利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置及方法，其中，所述液化天然氣生產(chǎn)裝置包括調(diào)壓系統(tǒng)、天然氣液化系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述調(diào)壓系統(tǒng)包括串接在一起的膨脹機和換熱器；所述天然氣液化系統(tǒng)包括依次連接的天然氣預(yù)處理系統(tǒng)、換熱器以及天然氣液化冷箱，此外還包括混合制冷劑循環(huán)系統(tǒng)；所述膨脹機的輸出軸上連接有雙輸出離合器，該雙輸出離合器的第一輸出端與發(fā)電機連接，第二輸出端與混合制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的制冷劑壓縮機連接；所述制冷劑壓縮機的輸入軸上連接有雙輸入離合器，該雙輸入離合器的第一輸入端與電機連接，第二輸入端與所述雙輸出離合器的第二輸出端連接。本發(fā)明具有充分利用壓力能的優(yōu)點。
【專利說明】利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種液化天然氣生產(chǎn)裝置及方法，具體涉及一種利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣作為三大化石能源之一，在能源消耗所占的比重將越來越大。天然氣不僅儲量大，而且是一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，在中國這一類發(fā)展中國家中，對于改善能源結(jié)構(gòu)，解決環(huán)境問題和能源危機等問題上具有舉足輕重的作用。
[0003]目前，國內(nèi)外的天然氣的大規(guī)模陸上運輸方式主要為管道運輸。長輸管道采用高壓運輸是世界各國的發(fā)展趨勢，國外許多天然氣管道的輸送壓力都在IOMPa以上。我國的長輸天然氣也步入了世界先進水平，已建成的西氣東輸一線工程管道壓力達到lOMPa，而西氣東輸二線的管道壓力則達到12MPa。高壓天然氣無法直接使用，需經(jīng)過調(diào)壓至中壓或者低壓后，進入下游的管網(wǎng)，供用戶使用。傳統(tǒng)調(diào)壓站的調(diào)壓方式是通過節(jié)流閥進行節(jié)流膨脹降壓，不僅白白浪費了大量的壓力能，而且節(jié)流膨脹導(dǎo)致的低溫天然氣還對管道和設(shè)備造成嚴重的損壞。如果能通過一些方法將這部分壓力能加以回收利用，將大大提高天然氣的綜合利用率，同時實現(xiàn)節(jié)能和對管道設(shè)備的保護。
[0004]現(xiàn)階段天然氣管道壓力能主要用于發(fā)電、輕烴分離、天然氣液化等方面。其中，天然氣液化方面，由于天然氣在常壓或略高于常壓下的液化溫度低至_162°C，所需冷能品位較高，采用普通的壓縮制冷工藝能耗極大，所以針對液化天然氣生產(chǎn)工藝的節(jié)能工藝改進具有良好的經(jīng)濟效益，是近年來研究的熱點。
[0005]中國發(fā)明專利申請CN102660341A針對原有調(diào)壓站工藝白白浪費壓力能的情況，公開了一種利用天然氣壓力能部分液化天然氣的工藝和裝置。該發(fā)明的原理在于利用高壓天然氣的壓力能，采用膨脹制冷工藝將得到的冷量用于管網(wǎng)中部分天然氣的液化。此外，該裝置以正常負荷運轉(zhuǎn)時，單位產(chǎn)品的工作能耗近似為零，但該工藝液化天然氣產(chǎn)量較低，設(shè)備投資較高。中國發(fā)明專利申請CN103017480A針對現(xiàn)有壓力能利用方案壓力能利用率不高的情況，該發(fā)明申請?zhí)岢鲆环N系統(tǒng)利用管道壓力能生產(chǎn)LNG的技術(shù)方案，通過高壓天然氣膨脹獲得冷能，實現(xiàn)部分天然氣的液化。該系統(tǒng)中用于預(yù)冷的部分氣體無需做深度凈化，減輕了凈化壓力，但該系統(tǒng)設(shè)備投資較高，工藝流程復(fù)雜難以保障生產(chǎn)安全性。中國發(fā)明專利申請CN103175379A則針對已有壓力能生產(chǎn)LNG的專利液化率較低，能耗較高的情況，公開了一種利用管道壓力能制備液化天然氣的工藝。該工藝可實現(xiàn)10?17%的液化率，且流程復(fù)雜，無法保障生產(chǎn)安全，設(shè)備投資較高。中國發(fā)明專利申請CN103292574A公開了一種利用膨脹機直接液化管道天然氣的工藝。該工藝可實現(xiàn)10?14%的液化率，液化率較低。
[0006]上述專利技術(shù)都是針對調(diào)壓站自身調(diào)壓工藝進行改進，通過一定的設(shè)備和工藝實現(xiàn)壓力能回收和管道天然氣自身的液化，普遍存在液化天然氣產(chǎn)量較小的局限性。并且各工藝均只對高壓管網(wǎng)的壓力能進行一級利，而在利用過程所產(chǎn)生的機械能則白白耗費。中國發(fā)明專利申請CN102538390A公開了一種新型天然氣液化系統(tǒng)及其方法，該專利申請方案中指出，利用高壓管網(wǎng)壓力能進行膨脹制冷過程中，膨脹機的膨脹功可以回收用來發(fā)電或者另作他用，但是并沒有進一步給出具體的利用方案，尤其沒有給出如何充分、合理地利用該機械能的具體方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置，對管道壓力能進行充分利用，減少液化能耗，而且避免了壓力能的浪費，同時降低了調(diào)壓站和儲備庫的運營成本。
