與分布式能源結合的天然氣液化系統的製作方法

2023-04-23 20:07:36

本實用新型涉及天然氣液化技術領域，具體而言，涉及一種與分布式能源結合的天然氣液化系統。

背景技術：

分布式能源是一種高效的能源利用方式，可以實現冷熱電三聯供，其常規能源利用效率能達到70％以上。我國電網資源分布不均，國家政策鼓勵缺電地區建設分布式能源裝置，有利於優化能源結構，提高整體能源利用效率，從而實現節能減排的環境效益。目前分布式能源主要應用於機場、醫院、商城、車站、酒店等領域。

天然氣液化裝置的建設在我國也是方興未艾，天然氣資源富集的西部地區、北部地區的天然氣井場興建了很多的天然氣液化裝置，這些裝置由於地勢偏遠，缺乏市政供電，因此一般都會採用天然氣發電裝置或燃氣透平裝置作為液化裝置的能源供應裝置。但單純利用發電裝置或燃氣透平裝置提供的能源驅動液化裝置的用電設備或動設備，其整體的能源利用效率偏低。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種與分布式能源結合的天然氣液化系統，以很好地將分布式能源與天然氣液化裝置結合，提高能源利用效率，達到節能減排的目的。

本實用新型是這樣實現的：

一種與分布式能源結合的天然氣液化系統，包括燃氣發電機、制冷機組以及天然氣液化裝置，燃氣發電機設置有熱量排放口，熱量排放口通過管道連接於制冷機組，制冷機組連接於天然氣液化裝置。

進一步地，本實用新型的較佳實施例中，上述天然氣液化裝置包括液化設備和循環冷劑壓縮設備，液化設備與循環冷劑壓縮設備之間設置有循環冷劑進管和循環冷劑出管，循環冷劑進管的進端連通於循環冷劑壓縮設備，循環冷劑進管的出口端連通於液化設備，循環冷劑出管的進口端連通於液化設備，循環冷劑出管的出口端連通於循環冷劑壓縮設備。

進一步地，本實用新型的較佳實施例中，上述循環冷劑進管上還設置有循環冷劑預冷換熱器，預冷換熱器和制冷機組之間設置有冷水管，冷水管的兩端分別與制冷機組和循環冷劑預冷換熱器連通。

進一步地，本實用新型的較佳實施例中，上述液化設備設置有與其連通的原料氣進管，原料氣進管上還設置有原料氣預冷換熱器，原料氣預冷換熱器通過管道與制冷機組連通。

進一步地，本實用新型的較佳實施例中，上述與分布式能源結合的天然氣液化系統還包括原料氣淨化裝置，原料氣淨化裝置通過原料氣進管與液化設備連通。

進一步地，本實用新型的較佳實施例中，上述原料氣淨化裝置還通過管道與燃氣發電機的熱量排放口連接。

進一步地，本實用新型的較佳實施例中，上述與分布式能源結合的天然氣液化系統還包括原料氣增壓設備，原料氣增壓設備連通於原料氣淨化裝置。

進一步地，本實用新型的較佳實施例中，上述燃氣發電機的供電線路連接於天然氣液化裝置，燃氣發電機為內燃機發電機或燃氣透平發電機。

進一步地，本實用新型的較佳實施例中，上述與分布式能源結合的天然氣液化系統還包括LNG儲罐，LNG儲罐通過管道與天然氣液化裝置連接。

進一步地，本實用新型的較佳實施例中，上述LNG儲罐與天然氣之間的管道上設置有天然氣節流閥。

本實用新型實現的有益效果：通過將燃氣發電機產生的餘熱供應給制冷機組進行利用製冷，從而通過制冷機組製得的冷水對原料氣和/或天然氣液化裝置的循環冷劑進行預冷，使得對原料氣進行液化操作時，能夠減少能量消耗，其相比傳統液化裝置節省了25～30％的電能消耗。將分布式能源與天然氣液化裝置結合，大大提高了能源利用效率，達到節能減排的目的。同時，其除制冷機組外，僅在原有的天然氣液化裝置上增加幾臺常規換熱器，即可達到綜合能源利用，工藝流程簡單，設備投資基本不變，運行成本極低；同時，在缺電地區採用燃氣發電，市政供電作為備用電源，相比傳統市政供電液化裝置，有更穩定的能源供應，裝置的用電得到雙重保障，提高液化裝置開工率。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本實用新型的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本實用新型的實施例提供的與分布式能源結合的天然氣液化系統的結構示意圖；

