利用天然气管网压力能的多库温冷库系统及其工作方法与流程

本发明涉及一种多库温冷库，具体为一种利用天然气管网压力能的多库温冷库系统及其工作方法。

背景技术：

天然气是一种重要的清洁能源，用途广泛，需求量大。20世纪90年代以来，天然在各国能源结构中所占比重越来越大，我国对天然气的开采与利用也在不断地增加。

为保证输气过程的顺利进行，天然气输气管道主要采用高压输气，由高压输气干线输送来的高压天然气，都要在各城市的天然气接收门站经调压站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。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为10mpa，西气东输二线管道设计压力为12mpa，这其中蕴含着较大的压能，而天然气接收门站通过节流的方式对高压天然气进行降压使天然气中所蕴含的压能被白白的浪费。

申请号为201611008198.3的专利公开了一种利用天然气管网压力能发电及冷库方法与装置。在该发明中高压天然气经膨胀机发电后与冷媒换热进入城市燃气管网；与天然气换热后的冷媒经过分流装置一部分供给高温冷库，另一部分经节流供给低温库。该发明虽然对天然气压力能及做功后的冷能进行了回收，但其使用的冷媒为相变冷媒，冷媒在蒸发器中吸收热量后变为气态，之后需要经过压缩机压缩后在冷凝器中与低温天然气换热才能变成液态，在该过程中压缩机需要消耗电能，降低了冷库运行的经济性。此外，该发明中换热后的天然气温度为-8℃，之后即经复热器加热后送入城市低压管网，造成了冷能的浪费。

技术实现要素：

针对现有技术中天然气管网的压力能及膨胀做功后的天然气所携带的冷能未能得到充分，合理的利用等不足，本发明要解决的问题是提供一种通过对天然气管网的压力能及天然气膨胀做功后所产生的冷能的合理利用，实现冷库系统节能低耗运行的利用天然气管网压力能的多库温冷库系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明利用天然气管网压力能的多库温冷库系统，包括膨胀机，膨胀机与发电机同轴相连，膨胀机的出口管道沿天然气流动方向引出四个支路，分别与冻结间换热器、低温冷藏间换热器、冷却间换热器及高温冷藏间换热器的天然气入口连接；冻结间换热器、低温冷藏间换热器、冷却间换热器及高温冷藏间换热器的天然气出口通过管道依次与天然气调压器、第二天然气加热器连接；冻结间换热器的冷媒侧通过管道顺次与冻结间冷媒循环泵、冻结间制冷盘管、冻结间冷媒罐首尾相连，低温冷藏间换热器的冷媒侧通过管道顺次与低温冷藏间冷媒循环泵、低温冷藏间制冷盘管、低温冷藏间冷媒罐首尾相连，冷却间换热器的冷媒侧通过管道顺次与冷却间冷媒循环泵、冷却间制冷盘管、冷却间冷媒罐首尾相连，高温冷藏间换热器的冷媒侧通过管道顺次与高温冷藏间冷媒循环泵、高温冷藏间制冷盘管、高温冷藏间冷媒罐首尾相连。

所述膨胀机的入口前设有膨胀机入口阀，膨胀机入口阀的入口和膨胀机的出口之间设有旁通支路，旁通支路上设有第一旁通阀和第一天然气加热器。

所述冻结间换热器的天然气入口前设有冻结间换热器入口阀，出口后设有冻结间换热器出口阀；低温冷藏间换热器的天然气入口前设有低温冷藏间换热器入口阀，出口后设有低温冷藏间换热器出口阀；冷却间换热器的天然气入口前设有冷却间换热器入口阀，出口后设有冷却间换热器出口阀；高温冷藏间换热器天然气入口前设有高温冷藏间换热器入口阀，出口后设有高温冷藏间换热器出口阀；冻结间换热器入口阀和低温冷藏间换热器入口阀之间设有第二旁通阀；冻结间换热器的天然气出口和低温冷藏间换热器的天然气入口之间设有第三旁通阀；低温冷藏间换热器的天然气出口和冷却间换热器的天然气入口之间设有第四旁通阀；冷却间换热器的天然气出口和高温冷藏间换热器的天然气入口之间设有第五旁通阀。

所述系统设置有冻结间、低温冷藏间、冷却间、高温冷藏间四个不同温位的冷间，冻结间制冷盘管、低温冷藏间制冷盘管、冷却间制冷盘管、高温冷藏间制冷盘管分别安装于冻结间、低温冷藏间、冷却间、高温冷藏间内。