[0008]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種應(yīng)用上述液化天然氣生產(chǎn)裝置實現(xiàn)的利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)方法。
[0009]本發(fā)明實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案為:
[0010]一種利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置，包括調(diào)壓系統(tǒng)和天然氣液化系統(tǒng)，其中:
[0011]所述調(diào)壓系統(tǒng)包括串接在一起的膨脹機和換熱器，其中，膨脹機一端與上游高壓管網(wǎng)的管道連接，換熱器一端與下游中壓管網(wǎng)的管道連接；
[0012]所述天然氣液化系統(tǒng)包括依次連接的天然氣預(yù)處理系統(tǒng)、換熱器以及天然氣液化冷箱，此外還包括與天然氣液化冷箱連接的混合制冷劑循環(huán)系統(tǒng)；
[0013]所述膨脹機的輸出軸上連接有雙輸出離合器，該雙輸出離合器的第一輸出端與發(fā)電機連接，第二輸出端與混合制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的制冷劑壓縮機連接；
[0014]所述制冷劑壓縮機的輸入軸上連接有雙輸入離合器，該雙輸入離合器的第一輸入端與電機連接，第二輸入端與所述雙輸出離合器的第二輸出端連接；
[0015]還包括控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)用于根據(jù)膨脹機的輸出功率控制雙輸出離合器使膨脹機的輸出軸與所述發(fā)電機或制冷劑壓縮機連接，并且控制雙輸入離合器使制冷劑壓縮機的輸入軸與所述電機或雙輸出離合器的第二輸出端連接。
[0016]本發(fā)明的液化天然氣生產(chǎn)裝置的一個優(yōu)選方案，其中，所述雙輸出離合器包括與膨脹機的輸出軸連接的滑動軸套、設(shè)置在滑動軸套上的中間傳動輪、設(shè)在中間傳動輪兩側(cè)的第一輸出輪和第二輸出輪以及與滑動軸套連接的滑動控制裝置，其中:
[0017]所述中間傳動輪的兩個側(cè)面上均設(shè)有摩擦片；
[0018]所述第一輸出輪構(gòu)成第一輸出端，該第一輸出輪與發(fā)電機連接；所述第二輸出輪構(gòu)成第二輸出端，該第二輸出輪與雙輸入離合器的第二輸入端連接；
[0019]所述滑動控制裝置包括氣缸以及連接頭，其中，所述連接頭連接在氣缸的活塞桿上，該連接頭上設(shè)有環(huán)形槽，所述滑動軸套的端部設(shè)有伸入到環(huán)形槽內(nèi)的環(huán)形凸起；所述氣缸與控制系統(tǒng)連接。
[0020]本發(fā)明的液化天然氣生產(chǎn)裝置的一個優(yōu)選方案，其中，所述雙輸入離合器包括與制冷劑壓縮機的輸入軸連接的滑動軸套、設(shè)置在滑動軸套上的中間傳動輪、設(shè)在中間傳動輪兩側(cè)的第一輸入輪和第二輸入輪以及與滑動軸套連接的滑動控制裝置，其中:
[0021]所述中間傳動輪的兩個側(cè)面上均設(shè)有摩擦片；
[0022]所述第一輸入輪構(gòu)成第一輸入端，該第一輸入輪與電機連接；所述第二輸入輪構(gòu)成第二輸入端，該第二輸入輪與所述雙輸出離合器中的第二輸出輪連接；[0023]所述滑動控制裝置包括氣缸以及連接頭，其中，所述連接頭連接在氣缸的活塞桿上，該連接頭上設(shè)有環(huán)形槽，所述滑動軸套的端部設(shè)有伸入到環(huán)形槽內(nèi)的環(huán)形凸起；所述氣缸與控制系統(tǒng)連接。
[0024]本發(fā)明的液化天然氣生產(chǎn)裝置的一個優(yōu)選方案，其中，所述第一輸出輪、第二輸出輪、第一輸入輪以及第二輸入輪均為皮帶輪，所述第一輸出輪與發(fā)電機之間、第二輸出輪與第二輸入輪之間以及第一輸入輪與電機之間均通過皮帶傳動機構(gòu)連接。
[0025]本發(fā)明的液化天然氣生產(chǎn)裝置的一個優(yōu)選方案，其中，所述控制系統(tǒng)為PLC控制系統(tǒng)，該PLC控制系統(tǒng)通過導(dǎo)線與膨脹機的速度變送器連接。
[0026]本發(fā)明的液化天然氣生產(chǎn)裝置的一個優(yōu)選方案，其中，所述調(diào)壓系統(tǒng)與調(diào)壓站原有調(diào)壓系統(tǒng)并聯(lián)。
[0027]本發(fā)明的液化天然氣生產(chǎn)裝置的一個優(yōu)選方案，其中，所述膨脹機與上游高壓管網(wǎng)連接的管道上設(shè)有第一調(diào)節(jié)閥；所述換熱器與下游中壓管網(wǎng)連接的管道上設(shè)有第二調(diào)節(jié)閥；所述換熱器與天然氣預(yù)處理系統(tǒng)連接的管道上設(shè)有第三調(diào)節(jié)閥；所述換熱器與天然氣液化冷箱連接的管道上設(shè)有第四調(diào)節(jié)閥；在換熱器處并聯(lián)有一管路，該管路上設(shè)有第五調(diào)節(jié)閥。
[0028]本發(fā)明的液化天然氣生產(chǎn)裝置的一個優(yōu)選方案，其中，所述調(diào)壓系統(tǒng)包括串接在一起的兩個膨脹機和兩個換熱器。
[0029]一種應(yīng)用上述液化天然氣生產(chǎn)裝置實現(xiàn)的利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)方法，包括以下步驟:
