一种重烃零排放的天然气管网压力能利用系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种重烃零排放的天然气管网压力能利用系统，包括稳压脱水脱烃单元、预冷膨胀发电单元、冷能回收利用单元及天然气回温单元，稳压脱水脱烃单元包括脱水脱烃装置及气化装置，脱水脱烃装置、预冷膨胀发电单元、冷能回收利用单元及天然气回温单元依次连接，气化装置通过混合气管路与天然气回温单元连接，冷能回收利用单元和天然气回温单元的连接处还与预冷膨胀发电单元连接，然后通过两个分支管路分别与脱水脱烃装置及混合气管路连接，与脱水脱烃装置连接的分支管路用于将低压天然气作为再生气，携带水和重烃组分至气化装置。与现有技术相比，本发明能根据环境采取不同的运行方式，最大限度回收天然气压力能和冷能，同时实现重烃零排放。
【专利说明】
一种重烃零排放的天然气管网压力能利用系统
技术领域
[0001]本发明属于管网天然气调压过程中压力能利用技术领域，尤其是涉及一种重烃零排放的高效的天然气管网压力能利用系统。
【背景技术】
[0002]天然气作为一种清洁能源，随着国家能源结构调整，天然气的消费比重不断增加，到2020年天然气在一次能源消费中的比例提高到10%以上，我国天然气输气管道将得到快速发展。
[0003]天然气长输管道一般采用高压输送，即:天然气在输送工艺过程中，需要经压气站升至高压输送，至用户侧则需要降压使用。目前我国已陆续建成投产的“西气东输”1线管道压力约为lOMPa，年供气能力已逾160亿立方米。“西气东输” Π线压力约为12MPa，年供气能力逾300亿立方米。西气东输每个分输站点通常有三四个用户，输送给这些下游用户时一般都经过调压，此调压为初级调压，用户接受来气用于企业管网时需要再次调压，此次调压称之为二次调压，还有些用户例如华润，新奥，昆仑等城市燃气公司再输送给终端用户时的调压为三次调压。
[0004]因此，目前天然气在长距离输送过程中，需要消耗动力驱动压气机组提高输气压力;而在用户侧需要采用调压阀组降压的方式，来降低输气压力。在采用调压阀调压(降压)时，高品质的压力能完全消耗在克服阀门的局部阻力上，无法得到有效利用;且经调压阀组降压后，天然气温度会降低(焦耳一汤姆逊效应)，若在冬季还需要额外提供热量把天然气恢复至合适的温度，以便下游用户正常使用。即长距离管输天然气需要高压输送，降压和回温使用。由此可见，天然气输送过程中，蕴含着巨大的可高效利用能量与节能空间。
[0005]天然气压力能利用技术是我国近年来兴起的新技术。目前，已开发出多种天然气压力能利用技术，包括压力能储气调峰、压力能发电、天然气液化、制冷等。按照能量梯级利用的原则，利用天然气压力能发电的同时利用冷能，实现电能冷能综合利用的分布式能源系统是我国现阶段最高效的能量回收方式。
[0006]但是，在实际天然气压力能回收利用中，因为管输天然气的气质成分原因，无论是经调压阀组还是经膨胀机进行降压，都会因降压后天然气的温度降低而有重烃析出。
[0007]重烃析出是由于从地下采出的天然气中都会有C4以上较重烃组分的存在，使得天然气的烃露点会较高。烃类混合气体的露点与其组分、压力有关。天然气烃露点变化的一般规律是:随着天然气压力的降低，天然气的烃露点相应降低；当压力不变时，烃类温度降低到该压力下自身露点时，重烃就会析出。因此在一定压力下温度低于重烃露点时会有重烃析出，此时重烃与水分结合会形成水合物，当温度较低时水合物会以固态形式出现，温度较高时则会形成蜡状粘稠液。无论重烃是哪种形态都会产生较大的危害，如经门站调压阀组降压形成的重烃，在温度较低的冬季会形成固态水合物堵塞天然气管道危及天然气门站安全运行。若经膨胀机进行降压因进膨胀机之前天然气脱水脱烃不完全而形成的重烃，危害将更大，形成的固态水合物会撞碎膨胀机的叶轮，危及膨胀机的安全运行。
