冷能联合回收系统的示意图；

图2是本发明一实施例的的天然气压力能及冷能联合回收方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，图1是一实施例的天然气压力能及冷能联合回收系统示意图，该天然气压力能及冷能联合回收系统包括天然气压力能回收子系统100、超临界CO₂发电子系统200及燃气轮机发电循环子系统300。

天然气压力能回收子系统100将第一天然气进行多级膨胀，对外发电，并向系统外输出压力降低后的第二天然气。经天然气压力能回收子系统100膨胀后的天然气所需的吸热量来自超临界CO₂发电子系统200的放热量。

超临界CO₂发电子系统200向经天然气压力能回收子系统100膨胀后的天然气放热，同时从燃气轮机发电循环子系统300的排烟吸热，通过超临界CO₂工质闭式循环发电。

燃气轮机发电循环子系统300以天然气压力能回收子系统100输出的部分第二天然气为燃料，并通过排烟向超临界CO₂发电子系统200放热，进行燃气轮机发电。

本实施例中的第一天然气包括但不限于从开采井口得到的具有较高压力的天然气。本实施例的天然气压力能及冷能联合回收系统通过将天然气压力能回收子系统100、超临界CO₂发电子系统200及燃气轮机发电循环子系统300结合起来，使井口开采的具有一定压力能的第一天然气膨胀做功，对外发电，实现了对第一天然气的压力能的回收。同时，本实施例系统以天然气压力能回收子系统100膨胀后的温度较低的天然气作为超临界CO₂发电子系统200的冷源，并以燃气轮机发电循环子系统300的高温的排烟作为超临界CO₂发电子系统200的热源，通过超临界CO₂工质闭式循环发电，有效实现了第一天然气膨胀后的冷能的回收，同时不需要搭建额外的辅助系统来回收不同形式的能量。

一实施例的天然气压力能回收子系统100包括高压涡轮膨胀机1、第一发电机2、高压换热器3、中压涡轮膨胀机4、中压换热器5、低压涡轮膨胀机6、第二发电机7及低压换热器8。高压涡轮膨胀机1的入口端引入第一天然气。高压涡轮膨胀机1的出口端、高压换热器3的吸热侧、中压涡轮膨胀机4、中压换热器5的吸热侧、低压涡轮膨胀机6和低压换热器8的吸热侧入口端依次通过管道连接。第一发电机2与高压涡轮膨胀机1同轴。第二发电机7与中压涡轮膨胀机4和低压涡轮膨胀机6同轴。经天然气压力能回收子系统100膨胀后的天然气从高压换热器3的吸热侧、中压换热器5的吸热侧和低压换热器8的吸热侧依次吸收来自超临界CO₂发电子系统200的放热量。

一实施例的天然气压力能回收子系统100工作时，天然气井口产生的第一天然气首先进入高压涡轮膨胀机1，并在高压涡轮膨胀机1中进行一次膨胀，带动高压涡轮膨胀机1的轴转动，同时带动第一发电机2的轴转动从而发电。一次膨胀后的天然通过管道进入高压换热器3进行一次吸热，吸热升温至进入中压涡轮机4的温度要求后，通过管道进入中压涡轮膨胀机4进行二次膨胀做功。二次膨胀后的天然气通过管道从中压换热器5的二次吸热，吸热升温至低压涡轮机6的温度要求后，通过管道到低压涡轮膨胀机6膨胀做功。最后在低压换热器8中进行三次吸热，吸热升温达到常温后进入到输运管道。天然气在中压涡轮膨胀机4和低压涡轮膨胀机6中膨胀做功，推动中压涡轮膨胀机4和低压涡轮膨胀机6的轴转动，带动同轴的第二发电机7转动，从而发电。

本实施例的天然气压力能回收子系统100通过将天然气井口的具有一定压力能的天然气通过多级膨胀发电，实现了天然气压力能的有效回收利用。

一实施例的超临界CO₂发电子系统200包括高压换热器3、中压换热器5、低压换热器8、CO₂发电机9、调节阀10、CO₂膨胀机11、CO₂压缩机12、烟气-CO₂换热器13。管道中超临界的CO₂(7.5MPa，35℃)工质。其中，CO₂压缩机12的出口端、烟气-CO₂换热器13的吸热侧、CO₂膨胀机11、高压换热器3的放热侧、中压换热器5的放热侧、低压换热器8的放热侧入口端依次通过管道连接，并且低压换热器8放热侧的出口端与CO₂压缩机12的入口端通过管道连接，构成超临界CO₂闭式循环。CO₂发电机9与CO₂膨胀机11和CO₂压缩机12同轴。调节阀10通过管道布置在CO₂膨胀机11的出口端和高压换热器3的入口端之间。调节阀10用于调节进入高压换热器3的放热侧的超临界CO₂的流量。超临界CO₂发电子系统200通过高压换热器3的放热侧、中压换热器5的放热侧、低压换热器8的放热侧依次向经天然气压力能回收子系统100膨胀后的天然气释放热量。同时，超临界CO₂发电子系统200通过烟气-超临界CO₂换热器13的吸热侧从燃气轮机发电循环子系统300的排烟吸热。

