新型利用天然氣輸配管線壓差發電的聯合發電裝置的製作方法
2023-04-27 06:20:46
專利名稱：新型利用天然氣輸配管線壓差發電的聯合發電裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於天然氣設備領域，它涉及一種新型利用天然氣輸配管線壓差發電的聯合發電裝置。
背景技術：
我國天然氣資源開發利用的重大工程項目進展迅速，西部地區和近海海域已開發了油氣田，「西氣東輸」工程東段已全線貫通，西氣已進入上海，東南沿海的大中型城市也正在實施引進液化天然氣的工程，我國即將進入大規模使用天然氣的新時期。
根據天然氣輸配的技術規範，天然氣輸配管線及管網分為若干個壓力等級，長輸管線壓力較高，一般為5.0MPa～8.0MPa，到達城市的門站後，高壓天然氣需要減壓到4.0MPa、2.5MPa和1.6MPa後，進入城市高壓管網，然後，城市高壓管網的天然氣在各高中壓調壓站減壓後進入中壓管網，之後，中壓管網的天然氣還需再次減壓進入低壓管網，最後，通過低壓管網將低壓天然氣輸送至終端用戶。傳統的減壓方法是採用如圖1，圖2中現有的調壓器3，使現有的上級壓力的天然氣輸配管線1中的高壓天然氣通過現有的調壓器3產生的節流過程來降至所要求的壓力，然後輸入現有的下級壓力的天然氣輸配管線2，這樣，高壓天然氣所具有的壓力能白白耗散而未能加以利用，非常可惜。
發明內容
針對現有技術的缺陷，經過分析和研究，本實用新型首次提出一種利用天然氣輸配管線壓差發電的聯合發電裝置的新構思，在實現天然氣減壓的同時將原來減壓過程損失的壓力能轉化為軸功率進行發電。
本實用新型解決技術問題的技術方案如下一種新型利用天然氣輸配管線壓差發電的聯合發電裝置，它包括上級壓力的天然氣輸配管線1、下級壓力的天然氣輸配管線2、調壓器3、閥門4，8，9，11，其特徵是它還包括固裝在地基上的由天然氣透平膨脹機51，天然氣透平膨脹機輸出軸511和發電機52組成的天然氣透平膨脹機發電機組5，它的天然氣透平膨脹機51的天然氣進氣埠a與分體式熱管換熱器冷凝段72的天然氣出氣埠i相連，它的天然氣透平膨脹機51的天然氣出氣埠b與下級壓力的天然氣輸配管線2相連，它的天然氣透平膨脹機51通過天然氣透平膨脹機輸出軸511與發電機52相連、固裝在地基上的由內燃式燃氣發動機61，內燃式燃氣發動機輸出軸611和發電機62組成的內燃式燃氣發動機發電機組6，它的內燃式燃氣發動機61的天然氣進氣埠c通過閥門8與下級壓力的天然氣輸配管線2相連，它的內燃式燃氣發動機61的空氣進氣埠d與大氣相通，它的內燃式燃氣發動機61的餘熱煙氣排氣埠e與分體式熱管換熱器蒸發段71的煙氣進氣埠f相連，它的內燃式燃氣發動機61通過內燃式燃氣發動機輸出軸611與發電機62相連或採用固裝在地基上的由壓氣機101，燃燒室102，熱力透平103，轉軸104，熱力透平輸出軸1031和發電機105組成的燃氣輪機發電機組10，它的壓氣機101的空氣進氣埠j1與大氣相通，它的壓氣機101的高壓空氣出氣埠j2與燃燒室102的高壓空氣進氣埠k1相連，它的燃燒室102的高壓空氣進氣埠k1與壓氣機101的高壓空氣出氣埠j2相連，它的燃燒室102的天然氣進氣埠k2通過閥門11與上級壓力的天然氣輸配管線1相連，它的燃燒室102的高溫高壓煙氣出氣埠k3與熱力透平103的高溫高壓煙氣進氣埠l1相連，它的熱力透平103的高溫高壓煙氣進氣埠l1與燃燒室102的高溫高壓煙氣出氣埠k3相連，它的熱力透平103