專利名稱：：利用天然氣壓力能的方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及制冷系統(tǒng)
技術領域：
，尤其涉及回收天然氣壓力能轉換成冷能并加以利用的
技術領域：
。技術背景能源短缺日益加劇，人們提出了節(jié)能減排的要求。利用流失排放的壓力能制取冷能，代替電制冷無疑是符合這一要求的技術。我國現(xiàn)今的一項基本國策就是節(jié)能，余熱、余壓利用工程則被列入"十一五"期間我國重點推進的十項節(jié)能工程之一。高壓天然氣的壓力能回收利用屬于余壓利用范疇，具有顯著的節(jié)能效果，但目前尚未引起足夠重視。天然氣長輸管道一般都采用高壓輸送方式。國外天然氣輸氣管道壓力高達12MPa以上，比如，穿越西西里海峽的阿一意輸氣管道的最大工作壓力為15MPa。我國也不例外，"西氣東輸"一線輸氣管道壓力為10MPa，二線則為12MPa，這其中蘊藏著大量的壓力能。如此高壓力的天然氣送到各地接收門站，一般都需根據(jù)用戶要求在天然氣調壓站進行降壓。對于城市燃氣管網(wǎng)，一般降至中壓范圍，壓比高達10以上?，F(xiàn)今的現(xiàn)實情況是，面對如此高壓比的天然氣壓力差，巨大的壓力能卻沒能被有效利用，白白浪費掉不說，相反，降壓過程中還產生大量的噪音，而且由于急劇降溫，對管道及調壓設備運行造成威脅甚至損害。可見，回收利用該部分壓力能可以產生顯著的經(jīng)濟效益，同時還可消除降壓過程中的噪音和設備損傷隱患，具有重要的現(xiàn)實意義。，用來表述天然氣可用壓力能大小。壓力為4.0MPa的天然氣所具有的壓力火用為480kJ/kg。以某公司4.0億m"年的輸氣規(guī)模，天然氣所具有的壓力火用總計為1.53xl0UkJ/年。當壓力為R的高壓天然氣在調壓站降壓至P2壓力時，可回收的最大壓力娟e,.p'為<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>ln且式中T。、R為常數(shù)，可見壓力鄉(xiāng)與A成正比，即和P,/P2的比值(壓比)直接相關。輸送壓力為4.0MPa、輸送量為5.0萬mVh的高壓天然氣，降壓至0.4MPa時，可回收的最大壓力働186kJ/kg，總計為2.7X10、J/年，節(jié)電效益高達2600萬元。由此可見，將這一部分壓力收利用，能創(chuàng)造出較大的經(jīng)濟效益?；厥仗烊粴鈮毫δ艿姆椒ㄓ幸恍；厥盏奶烊粴鈮毫δ軐⒕哂袕V泛的用途。比如，可用于1天然氣壓力能膨脹發(fā)電利用高壓天然氣壓力能發(fā)電就是利用高壓天然氣降壓時體積膨脹產生的能量來驅動發(fā)電機發(fā)電。高壓氣體在降壓過程中體積膨脹，產生相當大的能量，如果降壓過程在透平膨脹機中進行，就可以對外做軸功，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。一個50萬m"日規(guī)模的調壓站，高壓天然氣由4.0MPa降為0.4MPa時，發(fā)電能力可達到500kw左右。日本東京電力公司建有一座利用天然氣壓力差發(fā)電、能力為7700kw的電站，這是世界上少有的幾座利用天然氣壓力能發(fā)電的電站，我國目前還沒有此類電站。2天然氣壓力能液化自身重質組分天然氣在降壓過程中，利用自身的壓力能制冷，使天然氣降溫從而將自身的一部分重質組分(比如C2、C3等)液化下來。用此生產工藝可以實現(xiàn)對熱值相對較高的氣相天然氣熱值進行調控(降低熱值)，使之與管輸天然氣熱值及燃燒特性相匹配。由于是利用高壓天然氣自身的"與生俱來"的壓力能制冷生產液相C2、C3等，因而產品成本特別低。按典型流程計算，進口壓力為4.0MPa、流量為6.5萬m3/h的高壓天然氣降壓到0.3MPa，能夠獲得液態(tài)重烴8.8t/h，流程的總液化率為18%左右。3把壓力能轉換成冷能作進一步的應用。