本發(fā)明關(guān)于一種天然氣管網(wǎng)壓力能發(fā)電及冷庫方法與裝置，具體涉及管網(wǎng)天然氣壓力能膨脹發(fā)電和冷媒制冷的一體化裝置。

背景技術(shù)：

天然氣長(zhǎng)輸管道一般采用高壓輸送，在輸送過程中需經(jīng)壓氣站升至高壓輸送，而至用戶側(cè)則需降壓使用。天然氣在降壓過程中產(chǎn)生巨大的能力，目前這部分能量的有效利用已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注。

天然氣壓力能回收利用常通過膨脹機(jī)將其轉(zhuǎn)成機(jī)械能及冷能。機(jī)械能常用于發(fā)電或連軸使用，冷能常用于制冰、冷庫及冷水空調(diào)等常用冷產(chǎn)業(yè)。中國(guó)專利CN102563958A公開了一種利用管網(wǎng)天然氣壓力能發(fā)電與制冰的方法與裝置，該發(fā)明回收天然氣壓力能用于發(fā)電和制冷，電能主要一部分用于供調(diào)壓門站辦公樓和職工生活用電，剩余部分則直接帶動(dòng)壓縮制冷循環(huán)制冰，即消耗高品質(zhì)的電能用來制冰。中國(guó)專利CN104863645A公開了一種管網(wǎng)壓力能發(fā)電及冷能回收裝置，一種管網(wǎng)天然氣壓力能及冷能回收的高效利用系統(tǒng)，用以將高壓天然氣管路中的天然氣壓力能回收發(fā)電并將管網(wǎng)天然氣冷能回收制冰。此工藝壓力能回收利用裝置與冷能回收利用裝置分別撬裝，具有易安裝、易拆卸、易維護(hù)等結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，保證了原設(shè)備和新裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，但是對(duì)于冷能的利用也僅限于一種溫位。中國(guó)專利CN205025513U公開了一種天然氣管網(wǎng)壓力能回收綜合利用系統(tǒng)，該專利實(shí)現(xiàn)了天然氣膨脹發(fā)電和冷能回收，該工藝較為繁瑣，并且對(duì)于冷能的回收利用僅限于制冰，有很大的局限性。上述工藝均對(duì)天然氣管網(wǎng)壓力能回收發(fā)電及冷能回收用于制冰進(jìn)行描述，但對(duì)于制冷冷庫尤其是多溫位冷庫的應(yīng)用未進(jìn)行相關(guān)探討。

有鑒于此，現(xiàn)有技術(shù)仍存在一定的不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述工藝的不足，本發(fā)明提供了一種天然氣管網(wǎng)壓力能用于發(fā)電及冷庫方法與裝置，回收利用管網(wǎng)壓力能進(jìn)行發(fā)電并網(wǎng)，發(fā)電的同時(shí)連軸帶動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)作，在實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力能發(fā)電的同時(shí)帶動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，減少了單獨(dú)使用壓縮機(jī)時(shí)的外部所需提供的能耗；同時(shí)該裝置實(shí)現(xiàn)兩種不同溫位的冷庫的供冷，極大的適應(yīng)市場(chǎng)的需求。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案為：

一種天然氣管網(wǎng)壓力能用于發(fā)電及冷庫裝置，其中，包括膨脹發(fā)電系統(tǒng)和冷媒制冷系統(tǒng)；

所述膨脹系統(tǒng)包括通過管路依次連接在高壓管網(wǎng)和低壓管網(wǎng)之間的控制閥(1)，流量計(jì)(2)，膨脹機(jī)(3)，換熱器(17)，復(fù)熱器(18)，控制閥(4)，連接在膨脹機(jī)(3)之后的還有雙軸發(fā)電機(jī)(5)，變壓同步器(6)；

所述冷媒制冷系統(tǒng)依靠管路依次連接形成冷媒循環(huán)回路，其中循環(huán)管路依次流經(jīng)調(diào)節(jié)閥(9)，換熱器(17)，分流器(10)，控制閥(11)，高溫冷庫(12)，控制閥(15)，流量計(jì)(16)；另外一路冷媒制冷循環(huán)依靠管路依次流經(jīng)分流閥(10)，節(jié)流閥(13)，低溫冷庫(14)，壓縮機(jī)(8)，控制閥(15)，流量計(jì)(16)；兩路冷媒制冷管路于緩沖罐(7)處合并形成回路；

