一種天然氣管網餘壓綜合發電系統的製作方法

2023-09-18 04:15:00

本發明總地涉及天然氣管網餘壓回收發電領域，更具體地涉及一種基於無油雙螺杆膨脹機的天然氣管網餘壓綜合發電系統。

背景技術：

天然氣作為一種清潔、高效的化石能源，其開發利用越來越受到世界各國的重視。目前，天然氣的長途運輸主要是通過管網系統進行的，當前世界上長途管道的運輸均採用高壓輸氣，輸送壓力一般在10MPa以上，上遊天然氣通過高壓管網送至各城市或大型用戶，通過各地天然氣調壓站降壓至0.4MPa左右送至用戶使用，在這過程中大部分的壓力能被浪費掉。

隨著經濟和技術的發展，逐漸出現了一些對天然氣管網中餘壓的回收利用技術，主要分為製冷利用和發電利用。其中，製冷利用主要是製冰與生活製冷等；壓力能發電工藝要求天然氣的流量和壓力相對穩定，但是天然氣的使用存在嚴重的不均勻性，所以無法滿足發電設備的穩定運行，並且天然氣調壓站的布局較為分散，而小型電力系統不具備上網的條件，不利於建設大型電力回收系統，只能在門站內自用，多餘的電量不能儲存造成浪費。

授權公告號為CN105201558A的發明專利公開了一種基於單螺杆膨脹機的天然氣輸送管線餘壓發電系統，該發明主要是利用單螺杆膨脹機將天然氣輸送管線的壓力能進行發電，膨脹後的低壓天然氣進入油氣分離器將天然氣和潤滑油分離，分離後的天然氣經空氣加熱器進入原有天然氣輸送管線送至下遊用戶，分離後潤滑油通過潤滑油泵將潤滑油加壓後再次泵入單螺杆膨脹機需要潤滑的位置，同時通過空氣加熱器將低溫天然氣回升至下遊用戶需要的溫度。該發明提出的工藝僅僅是利用了部分的天然氣餘壓，還有大量的冷能被浪費掉，發電效率較低，而且潤滑油與天然氣相接觸，造成了天然氣的汙染。

授權公告號為CN103334891A的發明專利公開了一種天然氣調壓式發電裝置，該發明採用渦輪裝置回收天然氣壓力能發電。該發明提出的工藝，既沒有考慮冷能的回收利用，也沒有解決天然氣直接膨脹後釋放大量冷能引起的設備堵塞和腐蝕等問題。

另外，授權公告號為CN203430574U的實用新型專利公開了一種利用小型天然氣管網壓力能發電的裝置，該實用新型提出採用小型氣體膨脹機回收天然氣壓力能發電，實現小功率發電自用功能。膨脹後的天然氣通過壓力溫度平衡器穩定天然氣壓力和對天然氣回溫。該實用新型儘管合理利用了天然氣壓力能實現發電自用，但由於發電功率較小，僅在1～5kW，不適合流量較大的天然氣調壓場所。同時，該實用新型同樣存在天然氣冷能無法回收的問題，且膨脹後的天然氣通過壓力溫度平衡器調節後，天然氣回溫幅度有限，膨脹釋放的冷能仍舊會引起設備堵塞和腐蝕問題。

同樣地，授權公告號為CN104088605A的發明專利公開了一種基於壓力能發電和熱泵加熱的天然氣井口加熱節流系統，該發明採用膨脹機發電機組替代傳統的節流調壓裝置，利用膨脹發電機把氣井採出的天然氣中的壓力能轉換為電能，膨脹後的低溫天然氣加熱首先通過空氣預熱器利用環境熱量使天然氣溫度部分恢復，再通過膨脹發電機組生產的電能驅動熱泵系統，通過再熱器將熱泵的熱量用來加熱經空氣預熱器後的天然氣，使得膨脹降壓後的天然氣加熱到外送集輸管道所需的溫度。該發明提出的工藝儘管節省了天然氣加熱的能源，並通過熱泵裝置實現膨脹後天然氣的補熱回溫，但是仍舊沒有考慮冷能的回收利用。

