專利名稱：一種利用管網(wǎng)天然氣壓力能發(fā)電與制冰的方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及天然氣壓力能利用領域，具體涉及利用高壓管網(wǎng)高壓天然氣的壓力能的方法與裝置，該工藝不僅節(jié)約了加熱調(diào)壓后低溫天然氣所用的燃料，大大降低天然氣調(diào)壓門站的運營成本；又獲得了電力，同時亦可生產(chǎn)大量的工業(yè)用或食品用冰。
背景技術：
隨著我國西氣東輸、川氣東送、廣東LNG試點工程的建成供氣，以及沿海其它大型LNG站線項目的規(guī)劃建設，我國將在2015年前建成“兩橫兩縱”的天然氣輸氣管道，天然氣產(chǎn)業(yè)將在我國得到快速發(fā)展。天然氣長輸管道一般都采用高壓輸送方式，我國“西氣東輸” 一線管道壓力為lOMPa，二線為12MPa。天然氣利用時，上游的天然氣通過高壓管網(wǎng)輸送到城市燃氣或大型用戶。高壓天然氣需根據(jù)用戶的供氣壓力要求進行調(diào)壓，在各地的天然氣接收門站或調(diào)壓站調(diào)壓至供氣壓力后進入城市燃氣管網(wǎng)供下游用戶使用。調(diào)壓過程中大量壓力能被白白浪費掉。如天然氣壓力從4. OMPa降至0. 4MPa過程中可回收的最大壓力火用為322. 76kJ/kg。以日處理50萬立方米的門站為例，壓力從4. OMPa降至0. 4MPa,導致的壓力能損失每天天大約有56萬兆焦。因此，回收利用該部分壓力能既可以產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益，亦可以消除天然氣調(diào)壓過程中的噪音和設備損傷隱患，具有重要的現(xiàn)實意義。目前回收天然氣管網(wǎng)壓力能的方式主要分為發(fā)電和制冷兩大類。美國專利US20090272115 Al公開了一種利用膨脹機輸出機械功驅(qū)動同軸發(fā)電機發(fā)電，但該專利未涉及低溫天然氣冷能的利用。我國專利CN 101245956A公開了一種利用天然氣壓力能制冷的普適性方法，但該方法未涉及發(fā)電，同時該專利所提方法較為理論化，僅為一種壓力能應用的原則性方法，工業(yè)實際應用受到較大限制。CN 101852529 A公開了一種利用天然氣管網(wǎng)壓力能高效利用的方法及裝置，該方法涉及了一種壓力能制冷用于冷庫和冷水空調(diào)工藝，但該技術未涉及壓力能發(fā)電過程。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述工藝技術的缺點，同時充分的利用高壓天然氣的壓力能，本發(fā)明提供了一種利用高壓管網(wǎng)高壓天然氣壓力能發(fā)電-制冰工藝，該工藝可根據(jù)調(diào)壓門站辦公樓和職工生活用電的比例，靈活調(diào)節(jié)此工藝的制冰量，亦可根據(jù)工業(yè)用冰或食品用冰的實際市場情況靈活調(diào)節(jié)此工藝的制冰量。因此，該工藝克服了現(xiàn)有工藝技術工業(yè)應用受限的局限，為邊遠地區(qū)調(diào)壓門站的高壓天然氣的壓力能利用提供了一個良好的選擇。本發(fā)明目的通過以下技術方案來實現(xiàn)
一種利用管網(wǎng)天然氣壓力能發(fā)電與制冰的方法，包括以下步驟
(1)高壓天然氣經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流、膨脹機膨脹產(chǎn)生電力，膨脹后的天然氣溫度降低至-60°c -200C ；
(2)膨脹后的天然氣與第一換熱器4中的制冷劑換熱；天然氣再與第二換熱器5的制冷劑換熱，換熱后的天然氣溫度升高至2 10°C后，并入城市燃氣管網(wǎng)；