[0008]目前防止重烃产生危害的措施。天然气调压门站的做法是，一般情况下经门站调压阀组降压形成的重烃水合物多数以蜡状粘稠物堆积在天然气管道的低洼拐角处，门站会将这些重烃水合物收集到门站的重烃储罐中，当地化工企业会定期回收这些重烃，而在温度较低的冬季为防止重烃形成固态水合物堵塞门站天然气管道，则采用调压前用电伴热提高天然气温度的做法。而当前天然气压力能利用工艺设计中，为防止天然气经膨胀机降压温度降低而出现重烃水合物危机膨胀机的安全运行，则采用对进膨胀机前的天然气预先加热，使经膨胀机降压后的天然气在此压力下温度高于烃露点，不会产生重烃水合物。
[0009]天然气调压门站对于重烃水合物的处理方法一方面会改变天然气的气质成分，降低天然气的燃烧热值;另一方面用电伴热加热天然气提高天然气的温度会浪费高品质的电能，不利于节约能源。而当前天然气余压利用设计工艺中采用进膨胀机前对天然气加热的方法，将浪费大量膨胀机发出的电能，同时也不利于天然气经膨胀机膨胀降温后的冷能利用，这种方式会从整体上降低天然气压力能的利用效率，得不偿失，影响天然气压力能利用方案在实际应用中的推广。
[0010]在能源资源日趋紧张的国情下，如何采用高效的工艺系统设计、合理的重烃处理办法、合适的能量利用方式，从而有效获取天然气输送过程中的可用压力能是一个值得研究的命题。
[0011]中国专利CN102563958B披露了一种利用管网天然气压力能发电与制冰的方法与装置，此发明的内容主要解决的是利用天然气压力能时，获取能量形式的单一性及天然气压力能技术的工业实际应用问题。此发明虽然可以综合利用天然气压力能(发电的同时进行制冷)，但此发明中的产品电能主要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。同时此发明也没有提出管输天然气在压力能利用过程中对产生重烃水合物的处理办法。
【发明内容】
[0012]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重烃零排放的天然气管网压力能利用系统。
[0013]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0014]—种重烃零排放的天然气管网压力能利用系统，包括稳压脱水脱烃单元、预冷膨胀发电单元、冷能回收利用单元及用于通往下游天然气用户的天然气回温单元，
[0015]所述的稳压脱水脱烃单元包括用于将管网高压天然气中的水和重烃组分脱除的脱水脱烃装置及用于将脱除的水和重烃组分重新气化的气化装置，
[0016]所述的脱水脱烃装置、预冷膨胀发电单元、冷能回收利用单元及天然气回温单元依次通过天然气管道连接，
[0017]所述的气化装置通过混合气管路与天然气回温单元连接，
[0018]所述的冷能回收利用单元和天然气回温单元的连接处还通过天然气管道与预冷膨胀发电单元连接，然后通过两个分支管路分别与脱水脱烃装置及混合气管路连接，与脱水脱烃装置连接的分支管路用于将低压天然气作为再生气，携带水和重烃组分进入气化装置。
[0019]所述的预冷膨胀发电单元包括换热器和膨胀机，所述的换热器的高温流体通道的一端与脱水脱烃装置的天然气出口连接，另一端与膨胀机连接，膨胀机连接有发电机，所述的换热器的低温流体通道的一端通过天然气管道与所述的冷能回收利用单元和天然气回温单元的连接处连接，另一端设有所述的分支管路。
[0020]所述的换热器的高温流体通道及低温流体通道的两端还分别设有天然气旁路管道。
[0021]所述的冷能回收利用单元包括通过天然气管道依次连接的冷能回收利用装置和储水池，所述的储水池还通过水管与冷能回收利用装置连接，为冷能回收利用装置提供制冰用水，所述的冷能回收装置的天然气进口和天然气出口端还设有天然气旁路管道。
[0022]所述的天然气回温单元包括通过天然气管道依次连接的第一电加热换热器和第二电加热换热器，所述的第一电加热换热器的天然气进口和天然气出口处设有天然气旁路管道并分别设置温度测量仪，所述的第二电加热换热器的天然气进口和天然气出口处设有天然气旁路管道并在其天然气进口处设置温度测量仪。