授權公告號為CN105041395A的發明專利公開了一種通過載冷劑子系統把壓力能發電子系統和製冷補熱子系統整合在一起，以實現壓力能回收綜合利用，利用分級補熱方式，提高天然氣膨脹發電量的同時，回收天然氣冷能用於生產商品冰或者提供冷需求。該發明提出的工藝，雖然考慮了膨脹後釋放大量冷能引起的設備堵塞和腐蝕問題，但是採用分級補熱的方式進行的，增加了工藝的複雜性，而且浪費了部分的冷能。

為了綜合利用天然氣壓力能，授權公告號為CN203847188U的實用新型專利公開了一種天然氣調壓站餘能綜合利用系統，該實用新型採用膨脹發電機組回收天然氣中的壓力能，並通過低溫發電機組利用低溫天然氣冷能發電並回收部分冷能。同時，通過換熱器進一步回收低溫發電機組利用後的冷能，回收的冷量供冷用戶或者直接向環境排放。與上述發明專利相比，有效利用了天然氣的冷能，但由於天然氣未經預處理，在常溫下採用膨脹發電機組直接膨脹將導致設備堵塞、腐蝕和磨蝕現象的發生，並且低溫發電機組的發電效率基本在10％左右，投資成本大，冷能利用率低。

以上這些專利的技術內容，均不夠完善，存在以下技術問題：

1)潤滑油與天然氣相接觸，容易造成天然氣的汙染；

2)常溫的天然氣經過膨脹，會析出少量的冰塊，對於透平膨脹機等，會嚴重影響其安全運行；

3)在利用天然氣管網中餘壓時，經膨脹機膨脹後的天然氣含有大量的冷能，但是絕大部分都直接與空氣進行換熱，這部分冷能被浪費掉；

4)對於大部分的天然氣管道，流量不均勻，容易造成膨脹機進氣管道壓力的不穩定，導致發電的壓力和頻率不穩定，嚴重影響併網；

5)大部分的發電裝置都需要人工進行操作以及安裝施工等，增加了運行的風險。

因此，需要一種天然氣管網餘壓綜合發電系統，以至少部分地解決上述問題。

技術實現要素：

為至少部分地解決上述問題，本發明提供一種天然氣管網餘壓綜合發電系統，其特徵在於，所述天然氣管網餘壓綜合發電系統連接至天然氣管道，並與原有天然氣調壓裝置大體並聯布置，包括：

天然氣餘壓發電子系統，所述天然氣餘壓發電子系統利用高壓天然氣降壓所產生的壓力能進行發電；

天然氣餘冷發電子系統，所述天然氣餘冷發電子系統以經過所述天然氣餘壓發電子系統降壓之後的低溫天然氣為冷源，以常溫空氣為熱源進行發電；

潤滑油子系統，所述潤滑油子系統與所述天然氣餘壓發電子系統和所述天然氣餘冷發電子系統分別連接以提供潤滑作用；以及

監測調控子系統，所述監測調控子系統對所述天然氣管網餘壓綜合發電系統的運行狀態進行監測調整。

可選地，所述天然氣餘壓發電子系統和所述天然氣餘冷發電子系統的原動機為無油雙螺杆膨脹機。

可選地，所述天然氣餘壓發電子系統包括：

天然氣預處理裝置，所述天然氣預處理裝置的入口連接至高壓天然氣管道，所述天然氣預處理裝置的出口通過天然氣原管線調節閥連接至所述原有天然氣調壓裝置；

第一無油雙螺杆膨脹機，所述第一無油雙螺杆膨脹機的進氣口連接至所述天然氣預處理裝置的出口，所述第一無油雙螺杆膨脹機的出氣口連接至所述原有天然氣調壓裝置下遊的低壓天然氣管道；

動減速機，所述動減速機與所述第一無油雙螺杆膨脹機的轉子連接；以及

發電機，所述發電機與所述動減速機連接。

可選地，所述天然氣餘冷發電子系統包括：

第二無油雙螺杆膨脹機，所述第二無油雙螺杆膨脹機的轉子連接至所述發電機；

冷凝器，所述冷凝器的工質側的入口與所述第二無油雙螺杆膨脹機的出氣口連接，所述冷凝器的冷源側的進出口分別連接至所述第一無油雙螺杆膨脹機的出氣口與所述低壓天然氣管道之間的管道；