(3)第二換熱器5中換熱后的制冷劑一股送入第一換熱器的制冷劑通道，另一股經(jīng)過壓縮機壓縮、循環(huán)冷卻水冷卻和節(jié)流膨脹，再與第一換熱器4中換熱后的制冷劑一起送至制冰機11制冰，制冰后的制冷劑被送入新鮮水預冷器12預冷制冰用的水，制冷劑溫度升高，被送至第二換熱器5循環(huán)使用。所述膨脹機優(yōu)選透平膨脹機。所述第一換熱器4的制冷劑換熱后的溫度為-15 -30°C。步驟(1)所述膨脹后的天然氣壓力為0. 4MPa 4. OMPa ；步驟(1)所述高壓天然氣的壓力為4. 0 8. OMPa。步驟(3)所述制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮后的壓力為0. 9MPa 2. 5MPa。步驟(3)所述制冷劑經(jīng)循環(huán)冷卻水冷卻和節(jié)流膨脹溫度降低至-15 -30°C。所述制冷劑選自RllMa、R404a、R22、CO2或NH3的一種以上。進入所述第二換熱器5的制冷劑的溫度為5 15°C。本發(fā)明的另一目的在于提供一種實現(xiàn)所述方法的裝置，包括依次與高壓管網(wǎng)天然氣管道相連的第一節(jié)流閥1和膨脹機2，還包括第一換熱器4、第二換熱器5、第三換熱器8、第一壓縮機6、第二壓縮機7、第二節(jié)流閥10、制冰機11和新鮮水預冷器12 ；所述膨脹機2的出口依次與第一換熱器4和第二換熱器5的天然氣通道連接，第二換熱器5的天然氣通道出口再連接到城市燃氣管網(wǎng)；第二換熱器5的制冷劑出口連接兩條支路，一條依次與第一壓縮機6、第二壓縮機7、第三換熱器8的制冷劑通道、第二節(jié)流閥10和制冰機11的制冷劑進口相連，另一條連接第一換熱器4的制冷劑進口，第一換熱器4的制冷劑出口通過管道連接到制冰機的制冷劑進口，制冰機的制冷劑出口與新鮮水預冷器的制冷劑進口相連，新鮮水預冷器的制冷劑出口連接到第二換熱器5的制冷劑進口構成制冷劑的循環(huán)；制冰機11的新鮮水進口連接新鮮水預冷器12的出水口，新鮮水預冷器12的進水口與水管相連。所述第三換熱器8的冷卻水通道通循環(huán)冷卻水。本工藝制冰未使用外輸電力，制冰成本低，具有較強的市場競爭力。同時，本方法技術成熟，設備均可國產(chǎn)化，自控程度高，具有良好的工業(yè)推廣應用前景。本工藝包含2個主要單元(1)高壓天然氣發(fā)電制冷單元；(2)制冰機制冰單元。高壓天然氣發(fā)電制冷單元的工藝過程如下4. 0 8. OMPa的高壓天然氣經(jīng)透平膨脹機膨脹至0. 4MPa 4. OMPa，膨脹后的天然氣溫度降低至_60°C -200C ；低溫天然氣與制冷劑(R13^、R404a、R22或其混合物和C02、NH3)換熱后，低溫天然氣的溫度上升至2 10°C后，并入城市燃氣管網(wǎng)。制冰機制冰單元的工藝過程如下0. 16MPa 0. 4MPa、5°C 15°C的制冷劑(RlMa、R404a、R22或其混合物和C02、NH3)進入第二換熱器換熱，換熱后經(jīng)分流器分為2股；一股與膨脹后的低溫天然氣換冷，制冷劑全部冷凝，冷凝后的制冷劑溫度為-15 _30°C ；冷凝后的制冷劑經(jīng)泵提升至指定壓力后，輸送至制冰機制冰；另一股制冷劑(R13^、R404a、R22或其混合物和C02、NH3)經(jīng)制冰系統(tǒng)的壓縮機壓縮至0. 9MPa 2. 5MPa，壓縮后的制冷劑經(jīng)循環(huán)冷卻水冷卻至25°C 35°C后，節(jié)流膨脹至0. 16MPa 0. 4MPa，溫度降低至-15 _30°C后，輸送至制冰機制冰；制冰后的全部制冷劑預冷制冰用的新鮮水后，制冷劑的溫度上升至5 15°C，完成制冷劑循環(huán)。


圖1管網(wǎng)天然氣壓力能發(fā)電-制冰工藝流程圖，
其中，膨脹機2 ；第一壓縮機6 ；第二壓縮機7 ；第一換熱器4 ；第二換熱器5 ；第三換熱器8 ；泵(3、9)；第一節(jié)流閥1 ；第二節(jié)流閥10 ；制冰機11 ；新鮮水預冷器12。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和工藝流程圖(見圖1)做進一步說明。實施例1
