一种高温管网天然气压差能发电系统的制作方法

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本发明专利涉及能源节约与综合利用领域，尤其适用于高压长输天然气管网输送的天然气在调压过程中释放巨大压力能的回收和利用环节。


背景技术：
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我国干线天然气采用高压输送，输送压力达到了10mpa；而城市管网的天然气输送压力为0.4mpa。为此需要设置天然气接收门站或调压站，根据下游用户的供气压力要求进行调压后，再进入下游燃气管网供用户使用。为了利用干线与低压燃气管网间在调压过程中损失的压力能，可通过在高压管网与低压城市燃气管网之间设置涡轮/螺杆膨胀机发电机组代替传统的接收门站或调压站，利用压差进行发电，同时，高压天然气经膨胀降压后进入下游低压管网供用户使用。根据工程热力学理论，高压天然气进入膨胀机膨胀做功后，排出的天然气由于释放了能量，温度会降低许多，生成大量冷能。因此，可以利用天然气膨胀做功后的低温特性，回收冷能。中国专利cn 102563958a提出一种利用管网天然气压力能发电与制冰的方法与装置，除了利用压差进行发电外，还可充分利用天然气的冷能生产大量的工业用或食品用冰；中国专利cn 101245956a公开了一种利用天然气压力能制冷的普适性方法，该发明以较低的运行成本将压力能转换成冷能，提供给调压站周边的冷库、冷水空调、废旧橡胶深冷粉碎等用户使用或制成冰块、干冰产品外运销售等，但该发明未涉及发电。以上公开的工艺技术适用于夏季时间长，气温高的南方地区，湿热的南方地区对于冷能的需求量大,但是对于夏季时间短，冬季时间长，气温不高的北方地区，市场对于冷能的需求量不大，反而对热能需求量非常大。