工質泵，所述工質泵的入口與所述冷凝器的工質側的出口連接；

蒸發器，所述蒸發器的工質側的入口與所述工質泵的出口連接，所述蒸發器的工質側的出口與所述第二無油雙螺杆膨脹機的進氣口連接，所述蒸發器以空氣作為熱源。

可選地，所述潤滑油子系統包括：

潤滑油箱，所述潤滑油箱用以收集來自所述天然氣餘壓發電子系統和所述天然氣餘冷發電子系統的高溫潤滑油；

油泵，所述油泵的入口與所述潤滑油箱的出口連接；

油過濾器，所述油過濾器的入口與所述油泵的出口連接；

換熱器，所述換熱器的潤滑油側的入口與所述油過濾器的出口連接；

油分配器，所述油分配器的入口與所述換熱器的潤滑油側的出口連接，所述油分配器用以將低溫的潤滑油分配至所述天然氣餘壓發電子系統和所述天然氣餘冷發電子系統的需要潤滑的部位。

可選地，所述監測調控子系統包括PLC控制櫃以及與所述PLC控制櫃通過信號線連接的監測裝置和流量調節裝置。可選地，所述PLC控制櫃起數據檢測與調控的作用。

可選地，所述天然氣餘冷發電子系統所採用的工質為低沸點工質，諸如R22、R134a、CO2、氨氣等。

可選地，所述冷凝器和所述換熱器為板式換熱器，所述蒸發器為一種高效肋片散熱器。

可選地，所述換熱器冷卻側的進口與出口分別連接至所述第一無油雙螺杆膨脹機出氣口與低壓天然氣管道之間的管道上，所述換熱器的冷源為經過所述天然氣餘壓發電子系統降壓之後的一部分低溫天然氣。

可選地，根據所需潤滑油的壓力，在所述油分配器的出口布置限流孔板。

可選地，在所述天然氣預處理裝置的出口與所述第一無油雙螺杆膨脹機的進氣口之間的管道上設置第一流量調節閥、流量計和第一壓力變送器，所述監測調控子系統根據所述第一壓力變送器的壓力信號的變化通過所述第一流量調節閥調節高壓天然氣的進氣量。

可選地，在所述換熱器的冷源側的入口與所述第一無油雙螺杆膨脹機的出氣口之間的管道上設置有第二流量調節閥，在所述油分配器上設置有第二壓力變送器和溫度變送器，所述監測調控子系統根據所述第二壓力變送器和所述溫度變送器的信號變化通過所述第二流量調節閥調節進入所述換熱器的低溫天然氣的進氣量。

可選地，在所述第一無油雙螺杆膨脹機和所述第二無油雙螺杆膨脹機的軸和機殼上分別布置振動傳感器，由所述監測調控子系統進行監測控制，當機殼振動值大於預定值時，立即聯鎖停機。

可選地，所述天然氣管網餘壓綜合發電系統做成整體撬裝式。

可選地，在所述撬裝內布置天然氣檢測傳感器，由所述監測調控子系統進行監測控制，當天然氣濃度大於預定值時，立即聯鎖停機。

根據本發明的天然氣管網餘壓綜合發電系統，發電機所採用的原動機為無油雙螺杆膨脹機，在運行過程中，潤滑油與天然氣不接觸，從而避免了天然氣被潤滑油汙染的問題，並且由於無油雙螺杆膨脹機本身的性質，可以忽略天然氣經過膨脹析出的冰塊對運行的影響。利用一部分膨脹降壓之後的低溫天然氣對潤滑油進行冷卻，有效的提高了潤滑油的品質，增強了潤滑效果，也對這部分冷能進行了有效地利用。增加了餘冷發電子系統，對天然氣經膨脹降壓產生的大量冷能進行了更充分地利用。通過採用PLC結合電磁閥、壓力變送器、洩漏探測器和密封機撬，能夠自動化實時監控發電裝置的運行狀態，在壓力超標、燃氣洩漏等狀況發生時能夠自行預警和聯鎖停機，具備了優越的安全性和穩定性。通過結構優化將整個裝置組裝成機撬，能夠方便運輸和安裝，安裝時直接將本裝置進出口並聯於原調壓管網即可運行，具有易於推廣應用的優點，還可以避免現場施工可能帶來的安全風險。