所述冻结间制冷盘管、低温冷藏间制冷盘管、冷却间制冷盘管及高温冷藏间制冷盘管前分别设有冻结间风机、低温冷藏间风机、冷却间风机及高温冷藏间风机。

所述系统采用的冷媒为无相变冷媒。

本发明一种利用天然气管网压力能的多库温冷库系统的工作方法，包括制冷和除霜两种工作模式，其中制冷模式包括以下步骤：

1)开启冻结间风机、低温冷藏间风机、冷却间风机，高温冷藏间风机；

2)开启膨胀机入口阀、冻结间换热器入口阀、第三旁通阀、第四旁通阀、第五旁通阀、高温冷藏间换热器出口阀，关闭第一旁通阀、第二旁通阀、冻结间换热器出口阀、低温冷藏间换热器入口阀、低温冷藏间换热器出口阀、冷却间换热器入口阀、冷却间换热器出口阀、高温冷藏间换热器入口阀；

3)来自天然气管网高压天然气进入膨胀机，利用自身压力推动膨胀机带动发电机对外输出电能，做功后的低温天然气沿管道依次流经冻结间换热器、低温冷藏间换热器、冷却间换热器、高温冷藏间换热器与冷媒换热吸收热量，之后分别经天然气调压器、第二天然气加热器调压、加热后送往下一级管网；

4)各冷库冷媒在换热器中与低温天然气换热吸收冷量，在冷媒循环泵的驱动下进入制冷盘管与冷库内空气换热放出冷量，之后经冷媒罐返回换热器。

除霜模式包括以下步骤：

1)关闭冻结间风机、低温冷藏间风机、冷却间风机，高温冷藏间风机；

2)开启第一旁通阀、第二旁通阀、冻结间换热器入口阀、冻结间换热器出口阀、低温冷藏间换热器入口阀、低温冷藏间换热器出口阀、冷却间换热器入口阀、冷却间换热器出口阀、高温冷藏间换热器入口阀、高温冷藏间换热器出口阀，关闭第三旁通阀、第四旁通阀、第五旁通阀；

3)来自天然气管网高压天然气经第一天然气加热器加热后通过管道分别流入冻结间换热器、低温冷藏间换热器、冷却间换热器、高温冷藏间换热器与冷媒换热放出热量，之后分别经天然气调压器、第二天然气加热器调压、加热后送往下一级管网；

4)各冷库冷媒在换热器中与高温天然气换热吸收热量，在冷媒循环泵的驱动下进入制冷盘管放出热量融化制冷盘管表面的霜，之后经冷媒罐返回换热器。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明系统利用天然气管网压力能推动膨胀机发电，实现了对天然气管网压力能的回收利用，避免了能量的浪费；