[0023]所述的混合气管路与天然气回温单元的连接处位于第一电加热换热器的天然气出口与第二电加热换热器的天然气进口之间的天然气管路上。
[0024]所述的气化装置包括气液分离器和回温加热器，所述的气液分离器用来接受来自脱水脱烃装置的再生气及水和重烃组分，并进行气液分离，气液分离后的气体经过止回阀进入混合气管路，液体经过回温加热器加热后经过止回阀进入混合气管路。
[0025]所述的冷能回收利用单元和天然气回温单元的连接处与所述的预冷膨胀发电单元之间的天然气管路上设有涡街流量计。
[0026]所述的稳压脱水脱烃单元还包括设置在脱水脱烃装置之前的稳压阀。
[0027]本发明系统利用管网天然气压力能发电的同时对膨胀后的低温天然气的冷能进行回收，本发明中系统不仅能够代替原门站调压系统正常工作，还能根据环境条件的不同采取不同的运行方式，最大限度回收管网天然气压力能和冷能，从而实现天然气高压管网的调压与回温，实现高压天然气压力能及冷能的高效回收与利用，同时还能最大限度的不改变天然气的组分即不改变天然气的燃烧热值，实现重烃“零排放”。
[0028]首先，高压管输天然气经稳压阀稳压后，进入脱水脱烃装置脱除天然气中含有的大部分水分和重烃(防止天然气在膨胀机膨胀降压过程中形成固态水合物)，净化干燥后的天然气进入换热器中预冷，这样可进一步的提高冷能利用率，降低要进入膨胀机的高压天然气的温度。然后净化干燥预冷后的高压天然气进入膨胀机降压，在降压过程中膨胀机旋转机械部分带动发电机发电，所发的电能可直接上网。高压天然气流经膨胀机的速度很快，天然气与外界的传热量很小，可认为是绝热等熵膨胀，这就导致高压天然气在膨胀降压的过程中天然气的温度也会降低。降压后的低温天然气进入冷能回收利用单元利用低温天然气的冷能，按照能量阶梯利用的原则，经过冷能回收利用单元回收后的天然气进入储水池，然后再经涡街流量计进入换热器预冷要进入膨胀机的高压天然气，而被冷却的储水池中的水可作为冷能回收利用单元的制冰用水。经换热器换热后的低压天然气再混合被脱水脱烃装置分离并经过气化装置气化的气态的烃水混合物后到达第一电加热换热器和第二电加热换热器之间的天然气管路上，再通过第二电加热换热器升温后通往下游天然气用户。
[0029]在本发明中，高压天然气经脱水脱烃装置处理后产生的烃水混合物(含水和重烃组分)，被从换热器低温流体通道分出的一股低压天然气对脱水脱烃装置再生的过程中带入到气液分离器，气液分离器可将气态的重烃水分混合物经止回阀通过混合气管路通往下游天然气用户，而液态的重烃水合物则经回温加热器加热成气态后经止回阀通过混合气管路被经过换热器换热后的低压天然气混合携带汇入通往下游天然气用户。本发明这样的工艺设计可以最大程度的不改变天然气的组分即不改变天然气的燃烧热值，实现天然气压力能回收利用中的重烃“零排放”的原则。
[0030]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0031]高压天然气通过膨胀机带动发电机所发的电能可直接上网，同时依据能源梯级利用的原则，冷能回收利用系统后的低温天然气，首先经过储水池升温利用其冷能，然后经换热器预冷要进入膨胀机的高压天然气再利用其冷能，从而可保障最大限度的回收高压天然气膨胀降压后的冷能。这样从整个工艺系统设计角度最大程度的利用了管网天然气降压过程中的压力能。而采用脱水脱烃装置、气液分离器和回温加热器的重烃处理系统设计方法，不但保证了高压天然气在膨胀降压过程中膨胀机的安全运行，而且也保证了不改变天然气的组分即不改变天然气燃烧热值，很好的实现了在天然气压力能利用中重烃“零排放”的目的。
【附图说明】
[0032]图1为本发明的系统连接示意图。
[0033]图中，I为脱水脱烃装置，2为换热器，3为膨胀机，4为发电机，5为冷能回收利用装置，6为储水池，7为第一电加热换热器，8为第二电加热换热器，9为气液分离器，10为回温加热器，11为第一温度测量仪，12为第二温度测量仪，13为第三温度测量仪，14为涡街流量计；