附圖說明

下列附圖在此作為本發明的一部分用於理解本發明。附圖中：

圖1為本發明所示的天然氣管網餘壓綜合發電系統的原理示意圖。

具體實施方式

在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本發明更為徹底的理解。然而，對於本領域技術人員來說顯而易見的是，本發明可以無需一個或多個這些細節而得以實施。在其它的例子中，為了避免與本發明發生混淆，對於本領域公知的一些技術特徵未進行描述。

針對上述的一系列問題，本發明提供了一種天然氣管網餘壓綜合發電系統，其包括天然氣餘壓發電子系統、天然氣餘冷發電子系統、潤滑油子系統和監測控制子系統。

本發明所示的天然氣管網餘壓綜合發電系統利用無油雙螺杆膨脹機作為原動機，作為工質的天然氣不和機組的潤滑油接觸，可以有效的減少潤滑油對天然氣的汙染。另外，在天然氣常溫膨脹時，由於溫度下降容易導致冰塊析出，冰塊的存在會嚴重影響應用透平膨脹機的系統的運行，但對於無油雙螺杆膨脹機的運行，沒有太大的影響。天然氣餘壓發電子系統利用高壓天然氣的壓力能膨脹做功進行發電。膨脹做功降壓以後的天然氣溫度降低，蘊含有大量的冷能，這些冷能的一小部分用來對潤滑油進行降溫，大部分作為天然氣餘冷發電子系統的冷源。本發明創新性地將天然氣管網中壓力能的膨脹發電與膨脹後的冷能利用結合起來，進一步地提高了能量利用效率。嵌入監測控制子系統，自動監控整個天然氣管網餘壓綜合發電系統的運行狀態，並根據運行狀態參數自動調節各個氣動閥的動作，達到最佳發電效果。當運行參數超過設定的聯鎖值時，監測控制子系統還可起到聯鎖保護功能，大大的提高了設備的安全可靠運行。同時，整個天然氣管網餘壓綜合發電系統可以做成一個整體的撬裝式結構，僅需要在撬裝結構外布置進氣管道和排氣管道以及天然氣洩漏報警裝置等即可，極大的減小了安裝和施工的難度，適用於各種天然氣餘壓利用場合。

下面結合附圖對本發明所示的天然氣管網餘壓綜合發電系統進行詳細介紹。

如圖1所示，原有天然氣調壓裝置90安裝在天然氣主管道上，調節閥91和92分別位於原有天然氣調壓裝置90兩側的高、低壓天然氣管道上，整個天然氣管網餘壓綜合發電系統與原有天然氣調壓裝置90大體呈並聯布置。天然氣管網餘壓綜合發電系統由天然氣餘壓發電子系統、天然氣餘冷發電子系統、潤滑油子系統和監測控制子系統四部分組成。

具體地，天然氣餘壓發電子系統包括天然氣預處理裝置10、第一無油雙螺杆膨脹機11、動減速機12和發電機13。其中，天然氣預處理裝置10布置在天然氣主管道上，其進口與高壓天然氣管道相連接，其出口分別與天然氣原管線的調節閥91和第一無油雙螺杆膨脹機11的進氣口相連接。第一無油雙螺杆膨脹機11的出氣口連接至天然氣原管線的調節閥92的下遊的低壓天然氣主管道上。第一無油雙螺杆膨脹機11的轉子與動減速機12連接，動減速機12連接至發電機13，從而實現第一無油雙螺杆膨脹機11在高壓天然氣的作用下帶動發電機13運轉發電。

天然氣餘冷發電子系統包括第二無油雙螺杆膨脹機20、冷凝器21、工質泵22和蒸發器23。其中，第二無油雙螺杆膨脹機20的轉子軸連接至發電機13，為發電機13提供動力。冷凝器21的冷源進出口連接至第一無油雙螺杆膨脹機11的出氣口與低壓天然氣主管道之間的天然氣管道上，以經過膨脹做功之後的低溫天然氣作為冷凝器21的冷源，蒸發器23的熱源為常溫空氣，這樣實現了冷能的回收利用，進一步提高了能量利用效率，同時，也可以對低溫天然氣進行加熱回溫，節省了專門的天然氣加熱的能源。天然氣餘冷發電子系統所採用的工質為低沸點工質，如R22、R134a、CO2、氨氣等。

