專利名稱：一種天然氣管網(wǎng)壓力能高效利用的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓力能膨脹制冷以及壓縮冷媒膨脹制冷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及天然氣管 網(wǎng)壓力能制冷與壓縮冷媒膨脹制冷以及冷水空調(diào)制冷技術(shù)的集成利用方法及裝置。
背景技術(shù)：
能源危機日益加劇，使得節(jié)能減排這一基本國策深入人心?；厥绽锰烊粴夤芫W(wǎng) 壓力能，將其用于制冷行業(yè)，符合國家節(jié)能減排的要求，但時至今日，天然氣管網(wǎng)壓力能的 利用效率并不高。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(shè)，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，國外天然氣輸氣管道壓力高達12MPa 以上，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，在各地的天然氣接收門站或調(diào)壓站，高壓天 然氣需根據(jù)用戶的供氣壓力要求進行調(diào)壓，然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。此外，天然氣降壓過程中還產(chǎn)生大量的噪音，而且由于急 劇降溫對管道及調(diào)壓設(shè)備的運行造成危險甚至損害。壓力能的大小可以用壓力ex,p來表示，其計算公式為eX,P=ToWni，Tpp。分別為
環(huán)境溫度、壓力，R為定值，設(shè)天然氣調(diào)壓前后壓力分別為Pl、P2，則調(diào)壓過程中可回收的最
大壓力火用為ex，P=TaRii!g，如天然氣壓力從4MPa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(dǎo)致 的壓力能損失每天大約有56萬兆焦?？梢姡厥绽迷摬糠謮毫δ芸梢援a(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效 益，同時消除降壓過程中的噪音和設(shè)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。發(fā)電有兩種方 式美國專利US20090272115 A1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； 中國專利CN 101280723A公開了另一種方式，即制冷與發(fā)電兩種方式的結(jié)合，將部分天然 氣膨脹所制得冷量用于冷卻燃氣輪機進口氣體，然后升溫后的天然氣與熱氣流一起進入燃 燒室燃燒，驅(qū)動燃氣輪機發(fā)電。在制冷方面，目前主要是利用冷媒回收天然氣膨脹后的低 溫，用于冷庫、冷水空調(diào)、橡膠深冷粉碎等?，F(xiàn)有的回收天然氣壓力能大多是通過特定設(shè)備 有效回收天然氣管網(wǎng)壓力能的技術(shù)方法，且發(fā)電時要求天然氣壓力降和流量相對穩(wěn)定，制 冷時一般要求制冷溫度較低，故而存在一定的局限性，而且，在將天然氣壓力能回收用于制 冷方面，只是利用了壓力能膨脹制得的冷量，對于膨脹機所做的功并未加以利用。目前的冷庫制冷方式主要是采用電壓縮冷媒膨脹制冷，需要消耗大量的電力，約 占成本的25% 30%或更多為降低冷庫的電耗，將天然氣壓力能用于冷庫可大大降低冷 庫的運行成本。