一种利用天然气压差发电冷能的空气分离系统的制作方法与工艺

本发明涉及天然气压差发电冷能应用技术领域，尤其涉及一种利用天然气压差发电冷能的空气分离系统。

背景技术：
天然气是目前全球广泛采用的一种清洁能源，为满足长距离输送天然气的需要，需要加高压。我国“西气东输”管道、陕京线及二线系统和冀宁联络线输气管道的设计输气压力已都达到了10MPa，西气东输二线管道，设计压力可以达到12MPa。由高压输气干线输送来的高压天然气在各城市的天然气接收门站、调压站都需要根据下游用户的供气压力要求进行降压，然后才能够供应给普通用户(如城市燃气用户、公商用户等)使用。西气东输一线、二线管道压力达10兆帕和12兆帕，当到达各城市门站时需要进行降压才能进入城市管网，这一过程会释放巨大的压力能。天然气从高压管网进入低压管网时存在很大的压力能损失，据测算以日处理50万立方米的天然气门站为例，压能损失力从4.0兆帕降至0.4兆帕，压力能为3561KW。随着我国天然气产业的发展，西气东输Ⅰ线、Ⅱ线的陆续建成投产，其中西气东输Ⅰ线的年供气能力已逾120亿立方米，西气东输Ⅱ线设计的年供气能力为300亿立方米，若不考虑高压天然气输送过程中由于补充压力而造成的天然气损失，仅西气东输Ⅰ线、Ⅱ线4.0MPa调1.6MPa这一压力等级即可回收802亿千瓦时，10MPa调到4MPa这一压力等级可回收能量更大。目前回收天然气管网压力能的方式主要为发电和制冷两大类。中国专利CN101280723A公开了一种天然气管网压力能在燃气轮机做功领域的回收利用方法及装置，将高压天然气经涡流管降压后产生的冷气流、热气流分别输出，冷气流通过在换热器中吸收逆流空气和燃气轮机排气的热量升温后，与热气流汇合进入燃气轮机组的燃烧室；由换热器降温的空气进入燃气轮机组的压气机提高压力后导入燃气轮机组的燃烧室，在燃烧室中，天然气与空气混合燃烧,使燃气轮机做功，驱动耗功设备。本发明选用涡流管完成天然气降压调压过程，将低温天然气流冷却压气机进气温度，使进气质量流量增大，因而可大大提高燃气轮机的出力和经济性，使压力能得到了有效的利用。中国专利CN1407303A公开了一种利用液化天然气冷能的空气分离装置，它涉及液化天然气冷能利用和空气分离装置等技术。它是在现有空气分离装置的基础上，增设由多级循环氮气压缩机、LNG热交换器、循环氮气热交换器等组成的氮内循环和氮外循环的联合制冷系统，以及由载冷剂冷凝蒸发传热的空气冷却系统。它可充分利用液化天然气低温的冷量来冷却低温压缩的循环氮气和常温压缩的空气，使装置的能耗大幅下降，日产330吨液氧、300吨液氮、17吨液氩的空气分离装置年节电约1亿度，并可节省对液化天然气进行气化的设备及其运行费。而且，由于把液化天然气换热管与压缩空气回路隔离开，保证了设备安全。除了上述两个专利，现有技术中已经公开了的回收天然气管网压力能的技术方案还有很多，比如：公开号为CN101245956A、CN101852529B、CN102563958B、CN2791144Y的中国专利以及公开号为US5137558的美国专利。但上述技术方案中仅公开了利用回收天然气管网压力能发电、制冷，或直接利用回收天然气管网压力能进行空气分离，没有公开高压天然气调压发电和空气分离装置相结合的技术方案。

技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种利用天然气压差发电冷能的空气分离系统，能够充分利用天然气管网压力能，并解决了现有空气分离系统能耗、水耗大的问题。为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种利用天然气压差发电冷能的空气分离系统，包括天然气压差发电系统和空气分离装置，还包括连接所述天然气压差发电系统和所述空气分离装置的冷媒循环回路，所述冷媒循环回路用于将所述天然气压差发电系统产生的冷能输送至所述空气分离装置进行空气冷却，并将在进行空气冷却时吸收的热量输送至所述天然气压差发电系统进行天然气的加热。