2.本发明系统利用膨胀做功后的低温天然气作为冷库的冷源，实现了冷库系统的节能低耗运行，与常规电制冷冷库相比节省了大量电能；

3.本发明系统设置四种不同温位的冷间，实现了冷能的梯级利用，满足了不同食品的储藏要求，提高了能量的利用效率及系统的灵活性；

4.本发明系统通过控制阀门启闭状态，改变换热器连接形式及天然气流向，使冷库同时具备制冷和除霜两种工作模式，提高了系统运行的实用性及稳定性。

附图说明

图1为本发明利用天然气管网压力能的多库温冷库系统的系统原理图。

其中，1为旁通支路，2为膨胀机入口阀，3为第一旁通阀，4为膨胀机，5为发电机，6第一天然气加热器，7为第二旁通阀，8为天然气调压器，9为第二天然气加热器，10为冻结间换热器入口阀，11为冻结间换热器出口阀，12为低温冷藏间换热器入口阀，13为低温冷藏间换热器出口阀，14为冷却间换热器入口阀，15为冷却间换热器出口阀，16为高温冷藏间换热器入口阀，17为高温冷藏间换热器出口阀，18为第三旁通阀，19为第四旁通阀，20为第五旁通阀，21为冻结间换热器，22为低温冷藏间换热器，23为冷却间换热器，24为高温冷藏间换热器，25为冻结间冷媒循环泵，26为冻结间冷媒罐，27为低温冷藏间冷媒循环泵，28为低温冷藏间冷媒罐，29为冷却间冷媒循环泵，30为冷却间冷媒罐，31为高温冷藏间冷媒循环泵，32为高温冷藏间冷媒罐，33为冻结间制冷盘管，34为低温冷藏间制冷盘管，35为冷却间制冷盘管，36为高温冷藏间制冷盘管，37为冻结间风机，38为低温冷藏间风机，39为冷却间风机，40为高温冷藏间风机，41为冻结间，42为低温冷藏间，43为冷却间，44为高温冷藏间。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明一种利用天然气管网压力能的多库温冷库系统，包括膨胀机4，膨胀机4与发电机5同轴相连，膨胀机4的出口管道沿天然气流动方向引出四个支路，分别与冻结间换热器21、低温冷藏间换热器22、冷却间换热器23及高温冷藏间换热器24的天然气入口连接；冻结间换热器21、低温冷藏间换热器22、冷却间换热器23及高温冷藏间换热器24的天然气出口通过管道依次与天然气调压器8、第二天然气加热器9连接；冻结间换热器21的冷媒侧通过管道顺次与冻结间冷媒循环泵25、冻结间制冷盘管33、冻结间冷媒罐26首尾相连，低温冷藏间换热器22的冷媒侧通过管道顺次与低温冷藏间冷媒循环泵27、低温冷藏间制冷盘管34、低温冷藏间冷媒罐28首尾相连，冷却间换热器23的冷媒侧通过管道顺次与冷却间冷媒循环泵29、冷却间制冷盘管35、冷却间冷媒罐30首尾相连，高温冷藏间换热器24的冷媒侧通过管道顺次与高温冷藏间冷媒循环泵31、高温冷藏间制冷盘管36、高温冷藏间冷媒罐32首尾相连。

所述膨胀机4的入口前设有膨胀机入口阀2，膨胀机入口阀2的入口和膨胀机4的出口之间设有旁通支路1，旁通支路1上设有第一旁通阀3和第一天然气加热器6。

所述冻结间换热器21的天然气入口前设有冻结间换热器入口阀10，出口后设有冻结间换热器出口阀11；低温冷藏间换热器22的天然气入口前设有低温冷藏间换热器入口阀12，出口后设有低温冷藏间换热器出口阀13；冷却间换热器23的天然气入口前设有冷却间换热器入口阀14，出口后设有冷却间换热器出口阀15；高温冷藏间换热器24天然气入口前设有高温冷藏间换热器入口阀16，出口后设有高温冷藏间换热器出口阀17；冻结间换热器入口阀10和低温冷藏间换热器入口阀12之间设有第二旁通阀7；冻结间换热器21的天然气出口和低温冷藏间换热器22的天然气入口之间设有第三旁通阀18；低温冷藏间换热器22的天然气出口和冷却间换热器23的天然气入口之间设有第四旁通阀19、冷却间换热器23的天然气出口和高温冷藏间换热器24的天然气入口之间设有第五旁通阀20。

所述系统设置有冻结间41、低温冷藏间42、冷却间43、高温冷藏间44四个不同温位的冷间，冻结间制冷盘管33、低温冷藏间制冷盘管34、冷却间制冷盘管35、高温冷藏间制冷盘管36分别安装于冻结间41、低温冷藏间42、冷却间43、高温冷藏间44内。

所述冻结间制冷盘管33、低温冷藏间制冷盘管34、冷却间制冷盘管35及高温冷藏间制冷盘管36前分别设有冻结间风机37、低温冷藏间风机38、冷却间风机39及高温冷藏间风机40。

所述系统采用的冷媒为无相变冷媒。

本发明一种利用天然气管网压力能的多库温冷库系统的工作方法，包括制冷和除霜两种工作模式，其中制冷模式包括以下步骤：

1)开启冻结间风机37、低温冷藏间风机38、冷却间风机39，高温冷藏间风机40；

2)开启膨胀机入口阀2、冻结间换热器入口阀10、第三旁通阀18、第四旁通阀19、第五旁通阀20、高温冷藏间换热器出口阀17，关闭第一旁通阀3、第二旁通阀7、冻结间换热器出口阀11、低温冷藏间换热器入口阀12、低温冷藏间换热器出口阀13、冷却间换热器入口阀14、冷却间换热器出口阀15、高温冷藏间换热器入口阀16；

3)来自天然气管网高压天然气进入膨胀机4，利用自身压力推动膨胀机4带动发电机5对外输出电能，做功后的低温天然气沿管道依次流经冻结间换热器21、低温冷藏间换热器22、冷却间换热器23、高温冷藏间换热器24与冷媒换热吸收热量，之后分别经天然气调压器8、第二天然气加热器9调压、加热后送往下一级管网；