優(yōu)選的，所述的一種天然氣管網(wǎng)壓力能用于發(fā)電及冷庫裝置，其中：所述膨脹機(jī)為透平膨脹機(jī)、螺桿膨脹機(jī)；

優(yōu)選的，所述的一種天然氣管網(wǎng)壓力能用于發(fā)電及冷庫裝置，其中：所述變壓同步器為三相變壓同步器；

優(yōu)選的，所述的一種天然氣管網(wǎng)壓力能用于發(fā)電及冷庫裝置，其中：所述雙軸發(fā)電機(jī)為隔爆永磁發(fā)電機(jī)；

優(yōu)選的，所述的一種天然氣管網(wǎng)壓力能用于發(fā)電及冷庫裝置，其中：所述換熱器為管殼式換熱器，高溫制冷劑走殼程，膨脹后的低溫天然氣走管程；

優(yōu)選的，所述的一種天然氣管網(wǎng)壓力能用于發(fā)電及冷庫裝置，其中：壓縮機(jī)為透平壓縮機(jī)或螺桿壓縮機(jī)等常規(guī)壓縮設(shè)備；

優(yōu)選的，所述的一種天然氣管網(wǎng)壓力能用于發(fā)電及冷庫裝置，其中：膨脹后的天然氣和壓縮后的冷媒換熱后，經(jīng)分流器分為兩路，一路直接給高溫冷庫供冷，另一路經(jīng)節(jié)流閥膨脹之后給低溫冷庫供冷，使冷媒制冷系統(tǒng)包含兩種不同溫位的冷庫，并可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整；

優(yōu)選的，所述的一種天然氣管網(wǎng)壓力能用于發(fā)電及冷庫裝置，其中：所述冷媒為R404a、R134a、R22、CO₂等常用冷媒；

優(yōu)選的，所述的一種天然氣管網(wǎng)壓力能用于發(fā)電及冷庫裝置，其中：所述膨脹機(jī)后連接雙軸發(fā)電機(jī)，連軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)及壓縮機(jī)；

一種天然氣管網(wǎng)壓力能用于發(fā)電及冷庫方法，應(yīng)用所述的天然氣管網(wǎng)壓力能用于發(fā)電及冷庫裝置，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

S100、高壓天然氣流經(jīng)第一控制閥(1)，第一流量計(jì)，膨脹機(jī)(3)膨脹發(fā)電，膨脹后的天然氣溫度降低，膨脹發(fā)電部分通過變壓同步器(6)用于輸出，同時(shí)帶動(dòng)壓縮機(jī)(8)；

膨脹后的天然氣與換熱器(17)中的冷媒進(jìn)行換熱，使換熱后的天然氣經(jīng)復(fù)熱器加熱后，溫度達(dá)到要求，然后經(jīng)過第二控制閥(4)進(jìn)入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)；

S200、流經(jīng)換熱器的制冷劑經(jīng)過換熱器(17)，然后流經(jīng)(10)分流器分成兩路，一路流經(jīng)第三控制閥(11)，高溫冷庫(12)，第四控制閥(15)，第二流量計(jì)(16)，緩沖罐(7)；另一路流經(jīng)節(jié)流閥(13)，低溫冷庫(14)，壓縮機(jī)(8)，第四控制閥，第二流量計(jì)(16)，然后和第一路制冷劑混合在一起進(jìn)入緩沖罐(7)，隨后流經(jīng)第五控制閥(9)一起流經(jīng)換熱器(17)與膨脹發(fā)電后的天然氣進(jìn)行換熱。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較有以下的優(yōu)異效果:

1、實(shí)現(xiàn)能源有效利用。本發(fā)明回收了原本天然氣管道中浪費(fèi)的壓力能；其次膨脹降溫后的低溫天然氣與壓縮后的冷媒在管殼式換熱器換熱，不僅節(jié)約了原有工藝中提升調(diào)壓后低溫天然氣的溫度所耗費(fèi)的能量和設(shè)備，而且也節(jié)省了冷媒制冰所需的冷量。