优选的，所述天然气压差发电系统包括经管路依次连接的天然气调压阀、天然气膨胀发电机组和天然气冷媒换热器，所述天然气冷媒换热器的天然气出口端连接压力低一级的天然气管网；所述冷媒循环回路包括所述天然气冷媒换热器和所述空气分离装置。优选的，所述空气分离装置包括经管路依次连接的空气过滤器、空气压缩机、压缩空气冷媒换热器、分子筛脱水装置、主换热器、分馏塔和气体收集装置；所述主换热器具有一个空气入口和两个空气出口，其中一个空气出口直接连接所述分馏塔，另一个空气出口经膨胀机连接所述分馏塔；所述天然气冷媒换热器与所述压缩空气冷媒换热器形成所述冷媒循环回路。优选的，所述空气分离装置还包括设置于所述分子筛脱水装置和所述主换 热器之间的空气冷媒换热器，经管路依次连接的所述天然气冷媒换热器、所述空气冷媒换热器和所述压缩空气冷媒换热器形成所述冷媒循环回路。优选的，所述气体收集装置包括分别与所述分馏塔连接的氧气球罐、氮气球罐和氩气球罐；所述氧气球罐经氧气压缩机与所述分馏塔连接；所述氮气球罐经氮气压缩机与所述分馏塔连接。优选的，所述冷媒循环回路上设置有用于循环冷媒的冷媒循环泵。优选的，所述天然气压差发电系统为带有膨胀机的天然气压差发电系统或星旋式气体压力能发电系统。优选的，所述冷媒循环回路中的冷媒为碳氢化合物或氯氟烃。优选的，所述天然气膨胀发电机组包括膨胀机、减速齿轮箱、发电机和油站。本发明的有益效果为：本发明提供的一种利用天然气压差发电冷能的空气分离系统包括天然气压差发电系统、空气分离装置以及连接天然气压差发电系统和空气分离装置的冷媒循环回路，冷媒循环回路将天然气压差发电系统所产生的冷能输送至空气分离装置，用于其内部空气的冷却，并将在进行空气冷却时吸收的热量输送至天然气压差发电系统，用于其内部天然气的加热。将高压天然气调压发电与空气分离装置相结合，充分利用了天然气调压发电所产生的冷能，降低了空气分离装置的投资和能耗，同时减少了加热天然气的能耗。附图说明图1是本发明实施例一提供的一种利用天然气压差发电冷能的空气分离系 统的结构示意图；图2是本发明实施例二提供的一种利用天然气压差发电冷能的空气分离系统的结构示意图。图中，1、天然气调压阀；2、天然气膨胀发电机组；3、天然气冷媒换热器；4、空气过滤器；5、空气压缩机；6、压缩空气冷媒换热器；7、分子筛脱水装置；8、空气冷媒换热器；9、主换热器；10、膨胀机；11、分馏塔；12、氧气压缩机；13、氮气压缩机；14、氧气球罐；15、氮气球罐；16、氩气球罐；17、用户；18、冷媒循环泵。具体实施方式下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本发明提供了一种利用天然气压差发电冷能的空气分离系统，包括天然气压差发电系统、空气分离装置以及连接所述天然气压差发电系统和所述空气分离装置的冷媒循环回路，冷媒循环回路将天然气压差发电系统所产生的冷能输送至空气分离装置，用于其内部空气的冷却，并将在进行空气冷却时吸收的热量输送至天然气压差发电系统，用于其内部天然气的加热。将高压天然气调压发电与空气分离装置相结合，充分利用了天然气调压发电所产生的冷能，降低了空气分离装置的投资和能耗，同时减少了加热天然气的能耗。实施例一：本实施例提供了一种利用天然气压差发电冷能的空气分离系统，如图1所示，天然气压差发电系统包括经管路依次连接的天然气调压阀1、天然气膨胀发电机组2和天然气冷媒换热器3。其中，天然气冷媒换热器3的天然气入口端连接天然气膨胀发电机组2，天然气出口端连接压力低一级的天然气管网。天然气 膨胀发电机组2主要由膨胀机、减速齿轮箱、发电机和油站组成。优选的，天然气压差发电系统为星旋式气体压力能发电系统。