[0030](I)上游高壓管網(wǎng)中的高壓天然氣經(jīng)過膨脹機膨脹降壓降溫，然后進入換熱器中加熱至常溫后進入下游中壓管網(wǎng)；
[0031](2)經(jīng)天然氣預(yù)處理系統(tǒng)處理后的原料天然氣經(jīng)過換熱器預(yù)冷后，進入天然氣液化冷箱；同時，混合制冷劑循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)地向天然氣液化冷箱供給冷量，對原料天然氣進行液化；
[0032](3)控制系統(tǒng)根據(jù)膨脹機工作時的輸出功率，控制雙輸出離合器和雙輸入離合器工作:當(dāng)膨脹機的輸出功率足以帶動混合制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的制冷劑壓縮機工作時，控制系統(tǒng)控制雙輸出離合器使膨脹機的輸出軸與雙輸入離合器的第二輸入端連接，同時控制雙輸入離合器使得與雙輸出離合器連接的輸入端與制冷劑壓縮機連接，從而由膨脹機帶動制冷劑壓縮機工作；當(dāng)膨脹機的輸出功率不足以帶動混合制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的制冷劑壓縮機工作時，控制系統(tǒng)控制雙輸出離合器使膨脹機的輸出軸與發(fā)電機連接，帶動發(fā)電機發(fā)電，同時控制雙輸入離合器使得電機與制冷劑壓縮機連接，由電機驅(qū)動制冷劑壓縮機工作。
[0033]本發(fā)明的液化天然氣生產(chǎn)方法的一個優(yōu)選方案，其中，所述膨脹機的速度變送器將膨脹機主軸轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為標準電信號反饋至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速與輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系算得膨脹機的輸出功率；制冷劑壓縮機工作時所需要的輸入功率預(yù)先設(shè)定到控制系統(tǒng)中；控制系統(tǒng)通過比較膨脹機的輸出功率和制冷劑壓縮機所需的輸入功率，得出控制雙輸出離合器和雙輸入離合器的控制信號。
[0034]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的有益效果:
[0035]1、節(jié)約能耗。本發(fā)明取代了原有的天然氣調(diào)壓工藝，回收了白白浪費的壓力能，不僅節(jié)約了原有調(diào)壓工藝中調(diào)壓后外部供熱提升調(diào)壓后天然氣溫度所耗費的能量和設(shè)備，而且也節(jié)省了天然氣儲備庫液化天然氣所需的冷量。
[0036]2、能源利用率高。通過在流程中加入雙輸入離合器和雙輸出烈火旗，在控制系統(tǒng)的控制下，膨脹機所輸出的機械能可根據(jù)能級分布在制冷劑壓縮機或發(fā)電機之間選擇聯(lián)軸模式，視輸出功的大小有效利用壓力能，并節(jié)約原有的電壓縮工藝的電耗，大大提升了能源
綜合利用率。
[0037]3、裝置投資成本低。本發(fā)明設(shè)備均為常用的天然氣特種設(shè)備，設(shè)備的數(shù)量少、成本低，裝置的建設(shè)投資小。更可以實現(xiàn)裝置的小型化和撬裝化，實現(xiàn)一套裝置在多個地點使用，即裝即用，可選擇在經(jīng)濟效益更好的地方運行，實現(xiàn)較快的投資回收。
[0038]4、操作彈性大。通過設(shè)置離合器，使得該天然氣壓力能利用工藝對下游用氣量的變負荷的適應(yīng)性增強。當(dāng)下游用氣量小時，選擇低速低功率的模式，膨脹機聯(lián)軸發(fā)電機發(fā)電工作；當(dāng)下游用氣量大時，切換高轉(zhuǎn)速高功率的模式，膨脹機聯(lián)軸帶動制冷劑壓縮機工作。整個工作和切換全部由控制系統(tǒng)監(jiān)控完成，自動適應(yīng)性強。
[0039]5、工藝流程簡單易控，安全穩(wěn)定性高。相對于其他的壓力能用于液化天然氣生產(chǎn)裝置而言，本發(fā)明設(shè)備均為常用的設(shè)備，應(yīng)用技術(shù)成熟，選型方便；且流程簡單，通過調(diào)節(jié)閥門和PLC自控系統(tǒng)即可實現(xiàn)針對下游變動的用氣量的變化和上游高壓天然氣特性的變化，進行生產(chǎn)狀態(tài)的調(diào)節(jié)，裝置和工藝穩(wěn)定性高。此外，本發(fā)明的工藝與原有調(diào)壓站調(diào)壓管道并聯(lián)，經(jīng)預(yù)處理的天然氣的預(yù)冷流程也與原有管道并聯(lián)，一旦某一工藝裝置出現(xiàn)問題等狀況發(fā)生，自控系統(tǒng)會自動將介質(zhì)切換至原有的工藝管道上，保障了系統(tǒng)的安全性。
