一种基于CO2冷媒的天然气压力能利用装置的制作方法

本发明涉及一种CO₂冷媒应用于低温领域的生产工艺及装置，具体涉及一种基于CO₂冷媒的天然气压力能利用装置。

背景技术：

目前国内外回收利用天然气管网压力能的方式主要有发电和制冷两大类，利用压力能发电，产生的电能可进入城市电网，或用于发电站自身生活、生产使用，或用于分布式制氢。制冷方式主要有冷水空调、空气分离、冷库、橡胶粉碎、液化二氧化碳及干冰制备等。

中国发明专利申请CN201310347177公开了一种小型天然气管网压力能发电的工艺及装置，提出了一种通过气体膨胀机、变速箱、发电机和变压同步器的连接，利用天然气管网压力进行发电的小型发电工艺及装置，其发电的效率能提供1-5kW小功率用户进行回收利用。中国发明专利申请CN104989459A公开了一种发电装置,包括管路器件系统、发电系统及智能控制系统，最大创新点在于可以实现无人看守场站的一键启动及关闭，自动调节，远程操作与控制，可以实现了储电系统与发电系统的综合高效利用。中国发明专利申请CN105114131A公开了一种利用天然气压力能膨胀发电与压缩制冷的一体化装置，通过膨胀机-发电机-压缩机联轴实现电力平衡，达到发电量与负载匹配的要求。

可知天然气压力能在发电方向有众多研究成果，技术较为成熟，目前趋向于智能化控制方向，且在实际工程案例中已得到应用。而对于天然气发电和制冷的综合利用模式目前缺乏实际工程的例子，一方面对于同一门站其压力调节机制确定，即压力能可以提供的低温温位固定，根据“高能高用，低能低用”的能量利用原则，决定这个门站所生产的产品类型也相对确定，但天然气冷能利用所得产品更多是由市场规律所决定；另外，中间冷媒的使用是提高天然气冷能利用效率最关键的环节，提高天然气压力能利用的效率，需要更加环保、更加安全、更加高效的冷媒介质。

自然工质CO₂以其环境友好性、安全性和良好的热物理性质，被认为是最具潜力的冷媒工质，近年来利用作为热力循环工质的研究和应用越来越多。相对于目前天然气压力能普遍使用的冷媒，比如R404A、烃类、乙醇等，CO₂具有环境优良、自身费用低、化学稳定性好、安全性能好、换热潜热大等特点，但是CO₂作为制冷剂也有其自身缺点，最主要的就是三相点温度偏高限制了其作为制冷剂的应用范畴，容易在低温利用中出现冻堵的情况。近几年对于CO₂气-固两相的研究成果可以扩大CO₂冷媒的低温利用范围，将制冷温度稳定得降到低于三相温度点的-57℃以下，这极大提高了CO₂冷媒在天然气压力能利用领域应用的理论可能性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有天然气压力能技术存在的问题，在利用目前成熟天然气发电工艺的基础上，选用CO₂冷媒为中间换热介质，提供一种安全性能好，智能化、效率高的新型天然气管网压力能利用工艺。本工艺回收利用燃气的压力能进行发电，作为调压站或计量站的电源，同时根据下游市场的需要生产一定量的冷水用作冷水空调的冷源，以及为工业用或食品用冰、制干冰等其他工艺提供冷源，通过膨胀机-发电机-压缩机联轴实现电力平衡，达到发电量与负载匹配的要求。

本发明实现上述目的的技术方案为：

一种基于CO₂冷媒的天然气压力能利用装置，包括天然气膨胀发电系统、CO₂冷媒循环制冷系统和电仪控制系统：

所述天然气膨胀发电系统包括通过管路依次连接在高压管网和中低压管网之间的膨胀机、换热器、加热器，所述膨胀机的输出轴依次连接变速器及双轴发电机的一轴，所述双轴发电机的电力输出端通过变压同步器向外供电，所述膨胀后的天然气在换热器中与CO₂冷媒换热。