潤滑油子系統包括潤滑油箱30，油泵31，油過濾器32，換熱器33和油分配器34。其中，潤滑油箱30用以收集來自天然氣餘壓發電子系統和所述天然氣餘冷發電子系統的高溫的潤滑油。高溫潤滑油由油泵31加壓輸送，經過油過濾器32的過濾，進入換熱器33進行降溫。換熱器33的所採用的冷源為經過天然氣餘壓發電子系統膨脹做功以後的一部分低溫天然氣，這樣在對潤滑油進行降溫以提供良好的潤滑效果，對部分冷能回收的同時還能對經過換熱器33的低溫天然氣進行一定程度的加熱回溫，起到節能的效果。經過換熱器33降溫的潤滑油進入油分配器34，將低溫的潤滑油分配至天然氣餘壓發電子系統和天然氣餘冷發電子系統的需要潤滑的部位，比如第一無油雙螺杆膨脹機11和第二無油雙螺杆膨脹機20的軸承和同步齒輪、動減速機12的軸承和齒輪以及發電機13的軸承。根據各部位所需潤滑油的壓力的不同，在油分配器34的各個出口分別布置有大小不一的限流孔板(未示出)以對潤滑油進行節流控制。

監測控制子系統包括PLC控制櫃和一系列的監測裝置和流量調節裝置，PLC控制櫃通過信號線連接至檢測裝置和流量調節裝置。在天然氣預處理裝置10的出口與第一無油雙螺杆膨脹機11的進氣口之間的管道上，布置有第一流量調節閥41、流量計42、第一壓力變送器43和截止閥44，在系統運行過程中，PLC控制櫃40通過流量計42和第一壓力變送器43的信號來監測系統的運行狀態，當流量和壓力出現波動的時候，PLC控制櫃調節第一流量調節閥41的開度大小對天然氣的流量和壓力進行調節，保證系統的穩定運行。當系統出現異常時，控制截止閥44切斷天然氣，保證系統的安全。在油分配器34上布置有溫度變送器45和第二壓力變送器46，對降溫後的潤滑油的溫度和壓力進行檢測，同時在第一無油雙螺杆膨脹機11的出氣口和換熱器33之間的天然氣管道上設置有第二流量調節閥47，在第一無油雙螺杆膨脹機11的出氣口和冷凝器21之間的天然氣管道上設置有第三流量調節閥48。當監測到油分配器34內的潤滑油的溫度過低或過高時，PLC控制櫃40通過控制第二流量調節閥47和第三流量調節閥48的開度以減小或增加經過換熱器33的低溫天然氣的流量，從而使潤滑油的溫度處於最佳狀態以提供最佳的潤滑效果。從安全角度考慮，在第一無油雙螺杆膨脹機11和第二無油雙螺杆膨脹機20的軸和機殼上分別布置振動傳感器(未示出)，在撬裝內布置天然氣檢測傳感器(未示出)，由PLC控制櫃40進行自監測控制，當監測到機殼振動值大於某個預定的值，比如11.2mm/s時或者監測到天然氣濃度大於某個預定的值，比如25％時，PLC控制櫃40立即控制天然氣管網餘壓綜合發電系統聯鎖停機，防止安全事故發生。此外，在冷凝器21的出口和低壓天然氣主管道之間的管道上布置有第四流量調節閥49和第三壓力變送器50，通過信號線連接至PLC控制櫃40，以增加系統控制的冗餘度。

本發明所示的天然氣管網餘壓綜合發電系統的工作原理如下：

高壓天然氣主管道內的高壓天然氣經過天然氣預處理裝置10預處理之後，經過第一流量調節閥41、流量計42和截止閥44進入第一無油雙螺杆膨脹機11，同時PLC控制櫃40監測高壓天然氣的壓力信號。高壓天然氣在第一無油雙螺杆膨脹機11內膨脹做功推動轉子轉動，同時天然氣降壓降溫。第一無油雙螺杆膨脹機11的轉子的轉動通過動減速機12傳遞給發電機13進行發電，從而使高壓天然氣的壓力能轉變為電能。PLC控制櫃40通過接收到的壓力信號調節第一流量調節閥41的開度，也即調節第一無油雙螺杆膨脹機11的進氣量，保證系統穩定運行。