[0040]6、易于推廣使用。天然氣儲備庫周邊必然配備有管網(wǎng)建設(shè)，也即儲備庫與調(diào)壓站地理位置靠的較近。目前，國內(nèi)已有多個城市建成了各自的天然氣儲備庫，且為了保障天然氣產(chǎn)業(yè)安全穩(wěn)定的發(fā)展，國家已經(jīng)出臺相關(guān)政策鼓勵天然氣儲備庫的建設(shè)。未來，國內(nèi)將會有更多天然氣儲備庫建成并投入運行。本發(fā)明利用了天然氣儲備庫與天然氣調(diào)壓站位置相近的特點，對于國內(nèi)常見的天然氣儲備庫的工藝，可大面積地推廣使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1為本發(fā)明的利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置的一個【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042]圖2為本發(fā)明的雙輸出離合器的一個【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043]圖3為本發(fā)明的雙輸入離合器的一個【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0044]圖4為本發(fā)明的雙輸出離合器的另一個【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0045]圖5為本發(fā)明的利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置的另一個【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0046]下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0047]實施例1
[0048]參見圖1?圖3，本實施例的利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置主要由調(diào)壓系統(tǒng)、天然氣液化系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構(gòu)成。其中:[0049]參見圖1，所述調(diào)壓系統(tǒng)包括串接在一起的膨脹機4和換熱器5，其中，膨脹機4 一端與上游高壓管網(wǎng)的管道連接，并且膨脹機4與上游高壓管網(wǎng)連接的管道上設(shè)有第一調(diào)節(jié)閥1，通過上游高壓管道的來氣壓力和膨脹機4出口溫度對膨脹機4進口流量進行調(diào)節(jié):當(dāng)上游壓力升高，或下游出口溫度升高時，調(diào)節(jié)閥減小開度，使出口壓力保持恒定；當(dāng)上游壓力降低，或下游出口溫度降低時，調(diào)節(jié)閥增大開度，使出口壓力保持恒定，以保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性和安全性；換熱器5—端與下游中壓管網(wǎng)的管道連接，并且換熱器5與下游中壓管網(wǎng)連接的管道上設(shè)有第二調(diào)節(jié)閥6，通過對換熱器5冷物流出口壓力對流量進行調(diào)節(jié):當(dāng)冷物流出口壓力下降時，調(diào)節(jié)閥增大開度，提高出口壓力；當(dāng)冷物流出口壓力升高時，調(diào)節(jié)閥減小開度，降低出口壓力，以保證滿足下游用戶的用氣和供氣壓力。所述調(diào)壓系統(tǒng)與調(diào)壓站原調(diào)壓系統(tǒng)并聯(lián)，當(dāng)關(guān)閉該調(diào)壓系統(tǒng)時，原調(diào)壓系統(tǒng)還可以工作。
[0050]參見圖1，所述天然氣液化系統(tǒng)包括依次連接的天然氣預(yù)處理系統(tǒng)、換熱器5、天然氣液化冷箱以及LNG儲罐，此外還包括與天然氣液化冷箱連接的混合制冷劑循環(huán)系統(tǒng)，該混合制冷劑循環(huán)系統(tǒng)的作用在于與經(jīng)過預(yù)冷的天然氣原料換熱，使原料天然氣冷卻并最終液化為液化天然氣，儲存于儲罐中；該混合制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中還連接有用于提供制冷劑的制冷劑儲罐和泵10。所述換熱器5與天然氣預(yù)處理系統(tǒng)連接的管道上設(shè)有第三調(diào)節(jié)閥7，其作用在于與第四調(diào)節(jié)閥、第五調(diào)節(jié)閥協(xié)同工作；所述換熱器5與天然氣液化冷箱連接的管道上設(shè)有第四調(diào)節(jié)閥8 ;換熱器5處并聯(lián)有管路，該管路上設(shè)有第五調(diào)節(jié)閥9，其作用是與第三調(diào)節(jié)閥7、第四調(diào)節(jié)閥8在控制系統(tǒng)的作用下，實現(xiàn)原料天然氣從流經(jīng)原管線到流經(jīng)預(yù)冷管線的切換。
[0051]參見圖1和圖2，所述膨脹機4的輸出軸上連接有雙輸出離合器3 ( “雙輸出”是指膨脹機4的輸出動力可以有兩個輸出路徑，并且同一時間內(nèi)只能選擇其中一個輸出路徑進行工作)，該雙輸出離合器3的第一輸出端與發(fā)電機2連接,第二輸出端與混合制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的制冷劑壓縮機11連接。所述制冷劑壓縮機11的輸入軸上連接有雙輸入離合器12 (“雙輸入”是指制冷劑壓縮機11的輸入動力可以有兩個輸入路徑，并且同一時間內(nèi)只能選擇其中一個輸入路徑進行工作)，該雙輸入離合器12的第一輸入端與電機13連接,第二輸入端與所述雙輸出離合器3的第二輸出端連接。