[0034]Vl为稳压阀，V2为第一电动调节阀，V3为第二电动调节阀，V4为第一止回阀，V5为第二止回阀，V6为第一球阀，V7为第二球阀，V8为第三球阀，V9为第四球阀，VlO为第五球阀，Vll为第六球阀，V12为第七球阀，V13为第八球阀，V14为第九球阀，V15为第十球阀，V16为第i^一球阀，V17为第十二球阀，V18为第十三球阀，V19为第十四球阀，V20为第十五球阀，V21为第十六球阀，V22为第十七球阀，V23为第十八球阀，V24为第十九球阀；
[0035]LI为第一分支管路，L2为第二分支管路，L3为混合气管路
[0036]I为稳压脱水脱烃单元，II为预冷膨胀发电单元，III为冷能回收利用单元，IV为天然气回温单元。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0038]实施例1
[0039]—种重烃零排放的天然气管网压力能利用系统，如图1所示，包括稳压脱水脱烃单元1、预冷膨胀发电单元I1、冷能回收利用单元III及用于通往下游天然气用户的天然气回温单元IV。稳压脱水脱烃单元I包括稳压阀11、用于将管网高压天然气中的水和重烃组分脱除的脱水脱烃装置I及用于将脱除的水和重烃组分重新气化的气化装置，气化装置包括气液分离器9和回温加热器10;预冷膨胀发电单元II包括换热器2和膨胀机3，膨胀机3连接有发电机4;冷能回收利用单元III包括冷能回收利用装置5和储水池6;天然气回温单元IV包括第一电加热换热器7和第二电加热换热器8。
[0040]稳压阀11、脱水脱烃装置1、换热器2的高温流体通道、膨胀机3、冷能回收利用装置
5、储水池6、第一电加热换热器7及第二电加热换热器8通过天然气管道依次连接，膨胀机3和冷能回收装置5之间的天然气管道上还设有放空管，储水池6还通过水管与冷能回收利用装置5连接，为冷能回收利用装置5提供制冰用水。储水池6和第一电加热换热器7的连接处通过天然气管道与换热器2的低温流体通道连接，然后通过第一分支管路LI和第二分支管路L2两个分支管路分别与脱水脱烃装置I及混合气管路L3连接，混合管路L3通向第一电加热器7的天然气出口和第二电加热器8的天然气进口之间的管路上，第一分支管路LI用于将低压天然气作为再生气，携带脱水脱烃装置I中的水和重烃组分进入气液分离器9，经过气液分离，气体经过第一止回阀V4进入混合气管路L3，液体经过回温加热器10加热后经过第二止回阀V5进入混合气管路L3。
[0041 ] 换热器2高温流体通道的天然气进口和天然气出口分别设有第一球阀V6和第二球阀V7，低温流体通道的天然气进口和天然气出口分别设有第八球阀V13和第九球阀V14;冷能回收利用装置5的天然气进口和天然气出口分别设有第四球阀V9和第五球阀V10;第一电加热换热器的天然气进口和天然气出口分别设有第十六球阀V21和第十七球阀V22;第二电加热换热器的天然气进口和天然气出口分别设有第十二球阀V17和第十三球阀V18;冷能回收利用单元III与天然气回温单元IV的连接处位于图中的a点，冷能回收单元III和天然气回温单元之间的天然气管道上a点的天然气回温单元IV侧设有第一电动调节阀V2，a点与换热器2的低温流体通道连接的天然气管道上依次设有第二电动调节阀V3和涡街流量计14，第一电加热换热器7的天然气进口和天然气出口处分别设有第一温度测量仪11和第二温度测量仪12，第二电加热换热器8的天然气进口处设有第三温度测量仪13，换热器2的高温流体通道的两端、换热器2的低温流体通道的两端、冷能回收利用装置5的天然气进口和天然气出口之间、第一电加热换热器7的天然气进口和天然气出口之间、第二电加热换热器8的天然气进口和天然气出口之间均设有旁路天然气旁路管道，换热器2的高温流体通道两端的天然气旁路管道上设有第三球阀V8，换热器2的低温流体通道两端的天然气旁路管道上设有第十球阀V15，冷能回收利用装置5的天然气进口和天然气出口之间额天然气旁路管道上设有第六球阀VlI和第七球阀Vl2，第一电加热换热器7的天然气进口和天然气出口之间的天然气旁路管道上设有第十八球阀V23和第十九球阀V24，第二电加热换热器8的天然气进口和天然气出口之间的天然气旁路管道上设有第十四球阀19和第十五球阀20。从换热器2出来的天然气管路在b点分为第一分支管路LI和第二分支管路L2，气液分离器9与混合气管路L3的连接处位于f点，回温加热器10与混合气管路L3的连接处位于d点。