中國專利CN101245956A公開了一種將管網(wǎng)壓力能分別用于冷庫、冷水空調(diào) 等冷量用戶的方法，實現(xiàn)了冷能的梯級利用，然而該發(fā)明只是利用了壓力能膨脹制得的冷量，對于膨脹機所做的功并未加以利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，提供一種天然氣管網(wǎng)壓力能高效利 用方法。本發(fā)明一方面利用天然氣管網(wǎng)壓能膨脹制得冷量冷凝冷媒氣，然后液冷媒進入冷 能利用系統(tǒng)；另一方面利用天然氣膨脹所做的功，為壓縮冷媒膨脹制冷系統(tǒng)的多級壓縮提 供動力，提高壓力能制冷率；同時為提高冷能利用率，將冷庫制冷系統(tǒng)的0°C低溫冷媒氣送 入冷水空調(diào)系統(tǒng)，為其提供冷量。本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種天然氣管網(wǎng)壓力能利用的方法，包括以下步驟(1)天然氣壓力能制冷滿足城市管網(wǎng)瞬時需求量的25°C、4 8MPa天然氣經(jīng)膨脹機后，壓力降至0. 4 1. 6MPa，溫度為-50 _104°C，與來自第一冷媒儲罐的氣態(tài)冷媒換熱，升溫至10°C，進入天 然氣調(diào)峰罐4，再進入燃氣管網(wǎng)；換熱后的氣態(tài)冷媒溫度降為_25°C，然后進入第二冷媒儲罐備用；利用天然氣在 膨脹機中輸出的機械功為氣態(tài)冷媒的壓縮提供動力，第一冷媒儲罐的氣態(tài)冷媒經(jīng)過壓縮機 后壓力降至1. 36 1. 4MPa,再被冷卻水冷凝，溫度降為_35°C，然后進入第三冷媒儲罐備 用；(2)冷能利用第三冷媒儲罐的常溫液態(tài)冷媒與來自冷庫的低溫氣態(tài)冷媒換熱，溫度降至17 22°C，再經(jīng)第二調(diào)壓閥17降壓至0. IMPa，溫度為-32.9°C，進入冷庫；同時，第二冷媒儲罐的 冷媒經(jīng)第一調(diào)壓閥16降壓至0. IMPa，溫度為-32. 9°C，進入冷庫；與常溫液態(tài)冷媒換熱后的低溫氣態(tài)冷媒溫度升至0°C，與循環(huán)水換熱，循環(huán)水溫度 降低，低溫氣態(tài)冷媒自身溫度升至10 15°c，返回第一冷媒儲罐，循環(huán)備用。所述冷媒為R410A、氨或C4中的一種以上。所述第一冷媒儲罐的氣態(tài)冷媒的壓力為0. 15MPa，溫度為10 15°C。所述冷庫的低溫氣態(tài)冷媒的溫度為-32. 9°C。實現(xiàn)一種天然氣管網(wǎng)壓力能利用的方法的裝置，包括天然氣壓力能制冷系統(tǒng)和冷 能利用系統(tǒng)；天然氣壓力能制冷系統(tǒng)包括三通閥16、高壓天然氣調(diào)峰罐1、膨脹機2、第一冷 媒儲罐12、第一換熱器3、中高壓天然氣調(diào)峰罐4、第二冷媒儲罐5、壓縮機10、第三換熱器9 和第三冷媒儲罐8 ；高壓天然氣調(diào)峰罐1和膨脹機2通過高壓管道連接，將膨脹機2、第一換 熱器3與中高壓天然氣調(diào)峰罐4通過高壓管道依次連接后連接到燃氣管網(wǎng)；通過三通閥16 和常溫冷媒管道將第一冷媒儲罐12依次與壓縮機10和第三換熱器9連接，通過冷媒保溫 管道將第三換熱器9連接到第三冷媒儲罐8 ；通過三通閥16和常溫冷媒管道將第一冷媒儲 罐12再與第一換熱器3連接；通過冷媒保溫管道將第一換熱器3連接到第二冷媒儲罐5 ； 冷能利用系統(tǒng)包括離心泵13、第二換熱器7、第一調(diào)壓閥14，第二調(diào)壓閥15、冷庫6、閥門17 和冷水空調(diào)11 ；通過冷媒保溫管道將第二冷媒儲罐5依次與離心泵13、第一調(diào)壓閥14、冷 庫6、閥門17、第二換熱器7和冷水空調(diào)11連接，第二換熱器7再通過冷媒保溫管道和第二 調(diào)壓閥15與冷庫6連接，冷水空調(diào)11再通過常溫冷媒管道連接到第一冷媒儲罐12。