的餘熱煙氣排氣埠l2與分體式熱管換熱器蒸發段71的煙氣進氣埠f相連，它的壓氣機101通過轉軸104與熱力透平103連為一體，它的熱力透平103通過熱力透平輸出軸1031與發電機105相連、由固裝在地基上的分體式熱管換熱器蒸發段71，固裝在高架上的分體式熱管換熱器冷凝段72，將分體式熱管換熱器蒸發段71與分體式熱管換熱器冷凝段72彼此相連的工質蒸汽輸送管道73和工質液體回流管道74組成的分體式熱管換熱器7，它的分體式熱管換熱器蒸發段71的煙氣進氣埠f與內燃式燃氣發動機61的餘熱煙氣排氣埠e相連或與熱力透平103的餘熱煙氣排氣埠l2相連，它的分體式熱管換熱器蒸發段71的煙氣排氣埠g通過排煙管道與大氣相通，它的分體式熱管換熱器冷凝段72的天然氣進氣埠h通過閥門9與上級壓力的天然氣輸配管線1相連，它的分體式熱管換熱器冷凝段72的天然氣出氣埠i與天然氣透平膨脹機51的天然氣進氣埠a相連。
與現有技術相比本實用新型的優點如下研究結果表明，新型利用天然氣輸配管線壓差發電的聯合發電裝置是一種能量利用率很高的發電設備，既回收利用了天然氣減壓過程中釋放的壓力能，又回收利用了內燃式燃氣發動機發電機組或燃氣輪機發電機組發電過程中產生的廢熱能，由此，可以大幅度地提高天然氣的能源利用率，經初步計算，一般的熱電聯供機組每消耗1NM3的天然氣可發電約3～3.5kWh，而利用本實用新型的新構思，由於回收利用了壓力能和廢熱能，每消耗1NM3的天然氣可發電7kWh，經濟效益非常顯著。
此外，採用分體式熱管換熱器可保證天然氣加熱過程中的安全問題。
圖1為本實用新型含內燃式燃氣發動機發電機組的新型利用天然氣輸配管線壓差發電的聯合發電裝置示意圖圖1中，1-上級壓力的天然氣輸配管線，2-下級壓力的天然氣輸配管線，3-調壓器，4、8、9-閥門，5-天然氣透平膨脹機發電機組，5中包括51-天然氣透平膨脹機，511-天然氣透平膨脹機輸出軸，52-發電機，a-天然氣進氣埠，b-天然氣出氣埠，6-內燃式燃氣發動機發電機組，6中包括61-內燃式燃氣發動機，611-內燃式燃氣發動機輸出軸，62-發電機，c-天然氣進氣埠，d-空氣進氣埠，e-餘熱煙氣排氣埠，7-分體式熱管換熱器，7中包括71-分體式熱管換熱器蒸發段，72-分體式熱管換熱器冷凝段，73-工質蒸汽輸送管道，74-工質液體回流管道，f-煙氣進氣埠，g-煙氣排氣埠，
h-天然氣進氣埠，i-天然氣出氣埠；圖2為本實用新型含燃氣輪機發電機組的新型利用天然氣輸配管線壓差發電的聯合發電裝置示意圖圖2中，1-上級壓力的天然氣輸配管線，2-下級壓力的天然氣輸配管線，3-調壓器，4、9、11-閥門，5-天然氣透平膨脹機發電機組，5中包括51-天然氣透平膨脹機，511-天然氣透平膨脹機輸出軸，52-發電機，a-天然氣進氣埠，b-天然氣出氣埠，10-燃氣輪機發電機組，10中包括101-壓氣機，102-燃燒室，103-熱力透平，1031-熱力透平輸出軸，104-轉軸，105-發電機，j1-空氣進氣埠，j2-高壓空氣出氣埠，k1-高壓空氣進氣埠，k2-天然氣進氣埠，k3-高溫高壓煙氣出氣埠，l1-高溫高壓煙氣進氣埠，l2-餘熱煙氣排氣埠，7-分體式熱管換熱器，7中包括71-分體式熱管換熱器蒸發段，72-分體式熱管換熱器冷凝段，73-工質蒸汽輸送管道，74-工質液體回流管道，f-煙氣進氣埠，g-煙氣排氣埠，h-天然氣進氣埠，i-天然氣出氣埠。
具體實施方式