2、能源利用率高，可以實(shí)現(xiàn)不同溫位的冷庫供冷。通過膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)和壓縮機(jī)的聯(lián)軸，實(shí)現(xiàn)膨脹發(fā)電與壓縮制冷一體化，視輸出功的大小有效利用電能，大大提升能源綜合利用率；其次該裝置中能實(shí)現(xiàn)兩種不同溫位的冷庫，能夠?qū)崿F(xiàn)不同食品、海鮮或者設(shè)備的冷凍保藏，極大的適應(yīng)市場(chǎng)的需求。

3、工藝流程簡(jiǎn)單，安全穩(wěn)定性高。利用載冷劑作為冷量傳遞介質(zhì)，分級(jí)回收天然氣膨脹后的冷能，同時(shí)也保證了天然氣調(diào)壓站和天然氣壓力能回收綜合利用系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

4、易于推廣使用。該工藝可實(shí)現(xiàn)發(fā)電和制冷一體化，工藝流程簡(jiǎn)單?？山ㄔ趯?duì)冷市場(chǎng)需求較大的地方，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的天然氣管網(wǎng)壓力能用于發(fā)電及冷庫裝置的示意圖。

圖2為本發(fā)明的天然氣管網(wǎng)壓力能用于發(fā)電及冷庫方法的流程示意圖。

其中1—第一控制閥，2—第一流量計(jì)，3—膨脹機(jī)，4—第二控制閥，5—發(fā)電機(jī)，6—變壓同步器，7—緩沖罐，8—壓縮機(jī)，9—第五控制閥，10—分流器，11—第三控制閥，12—高溫冷庫，13—節(jié)流閥，14—低溫冷庫，15—第四控制閥，16—第二流量計(jì)，17—換熱器，18—復(fù)熱器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)例和工藝流程圖(見圖1)做進(jìn)一步說明。如圖1所示，一種天然氣管網(wǎng)壓力能發(fā)電及冷庫方法與裝置，包括膨脹機(jī)發(fā)電系統(tǒng)和冷媒制冷系統(tǒng)；

所述膨脹系統(tǒng)包括通過管路依次連接在高壓管網(wǎng)和低壓管網(wǎng)之間的控制閥1、流量計(jì)2、膨脹機(jī)3、換熱器17、復(fù)熱器18、控制閥4，其中膨脹機(jī)3后端還連接雙軸發(fā)電機(jī)5，變壓同步器6；所述透平膨脹機(jī)3的輸出軸連接雙軸發(fā)電機(jī)6的一軸，所述雙軸發(fā)電機(jī)6的電力供場(chǎng)地設(shè)備使用或者通過變壓同步器向外供電；

所述冷媒制冷系統(tǒng)依靠管路依次連接形成冷媒循環(huán)回路，其中循環(huán)管路依次流經(jīng)換熱器17、分流器10、第五控制閥11、高溫庫12、第四控制閥15、第二流量計(jì)16，緩沖罐7；另外一路冷媒制冷循環(huán)依靠管路依次流經(jīng)分流器10、節(jié)流閥13、低溫庫14、壓縮機(jī)8、第四控制閥15、第二流量計(jì)16，緩沖罐7，形成兩種不同溫位的冷庫。

進(jìn)一步地，所述雙軸發(fā)電機(jī)5為隔爆永磁發(fā)電機(jī)，安全可靠、穩(wěn)定性高。

進(jìn)一步地，所述變壓同步器6為三相變壓同步器，具有體積小、重量輕、維護(hù)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。

進(jìn)一步地，所述換熱器為管殼式換熱器17，膨脹后的低溫天然氣流經(jīng)換熱器與經(jīng)壓縮機(jī)壓縮的高溫冷媒進(jìn)行換熱,高溫冷媒走殼層，膨脹后的天然氣走管層，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，換熱效果好等優(yōu)點(diǎn)。

進(jìn)一步地，所述膨脹機(jī)3為透平膨脹機(jī)、螺桿膨脹機(jī)，具體需根據(jù)不同的工況選擇合適的膨脹機(jī)。

進(jìn)一步地，所述的冷媒制冷系統(tǒng)包含兩種不同溫位的冷庫，能夠?qū)崿F(xiàn)不同食品、海鮮或者設(shè)備的冷凍保藏，可滿足不同溫位冷產(chǎn)品需冷要求，極大的適應(yīng)市場(chǎng)的需求。

進(jìn)一步地，所述冷媒為R404a、R134a、R22、CO₂等常用冷媒。

進(jìn)一步地，所述膨脹機(jī)后接雙軸發(fā)電機(jī)，連軸帶動(dòng)壓縮機(jī)，在實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力能發(fā)電的同時(shí)帶動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，減少了單獨(dú)使用壓縮機(jī)時(shí)的外部所需提供的能耗。