所述CO₂冷媒制冷系统包括依靠管路依次连接形成冷媒循环回路的CO₂储罐、压缩机、第一水冷器、换热器、分流器、第二水冷器、节流阀、改良换热器与制冷系统，所述压缩机与双轴发电机的另一轴驱动连接，所述压缩后的高温CO₂冷媒先后在第一水冷器15和换热器16与水和膨胀后的天然气换热，得到液态的CO₂。所述液态CO₂通过分流器17分流成两股冷物流为不同下游工艺提供冷量。

所述电仪控制系统包括：依次设置在高压管网与膨胀机进气口之间管路上的第一电控阀、压力变速器、温度变送器；依次设置在所述膨胀机与换热器之间管路上的压力变送器、温度变送器、第一流量计、第一流量调节阀；设置在换热器与加热器之间的气动调节阀；依次设置在加热器与中低压管网之间管路上的压力变送器、温度变送器和第二电控阀；依次设置在CO₂冷媒储罐与压缩机之间管路上的第二流量计和第二流量调节阀；依次设置在压缩机和第一水冷器之间管路上压力变送器和温度变送器；设置在第一水冷器和换热器之间的温度变送器；依次设置在换热器和分流器之间的温度变送器和压力变送器；依次设置在分流器和改良换热器之间的节流阀、温度变送器和压力变送器；依次设置在改良换热器和CO₂冷媒储罐上的温度变送器、压力变送器和截止阀；所述控制系统通过电路分别连接第一电控阀、第二电控阀、气动调节阀、第一流量调节阀、第二流量调节阀、各个压力变送器和温度变送器。

进一步地，所述膨胀机为透平膨胀机、螺杆膨胀机或流体马达，根据门站工况的不同，选用不同的膨胀机类型。

进一步地，所述发电机为异步发电机。

进一步地，所述换热器选用套管式换热器，膨胀后的低温天然气流经换热器的环隙，压缩后的CO₂冷媒流经换热器的管内，具有结构简单、成本低、换热效果好等优点。

进一步地，所述加热器为套管式换热器，升温后天然气流经换热器的环隙，高温热水流经换热器的管内。

进一步地，所述水冷器为套管式换热器，第一水冷器中高温高压CO₂流经管程，循环水流经环隙；第二水冷器中CO₂流经管程，循环水流经环隙。

进一步地，所述压缩机为往复式压缩机、离心式或螺杆式压缩机，根据门站工况的不同，选用不同的压缩机类型。

进一步地，所述分流器可根据后续工艺的要求自动调节分流比例。

进一步地，所述节流阀为滑套式节流阀，根据后续工艺需要调节节流阀开度，从而控制CO₂冷媒膨胀后的温度。

进一步地，所述改良换热器为改良后的管壳式换热器，膨胀后的CO₂冷媒由中心的螺旋扁管进入与周边的二级冷媒换热，螺旋扁管的使用在提高两种冷媒传热效果的同时也降低CO₂冷凝固冻堵的风险。改良换热器后螺旋扁管的导程、截面长短轴长度、壳体长度、厚度和保温层厚度根据具体工艺而定。

进一步地，所述制冷系统可以为制冰机、制干冰机或者橡胶低温粉碎机提供冷源。

进一步地，所述电仪控制系统由PLC控制。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、实现天然气管网压力能的有效利用；本发明取代了原来的天然气调压工艺，回收了白白浪费的压力能；膨胀降温后的低温天然气与压缩后的CO₂冷媒在套管式换热器换热，不仅节约了原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，而且也可为后续工艺提供多种低温温位所需的冷量，拓宽了天然气压力能利用的温度范围，高效利用了天然气压力能的价值；

2、能源利用率高；经与低温天然气后的CO₂冷媒经过分流器后分成两种不同的低温利用，较高的温度将用于制作冷水空调，此时CO₂冷媒远未达到凝固的温度；较低的温度利用使用了改良换热器及螺旋扁管，这不仅提高了传热效率，也降低CO₂在应用过程中存在凝固冻堵的风险，这个温度的冷媒将为更低温的工艺提供冷量。对冷媒温位的应用符合“高能高用，低能低用”的原则。