高壓天然氣可通過透平膨脹機、渦流管和氣波制冷機等設備來予以實現(xiàn)壓力能轉換成冷能。這幾種技術利用壓力能的方式和原理各不相同，但都是利用高壓天然氣膨脹后溫度降低而得到低溫冷能。但未見這些冷能充分利用的實例?？梢酝茰y，把天然氣的壓力能充分利用起來將會是筆具大的能源財富。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于彌補現(xiàn)有技術的不足，提供一種回收天然氣壓力能轉換成冷能加以利用的方法。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了以下技術方案一種利用天然氣壓力能的方法，其特征在于包括以下步驟(1)高壓管網(wǎng)中的天然氣通過無動力制冷機降壓降溫得到低溫天然氣；(2)低溫天然氣通過換熱器與從常溫罐輸送來的常溫冷媒換熱；(3)經(jīng)降溫的低溫冷媒進入冷媒儲罐備用，升溫后的常溫天然氣進入管網(wǎng)。(4)低溫冷媒從冷媒儲罐中輸送至冷能用戶。具體地來說，步驟(1)中的無動力制冷機為波氣波制冷機。步驟(2)中的換熱器為板翅式換熱器。經(jīng)步驟(2)換熱后，冷媒的溫度降至-40~-IO(TC。本發(fā)明涉及一種利用天然氣管網(wǎng)壓力能轉換成冷能并加以高效利用的工藝技術。工藝流程主要包括無動力膨脹制冷、高效換熱、冷媒循環(huán)與利用環(huán)節(jié)。通過這幾個技術環(huán)節(jié)的有機結合，能夠擴展天然氣壓力能利用過程的操作彈性和應用范圍，達到高效利用的目的。具體地來說1.采用無動力制冷機代替節(jié)流膨脹閥，避免壓力能的損失，并將此部分能量轉化為冷能，同時避免了透平膨脹機初始投資高、運行結構復雜和可靠性低的缺點。2.采用板翅換熱器設計多股道板翅式緊湊形換熱器，換熱面積大，與常用的管式及板式換熱器相比，更適合于地方狹小的各種天然氣調壓站。3.將冷能利用技術與冷能用戶按照不同溫位需求進行結合，根據(jù)調壓站現(xiàn)場情況，采用經(jīng)濟可行的冷能終端利用技術。本發(fā)明整體工藝技術方便、實用、高效，花費少量投資在調壓站回收高壓天然氣減壓過程中自身的壓力能，以較低的運行成本將壓力能轉換成冷能，通過冷媒供調壓站周邊的冷庫、冷水空調、廢舊橡膠深冷粉碎等冷量用戶使用，或制成冰塊、干冰產品外運銷售等，從而取得巨大經(jīng)濟效益，提高能源利用效率，同時消除常規(guī)調壓過程中設備急冷產生的安全隱患。圖1是本發(fā)明高壓天然氣經(jīng)制冷機膨脹制冷并用于不同溫位冷能用戶的工藝流程圖圖2是本發(fā)明天然氣壓力能制冷用于干冰生產工藝流程；圖3是本發(fā)明壓力能制冷用于冷凍庫工藝流程；圖4是本發(fā)明壓力能制冷用于冷水空調工藝流程。101-無動力制冷機，102、103、104-換熱設備，201-截止閥，202-天然氣預冷器，203-無動力制冷機，204-0)2深冷器，205-截止閥，206-氣態(tài)C02截止閥，207-干冰機，208-干冰保溫箱，209-液態(tài)0)2儲罐，210-液態(tài)0)2分離器，211-液態(tài)C02加壓泵，212-液態(tài)C02截止閥，213-瓶裝液態(tài)002，301-預冷器，302-氨蒸發(fā)器，303-膨脹設備，305-氨壓縮機，306-氨冷卻器，308-分離器，309-液氨冷卻器，310-低溫冷庫，311-鼓風機，312-循環(huán)空氣冷卻器，313-液氨泵，401-截止閥，'402-天然氣預冷器，403-制冷機，404-二級換冷器，405-截止閥，406-熱水泵，407-熱水箱，408-冷水箱，409-冷水泵，410-空調換熱器具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例l如圖1所示是一種利用無動力制冷機將天然氣壓力能轉換成冷能并用于不同溫位冷能用戶的工藝流程高壓的天然氣(壓力約為4.05.0MPa)、溫度約為15'C，通過無動力制冷機101膨脹降壓至0.5MPa，溫度降低至-49.3°C-58.7'C，成為低溫天然氣。