管網(wǎng)天然氣壓力能發(fā)電與制冰的裝置，包括依次與高壓管網(wǎng)天然氣管道相連的第一節(jié)流閥1和膨脹機2，還包括第一換熱器4、第二換熱器5、第三換熱器8、第一壓縮機6、第二壓縮機7、第二節(jié)流閥10、制冰機11和新鮮水預冷器12 ；所述膨脹機2的出口依次與第一換熱器4和第二換熱器5的天然氣通道連接，第二換熱器5的天然氣通道出口再連接到城市燃氣管網(wǎng)；第二換熱器5的制冷劑出口連接兩條支路，一條依次與第一壓縮機6、第二壓縮機7、第三換熱器8的制冷劑通道、第二節(jié)流閥10和制冰機11的制冷劑進口相連，另一條連接第一換熱器4的制冷劑進口，第一換熱器4的制冷劑出口通過管道連接到制冰機的制冷劑進口，制冰機的制冷劑出口與新鮮水預冷器的制冷劑進口相連，新鮮水預冷器的制冷劑出口連接到第二換熱器5的制冷劑進口構成制冷劑的循環(huán)；制冰機11的新鮮水進口連接新鮮水預冷器12的出水口，新鮮水預冷器12的進水口與水管相連。以14°C，4. OMPa, 1. 5 X IO4NmVh的天然氣為例，天然氣的組成見表1。調(diào)壓后的天然氣壓力為1.6MPa。方案中制冰機所用的制冷劑為R404a。以下計算以每小時流量計。一種利用管網(wǎng)天然氣壓力能發(fā)電與制冰的方法25°C，6.0MPa，11517Jkg/h的高壓管網(wǎng)天然氣經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流至4. OMPa，溫度降低至14°C ；14°C，4. OMPa的天然氣經(jīng)透平膨脹機膨脹至1. 65MPa，天然氣的溫度降低至-33°C;-33°C的低溫天然氣與第一換熱器中的制冷劑R4(Ma換熱，天然氣的溫度升高至-16°C ；_16°C的天然氣再次預冷第二換熱器中15°C的制冷劑R404a，溫度升高至5°C后，并入城市次高壓燃氣管網(wǎng)。15°C，1. 4bar, 11300 kg/h的制冷劑R4(Ma經(jīng)_16°C的低溫天然氣預冷至_12°C后分為2300kg/h和9000kg/h2股；2300kg/h，_12°C的R4(Ma進入第一換熱器與_33°C的低溫天然氣換熱，制冷劑R4(Ma溫度降低至_17°C后，全部冷凝為液體；3. 5bar, _17°C的低溫制冷劑R4(Ma經(jīng)泵提升至3. 75bar后，輸送至制冰機制冰；另一股9000kg/h，-12 °C的R404a經(jīng)第一壓縮機壓縮至7bar后，溫度升高至16 °C ； 16°C的R4(Ma經(jīng)第二壓縮機進一步壓縮至Mbar，溫度升高至51°C，經(jīng)第三換熱器冷卻至30°C后，節(jié)流膨脹至3. 7bar，溫度降低至-15°C，進入制冰機制冰；制冰后的制冷劑R4(Ma在新鮮水預冷器中預冷制冰用的水后，溫度升高至15°C，完成制冷劑循環(huán)。250C，lbar, 45000kg/h的循環(huán)水經(jīng)泵升壓至3bar后，在第三換熱器中冷卻51°C的制冷劑R404a，循環(huán)水溫度升高至36°C。在此工藝中，高壓天然氣透平膨脹機的發(fā)電量約為200kW，其中制冰機單元的用電量為107kW，其余部分供調(diào)壓門站辦公樓和職工生活用電；此工藝的制冰量為3. 3t/h，約80. Ot/h。經(jīng)過計算，上述實施例管網(wǎng)天然氣壓力能發(fā)電與制冰方法的計算結(jié)果見表2。表1 LNG 組成
權利要求
1.一種利用管網(wǎng)天然氣壓力能發(fā)電與制冰的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)高壓天然氣經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流、膨脹機膨脹產(chǎn)生電力，膨脹后的天然氣溫度降低至-60°c -200C ；(2)膨脹后的天然氣與第一換熱器(4)中的制冷劑換熱；天然氣再與第二換熱器(5)的制冷劑換熱，換熱后的天然氣溫度升高至2 10°C后，并入城市燃氣管網(wǎng)；(3)第二換熱器(5)中換熱后的制冷劑一股送入第一換熱器的制冷劑通道，另一股經(jīng)過壓縮機壓縮、循環(huán)冷卻水冷卻和節(jié)流膨脹，再與第一換熱器(4)中換熱后的制冷劑一起送至制冰機(11)制冰，制冰后的制冷劑被送入新鮮水預冷器(12)預冷制冰用的水，制冷劑溫度升高，被送至第二換熱器(5 )循環(huán)使用。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述膨脹機為透平膨脹機。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一換熱器(4)的制冷劑換熱后的溫度為-15 -30°C。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其特征在于，步驟(1)所述膨脹后的天然氣壓力為0. 4MPa 4. OMPa ；步驟(1)所述高壓天然氣的壓力為4. 0 8. OMPa0