在天然氣的輸配過程中，管道內的天然氣溫度接近於環境溫度，高壓天然氣在通過天然氣透平膨脹機膨脹做功的過程中，溫度將大幅下降，當溫度下降到零下溫度時，天然氣內含有的水蒸汽將發生凝結、凝固而析出冰粒，這些冰粒將會對天然氣透平膨脹機造成損傷，因此，應當在較高壓力天然氣進入天然氣透平膨脹機之前對其進行加熱以提高初始溫度，保證其在天然氣透平膨脹機內膨脹做功後的溫度仍然高於0℃，這樣，既可以防止天然氣在膨脹做功過程中其內部含有的水蒸汽凝結、凝固析出冰粒損傷天然氣透平膨脹機，又可以增加天然氣透平膨脹機的軸功率。
以天然氣為燃料的內燃式燃氣發動機發電機組或燃氣輪機發電機組在發電過程中，都要產生相當數量的廢熱，這部分廢熱可以利用作為對進入天然氣透平膨脹機之前的高壓天然氣進行加熱的熱源，因此，本實用新型首次提出將天然氣透平膨脹機發電機組與以天然氣為燃料的內燃式燃氣發動機發電機組或燃氣輪機發電機組以及分體式熱管換熱器組合在一起構成利用天然氣輸配管線壓差發電的聯合發電裝置，既回收利用了天然氣輸配管線之間壓力級差轉換過程中釋放的壓力能，又回收利用了內燃式燃氣發動機發電機組或燃氣輪機發電機組發電過程中產生的廢熱能，由此，可以大大提高能源的利用率並獲得顯著的經濟效益。
本實用新型的新型利用天然氣輸配管線壓差發電的聯合發電裝置有兩套實施方案如圖1所示，在第一套方案中，利用了天然氣輸配管線壓差並設置了包括由天然氣透平膨脹機51，天然氣透平膨脹機輸出軸511和發電機52組成的天然氣透平膨脹機發電機組5、由內燃式燃氣發動機61，內燃式燃氣發動機輸出軸611和發電機62組成的內燃式燃氣發動機發電機組6和由分體式熱管換熱器蒸發段71，分體式熱管換熱器冷凝段72，工質蒸汽輸送管道73和工質液體回流管道74組成的分體式熱管換熱器7；參見圖1，對本實用新型再作進一步闡述，下級壓力的天然氣輸配管線2中的額定量的下級壓力的天然氣通過閥門8及天然氣進氣埠c進入內燃式燃氣發動機61與從空氣進氣埠d吸入的空氣均勻混合後進入內燃式燃氣發動機61的氣缸以爆燃的方式膨脹做功，並通過內燃式燃氣發動機輸出軸611帶動發電機62發電，膨脹做功後的餘熱煙氣通過餘熱煙氣排氣埠e及煙氣進氣埠f流入分體式熱管換熱器蒸發段71，煙氣在流經分體式熱管換熱器蒸發段71的過程中逐步將自身的大部分熱量傳給熱管內部的工質，使其蒸發升騰經工質蒸汽輸送管道73送至分體式熱管換熱器冷凝段72，在那裡，熱管內部的汽態工質又將熱量傳給流經分體式熱管換熱器冷凝段72的來自上級壓力的天然氣輸配管線1的天然氣，使其提高初始溫度後再進入天然氣透平膨脹機51膨脹做功，熱管內部工質在放出熱量之後自身凝結成液體經工質液體回流管道74流回分體式熱管換熱器蒸發段71，又被重新加熱蒸發，如此不斷進行循環，這樣，便可以將內燃式燃氣發動機發電機組6發電過程中排出的廢熱有效地加以利用來對進入天然氣透平膨脹機51前的上級壓力的天然氣進行加熱以提高其初始溫度，放熱後的煙氣通過煙氣排氣埠g及排煙管道排入大氣；上級壓力的天然氣輸配管線1中的天然氣通過閥門9及天然氣進氣埠h進入分體式熱管換熱器冷凝段72，在流經分體式熱管換熱器冷凝段72的過程中被逐步加熱到40.0～200.0℃，加熱後的高壓天然氣通過天然氣出氣埠i及天然氣進氣埠a進入天然氣透平膨脹機51膨脹做功，通過天然氣透平膨脹機輸出軸511帶動發電機52發電，在膨脹做功的過程中，天然氣的壓力和溫度都大幅下降，在天然氣透平膨脹機51的天然氣出氣埠b處，天然氣的壓力和溫度都達到其需要的出口值，然後流入下級壓力的天然氣輸配管線2。