3、冷媒性能优异；本工艺利用了CO₂的气液和气固两相潜热，气固潜热要比气液潜热大，而且CO₂的气液潜热要比目前常用的冷媒在等质量的条件下高，所以CO₂冷媒在传热性能方面表现出来的优势将降低天然气压力能利用工艺的成本以及难度。另外CO₂冷媒环保，安全和原料廉价、易得，能促进天然气压力能利用市场的开发。

4、工艺灵活可调；根据不同门站要求选用不同的工艺以及装置类型，本发明可实现发电和制冷一体化，既可建在无电网的偏远地区，减少因电网建设产生的高成本，制得的冷量也可用通过节流膨胀得到不同温位冷源，用于如冷水空调、空分、制干冰等众多领域，具有良好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1为一种基于CO₂冷媒的天然气压力能利用装置示意图。

图2为改良换热器结构示意图。

图中所示为：1-原天然气调压设备；2-第一电控阀；3-发电机；4-变速器；5-膨胀机；6-第一流量计；7-第一流量调节阀；8-气动调节阀；9-加热器；10-第二电控阀；11-CO2储罐；

12-第二流量计；13-第二流量调节阀；14-压缩机；15-第一水冷器；16-换热器；17-分流器；

18-第二水冷器；19-节流阀；20-改良换热器；21-截止阀；22-螺旋扁管；23-壳体；24-保温材料

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，一种基于CO₂冷媒的天然气压力能利用装置，包括天然气膨胀发电系统、CO₂冷媒循环制冷系统和电仪控制系统。

所述天然气膨胀发电系统包括通过管路依次连接在高压管网和中低压管网之间的膨胀机5、换热器16、加热器9，所述膨胀机5的输出轴依次连接变速器4及双轴发电机3的一轴，所述双轴发电机3的电力输出端通过变压同步器向外供电，所述膨胀后的天然气在换热器16中与CO₂冷媒换热。

所述CO₂冷媒制冷系统包括依靠管路依次连接形成冷媒循环回路的CO₂储罐11、压缩机14、第一水冷器15、换热器16、分流器17、第二水冷器18、节流阀19、改良换热器20与制冷系统，所述压缩机与双轴发电机的另一轴驱动连接，所述压缩后的高温CO₂冷媒先后在第一水冷器15和换热器16与水和膨胀后的天然气换热。

所述电仪控制系统包括：依次设置在高压管网与膨胀机5进气口之间管路上的第一电控阀2、压力变速器、温度变送器；依次设置在所述膨胀机5与换热器16之间管路上的压力变送器、温度变送器、第一流量计6、第一流量调节阀7；设置在换热器5与加热器9之间的气动调节阀8；依次设置在加热器9与中低压管网之间管路上的压力变送器、温度变送器和第二电控阀10；依次设置在CO₂储罐11与压缩机14之间管路上的第二流量计12和第二流量调节阀13；依次设置在压缩机14和第一水冷器15之间管路上压力变送器和温度变送器；设置在第一水冷器15和换热器16之间的温度变送器；依次设置在换热器16和分流器17之间的温度变送器和压力变送器；依次设置在分流器17和改良换热器20之间的节流阀19、温度变送器和压力变送器；依次设置在改良换热器20和CO₂储罐11上的温度变送器、压力变送器和截止阀21；所述控制系统通过电路分别连接第一电控阀2、第二电控阀10、气动调节阀8、第一流量调节阀7、第二流量调节阀13、各个压力变送器和温度变送器。

具体来说，所述加热器9为套管式换热器，升温后天然气流经换热器的环隙，高温热水流经换热器的管内，套管式换热器具有成本较低、结构简单、换热效率高等特点。

具体来说，所述水冷器为套管式换热器，第一水冷器15中高温高压CO₂流经管程，循环水流经环隙；第二水冷器18中CO₂流经管程，循环水流经环隙，套管式换热器具有成本较低、结构简单、换热效率高等特点。