4
所述膨脹機2與壓縮機為同軸連接。所述高壓為2. 5<p≤ 4. OMPa,所述中高壓為0. 8<p≤1.6，中壓為0. 2 <P≤0. 4，低壓為p ≤0. 01。高壓管道中所述高壓按天然氣國家標準《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī) 范》的技術(shù)標準2. 5 < p ≤4. OMPa。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有的優(yōu)點及有益效果(1)天然氣膨脹制冷單元兩個天然氣調(diào)峰罐的使用，可以起到一定程度的穩(wěn)壓、穩(wěn) 流作用，擴大本系統(tǒng)的操作彈性；(2)所制冷量一方面由天然氣管網(wǎng)的壓力能膨脹制冷提供，另一方面由壓縮冷媒 膨脹制冷提供，壓縮過程所需動力由天然氣膨脹過程提供，相對于常規(guī)的電壓縮冷媒膨脹 制冷方式而言，降低了電力消耗，在節(jié)約運行成本的同時充分利用了天然氣管網(wǎng)壓力能。(3)冷能利用系統(tǒng)中，冷水空調(diào)和冷庫實現(xiàn)了冷能的梯級冷能。本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)天然氣膨脹制冷單元兩個天然氣調(diào)峰罐的使用，可以起 到一定程度的穩(wěn)壓、穩(wěn)流作用，擴大本系統(tǒng)的操作彈性；(2)所制冷量一方面由天然氣管網(wǎng) 的壓力能膨脹制冷提供，另一方面由壓縮冷媒膨脹制冷提供，壓縮過程所需動力由天然氣 膨脹過程提供，相對于常規(guī)的電壓縮冷媒膨脹制冷方式而言，降低了電力消耗，在節(jié)約運行 成本的同時充分利用了天然氣管網(wǎng)壓力能。(3)冷能利用系統(tǒng)中，冷水空調(diào)和冷庫實現(xiàn)了冷 能的梯級冷能。


圖1為本發(fā)明方法的工藝流程圖；1為高壓天然氣調(diào)峰罐；2為膨脹機；3為第一換熱器；7為第二換熱器，9為第三換 熱器；4為中高壓天然氣調(diào)峰罐；5為第二冷媒儲罐；8為第三媒儲罐；6為冷庫；10為壓縮 機；11為冷水空調(diào)；12為第一冷媒氣儲罐；13為離心泵；14為第一調(diào)壓閥；15為第二調(diào)壓 閥；16為三通閥；17為閥門；
具體實施例方式實施例如圖1所示，實現(xiàn)一種天然氣管網(wǎng)壓力能利用的方法的裝置，包括天然氣壓力能 制冷系統(tǒng)和冷能利用系統(tǒng)；天然氣壓力能制冷系統(tǒng)包括三通閥16、高壓天然氣調(diào)峰罐1、膨 脹機2、第一冷媒儲罐12、第一換熱器3、中高壓天然氣調(diào)峰罐4、第二冷媒儲罐5、壓縮機 10、第三換熱器9和第三冷媒儲罐8 ；高壓天然氣調(diào)峰罐1和膨脹機2通過高壓管道連接， 將膨脹機2、第一換熱器3與中高壓天然氣調(diào)峰罐4通過高壓管道依次連接后連接到燃氣 管網(wǎng)；通過三通閥16和常溫冷媒管道將第一冷媒儲罐12依次與壓縮機10和第三換熱器9 連接，通過冷媒保溫管道將第三換熱器9連接到第三冷媒儲罐8 ；通過三通閥16和常溫冷 媒管道將第一冷媒儲罐12再與第一換熱器3連接；通過冷媒保溫管道將第一換熱器3連接 到第二冷媒儲罐5 ；冷能利用系統(tǒng)包括離心泵13、第二換熱器7、第一調(diào)壓閥14，第二調(diào)壓閥 15、冷庫6、閥門17和冷水空調(diào)11 ；通過冷媒保溫管道將第二冷媒儲罐5依次與離心泵13、 第一調(diào)壓閥14、冷庫6、閥門17、第二換熱器7和冷水空調(diào)11連接，第二換熱器7再通過冷 媒保溫管道和第二調(diào)壓閥15與冷庫6連接，冷水空調(diào)11再通過常溫冷媒管道連接到第一冷媒儲罐12。