空气分离装置包括经管路依次连接的空气过滤器4、空气压缩机5、压缩空气冷媒换热器6、分子筛脱水装置7、主换热器9、分馏塔11和气体收集装置。主换热器9具有一个空气入口和两个空气出口，其中一个空气出口直接连接分馏塔11，另一个空气出口经膨胀机10连接分馏塔11。气体收集装置包括分别与分馏塔11连接的氧气球罐14、氮气球罐15和氩气球罐16。氧气球罐14经氧气压缩机12与分馏塔11连接，氮气球罐15经氮气压缩机13与分馏塔11连接。天然气冷媒换热器3、压缩空气冷媒换热器6以及冷媒循环泵18形成冷媒循环回路。冷媒循环回路中的冷媒流向为：天然气冷媒换热器3→天然气冷媒换热器3的冷媒出口→冷媒循环泵18→压缩空气冷媒换热器6的冷媒入口→压缩空气冷媒换热器6→压缩空气冷媒换热器6的冷媒出口→天然气冷媒换热器3的冷媒入口→天然气冷媒换热器3。该系统的工作过程为：管网来的高压天然气通过天然气调压阀1稳压后进入天然气膨胀发电机组2，首先进入膨胀机，通过压差推动膨胀机叶轮高速旋转(最高速达40000RPM)，膨胀机轴连接减速齿轮箱，减速到1500RPM带动与之相连的发电机发电，经膨胀机后的天然气温度降低到-20℃至-60℃的范围，降温后的天然气进入天然气冷媒换热器3内与冷媒进行换热，温度升高至0-10℃以上进低一级压力的天然气管网；在天然气冷媒换热器3内进行换热后的温度较低的冷媒在冷媒循环泵18的作用下输送至压缩空气冷媒换热器6，在压缩空气冷媒换热器6内与空气进行换热，将冷能传输给空气，对空气进行降温，升温后的冷媒返回天然气冷媒换热器3内对天然气进行加热，形成冷媒循环；待分 离的空气经空气过滤器4过滤后进入空气压缩机5，加压升温后的空气进入压缩空气冷媒换热器6内与冷媒进行换热，换热降温后的空气进入分子筛脱水装置7，脱水后的空气进入主换热器9进行深冷，深冷后的空气一部分进入分馏塔11进行分离，另一部分进入膨胀机10内膨胀制冷后再进入分馏塔11进行分离，分离出氧气、氮气和氩气，氧气和氮气分别经氧气压缩机12和氮气压缩机压缩13后进入氧气球罐14和氮气球罐15储存，氩气则直接进入氩气球罐16，各个球罐均连接至用户17。冷媒循环回路中的冷媒可选用乙烷、丙烷、丁烷、乙烯或丙烯等碳氢化合物或二氟二氯甲烷等氯氟烃。实施例二：本实施例提供了一种利用天然气压差发电冷能的空气分离系统，如图2所示，其结构与实施例一基本相同，包括天然气压差发电系统、空气分离装置以及连接所述天然气压差发电系统和所述空气分离装置的冷媒循环回路，冷媒循环回路将天然气压差发电系统所产生的冷能输送至空气分离装置，用于其内部空气的冷却，并将在进行空气冷却时吸收的热量输送至天然气压差发电系统，用于其内部天然气的加热。不同之处在于，本实施例空气分离系统的空气分离装置还包括设置于分子筛脱水装置7和主换热器9之间的空气冷媒换热器8，经管路依次连接的天然气冷媒换热器3、空气冷媒换热器8和压缩空气冷媒换热器6形成冷媒循环回路。冷媒循环回路中的冷媒流向为：天然气冷媒换热器3→天然气冷媒换热器3的冷媒出口→冷媒循环泵18→空气冷媒换热器8的冷媒入口→空气冷媒换热器8→空气冷媒换热器8的冷媒出口→压缩空气冷媒换热器6的冷媒入口→压缩空气冷媒换热器6→压缩空气冷媒换热器6的冷媒出口→天然气冷媒换热器3的冷媒 入口→天然气冷媒换热器3。该系统的工作过程与实施例一也基本相同，不同之处在于，在天然气冷媒换热器3内进行换热后的温度较低的冷媒在冷媒循环泵18的作用下首先输送至空气冷媒换热器8，在空气冷媒换热器8内与空气进行换热，然后再进入压缩空气冷媒换热器6内与压缩空气进行换热；而待分离的空气在脱水之后首先进入空气冷媒换热器8内进行预冷，再进入主换热器9内进行深冷。通过这种设置方式能够更加充分地利用天然气调压发电所产生的冷能，进一步降低了空气分离装置的投资和能耗。以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。