技术实现要素：
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本发明为了解决上述现有技术方案中的不足，提出一种先利用锅炉烟气余热对高压天然气加热，提高其温度后，再进入涡轮/螺杆膨胀机膨胀做功发电的方案。由于增加了天然气的焓值，因此发电量最大可提高70％以上。同时，通过改变天然气进口温度，可以控制涡轮/螺杆膨胀机的排气温度，既可以做到夏季为附近办公建筑提供空调的冷能，也能够冬季提供热能供暖。
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本发明的目的可通过以下技术方案实现：一种高温管网天然气压差能发电系统，其包括高压管网、发电机、涡轮/螺杆膨胀机和低压管网，其还包括高压换热器和低压换热器，所述高压管网的出口端与所述高压换热器的第一入口连通，所述高压换热器的第一出口与所述膨胀机的进气口连通，所述高压换热器的第二入口与温度调节器的出口连通，温度调节器的进口与烟气引风机的出口连通，烟气引风机的进口与高温烟气连通；所述膨胀机的出气口与所述低压换热器的第一入口连通，所述低压换热器的第一出口与所述低压管网的进口端连通；所述低压换热器的第二入口与水泵的出口连通，所述水泵的进口与用户循环水系统出口连通，所述低压换热器的第二出口与蓄水罐的入口连通，所述蓄水罐出口与所述用户循环水系统的进口连通。
[0005]
进一步的，所述温度调节器为烟气-空气掺混器，所述烟气-空气掺混器的第一进气口与烟气引风机的出口连通，所述烟气-空气掺混器的第二进气口与空气引风机的出口连通，所述烟气-空气掺混器的混合出气口与所述高压换热器的第二入口连通。
[0006]
进一步的，所述烟气-空气掺混器包括混合管，所述混合管的一端为第一进气口，所述混合管的另一端为混合出气口，在所述混合管的侧壁上连通有进气管；在所述混合管的内部固定有沿轴向设置的螺旋状布气管，在所述布气管上开设有若干气孔；所述布气管与所述混合出气口相邻的一端为封闭端，所述布气管的另一端与所述进气管的出口端连通，所述进气管的进口端为第二进气口；在所述进气管上装设有控制阀和止回阀。
[0007]
进一步的，所述布气管与所述混合管同轴设计，所述布气管的弯曲直径沿所述第一进气口到所述混合出气口的方向逐渐缩小。
[0008]
进一步的，所述布气管的最大弯曲半径小于所述混合管半径的1/2。
[0009]
进一步的，在所述布气管与所述出气口之间的所述混合管内设有直径等于混合管直径的多层金属丝网盘，金属丝网为5-18目的丝网。
[0010]
进一步的，在所述低压换热器的第二出口与所述用户循环水系统的进口之间装设有蓄水罐。
[0011]
进一步的，其还包括调压站，在所述高压管网的出口端和所述低压管网的进口端分别装设有高压三通阀和低压三通阀，所述高压三通阀的第一出口与所述高压换热器的第一入口连通，所述高压三通阀的第二出口与所述调压站的进气口连通；所述低压三通阀的第一入口与所述低压换热器的第一出口连通，所述低压三通阀的第二入口与所述调压站的出气口连通。
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具体流程与操作步骤如下：
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步骤一：高温烟气引入掺混器，低温环境空气通过布气管进入掺混器，烟气与空气充分掺混形成混合气体，且通过改变二者的流量比例来控制混合气的温度，达到设计温度后，作为热流体进入高压换热器。
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步骤二：高压管网与高压换热器连接，管网的天然气作为冷流体进入高压换热器冷流体侧，与高压换热器内热流体侧的混合气体发生热交换。
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步骤三：高压换热器冷流体侧出口与膨胀机进气口连接，加热后的高压天然气，进入涡轮/螺杆膨胀机膨胀作功，涡轮/螺杆膨胀机带动发电机组发电。涡轮/螺杆膨胀机排气口与低压换热器相连接，做功后的天然气进入低压换热器热流体侧与冷流体侧的循环水进行热交换。
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步骤四：低压换热器的热流体侧入口端与涡轮/螺杆膨胀机排气口连接，热流体侧出口端与中低压天然气管网连接。天然气在其中与循环水进行热交换后，进入中低压天然气管网，供用户使用。冷流体侧空调循环水获得热能、冷能为附近办公建筑供热、供冷。循环管路中设有蓄水罐，起到稳定压力和流量的作用。
[0017]
本发明的理论解释：根据工程热力学理论，涡轮/螺杆膨胀机内工质将热焓转化成动力发电，在保持膨胀机进出口工质压力不变的条件下，提高进口工质的温度，可提高膨胀机的热-功转换效率，提高发电量。同时，工质的进口温度决定了膨胀机工质的出口温度。表1是理论计算的结果,(膨胀机进气压力为1.6mpa，膨胀机排气压力为0.4mpa，机械效率0.85)
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表1.每公斤天然气经过膨胀机前后的参数变化以及膨胀功
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本发明相对于现有技术具有的优点及有益效果：通常，管网天然气的温度约为5-30℃，而来自锅炉的烟气温度约为160-350℃,利用烟气可将天然气加热到200℃以上，将被加热的高温天然气引入膨胀机进行压差发电，则效率可提升百分之七十以上，经济效益明显。本系统另外一个功能是：在掺混器内，通过不同质量烟气与空气的掺混，可以调整与控制掺混器混合气体出口温度并被引进天然气加热器，作为热流体的混合气的温度决定了天然气加热器中天然气的出口温度，随后，高温天然气引入膨胀机；不同的天然气进口温度对应不同的膨胀机出口天然气温度，(如表1所示)。综上所述，本技术路线可根据不同季节的需要，通过调整掺混器内混合气的出口温度，天然气加热器出口处可获得系统不同设计温度要求的天然气，不同温度的天然气进入涡轮/螺杆膨胀机做功发电后，还可以决定膨胀做功以后的天然气温度。这部分天然气再进入空调水换热器，将热量/冷能传递给空调循环水，冬季可提供热量供暖；夏季提供冷能降温。本方案尤其适用于北方地区。
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本发明系统中的关键设备之一为掺混器。为使掺混器内两股气体均匀混合，混合气体出口温度保持稳定，本发明将布气管设计成螺旋盘管状，沿气体流动方向螺旋盘管的弯曲直径逐渐缩小，成塔形，且与掺混器筒状壳体同轴，表面密布出气孔，根据流体力学经典理论分析，圆形通道中任一剖面上的速度分布是对称轴线的，即二维轴对称形式，与轴心等距的圆柱面上的流体质点具有相同速度，反之，不同距离的圆柱面上的流体质点速度不相同。实验与理论计算显示：轴心处的流动速度u
0
最大，沿径向距离的增加，速度逐渐降低，在壁面处速度趋于零。其中，与轴线距离大于1/2圆筒半径后，速度下降的很快，而小于1/2圆筒半径位置上的速度下降很缓慢，等于或大于0.9u
0。
所以，本发明的螺旋盘管状布气管的最大弯曲半径小于掺混器筒状壳体半径的1/2，使布气管处于烟气较大速度场内：另外，螺旋盘管状布气管呈塔状，由多个弯曲半径不等的圆环叠加组成，因而其排气几乎覆盖了整个截面，增加了空气与烟气的掺混点，使之掺混均匀。此外，沿混合气的流动方向设置多层5-18目的铜丝网盘，当流速很高时，混合气中会产生大量涡旋，通过丝网时，将其破碎，均匀截面上的速度场与温度场；同时，铜丝的导热性非常好，当径向温度不均匀时，混合气通过丝网时，利用丝网的导热，可降低混合气高温处温度，反之，提高低温出的温度，从而再一次均匀混合气温度。
附图说明
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图1为实施例整体结构示意图。
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图2为实施例中温度调节器整体结构示意图。
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高压管网1、发电机2、膨胀机3、低压管网4、高压换热器5、低压换热器6、高温烟气7、用户循环水系统8、温度调节器9、第一进气口9.1、第二进气口9.2、混合出气口9.3、混合管9.4、进气管9.5、布气管9.6、气孔9.6.1、控制阀9.7、止回阀9.8、网盘9.9、空气引风机10、蓄水罐11、调压站12、高压三通阀13、低压三通阀14、水泵15、烟气引风机16。
具体实施方式
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为使本发明的目的、技术方案和优缺点更加清楚明白，现结合图1进一步对本发明做详细描述。
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如结构示意图1所示，将采用调压站节流调压的传统调压方式作为连接高压天然气管网和低压天然气管网的一个旁路。来自烟囱的300℃的烟气进入掺混器与适量的环境空气掺混，达到设计温度后，经过调节阀流入天然气加热器加热高压天然气。
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工况1：冬季，天然气加热到215℃,再进入膨胀机膨胀做功。以1kg/s流量条件考虑，可发电254.8kw，排气温度等于100.6℃,经过空调水换热器去加热循环水，将水温度加热到80—90℃。作为供热水使用。
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工况2：夏季，天然气加热到67℃,再进入膨胀机膨胀做功。在1kg/s流量条件下，可发电177.5kw，排气温度等于-12.7℃，经过空调水换热器去冷却循环水，将水温度冷却到7℃-12℃左右。作为空调制冷用水。