如圖2所示，在第二套方案中，與第一套方案的最大區別在於採用由壓氣機101，燃燒室102，熱力透平103，轉軸104，熱力透平輸出軸1031和發電機105組成的燃氣輪機發電機組10來代替第一套方案中的內燃式燃氣發動機發電機組6；參見圖2，一路由與熱力透平103共軸的壓氣機101通過其空氣進氣埠j1吸入空氣並將其壓縮到需要壓力後經高壓空氣出氣埠j2及燃燒室102的高壓空氣進氣埠k1輸入燃燒室102，同時，另一路來自上級壓力的天然氣輸配管線1中的額定量的上級壓力的天然氣通過閥門11及天然氣進氣埠k2進入燃燒室102，由所述的兩路高壓空氣和高壓天然氣在燃燒室102內均勻混合燃燒，混合燃燒後的高溫高壓煙氣經高溫高壓煙氣出氣埠k3及高溫高壓煙氣進氣埠l1進入熱力透平103膨脹做功，通過熱力透平輸出軸1031帶動發電機105發電，流經熱力透平103膨脹做功後的餘熱煙氣通過餘熱煙氣排氣埠l2及煙氣進氣埠f流入分體式熱管換熱器蒸發段71，煙氣在流經分體式熱管換熱器蒸發段71的過程中逐步將自身的大部分熱量傳給熱管內部的工質，使其蒸發升騰經工質蒸汽輸送管道73送至分體式熱管換熱器冷凝段72，在那裡，熱管內部的汽態工質又將熱量傳給流經分體式熱管換熱器冷凝段72的來自上級壓力的天然氣輸配管線1的天然氣，使其提高初始溫度後再進入天然氣透平膨脹機51膨脹做功，熱管內部工質在放出熱量之後自身凝結成液體經工質液體回流管道74流回分體式熱管換熱器蒸發段71，又被重新加熱蒸發，如此不斷進行循環，這樣，便可以將燃氣輪機發電機組10發電過程中排出的廢熱有效地加以利用來對進入天然氣透平膨脹機51前的上級壓力的天然氣進行加熱以提高其初始溫度，放熱後的煙氣通過煙氣排氣埠g及排煙管道排入大氣；上級壓力的天然氣輸配管線1中的天然氣通過閥門9及天然氣進氣埠h進入分體式熱管換熱器冷凝段72，在流經分體式熱管換熱器冷凝段72的過程中被逐步加熱到40.0～200.0℃，加熱後的高壓天然氣通過天然氣出氣埠i及天然氣進氣埠a進入天然氣透平膨脹機51膨脹做功，通過天然氣透平膨脹機輸出軸511帶動發電機52發電，在膨脹做功的過程中，天然氣的壓力和溫度都大幅下降，在天然氣透平膨脹機51的天然氣出氣埠b處，天然氣的壓力和溫度都達到其需要的出口值，然後流入下級壓力的天然氣輸配管線2。
本實用新型採用的各裝置均可以根據上級壓力的天然氣輸配管線1和下級壓力的天然氣輸配管線2的運行要求通過市場選購配置或由相關設備的製造廠家設計製造，該方案中的閥門4是現有的，閥門8，9，11是新增的市場有購，其現有的調壓器3在本實用新型中僅是一個備用設備，它只是在本實用新型進行檢修時才使用。
本實用新型可應用於天然氣輸配管線城市門站及各級調壓站，也可應用於天然氣生產氣井口附近的調壓輸出設施中，都可取得良好的節能效果和經濟效益。
權利要求1.一種新型利用天然氣輸配管線壓差發電的聯合發電裝置，它包括上級壓力的天然氣輸配管線(1)、下級壓力的天然氣輸配管線(2)、調壓器(3)、閥門(4，8，9，11)，其特徵是它還包括固裝在地基上的由天然氣透平膨脹機(51)，天然氣透平膨脹機輸出軸(511)和發電機(52)組成的天然氣透平膨脹機發電機組(5)，它的天然氣透平膨脹機(51)的天然氣進氣埠(a)與分體式熱管換熱器冷凝段(72)的天然氣出氣埠(i)相連，它的天然氣透平膨脹機(51)的天然氣出氣埠(b)與下級壓力的天然氣輸配管線(2)相連，它的天然氣透平膨脹機(51)通過天然氣透平膨脹機輸出軸(511)與