[0042]本发明的重烃零排放的天然气管网压力能利用系统主要有三种方式运行:
[0043]第一种方式是经过冷能回收利用装置5后的天然气全部去换热器2预冷进入膨胀机3的天然气；
[0044]第二种方式是经冷能回收利用装置5后的天然气部分去换热器2预冷进入膨胀机3的天然气；
[0045]第三种是经冷能回收利用装置5后的天然气都不去预冷进入膨胀机3的天然气，全部通过第一电动调节阀V2通往下游天然气用户。
[0046]这几种运行方式主要是为了进一步的利用膨胀降压后天然气的冷能，同时也能提高通往下游天然气用户的天然气的温度，不用消耗高品质的电能对其回温，从整体上提高整个天然气压力能利用系统的效率，降低天然气西气东输管线的能耗损失，更好的节约能源，保护环境。
[0047]下面以适用于15°C5MPa调压至2MPa的管网天然气压力能及冷能回收利用系统为例进行说明:
[0048]第一种运行方式详细描述:首先，15°C5MPa的管网高压天然气经稳压阀Vl微调稳压后进入脱水脱烃装置I脱除管网天然气的携带的水分和重烃，然后经第一球阀6进入换热器2换热冷却，被冷却的天然气经第二球阀7进入膨胀机3膨胀降压，膨胀降压过程中膨胀机3的旋转部件带动发电机4发出电能，所发的电能可直接上网。而高压天然气在膨胀降压的过程中温度也会随之降低，若不考虑换热器2换热预冷高压天然气的情况下，15°C5MPa的管网高压天然气在膨胀机3膨胀降压到2MPa时温度会随之降到-37.4°C，而经过换热器2换热预冷后高压天然气膨胀降压后温度会更低。其次，降压后的2MPa的低温天然气经第四球阀V9进入冷能回收利用装置5利用其低温天然气的冷能，设计经冷能回收利用装置5利用后的天然气温度为_10°C，冷能回收利用后的天然气经第五球阀VlO进入储水池6，再次利用低温天然气的冷能。而储水池6的水来自市政用水，被冷却降温后可作为冷能回收系装置5的制冰用水，同时又能提高天然气的温度，设计经储水池6后天然气的温度升高到(TC左右。从储水池6出来的天然气在a点经第二电动调节阀V3、涡街流量计14、第八球阀V13进入换热器2预冷要进入膨胀机3的高压天然气，此时第二电动调节阀V3全开，第一电动调节阀V2全关。在换热器2换热后(TC的低温天然气温度再次被提升，即膨胀降压后的天然气所携带的冷能进一步被利用，这正是能量阶梯利用原则在本设计发明中的体现。从换热器2换热后的低压天然气经第九球阀V14、第^^一球阀Vl 6流向e点。最后，过e点的低压天然气经第三温度测量计13测温后判断温度是否达到下游用户对温度的要求，若达到则经第十四球阀V19、第十五球阀V20通往下游天然气用户，若没达到则经第十二球阀V17，通过第二电加热换热器8加热升温达到要求后，经第十三球阀V18通往下游天然气用户。
[0049]对于从天然气脱出的水分和重烃的处理:首先，从高压管网天然气脱除的重烃和水分混合物储存在脱水脱烃装置I中，然后从b点抽出一股低压天然气作为再生气，对脱水脱烃装置I进行再生，再生气携带水分和重烃混合物进入气液分离器9。在气液分离器9中气态的重烃水分混合物经第一止回阀乂4在€点汇入通往下游的天然气中，而液态的重烃水分混合物沉积在气液分离器9的底部，经回温加热器10加热成气态后经第二止回阀V5在d点汇入通往下游的天然气中。