應(yīng)用所述裝置的天然氣管網(wǎng)壓力能用于發(fā)電及冷庫方法，如圖2所示，包括如下步驟：

S100、高壓天然氣流經(jīng)第一控制閥1，第一流量計(jì)2，膨脹機(jī)3膨脹發(fā)電，膨脹后的天然氣溫度降低，膨脹發(fā)電部分通過變壓同步器6用于輸出，同時(shí)帶動(dòng)壓縮機(jī)8；

膨脹后的天然氣與換熱器17中的冷媒進(jìn)行換熱，使換熱后的天然氣經(jīng)復(fù)熱器加熱后，溫度達(dá)到要求，然后經(jīng)過第二控制閥4進(jìn)入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)；

S200、經(jīng)換熱器的制冷劑經(jīng)過換熱器17，然后流經(jīng)10分流器分成兩路，一路流經(jīng)第三控制閥11，高溫冷庫12，第四控制閥15，第二流量計(jì)16，緩沖罐7；另一路流經(jīng)節(jié)流閥13，低溫冷庫14，壓縮機(jī)8，第四控制閥，第二流量計(jì)16，然后和第一路制冷劑混合在一起進(jìn)入緩沖罐7，隨后流經(jīng)第五控制閥9一起流經(jīng)換熱器17與膨脹發(fā)電后的天然氣進(jìn)行換熱。

某門站天然氣調(diào)壓前相關(guān)參數(shù)為20℃、4.0MPa、50000Nm³/h，調(diào)壓后天然氣壓力為1.2MPa。該地有周邊有豬肉類和瓜果類需冷產(chǎn)業(yè)，需要庫容為5000m³，溫位為-5℃左右的冷庫及庫容為5000m³，溫位為-30℃左右的冷庫進(jìn)行保冷保鮮。

根據(jù)上述項(xiàng)目背景進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，本方案中所用的制冷劑為R404a，膨脹機(jī)3選用透平膨脹機(jī)，膨脹效率約為0.78，發(fā)電機(jī)5選用防爆型的異步發(fā)電機(jī)，換熱器17為管殼式特型設(shè)備，所用壓縮機(jī)7為螺桿式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的機(jī)械效率為0.78，具體實(shí)施方案如下。

現(xiàn)有30000Nm³/h的高壓管網(wǎng)天然氣20℃、4.0MPa的天然氣經(jīng)透平膨脹機(jī)膨脹3至1.2MPa，天然氣的溫度降低至-45℃；-45℃的低溫天然氣與換熱器17中的制冷劑R404a換熱，天然氣的溫度升高至-8℃后，在經(jīng)過復(fù)熱器18，達(dá)到要求后并入城市低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)；1℃、0.5MPa、139000kg/h的冷媒R404a，換熱后的溫度為-7℃，然后流經(jīng)分流器10，第一路為8757kg/h，經(jīng)過第三控制閥11，隨后給-5℃高溫冷庫12供冷；另一管路為5143kg/h，經(jīng)過節(jié)流膨脹后溫度可達(dá)到-32℃左右，然后給-30℃低溫冷庫14供冷，隨后通過壓縮機(jī)8壓縮后，壓力增加至0.5MPa，隨后和第一路管道的冷媒在緩沖罐中混合在一起，混合后的壓力為0.5MPa、溫度為1℃隨后流經(jīng)調(diào)節(jié)閥9，經(jīng)過換熱器17形成整個(gè)回路。

整個(gè)工藝中換熱器所需的換熱面積為7180m²，第一路制冷劑能提供442kW的冷量，可供應(yīng)5000t溫位為-5℃的冷庫；第二路制冷劑能提供231kW的冷量，可供5000t溫位-30℃的冷庫存儲(chǔ)保鮮。

本工藝運(yùn)用天然氣管網(wǎng)壓力能發(fā)電及冷庫方法與裝置發(fā)電能產(chǎn)生1220kW電能，壓縮機(jī)需耗功26kW。以全年運(yùn)行時(shí)間8600h，電費(fèi)0.8元/kWh計(jì)算，本工藝總節(jié)能效益為820萬元/年。

本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅為清楚說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所述領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化或變動(dòng)。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。