圖2為本實用新型的實施例提供的與分布式能源結合的天然氣液化系統的天然氣液化裝置的結構示意圖。

附圖標記匯總：與分布式能源結合的天然氣液化系統100；冷箱101；液化換熱器102；燃氣發電機110；制冷機組120；天然氣液化裝置130；液化設備131；循環冷劑壓縮設備132；循環冷劑進管133；循環冷劑出管134；原料氣進管135；循環冷劑節流閥136；天然氣節流閥137；冷卻器138；循環冷劑預冷換熱器140；原料氣增壓設備150；原料氣淨化裝置160；原料氣預冷換熱器170；LNG儲罐180；原料天然氣11；液態天然氣12；高壓氣態循環冷劑21；冷卻後的循環冷劑22；高壓液態循環冷劑23；低壓循環冷劑24；低壓氣態循環冷劑25。

具體實施方式

下面通過具體的實施例子並結合附圖對本實用新型做進一步的詳細描述。

參見附圖1，本實用新型的實施例提供的一種與分布式能源結合的天然氣液化系統100，其包括燃氣發電機110、制冷機組120以及天然氣液化裝置130。

燃氣發電機110為天然氣液化過程進行供電的裝置，其中燃氣發電機110主要分為內燃發電機和燃氣透平發電機，內燃發電機和燃氣透平發電機在發電過程中均會產生大量的餘熱。其中，內燃發電機進行發電時，產生的餘熱存在於產生的高溫廢煙氣以及進行循環的高溫缸套水中；而燃氣透平發電機進行發電時，產生的餘熱存在於產生的高溫廢煙氣中。

燃氣發電機110進行發電時燃燒使用的的燃氣選用原料富甲烷氣、原料富甲烷氣預處理過程中脫除的烴類物質、淨化富甲烷氣、液化天然氣儲罐閃蒸氣中的一種或幾種。通過上述的燃氣選擇，使得可以很好地利用天然氣液化過程中各個階段的可燃燒氣體，特別是在缺電地區，可以就地取用燃氣資源進行發電，從而使得燃氣發電機的使用更加方便，更有利於對資源的充分利用。同時，也使得整個天然氣液化系統的適用性更強，能夠在不同地區進行有效地應用。

燃氣發電機110通過電線與天然氣液化裝置130連接，即將所發的電供應給天然氣液化裝置130中的用電設備。燃氣發電機110通過管道連接於制冷機組120，從而將燃氣發電機110在發電過程中產生的高溫煙氣和/或缸套水中的餘熱提供給制冷機組120，使得制冷機組120利用該餘熱進行製冷操作。

其中，制冷機組120為溴化鋰制冷機組，其主要由發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器、換熱器、循環泵等幾部分組成。在制冷機組120運行過程中，當溴化鋰水溶液在發生器內受到攜帶餘熱的高溫介質(高溫煙氣和/或缸套水)的加熱後，溶液中的水不斷汽化；隨著水的不斷汽化，發生器內的溴化鋰水溶液濃度不斷升高，進入吸收器；水蒸氣進入冷凝器，被冷凝器內的冷卻水降溫後凝結，成為高壓低溫的液態水；當冷凝器內的水通過節流閥進入蒸發器時，急速膨脹而汽化，並在汽化過程中大量吸收蒸發器內冷媒水的熱量，從而達到降溫製冷的目的；在此過程中，低溫水蒸氣進入吸收器，被吸收器內的溴化鋰水溶液吸收，溶液濃度逐步降低，再由循環泵送回發生器，完成整個循環。如此循環不息，連續製取冷量。由於溴化鋰稀溶液在吸收器內已被冷卻，溫度較低，為了節省加熱稀溶液的熱量，提高整個裝置的熱效率，在系統中增加了一個換熱器，讓發生器流出的高溫濃溶液與吸收器流出的低溫稀溶液進行熱交換，提高稀溶液進入發生器的溫度。溴化鋰制冷機組為本領域熟知技術，在此不再贅述。本實施例中，通過制冷機組120能夠源源不斷地利用燃氣發電機110產生的餘熱製取溫度較低的冷凍水。其中，製取的冷凍水的溫度為5～10℃。當然，其他實施例中，制冷機組120也可以是其它利用熱能進行製冷的機組例如採用氨水吸收式制冷機等。

需要說明的是，燃氣發電機110所發的電可以用於其它工業或民用用途，僅將燃氣發電機110的餘熱在制冷機組120和/或天氣液化過程中的設備中。

參見附圖1，附圖2，天然氣液化裝置130包括液化設備131和循環冷劑壓縮設備132。液化設備131與循環冷劑壓縮設備132之間設置有循環冷劑進管133和循環冷劑出管134，循環冷劑進管133的進端連通於循環冷劑壓縮設備132，循環冷劑進管133的出口端連通於液化設備131，循環冷劑出管134的進口端連通於液化設備131，循環冷劑出管134的出口端連通於循環冷劑壓縮設備132。通過上述結構設置，可以使得循環冷劑可以不斷地循環作用於通過液化設備131中的原料氣，使得循環冷劑不斷與原料氣進行換熱，原料氣在換熱過程中不斷被液化。