[0050]在换热器换热后经第九球阀V14出来的通往下游的天然气可携带重烃有两方面的原因，一方面是此时的低压天然气自身重烃的含量极少，因不饱和性很容易混合入重烃成分；另一方面此时的低压天然气流速比较快，对混合入的气态重烃成分很容易携带流向下游。因为此时的重烃成分已经是气态，且膨胀降压后的低压天然气经过三次冷能用，温度已经回温到零度以上，因而在低压天然气携带重烃流向下游的过程中不会有重烃析出堵塞管道。由此可以看出本发明设计的一种重烃“零排放”的高效的天然气管网压力能利用系统即保证了高压管网天然气的压力能得到高效充分的利用，又保证了天然气压力能利用的过程中重烃不会危害到整个系统的安全运行，还实现了在天然气压力能利用系统中重烃“零排放”的目的，及保证了天然气的组分不会改变和天然气的燃烧热值不发生改变的原则。
[0051 ]第二种运行方式的详细描述:首先，与第一种运行方式的相同点是，15°C5MPa的管网高压天然气经稳压阀Vl微调稳压后进入脱水脱烃装置I脱除天然气中的水分和重烃，进入换热器2换热，进入膨胀机3膨胀降压，进入冷能回收利用装置5利用其冷能，进入储水池6再次利用其冷使天然气回温。其次，与第一种运行方式的不同点是，低压天然气在a点分成两股天然气，一股天然气经第二电动调节阀V3、涡街流量计14、第八球阀13进入换热器2预冷要进入膨胀机3膨胀做功的高压天然气，然后经第九球阀V14在b点被抽出一股作为脱水脱烃装置I的再生气，到f点和d点分别混合汇入气态重烃成分，经第十一球阀V16到达e点；另一股天然气经第一电动调节阀V2，在第一温度测量仪11测量其温度，若此时这股低压天然气温度不会使与到达e点携带有重烃的那股天然气混合后析出重烃，则经第十八球阀V23、第十九球阀V24和第二温度测量仪12到达e点，否则就经第十六球阀V21、第一电加热换热器7升温、第十七球阀V22和在第二温度测量仪12测温以保证两股天然气在6点混合后不会有重烃析出，到达e点。两股天然气在6点混合后经第三温度测量仪13测温，若达到下游天然气用户对天然气的温度要求后则经第十四球阀V19、第十五球阀V20通往下游天然气用户，否则经第十二球阀V17、第二电加热换热器8加热升温达到下游天然气用户对天然气的温度要求后，经第十三球阀V18通往下游天然气用户。
[0052]本发明此种运行方式可适应一年四季环境温度的变化和压力能利用系统不同的运行工况需求。对于两股流量大小，可通过总流量和涡街流量计14测得。而对两股流量的控制可通过第一电动调节阀V2和第二电动调节阀V3的开度进行控制。
[0053]第三种运行方式的详细描述:首先，15°C5MPa的管网高压天然气经稳压阀Vl微调稳压后进入脱水脱烃装置I脱除天然气中的水分和重烃，经第三球阀V8进入膨胀机3膨胀降压(第一球阀V6和第二球阀V7关闭)，进入冷能利用装置5利用其冷能，进入储水池6再次利用其冷使天然气回温。其次，与第一种运行方式的不同点是，从储水池出来的低压天然气经第一电动调节阀V2在第一温度测量计11测量温度，若天然气的温度达到下游天然用户对温度的要求则经第十八球阀V23、第十九球阀V24、第二温度测量计12、e点、第三温度测量计13、第十四球阀V19、第十五球阀V20通往下游天然气用户；否则经第十六球阀V21、第一电加热换热器7加热升温达到下游天然气用户对天然气的要求，再经第二温度测量计12、e点、第三温度测量计13、第十四球阀V19、第十五球阀V20通往下游天然气用户。
[0054]本发明还考虑了天然气压力能利用系统安全保护设计，有以下几个方面:
[0055](I)换热器2需要检修或不需冷能利用后的低温低压天然气预冷要进入膨胀机3膨胀的高压天然气时，可关闭第一球阀V6、第二球阀V7、第八球阀V13和第九球阀V14，打开第三球阀V8和第十球阀V15。
[0056](2)采用第一止回阀V4和第二止回阀V5是防止通往下游的低压天然气逆流入气液分离器9和回温加热器10。
[0057](3)冷能回收利用装置5需要检修，要在一定时间段内保证系统正常运行时，可关闭第四球阀V9和第五球阀Vl O，打开第六球阀Vl I和第七球阀Vl 2。