發電機(52)相連、固裝在地基上的由內燃式燃氣發動機(61)，內燃式燃氣發動機輸出軸(611)和發電機(62)組成的內燃式燃氣發動機發電機組(6)，它的內燃式燃氣發動機(61)的天然氣進氣埠(c)通過閥門(8)與下級壓力的天然氣輸配管線(2)相連，它的內燃式燃氣發動機(61)的空氣進氣埠(d)與大氣相通，它的內燃式燃氣發動機(61)的餘熱煙氣排氣埠(e)與分體式熱管換熱器蒸發段(71)的煙氣進氣埠(f)相連，它的內燃式燃氣發動機(61)通過內燃式燃氣發動機輸出軸(611)與發電機(62)相連或採用固裝在地基上的由壓氣機(101)，燃燒室(102)，熱力透平(103)，轉軸(104)，熱力透平輸出軸(1031)和發電機(105)組成的燃氣輪機發電機組(10)，它的壓氣機(101)的空氣進氣埠(j1)與大氣相通，它的壓氣機(101)的高壓空氣出氣埠(j2)與燃燒室(102)的高壓空氣進氣埠(k1)相連，它的燃燒室(102)的高壓空氣進氣埠(k1)與壓氣機(101)的高壓空氣出氣埠(j2)相連，它的燃燒室(102)的天然氣進氣埠(k2)通過閥門(11)與上級壓力的天然氣輸配管線(1)相連，它的燃燒室(102)的高溫高壓煙氣出氣埠(k3)與熱力透平(103)的高溫高壓煙氣進氣埠(l1)相連，它的熱力透平(103)的高溫高壓煙氣進氣埠(l1)與燃燒室(102)的高溫高壓煙氣出氣埠(k3)相連，它的熱力透平(103)的餘熱煙氣排氣埠(l2)與分體式熱管換熱器蒸發段(71)的煙氣進氣埠(f)相連，它的壓氣機(101)通過轉軸(104)與熱力透平(103)連為一體，它的熱力透平(103)通過熱力透平輸出軸(1031)與發電機(105)相連、由固裝在地基上的分體式熱管換熱器蒸發段(71)，固裝在高架上的分體式熱管換熱器冷凝段(72)，將分體式熱管換熱器蒸發段(71)與分體式熱管換熱器冷凝段(72)彼此相連的工質蒸汽輸送管道(73)和工質液體回流管道(74)組成的分體式熱管換熱器(7)，它的分體式熱管換熱器蒸發段(71)的煙氣進氣埠(f)與內燃式燃氣發動機(61)的餘熱煙氣排氣埠(e)相連或與熱力透平(103)的餘熱煙氣排氣埠(l2)相連，它的分體式熱管換熱器蒸發段(71)的煙氣排氣埠(g)通過排煙管道與大氣相通，它的分體式熱管換熱器冷凝段(72)的天然氣進氣埠(h)通過閥門(9)與上級壓力的天然氣輸配管線(1)相連，它的分體式熱管換熱器冷凝段(72)的天然氣出氣埠(i)與天然氣透平膨脹機(51)的天然氣進氣埠(a)相連。
專利摘要本實用新型屬於天然氣設備領域，所涉及的新型利用天然氣輸配管線壓差發電的聯合發電裝置，它包括上級壓力的天然氣輸配管線、下級壓力的天然氣輸配管線、調壓器、閥門，其特徵是它還包括天然氣透平膨脹機發電機組、內燃式燃氣發動機發電機組或燃氣輪機發電機組、分體式熱管換熱器。該裝置是一種能量利用率很高的發電設備，既回收利用了天然氣減壓過程中釋放的壓力能，又回收利用了內燃式燃氣發動機發電機組或燃氣輪機發電機組發電過程中產生的廢熱能，由此，可以大幅度地提高天然氣的能源利用率，經濟效益非常顯著。本實用新型可應用於天然氣輸配城市門站及各級調壓站，也可應用於天然氣生產氣井口附近的調壓輸出設施中。
文檔編號F03G7/00GK2755288SQ200420107908
公開日2006年2月1日 申請日期2004年11月3日 優先權日2004年11月3日
發明者姜小敏, 王財友, 凌志光 申請人:上海工程技術大學