一实施例的超临界CO₂发电子系统200工作时，初始状态(7.5MPa，35℃)的超临界CO₂工质进入CO₂压缩机12中进行压缩，压力和温度升高，然后进入到烟气-CO₂换热器13中吸收热量。超临界CO₂工质在烟气-CO₂换热器13中吸收热量后，温度进一步升高，进入到CO₂膨胀机11中进行膨胀做功。CO₂膨胀机11输出的功一部分克服CO₂压缩机12的耗功，一部分驱动CO₂发电机9发电。膨胀后的CO₂工质温度和压力降低，但仍然处于过热状态，然后进入到高压换热器3中的放热侧进行一次放热。CO₂工质再依次向中压换热器5二次放热、低压换热器8的放热侧进行三次放热，然后CO₂工质变回初始状态(7.5MPa，35℃)。

本实施例的超临界CO₂发电子系统200中的调节阀10可以控制进入高压换热器3的放热侧以及中压换热器5的放热侧和低压换热器8的放热侧的CO₂工质质量流量，从而调节CO₂工质在上述3个换热器中的放热量。

本实施例的高压换热器3、中压换热器5、低压换热器8是天然气-超临界CO₂换热器。其中，上述三个换热器的吸热侧工质为膨胀后的温度较低的天然气，放热侧工质为临界CO₂。由于CO₂工质比热容比空气大，因此上述三个换热器所需的体积要比常用的天然气-空气换热器小，从而减少初始投资。

本实施例的天然气压力能及冷能联合回收系统通过超临界CO₂发电子系统200，利用超临界CO₂工质与膨胀后的低温天然气换热，将膨胀后的天然气作为超临界CO₂循环的低温冷源，回收第一天然气膨胀后的冷能，提高了超临界CO₂循环效率，而且不需要搭建额外的辅助系统来回收不同形式的能量。

一实施例的燃气轮机发电循环子系统300包括控制阀14、烟气-天然气换热器15、燃烧室16、压气机17、透平18、CO₂发电机19、回热器20和烟气-CO₂换热器13。其中，控制阀14的入口端引入天然气压力能回收子系统100输出的第二天然气。控制阀14的出口端连接烟气-天然气换热器15吸热侧入口。烟气-天然气换热器15的吸热侧出口端通过管道连接至燃烧室16的燃料入口端。压气机17的入口端引入空气。压气机17的出口端、回热器20的放热侧、燃烧室16的气体进出口端、透平18、回热器20的吸热侧、烟气-CO₂换热器13的放热侧、烟气-天然气换热器15的放热侧入口端依次通过管道连接。燃气发电机19与透平18、压气机17同轴。燃气轮机发电循环子系统300的排烟通过烟气-超临界CO₂换热器13的放热侧向超临界CO₂发电子系统200放热。

一实施例的燃气轮机发电循环子系统300工作时，第二天然气从控制阀14的进入烟气-天然气换热器15的吸热侧进行吸热，温度升高后从燃烧室16的燃料入口端进入燃烧室，为燃气轮机发电循环子系统300提供燃料。空气进入压气机17压缩，然后通过管道进入回热器20的吸热侧吸热，然后通过管道从燃烧室16的气体进口端进入燃烧室16，为进入燃烧室16的第二天然气混合，为第二天然气的燃烧提供氧。燃烧室16内部的空气和第二天然气混合后燃烧成为高温的烟气。然后，高温烟气进入到透平18中膨胀做功，驱动透平18的轴转动，从而带动同轴的燃气发电机19发电。经过透平膨胀后的烟气排出成为排烟。接下来，排烟先进入回热器20的放热侧进行一次放热，然后再进入到烟气-CO₂换热器13的放热侧二次放热，最后进入到烟气-天然气换热器15的放热侧进行三次放热。

本实施例中的控制阀14可以控制引入燃烧室16的第二天然气流量，烟气-CO₂换热器13的放热侧工质为烟气，吸热侧工质为超临界CO₂。烟气-天然气换热器15的放热侧工质为烟气，吸热侧工质为第二天然气。燃气轮机发电循环子系统300在回热器20中回收烟气一次放热的热量，来提高进入燃烧室16的空气温度。在烟气-天然气换热器15中回收排烟三次放热的热量，来提高进入燃烧室16的第二天然气温度。从而使得最终进入燃烧室16的空气和第二天然气温度升高，提高了燃烧室16的燃烧效率。