[0052]具體地，所述雙輸出離合器3包括與膨脹機4的輸出軸Ia連接的滑動軸套2a、設(shè)置在滑動軸套2a上的中間傳動輪3a、設(shè)在中間傳動輪3a兩側(cè)的第一輸出輪4a和第二輸出輪5a以及與滑動軸套2a連接的滑動控制裝置。其中:所述滑動軸套2a通過鍵7a7a與膨脹機4的輸出軸Ia連接，滑動軸套2a在滑動控制裝置的控制下可沿軸向滑動。所述中間傳動輪3a的兩個側(cè)面上均設(shè)有摩擦片6a，通過該摩擦片6a與第一輸出輪4a和第二輸出輪5a形成摩擦傳動，使得膨脹機4在運轉(zhuǎn)狀態(tài)下也可與第一輸出輪4a和第二輸出輪5a接合。所述第一輸出輪4a構(gòu)成第一輸出端,該第一輸出輪4a為皮帶輪,該第一輸出輪4a與發(fā)電機2之間通過皮帶傳動機構(gòu)連接。所述第二輸出輪5a構(gòu)成第二輸出端，該第二輸出輪5a也為皮帶輪,該第二輸出輪5a與雙輸入離合器12的其中一個輸入端之間通過皮帶傳動機構(gòu)連接。所述第一輸出輪4a和第二輸出輪5a通過軸承安裝在支承軸8a、9a上。所述滑動控制裝置包括氣缸Ila以及連接頭10a，其中，所述連接頭IOa連接在氣缸Ila的活塞桿上，該連接頭IOa上設(shè)有環(huán)形槽，所述滑動軸套2a的端部設(shè)有伸入到環(huán)形槽內(nèi)的環(huán)形凸起，通過環(huán)形槽與環(huán)形凸起的配合，使得連接頭IOa不但可以帶動滑動軸套2a作軸向運動，而且不會影響滑動軸套2a的轉(zhuǎn)動。通過氣缸Ila的活塞桿的伸縮推動滑動軸套2a沿軸向滑動，從而使得中間傳動輪3a的摩擦片6a與第一輸出輪4a或第二輸出輪5a連接，實現(xiàn)傳動路徑的切換。所述氣缸Ila與控制系統(tǒng)連接，由控制系統(tǒng)控制氣缸Ila的運動，從而控制該雙輸出離合器3的傳動路徑。
[0053]參見圖1和圖3，所述雙輸入離合器12的結(jié)構(gòu)與雙輸出離合器3的結(jié)構(gòu)相似，包括與制冷劑壓縮機11的輸入軸Ib連接的滑動軸套2b、設(shè)置在滑動軸套2b上的中間傳動輪3b、設(shè)在中間傳動輪3b兩側(cè)的第一輸入輪4b和第二輸入輪5b以及與滑動軸套2b連接的滑動控制裝置。其中:所述滑動軸套2b通過鍵7b與制冷劑壓縮機11的輸入軸Ib連接，滑動軸套2b在滑動控制裝置的控制下可沿軸向滑動。所述中間傳動輪3b的兩個側(cè)面上均設(shè)有摩擦片6b，通過該摩擦片6b與第一輸入輪4b和第二輸入輪5b形成摩擦傳動。所述第一輸入輪4b構(gòu)成第一輸入端,該第一輸入輪4b為皮帶輪,該第一輸入輪4b與電機13之間通過皮帶傳動機構(gòu)連接。所述第二輸入輪5b構(gòu)成第二輸入端，該第二輸入輪5b也為皮帶輪，該第二輸出輪與雙輸入離合器12的第二輸出輪之間通過皮帶傳動機構(gòu)連接。所述第一輸入輪4b和第二輸入輪5b通過軸承安裝在支承軸8b、9b上。所述滑動控制裝置包括氣缸Ilb以及鏈接夠10b，其中，所述鏈接夠IOb連接在氣缸Ilb的活塞桿上，該鏈接夠IOb上設(shè)有環(huán)形槽，所述滑動軸套2b的端部設(shè)有伸入到環(huán)形槽內(nèi)的環(huán)形凸起，通過環(huán)形槽與環(huán)形凸起的配合，使得鏈接夠IOb不但可以帶動滑動軸套2b作軸向運動，而且不會影響滑動軸套2b的轉(zhuǎn)動。通過氣缸Ilb的活塞桿的伸縮推動滑動軸套2b沿軸向滑動，從而使得中間傳動輪3b的摩擦片6b與第一輸入輪4b或第二輸入輪5b連接，實現(xiàn)傳動路徑的切換。所述氣缸Ilb與控制系統(tǒng)連接，由控制系統(tǒng)控制氣缸Ilb的運動，從而控制該雙輸入離合器12的傳動路徑。
[0054]參見圖1，所述控制系統(tǒng)為PLC控制系統(tǒng)，用于根據(jù)膨脹機4的輸出功率控制雙輸出離合器3使膨脹機4的輸出軸與所述發(fā)電機2或制冷劑壓縮機11連接，并且控制雙輸入離合器12使制冷劑壓縮機11的輸入軸與所述電機13或雙輸出離合器3的第二輸出端連接。具體地，通過控制雙輸出離合器3和雙輸入離合器12中的滑動控制裝置對傳動路徑進行選擇，從而根據(jù)膨脹機4的具體輸出功率帶動不同的設(shè)備工作，以充分、靈活地利用膨脹機4的機械能。所述膨脹機4上具有用于檢測輸出功率速度變送器(膨脹機輸出功率與主軸轉(zhuǎn)速呈單調(diào)函數(shù)關(guān)系，即膨脹機轉(zhuǎn)速越高，輸出功率越高)，速度變送器通過導(dǎo)線與控制系統(tǒng)連接，從而將膨脹機4的輸出功率參數(shù)通過速度變送器將膨脹機主軸轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為標準電信號反饋至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)根據(jù)該參數(shù)算出輸出功率。膨脹機4的輸出功率與壓力差、流量相關(guān)，當(dāng)膨脹機4前后壓力差增大或流量增大時，膨脹機4的輸出功率增大，反之則減小。不同的工藝條件下膨脹機4的輸出功率不同，所述控制系統(tǒng)的本質(zhì)作用就是在于根據(jù)不同的輸出功率而選擇將該機械能運用到合適的設(shè)備中，防止能量浪費。
[0055]本發(fā)明中，所述雙輸出離合器3除了采用上述的結(jié)構(gòu)外，還可以采用其他可以進行兩個傳遞路徑切換的結(jié)構(gòu)，例如，參見圖4，該雙輸出離合器3包括與膨脹機4的輸出軸連接的中間主動齒輪lc、與發(fā)電機2連接的第一從動齒輪2c以及與制冷劑壓縮機11連接的第二從動齒輪3c，其中，所述中間齒輪可進行軸向滑動，從而可與第一從動齒輪2c或第二從動齒輪3c嚙合，從而實現(xiàn)將膨脹機4的機械能向兩個傳動路徑傳遞。類似地，所述雙輸入離合器12也可以采用同樣的結(jié)構(gòu)。[0056]參見圖1，本實施例的應(yīng)用上述液化天然氣生產(chǎn)裝置實現(xiàn)的利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)方法包括以下步驟:
[0057](I)上游高壓管網(wǎng)中的高壓天然氣經(jīng)過膨脹機4膨脹降壓降溫，然后進入換熱器5中加熱至常溫后進入下游中壓管網(wǎng)；
[0058](2)經(jīng)天然氣預(yù)處理系統(tǒng)處理后的原料天然氣經(jīng)過換熱器5預(yù)冷后，進入天然氣液化冷箱；同時，混合制冷劑循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)地向天然氣液化冷箱供給冷量，對原料天然氣進行液化，液化后的液態(tài)天然氣進入LNG儲罐存儲；
[0059](3)控制系統(tǒng)根據(jù)膨脹機4工作時的輸出功率，控制雙輸出離合器3和雙輸入離合器12工作:當(dāng)膨脹機4的輸出功率足以帶動混合制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的制冷劑壓縮機11工作時，控制系統(tǒng)控制雙輸出離合器3使膨脹機4的輸出軸與雙輸入離合器12的第二輸出端連接，同時控制雙輸入離合器12使得與雙輸出離合器3連接的第二輸入端與制冷劑壓縮機11連接，從而由膨脹機4帶動制冷劑壓縮機11工作；當(dāng)膨脹機4的輸出功率不足以帶動混合制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的制冷劑壓縮機11工作時，控制系統(tǒng)控制雙輸出尚合器3使膨脹機4的輸出軸與發(fā)電機2連接,帶動發(fā)電機2發(fā)電，同時控制雙輸入離合器12使得電機13與制冷劑壓縮機11連接，由電機13驅(qū)動制冷劑壓縮機11工作。
[0060]所述膨脹機4的輸出功率由膨脹機4的速度變送器發(fā)送給控制系統(tǒng)，制冷劑壓縮機11工作時所需要的輸入功率預(yù)先設(shè)定到控制系統(tǒng)中；控制系統(tǒng)通過比較膨脹機4的輸出功率和制冷劑壓縮機11所需的輸入功率，得出控制雙輸出離合器3和雙輸入離合器12的控制信號。
[0061]下面結(jié)合具體的例子對本實施例的利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置的工作過程作進一步的描述:
[0062]以天然氣量IOOOONm3 / h (折合7850kg / h)、20°C為例，按照西氣東輸二級調(diào)壓范圍標準，設(shè)定調(diào)壓前天然氣壓力為4.0MPa，調(diào)壓后為1.6MPa。按照天然氣液化工藝系統(tǒng)標準，凈化后進入液化系統(tǒng)的天然氣溫度為20°C，壓力為4.0MPa，液化量按照50萬m3 / d(約合 16354kg / h)。
[0063]應(yīng)用時，啟動電源后開啟第一調(diào)節(jié)閥1、第二調(diào)節(jié)閥6、第三調(diào)節(jié)閥7和第四調(diào)節(jié)閥8，并將它們的開度逐漸開到最大。關(guān)小第五調(diào)節(jié)閥9，并將它完全關(guān)閉。在下游正常用氣的情況下，20°C、4.0MPa的高壓天然氣不再經(jīng)過原有調(diào)壓管道，而是流經(jīng)旁路進入膨脹機4膨脹制冷降壓至-31 °C、1.6Mpa。
[0064]-31°C、1.6Mpa的中壓低溫天然氣進入換熱器5，與20°C、4.0Mpa的來自于預(yù)處理系統(tǒng)的待液化的天然氣進行換熱，形成15°C、1.6Mpa的中壓天然氣進入下游管網(wǎng)。
[0065]來自于預(yù)處理系統(tǒng)的20°C、4.0MPa的待液化的天然氣經(jīng)過換熱后，溫度下降至o°c，進入液化工藝系統(tǒng)。
[0066]從天然氣管網(wǎng)出來的高壓天然氣，經(jīng)過膨脹機4膨脹做功產(chǎn)生機械能183kW，由于該部分機械能尚不足以帶動天然氣液化系統(tǒng)中的制冷劑壓縮機11，PLC控制系統(tǒng)自動控制雙輸出離合器3和雙輸入離合器12將膨脹機4的動力切換至帶動發(fā)電機2發(fā)電，發(fā)出的電量供給儲存工藝中的泵等小型用電設(shè)備。
[0067]當(dāng)調(diào)壓站天然氣流量增大，調(diào)壓范圍增大，或者液化天然氣儲備庫生產(chǎn)規(guī)模變小時，上述膨脹機4產(chǎn)生的機械能將增大，而天然氣液化系統(tǒng)中制冷劑壓縮機11功率將減小，當(dāng)二者功率相匹配時，PLC控制系統(tǒng)自動控制雙輸出離合器3和雙輸入離合器12將膨脹機4的動力切換至帶動制冷劑壓縮機11工作。
[0068]實施例2
[0069]參見圖5，本實施例與實施例1的不同之處在于，調(diào)壓系統(tǒng)中，再增加一個膨脹機14和一個換熱器15，相應(yīng)地，天然氣液化系統(tǒng)的原料氣也依次通過兩個換熱器5、15進行熱交換。增加一個膨脹機和一個換熱器的作用是避免一次調(diào)壓壓差過大，使得膨脹機輸出功減少；且一次調(diào)壓壓差過大會導(dǎo)致流體降溫范圍增大而對設(shè)備造成損耗。通過增加一個膨脹機和一個換熱器實現(xiàn)兩級調(diào)壓，并采用中間冷卻的方式，可有效提高膨脹機的總輸出功率，并有效回收冷能，減少設(shè)備損耗。第二個換熱器15的兩端分別設(shè)有第六調(diào)節(jié)閥16和第七調(diào)節(jié)閥17，并且與該換熱器15并聯(lián)的管路上設(shè)有第八調(diào)節(jié)閥18。
[0070]下面結(jié)合具體的例子對本實施例的利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置及方法作進一步的描述:
[0071]以天然氣量20382Nm3 / h (折合16000kg / h)、20°C為例，按照西氣東輸二級調(diào)壓范圍標準，設(shè)定調(diào)壓前天然氣壓力為6.0MPa，調(diào)壓后為1.6MPa。分為二級調(diào)壓，采用中間再熱的流程，第一級調(diào)壓至3.2MPa，用原料天然氣加熱，再進入第二級調(diào)壓至1.6MPa。按照天然氣液化工藝系統(tǒng)標準，凈化后進入液化系統(tǒng)的天然氣溫度為20°C，壓力為4.0MPadfK量按照 12.5 萬 m3 / d(約合 4088kg / h)。
[0072]應(yīng)用時，啟動電源后開啟第一調(diào)節(jié)閥1、第二調(diào)節(jié)閥6、第三調(diào)節(jié)閥7、第四調(diào)節(jié)閥8、第六調(diào)節(jié)閥16和第七調(diào)節(jié)閥17，并將它們的開度逐漸開到最大。關(guān)小第五調(diào)節(jié)閥9和第八調(diào)節(jié)閥18，并將它完全關(guān)閉。在下游正常用氣的情況下，20°C、6.0MPa的高壓天然氣不再經(jīng)過原有調(diào)壓管道，而是流經(jīng)旁路進入第一級膨脹機4膨脹制冷降壓至-16°C、
1.6Mpa。-16°C、3.2Mpa的高壓低溫天然氣進入第一級換熱器5，與20°C、4.0Mpa的來自于預(yù)處理系統(tǒng)的待液化的天然氣進行換熱，形成-10°C、3.2Mpa的高壓天然氣進入第二級膨脹機14膨脹至-44°C、1.6MPa，進入第二級換熱器15，與_2°C、4.0MPa的原料天然氣進一步換熱，溫度升高至_33°C，最后經(jīng)過加熱器升溫至15°C，進入下游管網(wǎng)。
[0073]來自于預(yù)處理系統(tǒng)的，20°C、4.0MPa的待液化的天然氣經(jīng)過第一級換熱器5換熱后，溫度下降至_2°C ;進入第二級換熱器15換熱，溫度進一步下降至_40°C，進入液化工藝系統(tǒng)。
[0074]從天然氣管網(wǎng)出來的高壓天然氣，經(jīng)過第一級膨脹機4和第二級膨脹機14聯(lián)軸膨脹做功共產(chǎn)生機械能506kW，天然氣液化系統(tǒng)中制冷劑壓縮機11功率為500kW，功率相互匹配，PLC控制系統(tǒng)自動控制雙輸出離合器3和雙輸入離合器12將膨脹機4、14的動力切換至帶動制冷劑壓縮機11工作，同時控制電機13停止工作，節(jié)省液化工藝的大部分能耗。
[0075]當(dāng)調(diào)壓站天然氣流量減小，調(diào)壓范圍減小，或者液化天然氣儲備庫生產(chǎn)規(guī)模增大時，上述膨脹機4產(chǎn)生的機械能將減小，而天然氣液化系統(tǒng)中制冷劑壓縮機11功率將增大，當(dāng)二者功率不相匹配時，PLC控制系統(tǒng)自動控制雙輸出離合器3和雙輸入離合器12將膨脹機4、14的動力切換至帶動發(fā)電機2發(fā)電，發(fā)出的電量供工藝流程中的用電設(shè)備使用。
[0076]上述為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述內(nèi)容的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置，包括調(diào)壓系統(tǒng)和天然氣液化系統(tǒng)，其中: 所述調(diào)壓系統(tǒng)包括串接在一起的膨脹機和換熱器，其中，膨脹機一端與上游高壓管網(wǎng)的管道連接，換熱器一端與下游中壓管網(wǎng)的管道連接； 所述天然氣液化系統(tǒng)包括依次連接的天然氣預(yù)處理系統(tǒng)、換熱器以及天然氣液化冷箱，此外還包括與天然氣液化冷箱連接的混合制冷劑循環(huán)系統(tǒng)； 其特征在于，所述膨脹機的輸出軸上連接有雙輸出離合器，該雙輸出離合器的第一輸出端與發(fā)電機連接，第二輸出端與混合制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的制冷劑壓縮機連接； 所述制冷劑壓縮機的輸入軸上連接有雙輸入離合器，該雙輸入離合器的第一輸入端與電機連接，第二輸入端與所述雙輸出離合器的第二輸出端連接； 還包括控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)用于根據(jù)膨脹機的輸出功率控制雙輸出離合器使膨脹機的輸出軸與所述發(fā)電機或制冷劑壓縮機連接，并且控制雙輸入離合器使制冷劑壓縮機的輸入軸與所述電機或雙輸出離合器的第二輸出端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置，其特征在于，所述雙輸出離合器包括與膨脹機的輸出軸連接的滑動軸套、設(shè)置在滑動軸套上的中間傳動輪、設(shè)在中間傳動輪兩側(cè)的第一輸出輪和第二輸出輪以及與滑動軸套連接的滑動控制裝置，其中: 所述中間傳動輪的兩個側(cè)面上均設(shè)有摩擦片； 所述第一輸出輪構(gòu)成第一輸出端，該第一輸出輪與發(fā)電機連接；所述第二輸出輪構(gòu)成第二輸出端，該第二輸出輪與雙輸入離合器的第二輸入端連接； 所述滑動控制裝置包括氣缸以及連接頭，其中，所述連接頭連接在氣缸的活塞桿上，該連接頭上設(shè)有環(huán)形槽，所述滑動軸套的端部設(shè)有伸入到環(huán)形槽內(nèi)的環(huán)形凸起；所述氣缸與控制系統(tǒng)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置，其特征在于，所述雙輸入離合器包括與制冷劑壓縮機的輸入軸連接的滑動軸套、設(shè)置在滑動軸套上的中間傳動輪、設(shè)在中間傳動輪兩側(cè)的第一輸入輪和第二輸入輪以及與滑動軸套連接的滑動控制裝置，其中: 