4)各冷库冷媒在换热器中与低温天然气换热吸收冷量，在冷媒循环泵的驱动下进入制冷盘管与冷库内空气换热放出冷量，之后经冷媒罐返回换热器。

除霜模式包括以下步骤：

1)关闭冻结间风机37、低温冷藏间风机38、冷却间风机39，高温冷藏间风机40；

2)开启第一旁通阀3、第二旁通阀7、冻结间换热器入口阀10、冻结间换热器出口阀11、低温冷藏间换热器入口阀12、低温冷藏间换热器出口阀13、冷却间换热器入口阀14、冷却间换热器出口阀15、高温冷藏间换热器入口阀16、高温冷藏间换热器出口阀17，关闭第三旁通阀18、第四旁通阀19、第五旁通阀20；

3)来自天然气管网高压天然气经第一天然气加热器加热后通过管道分别流入冻结间换热器21、低温冷藏间换热器22、冷却间换热器23、高温冷藏间换热器24与冷媒换热放出热量，之后分别经天然气调压器8、第二天然气加热器9调压、加热后送往下一级管网；

4)各冷库冷媒在换热器中与高温天然气换热吸收热量，在冷媒循环泵的驱动下进入制冷盘管放出热量融化制冷盘管表面的霜，之后经冷媒罐返回换热器。

本实施例中，来自天然气管网的天然气压力为4mpa，温度为25℃，膨胀后压力降至0.8mpa，膨胀机绝热效率为75％；冷媒采用乙二醇水溶液，其中冻结间41、低温冷藏间42、冷却间43以及高温冷藏间44使用的乙二醇水溶液浓度分别为70％、60％、50％、40％。

当冷库需要制冷时，各冷库风机开启，膨胀机入口阀2、冻结间换热器入口阀10、第三旁通阀18、第四旁通阀19、第五旁通阀20、高温冷藏间换热器出口阀17开启，第一旁通阀3、第二旁通阀7、冻结间换热器出口阀11、低温冷藏间换热器入口阀12、低温冷藏间换热器出口阀13、冷却间换热器入口阀14、冷却间换热器出口阀15、高温冷藏间换热器入口阀16关闭，此时冻结间换热器21、低温冷藏间换热器22、冷却间换热器23、高温冷藏间换热器24呈串联形式；来自天然气管网高压天然气进入膨胀机4，利用自身压力推动膨胀机4带动发电机5发电，对外输出电能，做功后的天然气温度降至约-50℃，之后依次流经冻结间换热器21、低温冷藏间换热器22、冷却间换热器23、高温冷藏间换热器24与各冷间的冷媒换热，各换热器的天然气出口温度依次为-35℃、-25℃、-15℃、-5℃左右，升温后的天然气经调压器8、第二天然气加热器9调压、加热达到要求后送往下一级管网；各冷间的冷媒在换热器中与低温天然气换热吸收冷量后温度降低，其中冻结间换热器21的冷媒出口温度约为-45℃、低温冷藏间换热器22的冷媒出口温度约为-30℃、冷却间换热器23的冷媒出口温度约为-20℃、高温冷藏间换热器2的冷媒出口温度约为-10℃，低温冷媒在冷媒循环泵的驱动下进入制冷盘管对冷间内的空气进行冷却，使冻结间41、低温冷藏间42、冷却间43、高温冷藏44的温度分别维持在-32℃、-20℃、-10℃、0℃左右，升温后的冷媒经冷媒管返回换热器，如此循环实现制冷功能。

当冷库需要除霜时，各冷库风机关闭，第一旁通阀3、第二旁通阀7、冻结间换热器入口阀10、冻结间换热器出口阀11、低温冷藏间换热器入口阀12、低温冷藏间换热器出口阀13、冷却间换热器入口阀14、冷却间换热器出口阀15、高温冷藏间换热器入口阀16、高温冷藏间换热器出口阀17开启，第三旁通阀18、第四旁通阀19、第五旁通阀20关闭，此时冻结间换热器21、低温冷藏间换热器22、冷却间换热器23、高温冷藏间换热器24呈并联形式；来自天然气管网高压天然气经第一天然气加热器6加热升温至35℃左右，之后分别流入冻结间换热器21、低温冷藏间换热器22、冷却间换热器23、高温冷藏间换热器24与各冷间的冷媒换热，换热后分别经天然气调压器8、第二天然气加热器9调压、加热达到要求后送往下一级管网；各冷间的冷媒在换热器中与高温天然气换热吸收热量后温度升高，高温冷媒在冷媒循环泵的驱动下进入制冷盘管并放出热量融化制冷盘管表面的霜，之后经冷媒罐返回换热器，如此循环实现除霜功能。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，凡采用等同替换或等效变换所形成的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。