具體地，參見附圖2，液化設備131主要包括冷箱101，冷箱101內設置有液化換熱器102，從液化設備131的冷箱101出來的低壓氣態循環冷劑25通過循環冷劑壓縮設備132增壓至3.0MPa，溫度約為140℃，成為高壓氣態循環冷劑21；溫度較高的高壓氣態循環冷劑21通過冷卻器138冷卻至40℃，然後再經過循環冷劑預冷換熱器140冷卻到12～15℃，得到冷卻後的循環冷劑22；再將冷卻後的循環冷劑22進入冷箱101中的液化換熱器102進一步冷卻至-160℃而液化，成為高壓液態循環冷劑23；高壓液態循環冷劑23通過循環冷劑節流閥136減壓至0.15MPa降溫至-162℃，成為低壓循環冷劑24，然後返回液化換熱器102提供冷量，對原料天然氣11和剛進入冷箱101的冷卻後的循環冷劑22進行冷卻；低壓循環冷劑24吸收了這兩股流體的熱量後，其溫度升高至12～15℃而氣化成低壓氣態循環冷劑25，然後出冷箱101返回循環冷劑壓縮設備132進入下一個循環。其中，循環冷劑壓縮設備132為氣體壓縮機。液化過程中，原料天然氣11經過冷卻後液化形成液態天然氣12，液態天然氣12的排出端還設置有用於降壓的天然氣節流閥137。

再次參見附圖1，承上述，本實施例中，循環冷劑進管133上還設置有循環冷劑預冷換熱器140，循環冷劑預冷換熱器140和制冷機組120之間設置有冷水管，冷水管的兩端分別與制冷機組120和循環冷劑預冷換熱器140連通。通過制冷機組120製冷得到的冷凍水可以進一步對進入液化設備131的循環冷劑進行預冷使得其達到溫度預冷到12～15℃，從而使得天然氣的液化過程中的能量耗量更小，進而降低了生產成本。

本實施例中，與分布式能源結合的天然氣液化系統100還包括原料氣增壓設備150、原料氣淨化裝置160、原料氣預冷換熱器170以及LNG儲罐180。

本實施例中，最初的原料氣為原料富甲烷氣，若原料富甲烷氣壓力較低，需要經過原料氣增壓設備150增壓，原料氣增壓設備150為富甲烷氣壓縮機。當然，其他實施例中，若原料富甲烷氣壓力較高，則可能需要降壓。合適的液化壓力使得原料氣能夠在液化設備131中很好地被液化。

原料氣進行壓力調節後，還需要對原料氣進行淨化操作，以保證後續的液化操作能夠順利進行，得到液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)。因此，通過管道將原料氣增壓設備150與原料氣淨化裝置160連通。原料氣淨化裝置160包括天然氣MDEA法脫碳裝置、變溫吸附脫水裝置。

原料氣通過脫碳能夠脫除掉原料氣中的酸性氣體，二氧化碳和硫化氫等。其中，天然氣MDEA法脫碳裝置包括吸收塔和再生塔，再生塔的塔底需要再生塔再沸器。本實施例中，燃氣發電機110的餘熱排出的管道還與再生塔再沸器連通，為再生塔再沸器提供熱量。同樣的，脫碳後的原料氣通過管道進入變溫吸附脫水裝置中，變溫吸附裝置對原料氣進行脫水，變溫吸附裝置中的吸附塔設置有再生加熱器，燃氣發電機110的餘熱排出的管道也與該再生加熱器連通，為再生加熱器提供熱量。

通過脫碳和脫水的淨化操作後的原料氣再通過與液化設備131連通的原料氣進管135進入原料氣預冷換熱器170進行預冷，原料氣預冷換熱器170通過管道與制冷機組120連通。從而制冷機組120製冷產生的冷凍水可以對原料氣進行預冷，從而使得天然氣進行液化時的能耗進一步降低，進而提高能量的利用效率。

需要說明的是，其他實施例中，對原料氣預冷的位置可以是脫碳前也可以是脫水前，即原料氣預冷換熱器170可以設置在天然氣MDEA法脫碳裝置與變溫吸附脫水裝置之間，也可以設置在天然氣MDEA法脫碳裝置之前。