[0058](4)采用电加热换热器是考虑到用电加热器对管道直接加热容易造成高温明火危险，影响天然气管道的安全运行。对于第一电加热换热器7和第二电加热换热器8的使用可分别设置一组备用电加热换热器。
[0059]对于稳压脱水脱烃单元本发明有以下优点:(I)设置了稳压阀VI，稳定微调了进入脱水脱烃装置I的压力，减小了压力波动对脱水脱烃装置的影响。(2)设置了脱水脱烃装置2，实现一塔式脱出水分和重烃。(3)设置了气液分离器9、回温加热器10及第一止回阀V4和第二止回阀V5，保证了在高压侧脱出的水分和重烃在低压侧很好的混合汇入低压天然气流向下游。同时止回阀防止低压天然气逆流入气液分离器9和回温加热器。很好的实现了重烃“零排放”的目的，保证了天然气的组分不会改变和天然气的燃烧热值不发生改变。
[0060]对于稳压预冷膨胀发电单元本发明有以下优点:(I)设置了换热器2预冷了要进入膨胀机的高压天然气，按照能量的额阶梯利用原则实现了经过冷能回收利用装置5和储水池6之后低压天然气冷能的第三次利用。(2)设置了膨胀机3代替天然气输送门站的调压装置进行调压。(3)设置了发电机4，实现了高压天然气膨胀过程中产生的机械能用于发电，所发电能可直接上网。
[0061]对于冷能回收利用单元本发明有以下优点:(I)设置了冷能回收利用装置5，可以回收利用高压天然气膨胀降压后大部分的冷能。(2)设置了旁路，当冷能回收利用系统需要检修时，要在一定时间段内保证系统正常运行时，可关闭第四球阀V9和第五球阀V10，打开第六球阀Vll和第七球阀V12，提高了系统的安全可靠性。(3)设置了储水池6，储水池6的水来自市政用水，冷却水可以作为冷能利用回收装置5中的制冰用水。同时储水池6的设计可以回升低压天然气的温度，再次利用了膨胀后天然气的冷能。
[0062]对于天然气回温单元本发明有以下优点:(I)设置了电加热换热器保证了通往下游天然气的温度达到下游用户对天然气温度的要求。(2)设置了旁路当经过第一温度测量计11或第三温度测量计13测量的天然气温度达到天然气下游用户的要求时，就不经过电加热换热器的加热从支路通往下游天然气用户。(3)对于第一电加热换热器7和第二电加热换热器8的使用可分别设置一组备用电加热换热器，电加热换热器的设置保证了天然气的温度达到下游用户的要求。
[0063]对于本发明的整个系统而言具有以下优点:(I)能适应一年四季环境温度的变化，采用不同的运行工况。(2)考虑了天然气压力能利用系统安全保护设计，提高了本发明压力能利用系统安全性。(3)按照能量梯度利用原则，本发明设计三次梯度回收利用高压天然气膨胀后的冷能，提高了压力能利用系统的利用效率。
[0064]为了保证天然气压力能回收利用系统安全、高效的运行，保证实现余压利用系统中重烃“零排放”原则即不改变天然气的组分不改变天然气的燃烧热值，消除重烃对压力能利用系统产生的危害，这就要求在压力能回收及回温过程中对天然气的冷量进行充分的利用，对进入膨胀机的天然气充分的脱水脱烃处理。本发明一种重烃“零排放”的高效的天然气管网压力能利用系统能胜任此项任务，经过理论分析和实践验证，认为本系统是切实可行的，主要有以下几个方面作为理论和应用依据:
[0065]首先，本发明系统采用的膨胀机技术成熟，设备稳定，符合理论设计要求，因此应用于天然气压力能利用系统中可以保证系统的稳定运行;其次，本发明设计系统实现了重烃“零排放”的目的，对通往下游天然气用户的天然气燃烧热值不产生影响;再次，本发明系统原理简单，效果显著，符合节能应用技术推广的前提条件，在保证天然气门站安全生产的前提下，原本废弃的天然气压力能和冷能得到了充分利用，对提高能源利用效率有显著效果；同时，独立的设计和合理的搭配，对原设备运行无影响，且有多种运行工况;此外，该发明中压力能和冷能的回收利用过程几乎不消耗天然气本身，经济上带来的效益也相当可观。因此，本发明系统具有很好的普及和推广的潜力。