5.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(3)所述制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮后的壓力為 0. 9MPa 2. 5MPa。
6.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，步驟(3)所述制冷劑經(jīng)循環(huán)冷卻水冷卻和節(jié)流膨脹溫度降低至-15 -30°C。
7.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，所述制冷劑選自R134a、R404a、R22、CO2或NH3的一種以上。
8.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，進入所述第二換熱器(5)的制冷劑的溫度為5 15°C。
9.一種實現(xiàn)權利要求1所述方法的裝置，包括依次與高壓管網(wǎng)天然氣管道相連的第一節(jié)流閥(1)和膨脹機(2)，其特征在于，還包括第一換熱器(4)、第二換熱器(5)、第三換熱器(8)、第一壓縮機(6)、第二壓縮機(7)、第二節(jié)流閥(10)、制冰機(11)和新鮮水預冷器(12);所述膨脹機(2 )的出口依次與第一換熱器(4 )和第二換熱器(5 )的天然氣通道連接，第二換熱器(5)的天然氣通道出口再連接到城市燃氣管網(wǎng)；第二換熱器(5)的制冷劑出口連接兩條支路，一條依次與第一壓縮機(6)、第二壓縮機(7)、第三換熱器(8)的制冷劑通道、第二節(jié)流閥(10)和制冰機(11)的制冷劑進口相連，另一條連接第一換熱器(4)的制冷劑進口，第一換熱器(4)的制冷劑出口通過管道連接到制冰機的制冷劑進口，制冰機的制冷劑出口與新鮮水預冷器的制冷劑進口相連，新鮮水預冷器的制冷劑出口連接到第二換熱器(5)的制冷劑進口構成制冷劑的循環(huán)；制冰機(11)的新鮮水進口連接新鮮水預冷器(12)的出水口，新鮮水預冷器(12)的進水口與水管相連。
10.根據(jù)權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述第三換熱器(8)的冷卻水通道通循環(huán)冷卻水。
全文摘要
本發(fā)明一種利用管網(wǎng)天然氣壓力能發(fā)電與制冰的方法與裝置，包括以下步驟(1)高壓天然氣經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流、膨脹機膨脹產(chǎn)生電力，(2)膨脹后的天然氣與第一換熱器4中的制冷劑換熱；天然氣再與第二換熱器5的制冷劑換熱，換熱后的天然氣溫度升高至2～10℃后，并入城市燃氣管網(wǎng)；(3)第二換熱器5中換熱后的制冷劑一股送入第一換熱器的制冷劑通道，另一股經(jīng)過壓縮機壓縮、循環(huán)冷卻水冷卻和節(jié)流膨脹，再與第一換熱器4中換熱后的制冷劑一起送至制冰機11制冰。本發(fā)明方法既節(jié)約了加熱調(diào)壓后低溫天然氣所用的燃料，大大降低天然氣調(diào)壓門站的運營成本；又獲得了電力，同時亦可生產(chǎn)大量的工業(yè)用或食品用冰。
文檔編號F25C1/00GK102563958SQ20111041269
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月13日 優(yōu)先權日2011年12月13日
發(fā)明者劉建輝, 安成名, 徐文東, 樊栓獅, 沈紅萍, 邊海軍, 陸涵, 陳秋雄, 陳運文 申請人:華南理工大學, 深圳市燃氣集團股份有限公司