具体来说，所述压缩机为往复式压缩机、离心式或螺杆式压缩机，根据门站工况条件的不同，选用不同的压缩机类型，压缩比在4～8之间。

具体来说，所述分流器17可根据后续工艺的要求自动调节分流比例。

具体来说，所述节流阀19为滑套式节流阀，根据后续工艺需要调节节流阀开度，从而控制CO₂冷媒膨胀后的温度，该节流阀具有耐高压，流量调节精度高，使用寿命长等特点。

具体来说，所述改良换热器20为改良后的管壳式换热器，分成螺旋扁管22、壳体23和保温材料24三部分组成，螺旋扁管22选用铜管，由光滑圆管加工而成；壳体23由不锈钢加工而成；保温材料24为玻璃纤维，具备一定的厚度。膨胀后的CO₂冷媒由中心的螺旋扁管22进入与壳体内的二级冷媒换热，螺旋扁管22的使用在提高两种冷媒传热效果的同时也降低CO₂冷凝固冻堵的风险。改良换热器后螺旋扁管的导程、截面长短轴长度、壳体长度、厚度和保温层厚度根据具体工艺而定。

具体来说，所述制冷系统可以为冷库、制冰机、制干冰机或者橡胶低温粉碎机等，根据门站的供气、地理以及市场情况选择低温利用方式。

具体来说，所述电仪控制系统由PLC控制，智能调控设备，实现工艺无人化操作。

具体来说，所述第一电控阀2和第二电控阀10可选用具有紧急切断功能的电磁阀，简称ZCRB型燃气紧急切断阀。

具体来说，所述第一流量调节阀7、第二流量调节阀13和气动调节阀8可选用电动控制型阀。

上述实施例在高压管网和中低压管网之间设置一种基于CO₂冷媒的天然气压力能利用工艺及装置，将低温天然气冷量传送给CO₂冷媒，通过CO₂冷媒的气固和气液的相变潜热实现本工艺的发电和多温位制冷的目的，其具体工作原理及过程如下：

天然气膨胀发电系统工作原理及过程：

高压天然气经过过滤、计量后进入膨胀机5膨胀降压至0.4MPa左右，温度降低至-40℃～-60℃之间，驱动联轴的压缩机14和发电机3工作，膨胀机5向外输出的功供给压缩机14和发电机3工作。膨胀后的低温天然气先在换热器16与CO₂换热，天然气温度提高至-10℃左右，接着进入加热器9与高温热水换热，被加热至5～15℃后进入下游管网。如果经高温温水加热后仍未达到进入下游管网的温度需求，可进入原管网的复热器升温后再进入下游管网。发电机3所发的电一部分用于压缩机14的工作，另外一部分并网或者上网满足当地门站的用电需求。

CO₂冷媒制冷系统工作原理及过程：

CO₂经过压缩机14压缩，变为高温高压气体，然后进入第一水冷器15与常温水换热，温度降低至40℃左右，水则被加热至50℃左右；接着进入换热器16与膨胀后的低温天然气换热，这个过程有相变的发生，低温天然气吸收了CO₂的气-液潜热，CO₂气体变为低温液体。所获得的低温高压CO₂液体通过分流器17，由下游工艺的需要决定分流比例。分流支路有两条，一条进入冷水空调系统，通过第二水冷器18将常温水冷却至5℃后流回CO₂储罐11，5℃的水作为门站的空调冷源；另外一条经过节流阀19，根据下游工艺的温度需求决定阀门开度。经过节流阀19后的天然气会在改良换热器20中变成CO₂气-固两相，节流阀开度影响液态CO₂经过节流阀后的温度和压力状态，根据CO₂压-焓图计算可得此时CO₂温度范围在-50℃～-78℃之间，这个过程利用了CO₂的气固潜热.同时改良换热器20里壳体23使用的是直线版型，而管程使用的是螺旋扁管22，这将大大提高该过程的传热效率和降低CO₂凝固的风险。所得的气-固CO₂在改良换热器20 中与二级冷媒换热，二级冷媒将获得的冷量应用于制冰、空分等领域，而换热后CO₂变为气相回到储罐中。