為了回收天然氣的冷能用于-30。C冷庫制冷，冷庫的載冷劑(如R22，R410A、氨等)在E413設備102中同低溫天然氣換熱，載冷劑吸收冷能而液化，再經(jīng)載冷劑泵輸送到冷庫中蒸發(fā)釋放出冷能。為了充分利用低溫天然氣的冷能，依次將兩個不同蒸發(fā)溫度的冷庫(如-30'C冷庫和-15'C冷庫)載冷劑與天然氣換熱而液化，天然氣被換熱器103加熱至約-16.3'C，再通過換熱器104與乙二醇水溶液換熱，為調壓站及周邊的建筑物的空調系統(tǒng)提供冷能，實現(xiàn)冷能的集成、梯級利用，天然氣則被加熱至5'C以上進入城市中壓燃氣管網(wǎng)。本例中的無動力制冷機101采用氣波制冷機。氣波制冷機是利用氣體的壓力能產生激波和膨脹波使氣體制冷的一種制冷設備，又稱壓力波制冷機或熱分離機。它在制冷工藝中的作用與透平膨脹機、節(jié)流閥一樣，是一種氣體制冷機。它的熱力過程與膨脹機相似，靠氣體的等熵膨脹過程獲得低溫。其主要特點如下①制冷效率高。在實驗室研究中已經(jīng)達到90%,工業(yè)應用中達到了75%;②節(jié)能效果明顯。結構可為自旋式，不耗電、水、儀表風，不需外部動力驅動；③價格便宜，設備投資低；④制冷部分無運動部件，且具有較強的兩相流侵蝕的能力，對氣體在機器內發(fā)生的液化現(xiàn)象不敏感，允許帶液率最高達50%，適用于在氣體冷卻過程中會出現(xiàn)氣液兩相流的工況；對進口高壓氣體的組成、流量、壓力及膨脹比的變化有較強的適應性，特性曲線平坦，允許操作工況范圍大，適用的膨脹比范圍廣。適用天然氣制冷的技術條件為進氣壓力范圍為0.630.0MPa，流量范圍為1.040.0X10V/d，膨脹比范圍為27。由此可知，氣波制冷機的技術特征比較符合天然氣調壓站的特點，它在天然氣負荷大范圍波動時能夠像普通節(jié)流閥一樣調節(jié)而不影響制冷性能，且初始投資少，運行可靠性較高。是一種較有前景的回收天然氣壓力能技術。本例中的換熱器采用板翅式換熱器。實施例2'(天然氣壓力能制冷用于干冰生產)干冰是二氧化碳氣體經(jīng)壓縮、提純、液化、減壓得到的一種固態(tài)物質。傳統(tǒng)的工藝是將二氧化碳氣體壓縮至2.53.OMPa,再利用制冷設備冷卻和液化。而利用天然氣膨脹制冷的冷能，則很容易獲得冷卻和液化二氧化碳所需要的低溫，從而將液化裝置的工作壓力降至0.9MPa左右。與傳統(tǒng)工藝相比，制冷設備的負荷大為減少，電耗也大幅降低。以廣州市田心天然氣調壓站為例。調壓站接收天然氣來氣壓力為3.65.2MPa，氣源為澳大利亞進口LNG，最大流量為5.0萬m7h。因為用戶的不均勻性，流量存在一定的不穩(wěn)定性，要求出站壓力為0.4MPa，且基本恒定，送入城市統(tǒng)一中壓燃氣管網(wǎng)供用戶使用。天然氣壓力能制冷用于干冰生產的工藝流程圖如圖2。高壓管網(wǎng)中4.0左右MPa的天然氣通過調節(jié)閥201進入預冷器202再進入膨脹制冷設備203降壓至0.4MPa左右，氣體溫度降低為一9(TC。低溫天然氣進入002深冷器204與0.25MPa、-20'C的二氧化碳換冷，使其降溫至-78°C,進入液態(tài)C02分離器210由加壓泵211輸入液態(tài)二氧化碳儲槽209，等待進入干冰機207制備干冰，制得的干冰由干冰保溫箱208保存產品。初步模擬計算顯示:一個50萬ra3/日規(guī)模的上述調壓站，在溫位-80'C利用壓力能產生的冷能為0.17MJ，相當于節(jié)省1.49X107度/年的電力，節(jié)電效益約為1042萬元/年。實施例3(天然氣壓力能制冷用于冷庫生產)冷凍庫溫度通常在-20°C-30'C左右；冷藏庫用于把不同溫度的冷卻食品和凍結食品在不同溫度的冷藏間和凍結間內作短期或是長期的儲存。