膨脹機2與壓縮機為同軸連接。壓縮機10為多級壓縮機，經(jīng)過壓縮機10的第一級壓縮后，冷媒進入第三換熱器9 冷卻，冷媒再進入壓縮機10進行第二級壓縮，然后進入第三換熱器9冷卻，冷卻后再進入壓 縮機進行三級壓縮，最后冷媒經(jīng)過第三換熱器9冷凝后進入第三冷媒儲罐8。一種天然氣管網(wǎng)壓力能利用的方法，包括以下步驟(1)天然氣壓力能制冷滿足城市管網(wǎng)瞬時需求量的25°C、4 8MPa天然氣經(jīng)膨脹機后，壓力降至0. 4 1. 6MPa，溫度為-50 _104°C，與來自第一冷媒儲罐的氣態(tài)冷媒在第一換熱器3換熱，升溫 至10°C，進入天然氣調(diào)峰罐4，可以穩(wěn)定流量，再進入燃氣管網(wǎng)；換熱后的氣態(tài)冷媒溫度降 為_25°C，然后進入第二冷媒儲罐備用；利用天然氣在膨脹機中輸出的機械功為氣態(tài)冷媒 的多級壓縮提供動力，第一冷媒儲罐的氣態(tài)冷媒經(jīng)過壓縮機后壓力降至1. 36 1. 4MPa，再 被冷卻水冷凝，溫度降為_35°C，然后進入第三冷媒儲罐備用；(2)冷能利用第三冷媒儲罐的常溫液態(tài)冷媒與來自冷庫的低溫氣態(tài)冷媒在第二換熱器7中換 熱，溫度降至17 22°C，再經(jīng)第二調(diào)壓閥17降壓至0. IMPa，溫度為-32. 9°C，進入冷庫；同 時，第二冷媒儲罐的冷媒經(jīng)第一調(diào)壓閥16降壓至0. IMPa，溫度為-32. 9°C，進入冷庫；與常溫液態(tài)冷媒換熱后的低溫氣態(tài)冷媒溫度升至0°C，在冷水空調(diào)與循環(huán)水換熱， 循環(huán)水溫度降低至5°C，低溫氣態(tài)冷媒自身溫度升至10 15°C，返回第一冷媒儲罐，循環(huán)備 用。冷媒為R410A。第一冷媒儲罐的氣態(tài)冷媒的壓力為0. 15MPa，溫度為10 15°C。
所述冷庫的低溫氣態(tài)冷媒的溫度約為-32. 9V。表1顯示了天然氣流量為2t/h時的實施例結(jié)果。表 權(quán)利要求
一種天然氣管網(wǎng)壓力能高效利用的方法及裝置，其特征在于，包括以下步驟(1)天然氣壓力能制冷滿足城市管網(wǎng)瞬時需求量的25℃、4～8MPa天然氣經(jīng)膨脹機后，壓力降至0.4～1.6MPa，溫度為-50～-104℃，與來自第一冷媒儲罐的氣態(tài)冷媒換熱，升溫至10℃，進入天然氣調(diào)峰罐(4)，再進入燃氣管網(wǎng)；換熱后的氣態(tài)冷媒溫度降為-25℃，然后進入第二冷媒儲罐備用；利用天然氣在膨脹機中輸出的機械功為氣態(tài)冷媒的壓縮提供動力，第一冷媒儲罐的氣態(tài)冷媒經(jīng)過壓縮機后壓力升至1.36～1.4MPa，再經(jīng)冷卻水冷卻，溫度降為-35℃，然后進入第三冷媒儲罐備用；(2)冷能利用第三冷媒儲罐的常溫液態(tài)冷媒與來自冷庫的低溫氣態(tài)冷媒換熱，溫度降至17～22℃，再經(jīng)第二調(diào)壓閥(15)降壓至0.1MPa，溫度為-32.9℃，進入冷庫；同時，第二冷媒儲罐的冷媒經(jīng)第一調(diào)壓閥(14)降壓至0.1MPa，溫度為-32.9℃，進入冷庫；與常溫液態(tài)冷媒換熱后的低溫氣態(tài)冷媒溫度升至0℃，與循環(huán)水換熱，循環(huán)水溫度降低，低溫氣態(tài)冷媒自身溫度升至10～15℃，返回第一冷媒儲罐，循環(huán)備用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷媒為R410A、氨或C4中的一種以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一冷媒儲罐的氣態(tài)冷媒的壓力為 0. 