所述中間傳動輪的兩個側(cè)面上均設(shè)有摩擦片； 所述第一輸入輪構(gòu)成第一輸入端，該第一輸入輪與電機連接；所述第二輸入輪構(gòu)成第二輸入端，該第二輸入輪與所述雙輸出離合器中的第二輸出輪連接； 所述滑動控制裝置包括氣缸以及連接頭，其中，所述連接頭連接在氣缸的活塞桿上，該連接頭上設(shè)有環(huán)形槽，所述滑動軸套的端部設(shè)有伸入到環(huán)形槽內(nèi)的環(huán)形凸起；所述氣缸與控制系統(tǒng)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置，其特征在于，所述第一輸出輪、第二輸出輪、第一輸入輪以及第二輸入輪均為皮帶輪，所述第一輸出輪與發(fā)電機之間、第二輸出輪與第二輸入輪之間以及第一輸入輪與電機之間均通過皮帶傳動機構(gòu)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置，其特征在于，所述控制系統(tǒng)為PLC控制系統(tǒng)，該PLC控制系統(tǒng)通過導(dǎo)線與膨脹機的速度變送器連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置，其特征在于，所述調(diào)壓系統(tǒng)與調(diào)壓站原有調(diào)壓系統(tǒng)并聯(lián)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1~6任一項所述的利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置，其特征在于，所述膨脹機與上游高壓管網(wǎng)連接的管道上設(shè)有第一調(diào)節(jié)閥；所述換熱器與下游中壓管網(wǎng)連接的管道上設(shè)有第二調(diào)節(jié)閥；所述換熱器與天然氣預(yù)處理系統(tǒng)連接的管道上設(shè)有第三調(diào)節(jié)閥；所述換熱器與天然氣液化冷箱連接的管道上設(shè)有第四調(diào)節(jié)閥；在換熱器處并聯(lián)有一管路，該管路上設(shè)有第五調(diào)節(jié)閥。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)裝置，其特征在于，所述調(diào)壓系統(tǒng)包括串接在一起的兩個膨脹機和兩個換熱器。
9.一種應(yīng)用權(quán)利要求1~8任一項所述的液化天然氣生產(chǎn)裝置實現(xiàn)的利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)上游高壓管網(wǎng)中的高壓天然氣經(jīng)過膨脹機膨脹降壓降溫，然后進入換熱器中加熱至常溫后進入下游中壓管網(wǎng)； (2)經(jīng)天然氣預(yù)處理系統(tǒng)處理后的原料天然氣經(jīng)過換熱器預(yù)冷后，進入天然氣液化冷箱；同時，混合制冷劑 循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)地向天然氣液化冷箱供給冷量，對原料天然氣進行液化； (3)控制系統(tǒng)根據(jù)膨脹機工作時的輸出功率，控制雙輸出離合器和雙輸入離合器工作:當(dāng)膨脹機的輸出功率足以帶動混合制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的制冷劑壓縮機工作時，控制系統(tǒng)控制雙輸出離合器使膨脹機的輸出軸與雙輸入離合器的第二輸入端連接，同時控制雙輸入離合器使得與雙輸出離合器連接的輸入端與制冷劑壓縮機連接，從而由膨脹機帶動制冷劑壓縮機工作；當(dāng)膨脹機的輸出功率不足以帶動混合制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的制冷劑壓縮機工作時，控制系統(tǒng)控制雙輸出離合器使膨脹機的輸出軸與發(fā)電機連接，帶動發(fā)電機發(fā)電，同時控制雙輸入離合器使得電機與制冷劑壓縮機連接，由電機驅(qū)動制冷劑壓縮機工作。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的利用管道壓力能發(fā)電-制冷的液化天然氣生產(chǎn)方法，其特征在于，所述膨脹機的速度變送器將膨脹機主軸轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為標準電信號反饋至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速與輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系算得膨脹機的輸出功率；制冷劑壓縮機工作時所需要的輸入功率預(yù)先設(shè)定到控制系統(tǒng)中；控制系統(tǒng)通過比較膨脹機的輸出功率和制冷劑壓縮機所需的輸入功率，得出控制雙輸出離合器和雙輸入離合器的控制信號。
【文檔編號】F25J1/02GK103791690SQ201410058180
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月20日
【發(fā)明者】高順利, 李夏喜, 徐文東, 鄭境森, 邢琳琳, 張海梁, 潘季榮, 王慶余, 高光艷, 孫寶躍 申請人:北京市燃氣集團有限責(zé)任公司, 華南理工大學(xué)