基本上都是采用多級電壓縮制冷裝置維持冷庫的低溫。用回收高壓天然氣的廉價冷能代替電力制冷作為冷庫的冷源，可以減少壓縮制冷系統(tǒng)的投資，產生較大經(jīng)濟效益。高壓的天然氣(壓力約為5.OMPa)進入一級預冷器301,再進入氨蒸發(fā)器302進行二級換熱，在膨脹設備303中降壓至0.4MPa左右，氣體溫度降低為一IOO'C。低溫天然氣進入液氨冷卻器309,通過液氨冷媒循環(huán)(309，312,313)，將冷量傳遞給換熱器312，通過空氣循環(huán)(310，311，312)，供給低溫冷庫310使用冷源。初步模擬計算顯示一個50萬mV日規(guī)模的上述調壓站，利用壓力能將產生-3(TC的冷能0.43MJ，相當于節(jié)省電力7.5><106度/年，節(jié)電效益約為527萬元/年。實施例4(天然氣壓力能制冷用于冷水空調)如圖4所示為天然氣壓力能制冷用于冷水空調的工藝流程圖。傳統(tǒng)的建筑物空調大多采用電力空調，電力消耗很大。若利用天然氣壓力能轉換的冷能作為空調的冷源，可以簡化制冷系統(tǒng)，極大地降低能源消耗。高壓的天然氣(壓力約為5.0MPa)、溫度約為15'C，經(jīng)過預冷器402溫度降低到一10'C，再通過制冷機403制冷后，低溫天然氣與熱水槽407里的熱水經(jīng)過二級換冷器404換熱，天然氣升溫至大約一15。C，輸送至天然氣預冷器402作換熱循環(huán)。而熱水槽407里面流出的載冷劑(水)被冷卻到5。C后，進入冷水箱408,再通過冷水泵409泵送至各房間的冷水空調散熱器，即空調機室內機，同空氣進行熱交換后，即可冷卻建筑物房間。換熱后升溫的載冷劑(水)則輸送至熱水槽407。初步模擬計算顯示一個50萬mV日規(guī)模的上述調壓站，利用壓力能將產生15'C冷水空調的冷能為0.83MJ，相當于節(jié)省電力3.57X106度/年，節(jié)電效益約為250萬元/年權利要求1、一種利用天然氣壓力能的方法，其特征在于依次包括以下步驟(1)高壓管網(wǎng)中的天然氣通過無動力制冷機降壓降溫得到低溫天然氣；(2)低溫天然氣通過換熱器與從常溫罐輸送來的常溫冷媒換熱；(3)經(jīng)降溫的低溫冷媒進入冷媒儲罐備用，升溫后的常溫天然氣進入管網(wǎng)。(4)低溫冷媒從冷媒儲罐中輸送至冷能用戶。2、根據(jù)權利要求l所述的利用天然氣壓力能的方法，其特征在于步驟(1)中的無動力制冷機為氣波制冷機。3、根據(jù)權利要求1所述的利用天然氣壓力能的方法，其特征在于步驟(1)中的天然氣先經(jīng)換熱器預冷后再進入無動力制冷機降壓降溫。4、根據(jù)權利要求1或3所述的利用天然氣壓力能的方法，其特征在于步驟(2)中的換熱器為板翅式換熱器。5、根據(jù)權利要求l所述的利用天然氣壓力能的方法，其特征在于經(jīng)步驟(2)換熱后，冷媒的溫度降至74(T-100'C。全文摘要本發(fā)明公開了一種利用天然氣壓力能的方法，即高壓管網(wǎng)中的天然氣通過無動力制冷機降壓降溫得到低溫天然氣，然后與從常溫罐輸送來的常溫冷媒換熱，經(jīng)降溫的低溫冷媒進入冷媒儲罐備用，并最終被輸送至冷能用戶，升溫后的常溫天然氣則進入管網(wǎng)。本發(fā)明整體工藝技術方便、實用、高效，花費少量投資在調壓站回收高壓天然氣減壓過程中自身的壓力能，以較低的運行成本將壓力能轉換成冷能，通過冷媒供調壓站周邊的冷庫、冷水空調、廢舊橡膠深冷粉碎等冷量用戶使用，或制成冰塊、干冰產品外運銷售等，從而取得巨大經(jīng)濟效益，提高能源利用效率，同時消除常規(guī)調壓過程中設備急冷產生的安全隱患。文檔編號F28D9/00GK101245956SQ200810026979公開日2008年8月20日申請日期2008年3月25日優(yōu)先權日2008年3月25日發(fā)明者喬武康,孔松濤,張德坤,徐文東,靜李,羅東曉申請人:廣州市煤氣公司