[0066]综上所述，本发明系统满足了管网天然气压力调节和温度回升的要求，实现了重烃“零排放”。若本发明系统得到广泛的推广和应用，可以有效的利用天然气管网调压过程的余能(压力能和冷能)，推动管网天然气输送过程中余压利用技术在我国节能技术上的发展，是适应我国能源高效梯级利用的发展策略的重要手段。且经深入测算与考虑分析，采用本发明的项目回收期后年收益较高，有助于更好的体现天然气管网输送过程中余压的实用价值，对我国节能减排的基本国策具有很好推动作用。
【主权项】
1.一种重烃零排放的天然气管网压力能利用系统，其特征在于，包括稳压脱水脱烃单元、预冷膨胀发电单元、冷能回收利用单元及用于通往下游天然气用户的天然气回温单元， 所述的稳压脱水脱烃单元包括用于将管网高压天然气中的水和重烃组分脱除的脱水脱烃装置及用于将脱除的水和重烃组分重新气化的气化装置， 所述的脱水脱烃装置、预冷膨胀发电单元、冷能回收利用单元及天然气回温单元依次通过天然气管道连接， 所述的气化装置通过混合气管路与天然气回温单元连接， 所述的冷能回收利用单元和天然气回温单元的连接处还通过天然气管道与预冷膨胀发电单元连接，然后通过两个分支管路分别与脱水脱烃装置及混合气管路连接，与脱水脱烃装置连接的分支管路用于将低压天然气作为再生气，携带水和重烃组分进入气化装置。2.根据权利要求1所述的一种重烃零排放的天然气管网压力能利用系统，其特征在于，所述的预冷膨胀发电单元包括换热器和膨胀机，所述的换热器的高温流体通道的一端与脱水脱烃装置的天然气出口连接，另一端与膨胀机连接，膨胀机连接有发电机，所述的换热器的低温流体通道的一端通过天然气管道与所述的冷能回收利用单元和天然气回温单元的连接处连接，另一端设有所述的分支管路。3.根据权利要求2所述的一种重烃零排放的天然气管网压力能利用系统，其特征在于，所述的换热器的高温流体通道及低温流体通道的两端还分别设有天然气旁路管道。4.根据权利要求1所述的一种重烃零排放的天然气管网压力能利用系统，其特征在于，所述的冷能回收利用单元包括通过天然气管道依次连接的冷能回收利用装置和储水池，所述的储水池还通过水管与冷能回收利用装置连接，为冷能回收利用装置提供制冰用水，所述的冷能回收装置的天然气进口和天然气出口端还设有天然气旁路管道。5.根据权利要求1所述的一种重烃零排放的天然气管网压力能利用系统，其特征在于，所述的天然气回温单元包括通过天然气管道依次连接的第一电加热换热器和第二电加热换热器，所述的第一电加热换热器的天然气进口和天然气出口处设有天然气旁路管道并分别设置温度测量仪，所述的第二电加热换热器的天然气进口和天然气出口处设有天然气旁路管道并在其天然气进口处设置温度测量仪。6.根据权利要求5所述的一种重烃零排放的天然气管网压力能利用系统，其特征在于，所述的混合气管路与天然气回温单元的连接处位于第一电加热换热器的天然气出口与第二电加热换热器的天然气进口之间的天然气管路上。7.根据权利要求1所述的一种重烃零排放的天然气管网压力能利用系统，其特征在于，所述的气化装置包括气液分离器和回温加热器，所述的气液分离器用来接受来自脱水脱烃装置的再生气及水和重烃组分，并进行气液分离，气液分离后的气体经过止回阀进入混合气管路，液体经过回温加热器加热后经过止回阀进入混合气管路。8.根据权利要求1所述的一种重烃零排放的天然气管网压力能利用系统，其特征在于，所述的冷能回收利用单元和天然气回温单元的连接处与所述的预冷膨胀发电单元之间的天然气管路上设有涡街流量计。9.根据权利要求1所述的一种重烃零排放的天然气管网压力能利用系统，其特征在于，所述的稳压脱水脱烃单元还包括设置在脱水脱烃装置之前的稳压阀。
【文档编号】F01K27/00GK106090610SQ201610464874
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】李琦芬, 蔚龙, 尹晖, 宋纪元, 张福庆, 侯宗钦, 梁晓雨, 杨涌文, 宋丽斐
【申请人】上海电力学院, 江苏广润新能源科技有限公司, 镇江市罗德康普机械节能科技有限公司