图2是本发明一实施例的天然气压力能及冷能联合回收方法流程图，包括以下步骤：

S1、天然气压力能回收子系统100将第一天然气进行多级膨胀后向系统外输出压力降低后的第二天然气，同时对外发电，从而实现对第一天然气的压力能的回收。

S2、超临界CO₂发电子系统200向经天然气压力能回收子系统100膨胀后的天然气放热，并从燃气轮机发电循环子系统300的排烟吸热，实现超临界CO₂工质闭式循环，对外发电，从而实现对第一天然气冷能的回收。

S3、燃气轮机发电循环子系统300以部分第二天然气为燃料，进行燃气轮机发电，并通过排烟向超临界CO₂发电子系统200放热。

其中，本实施例的超临界CO₂发电子系统200向经天然气压力能回收子系统100膨胀后的天然气放热的CO₂工质是超临界CO₂发电子系统200中进入的CO₂压缩机前的CO₂工质。这样降低了CO₂工质进入CO₂压缩机时的进口温度，能够有效地提到CO₂压缩机的效率，充分利用膨胀后的天然气的冷能。

本实施例的超临界CO₂发电子系统200从燃气轮机发电循环子系统300的排烟吸热，是由超临界CO₂发电子系统200中进入CO₂膨胀机前的CO₂工质从燃气轮机发电循环子系统300的排烟吸热，这样一方面能够提高进入CO₂膨胀机的CO₂工质温度，有效地提高CO₂膨胀机的效率，同时能够充分利用燃气轮机发电循环子系统300的排烟热量，回收废热。

一实施例的天然气压力能及冷能联合回收的方法具体实现过程如下：

步骤S1包括：高压涡轮膨胀机1的入口端引入第一天然气。第一天然气依次经过高压涡轮膨胀机1一次膨胀、从高压换热器3中一次吸热、在中压涡轮膨胀机4二次膨胀、从中压换热器5中二次吸热、在低压涡轮膨胀机6三次膨胀和从低压换热器8中三次吸热后，转换为第二天然气并输出至系统外。第一天然气在高压涡轮膨胀机1一次膨胀的同时带动第一发电机2转动，对外发电。第一天然气在中压涡轮膨胀机4中二次膨胀和在低压涡轮膨胀机6三次膨胀的同时，带动第二发电机7转动，对外发电。经天然气压力能回收子系统100膨胀后的天然气从高压换热器3的一次吸热、中压换热器5的二次吸热和低压换热器8的三次吸热的热量均来自超临界CO₂发电子系统200的放热。

步骤S2包括：CO₂压缩机12引入超临界CO₂工质。超临界CO₂工质依次经过CO₂压缩机进行压缩、从烟气-超临界CO₂换热器13吸热、在CO₂膨胀机11中膨胀、向高压换热器3放热一次放热、向中压换热器5二次放热、向低压换热器8三次放热后，又回到CO₂压缩机12中进行循环。超临界CO₂工质在CO₂膨胀机11中膨胀的同时带动CO₂发电机9转动，对外发电。

步骤S3包括：控制阀14引入第二天然气。第二天然气经过在烟气-天然气换热器15吸热后进入燃烧室16。压气机17引入空气。空气经压气机17的压缩、在回热器20吸热后进入燃烧室16与进入燃烧室(16)的天然气混合后燃烧，产生烟气。烟气依次进入透平18膨胀、向回热器20一次放热、向烟气-超临界CO₂换热器13二次放热、向烟气-天然气换热器15三次放热。烟气在透平18中膨胀的同时带动压气机17和燃气发电机19转动。燃气发电机19对外发电。排烟二次放热的热量被超临界CO₂发电子系统200吸收。

本实施例的天然气压力能及冷能联合回收系统及方法中，燃气轮机发电循环子系统300和超临界CO₂发电子系统200共用烟气-CO₂换热器13，使得超临界CO₂发电子系统200通过烟气-CO₂换热器13从燃气轮机发电循环子系统300的排烟吸热。其中，燃气轮机发电循环子系统300的排烟在烟气-CO₂换热器13的三次放热，同时超临界CO₂发电子系统的CO₂工质在13的吸热侧吸收排烟三次放热的热量，充分利用了燃气轮机发电循环子系统300的排烟热量，减少了超临界CO₂发电子系统所需的外热源，提高了能量整体利用效率。

本实施例结合燃气轮机发电循环、余热超临界CO₂发电循环以及天然气膨胀发电循环组成天然气压力能及冷能联合回收系统，利用多级透平膨胀发电回收天然气压力能，同时通过燃气轮机-超临界CO₂发电联合循环回收天然气膨胀冷能，可实现天然气采气过程中的压力能和冷能的同时回收利用，减少能源的浪费。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。