預冷後的原料氣進入液化設備131中進行液化後形成的液化天然氣排入LNG儲罐180中進行存儲。

此外，其他實施例中，可以僅設置與制冷機組120連通的循環冷劑預冷換熱器140或原料氣預冷換熱器170。

本實用新型的實施例提供的一種與分布式能源結合的天然氣液化系統的操作方法如下：

S1、利用燃氣發電機110供電給天然氣液化裝置130，並將燃氣發電機110發電時產生的餘熱供應給制冷機組120。

具體地，將來自於淨化後原料富甲烷氣或LNG儲罐閃蒸氣或淨化過程中脫除的輕烴作為燃料氣，將其壓力控制在10～50KPa，常溫(20～40℃)下通入燃氣發電機(包括內燃發電機和燃氣透平發電機兩種)，燃氣發電機發電後，其電能輸出供應給所有天然氣液化所需的用電設備，主要包括原料氣增壓設備150和天然氣液化裝置130的循環冷劑壓縮設備132。

同時，將燃氣發電機產生的400～500℃的高溫煙氣和90～100℃的高溫缸套水(若為燃氣透平發電機，則沒有缸套水，下同)收集起來，其中一部分餘熱供應給原料氣淨化裝置160的再生加熱設備使用，另一部分供應給制冷機組120轉化為冷量。其中，本實施例中，制冷機組120為溴化鋰制冷機組。

S2、利用制冷機組120對天然氣液化裝置130中的循環冷劑和/或原料氣進行預冷；

具體地，本實施例中，燃氣發電機110產生的高溫煙氣和高溫缸套水直接進入制冷機組120，製得5～10℃的冷凍水。然後將冷凍水供應給循環冷劑預冷換熱器140和原料氣預冷換熱器170中進行換熱，對循環冷劑和原料氣進行預冷，使得循環冷劑和原料氣的溫度均降低至12～15℃。當然，其他實施例中，也可以僅對原料氣或僅對循環冷劑進行預冷操作。

S3、原料氣與循環冷劑在天然氣液化裝置中進行熱交換，得到液化天然氣。

具體地，本實施例中原料氣為富甲烷氣，其首先通過原料氣增壓設備150增壓，其他實施例中，如果原料氣壓力較高，可降壓調節至合適液化壓力區間。壓力調整好之後，將原料氣進行淨化操作，具體地，首先將原料氣進入MDEA脫碳單元或進行分子篩脫碳，脫除原料氣中的酸性氣體，二氧化碳和硫化氫等。脫碳過程中有吸收塔和再生塔，再生塔塔底需要再生塔再沸器加熱，熱量就來自於燃氣發電機110產生的高溫煙氣或高溫缸套水。脫碳後的原料氣進入脫水單元，脫水採用變溫吸附(TSA)的方式，其再生氣加熱器所需的熱量也來自於高溫煙氣或高溫缸套水。脫碳脫水後的淨化氣經過溴化鋰制冷機組提供的冷凍水預冷後，進入液化設備131與循環冷劑換熱後被液化，然後被儲存在LNG儲罐180中。

冬季時，北方地區由於環境溫度很低，原料富甲烷氣和/或循環冷劑無需預冷，此時就不開制冷機組120，這部分餘熱就可以與暖水鍋爐換熱，生產供暖熱水，為整個廠區的辦公樓、公用工程廠房供暖。

需要說明的是，其他實施例中，燃氣發電機110發電時產生的餘熱可以僅供應給原料淨化裝置作為再生熱源，也可以僅供應給制冷機組120作為製冷的熱源。

綜上所述，採用了本實施例中的天然氣液化方法和液化系統具有以下效果：

(1)通過將燃氣發電機110發電時產生的餘熱給制冷機組120進行利用，提供冷凍水對天然氣液化裝置130的循環冷劑進行預冷，使用該方法相比傳統液化裝置能夠節省25～30％的電能消耗。

(2)燃氣發電機110的餘熱除了供制冷機組120製冷外，還可以為原料氣淨化裝置160提供再生熱源，也可以為冬季工廠採暖提供熱能，分布式能源裝置的綜合能源利用效率與傳統分布式能源的70％相比，可提高至80～90％。

(3)除制冷機組120外，僅需增加幾臺常規換熱器，工藝流程不簡單，設備投資基本不變，運行成本極低。

(4)在缺電地區採用燃氣發電，市政供電作為備用電源，相比傳統市政供電液化裝置，有更穩定的能源供應，裝置的用電得到雙重保障，提高天然氣液化裝置的開工率。

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，上面結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行了清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和表示出的本實用新型實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以上對在附圖中提供的本實用新型的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本實用新型的範圍，而是僅僅表示本實用新型的選定實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

在本實用新型的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「設置」、「安裝」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電焊連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。