15MPa，溫度為 10 15°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述來自冷庫的低溫氣態(tài)冷媒的溫度 為-32. 9"C。
5.實現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的裝置，其特征在于，包括天然氣壓力能制冷系統(tǒng)和冷能 利用系統(tǒng)；天然氣壓力能制冷系統(tǒng)包括三通閥(16)、高壓天然氣調(diào)峰罐(1)、膨脹機(2)、 第一冷媒儲罐(12)、第一換熱器(3)、中高壓天然氣調(diào)峰罐(4)、第二冷媒儲罐(5)、壓縮機(10)、第三換熱器(9)和第三冷媒儲罐⑶；高壓天然氣調(diào)峰罐⑴和膨脹機(2)通過高壓 管道連接，將膨脹機(2)、第一換熱器(3)與中高壓天然氣調(diào)峰罐(4)通過高壓管道依次連 接后連接到燃氣管網(wǎng)；通過三通閥(16)和常溫冷媒管道將第一冷媒儲罐(12)依次與壓縮 機(10)和第三換熱器(9)連接，通過冷媒保溫管道將第三換熱器(9)連接到第三冷媒儲 罐(8)；通過三通閥(16)和常溫冷媒管道將第一冷媒儲罐(12)再與第一換熱器(3)連接； 通過冷媒保溫管道將第一換熱器(3)連接到第二冷媒儲罐(5)；冷能利用系統(tǒng)包括離心泵 (13)、第二換熱器(7)、第一調(diào)壓閥(14)、第二調(diào)壓閥(15)、冷庫(6)、閥門(17)和冷水空調(diào)(11)；通過冷媒保溫管道將第二冷媒儲罐(5)依次與離心泵(13)、第一調(diào)壓閥(14)、冷庫 (6)、閥門(17)、第二換熱器(7)和冷水空調(diào)(11)連接，第二換熱器(7)再通過冷媒保溫管 道和第二調(diào)壓閥(15)與冷庫(6)連接，冷水空調(diào)(11)再通過常溫冷媒管道連接到第一冷 媒儲罐(12)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述膨脹機(2)與壓縮機為同軸連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種天然氣管網(wǎng)壓力能高效利用的方法及裝置。本發(fā)明方法包括天然氣壓力能制冷和冷能利用。第三冷媒儲罐的常溫液態(tài)冷媒與來自冷庫的低溫氣態(tài)冷媒換熱，溫度降至17～22℃，再經(jīng)調(diào)壓閥降壓至0.1MPa，溫度為-32℃，進入冷庫；同時，第二冷媒儲罐的冷媒經(jīng)調(diào)壓閥降壓至0.1MPa，溫度為-32℃，進入冷庫；與常溫液態(tài)冷媒換熱后的低溫氣態(tài)冷媒溫度升至0℃，與循環(huán)水換熱，循環(huán)水溫度降低，低溫氣態(tài)冷媒自身溫度升至10～15℃，返回第一冷媒儲罐，循環(huán)備用?？娠@著提高管網(wǎng)壓力能利用率，本發(fā)明具有較大經(jīng)濟效益和廣闊發(fā)展空間。
文檔編號F25B27/00GK101852529SQ20101019081
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者徐文東, 樊栓獅, 鄭惠平, 陳玉娟 申請人:華南理工大學(xué)