本发明的电仪控制的工作原理及过程：

第一电控阀2与第二电控阀10属于联动装置，两者同时关闭或者开启，当天然气流量和压力在设计范围内波动时，第一电控阀2与第二电控阀3同时开启，使得整套系统正常运转；当显示压力较长时间超出下游管网允许范围内时，控制系统输出切断设备指令作用于第一电控阀2与第二电控阀10，将整套装置与原天然气管道彻底脱离，同时开启原有的天然气调压设备1，保证下游正常用气，系统切换在1秒内完成；第一流量调节阀7用于调节进入膨胀机5的天然气流量，当天然气流量在正常范围内变动时，膨胀机5与发电机3转速成倍数关系而发电；第二流量调节阀13用于调节进入压缩机14的CO₂冷媒流量，根据后续制冷工艺的要求来设定调节量，一般在工艺运转后不会再进行更改，压缩量和发电量自动匹配；气动调节阀8的作用是调节压力，已满足下游管网的压力需求，由压力变送器(PT)将压力信号转换成标准电信号反馈至控制系统，控制系统根据设置压力值对阀门开度进行开大或开小的调节。

下面结合具体例子对发明一种基于CO₂冷媒的天然气压力能利用装置的工作过程作进一步描述：

某城市门站天然气平均流量为750kg/h，天然气进口温度为20℃，进气压力1.6MPa左右，而出气温度在5～15℃之间，出气压力为0.4MPa。发电机3所发的量一部分用于压缩机14的工作，另外一部分并网或者上网满足当地门站的用电需求。根据门站的工况背景，膨胀机5选用螺杆式膨胀机，压缩机14选用往复式压缩机。又根据当地市场情况，除了需要用到冷水空调系统外，还选用制冰工艺作为天然气压力能利用的另一工艺。利用Aspen化工模拟软件建立化工流程并模拟和优化流程得到以下结果：

1、满足城市管网瞬时需求量750kg/h的天然气，压力1.6MPa，温度20℃，通过第一电控阀2后进入膨胀机5膨胀降压降温至0.4MPa，-43℃，膨胀机5带动发电机3启动，向外输出了20.1kW的电功率，其中6.2kW用于驱动压缩机14工作，剩余的电将上网供给门站正常用电需求。低温天然气经过第一流量计6和第一流量调节阀7进入换热器16与高温CO₂换热，温度升高为-13.7℃，接着经过气动调节阀8调节压力满足下游管网的要求，最后在加热器9中与50℃高温水换热升温至5℃后进入下游管网。

2、CO₂冷媒循环的初始条件为0℃，0.3MPa，根据第二流量调节阀13调节流量为140kg/h，进入压缩机14在绝热的状态下压缩，压缩机14选用常用的压缩比7，等熵压缩后冷媒变成高温高压(146.1℃，2.1MPa)的气体进入第一水冷器15与20℃的常温水等压换热，CO₂温度降低至39℃；接着进入换热器16与低温天然气等压换热，换热器16充当冷凝器的作用，CO₂冷媒变成饱和液态状(-19℃，2.1MPa)。流经分流器后分成两股液体，第一股为流量70kg/h进入冷水空调工艺过程，在第二水冷器18中与20℃的水换热，该过程发生了相变过程，液态状的CO₂吸热变为气体(20℃，0.3MPa)流回CO₂储罐11；而另一只支路，70kg/h的液态CO₂则通过节流阀19膨胀降压降温(-62℃左右，0.3MPa)，进入改良换热器20中发生相变，生成气固两相状态的CO₂，与二级冷媒R404A等压换热，升温至-20℃左右变为气态回到CO₂储罐11中，以此完成一个CO₂冷媒的循环过程。此时R404A获得了CO₂冷媒的冷量，温度降低至-40℃左右，将进入后续制冰工艺的生产过程。

3、循环水及冷水空调水系统；循环水在本工艺中有两个流向，一个是在第二水冷器和加热器之间完成循环过程，循环温度为20℃-50℃，流量为110kg/h；另外一个是在第一水冷器中与低温CO₂冷媒换热进入冷水空调系统，循环温度为20℃-5℃，5℃的水作为门站的空调冷源，流量为310kg/h。

本工艺主要参数如表1所示：

表1