經過天然氣餘壓發電子系統做功並降溫降壓的天然氣的一小部分進入潤滑油子系統的換熱器33內，與高溫潤滑油進行換熱，在給潤滑油降溫以提高潤滑效果的同時，也給這一部分天然氣進行回溫加熱。此時，PLC控制櫃40根據安裝在油分配器34上的溫度變送器45和第二壓力變送器46所傳遞的低溫潤滑油的溫度和壓力信號來控制第二流量調節閥47和第三流量調節閥48的開度，也即調節換熱器33的進氣量，使潤滑油降溫之後能夠達到最佳潤滑效果所要求的溫度。

小部分與潤滑油換熱的低溫天然氣排出換熱器33後與其餘的低溫天然氣混合，進入冷凝器21內，作為冷源，對天然氣餘冷發電子系統的工質進行冷凝，實現冷能的利用，同時也對低溫天然氣進行回溫加熱。工質在冷凝器21內被低溫天然氣冷凝為液態，由工質泵22輸送至蒸發器23，以常溫空氣作為熱源進行蒸發變為氣態，氣態工質進入第二無油雙螺杆膨脹機20內做功推動轉子轉動。轉子的轉動再傳遞給發電機13進行發電。做功之後的氣態工質重新進入冷凝器21被低溫天然氣冷凝，形成循環。與天然氣餘冷發電子系統的工質換熱之後的低溫天然氣溫度得到一定程度的回升，從冷凝器21排出後，經過第三壓力變送器50和第四流量調節閥49進入低壓天然氣主管道，從而完成整個天然氣餘壓綜合利用發電的過程。

下面結合具體實例對本發明所示的天然氣管網餘壓綜合發電系統的工作過程做進一步描述。

經過第一無油雙螺杆膨脹機11之後的氣體狀態以及發電量如表1所示：

表1經過第一無油雙螺杆膨脹機11後的天然氣狀態及發電量

經潤滑油子系統之後的氣體冷能利用量：

假設採用的潤滑油為32號潤滑油，第一無油雙螺杆膨脹機11和第二無油雙螺杆膨脹機20的軸承和同步齒輪、動減速機12的軸承和齒輪以及發電機13的軸承等產生的熱能全部被潤滑油帶走，按照機械損耗為10％計算，不同狀態下的機械損耗熱量如表2所示：

表2機械損耗熱量

假設潤滑油的進油溫度為40℃，出換熱器33時，潤滑油的溫度為常溫20℃，忽略換熱器33對周圍環境的換熱損失，根據能量平衡，潤滑油的散熱量等於低溫天然氣所吸收的熱量，即：

Q＝mccp,c(Tc,i-Tc,o)＝mhcp,h(Th,i-Th,o)

其中：mc，mh——分別表示天然氣、潤滑油的流量，kg/s

cp，c，cp，h——分別表示天然氣、潤滑油的定壓比熱，J/(kg·℃)

Tc，i,Tc,o——表示天然氣的進出口溫度，℃

Th，i,Th,o——表示潤滑油的進出口溫度，℃

根據以上公式，按照潤滑油的質量流量為2.88kg/s計算(潤滑油量的大小要按實際工況具體核算)，潤滑油的定壓比熱為1871J/(kg·℃)，天然氣與潤滑油子系統的換熱量如表3所示：

表3低溫天然氣與潤滑油子系統換熱量

進一步的，按照天然氣的排氣溫度核算利用天然氣餘冷的發電量，按照環境溫度為20℃計算。在天然氣餘冷發電子系統中，工質可以選擇R134a、R22、CO2或氨氣等，本實例中採用的製冷劑為R134a，按發電效率為20％計算，所得發電量如表4所示：

表4天然氣餘冷發電子系統發電量

因此，總的發電量即如表5所示：

表5天然氣管網餘壓綜合發電系統總發電量

本發明已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用於舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制於所描述的實施例範圍內。本領域技術人員可以理解的是，根據本發明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發明所要求保護的範圍以內。本發明的保護範圍由附屬的權利要求書及其等效範圍所界定。