利用天然氣壓力能的制冷系統的制作方法

本申請涉及能源領域，具體而言，涉及一種利用天然氣壓力能的制冷系統。

背景技術：

天然氣是目前全球廣泛采用的一種清潔能源，為滿足長距離輸送天然氣的需要，需要加高壓，例如，西氣東輸一線、二線的輸氣管線壓力分別為4.0mpa與10mpa，如此高壓力的天然氣輸送到各地接收門站，一般都需要根據用戶要求在天然氣調壓站進行降壓。對于城市燃氣管網來說，一般降至中壓范圍。

例如，西氣東輸一線的年供氣能力已逾120億立方米，西氣東輸二線線設計的年供氣能力為300億立方米，若不考慮由于高壓天然氣輸送過程中由于補充壓力而造成的天然氣損失，僅西氣東輸一線由4.0mpa調1.6mpa這一壓力等級即可回收802億千瓦，二線由10mpa調到4mpa這一壓力等級可回收能量更大。但是目前，上述的天然氣壓力差對應的壓力能沒有被有效回收利用。

技術實現要素：

本申請的主要目的在于提供一種利用天然氣壓力能的制冷系統，以解決現有技術中不能有效利用天然氣壓力能的問題。

為了實現上述目的，根據本申請的一個方面，提供了一種利用天然氣壓力能的制冷系統，該制冷系統包括：發電裝置，與高壓天然氣管路連接，上述發電裝置利用高壓天然氣發電，得到降溫且降壓的天然氣；至少一個第一換熱器，各上述第一換熱器包括第一熱氣入口、第一冷氣入口、第一熱氣出口與第一冷氣出口，上述第一熱氣入口與空氣源設備連通，上述第一冷氣入口與上述發電裝置的氣體出口連通，上述第一熱氣出口與低壓天然氣源設備的入口連通，上述第一冷氣出口與燃燒機的助燃氣進口連通，各上述第一換熱器用于將上述空氣源設備中的空氣與發電機輸出的降溫降壓的天然氣進行換熱。

進一步地，上述制冷系統還包括：至少一個增壓裝置，各上述增壓裝置的入口與上述低壓天然氣源設備的出口連通，各上述增壓裝置的出口與上述高壓天然氣管路連通，上述增壓裝置用于對上述低壓天然氣源設備輸出的低壓天然氣進行增壓。

進一步地，上述增壓裝置包括：壓縮機，上述壓縮機的入口與上述低壓天然氣源設備的出口連通，用于壓縮上述低壓天然氣，得到高壓天然氣。

進一步地，各上述增壓裝置還包括：冷卻器，與上述壓縮機的出口連通，用于對上述壓縮機輸出的上述高壓天然氣進行降溫。

進一步地，上述冷卻器為空冷器。

進一步地，上述高壓天然氣管路包括：第一輸送段，與上述冷卻器的出口連通；第二換熱器，包括第二冷氣入口、第二熱氣入口、第二冷氣出口與第二熱氣出口，上述第二冷氣入口與上述發電裝置的氣體出口連通，上述第二熱氣入口通過上述第一輸送段與上述冷卻器的出口連通，上述第二熱氣出口與上述低壓天然氣源設備的入口連通，上述第二換熱器用于將降溫降壓的上述天然氣與上述冷卻器輸出的高壓天然氣進行換熱；第二輸送段，與上述第二冷氣出口連接。

進一步地，上述第一輸送段還與上述發電裝置的氣體入口連通。

進一步地，上述發電裝置包括：膨脹機，與上述高壓天然氣管路連接；減速齒輪箱，與上述膨脹機軸連接；發電機，與上述減速齒輪箱連接。

進一步地，上述燃燒機為燃氣輪機。

進一步地，上述助燃氣進口為空氣進口。

應用本申請的技術方案，一方面，利用天然氣的壓差進行發電；另一方面，并將發電后產生的低溫天然氣用于對待進入燃氣機的助燃氣進行降溫，進入燃氣機的助燃氣(例如空氣)的溫度越低，其輸出的功率就越高，因此，本申請中的制冷系統不僅能夠有效利用天然氣的壓差能，還能提升燃氣機的輸出功率，降低高壓天然氣輸送溫度，保證高壓天然氣的輸送安全。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。在附圖中：

圖1示出了本申請的一種實施例提供的利用天然氣壓力能的制冷系統的結構示意圖；以及

圖2示出了本申請的另一種實施例提供的利用天然氣壓力能的制冷系統的結構示意圖。

其中，上述附圖包括以下附圖標記：

1、低壓天然氣源設備；2、增壓裝置；3、發電裝置；4、高壓天然氣管路；5、第一換熱器；6、燃燒機；7、空氣源設備；21、壓縮機；22、冷卻器；41、第一輸送段；42、第二換熱器；43、第二輸送段。

具體實施方式

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括復數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術所介紹的，現有技術中不能很好地利用壓差能，為了解決如上的技術問題，本申請提出了一種利用天然氣壓力能的制冷系統。

本申請的一種典型的實施方式中，提供了一種利用天然氣壓力能的制冷系統，如圖1與圖2所示，該系統包括發電裝置3與至少一個第一換熱器5，其中，發電裝置3與高壓天然氣管路4連接，上述發電裝置3利用由高壓天然氣管路4送入其內的高壓天然氣發電，且高壓天然氣變為降溫且降壓的天然氣；各第一換熱器5包括第一熱氣入口、第一冷氣入口、第一熱氣出口與第一冷氣出口，上述第一熱氣入口與空氣源設備7連通，上述第一冷氣入口與發電裝置3的氣體出口連通，也就是說，由發電機輸出的天然氣的至少一部分作為冷源進入到第一換熱器中，上述第一熱氣出口與低壓天然氣源設備1的入口連通，上述第一冷氣出口與燃燒機6的助燃氣進口連通，上述第一換熱器5用于將上述空氣源設備7中的空氣與發電機輸出的降溫降壓的天然氣進行換熱，其中，空氣作為熱源，降溫降壓的天然氣作為冷源，二者換熱得到降溫的空氣與升溫的天然氣。

應用本申請的技術方案，一方面，利用天然氣的壓差進行發電；另一方面，并將發電后產生的低溫天然氣用于對待進入燃氣機的助燃氣進行降溫，進入燃氣機的助燃氣例如空氣的溫度越低，其輸出的功率就越高，因此，本申請中的制冷系統不僅能夠有效利用天然氣的壓差能，還能提升燃氣機的輸出功率，降低高壓天然氣輸送溫度，保證高壓天然氣的輸送安全。

本申請的一種實施例中，如圖1與圖2所示，本申請的制冷發電系統中還包括至少一個增壓裝置2，各增壓裝置2的入口與上述低壓天然氣源設備1的出口連通，各上述增壓裝置2的出口與上述高壓天然氣管路4連通，各上述增壓裝置2用于對上述低壓天然氣源設備1輸出的低壓天然氣進行增壓。通過增壓裝置對低壓天然氣的增壓，使得低壓天然氣變為高壓天然氣，進而進一步滿足天然氣的長距離輸送要求。

為了以簡單的方式將低壓天然氣轉變為高壓天然氣，本申請的一種實施例中，如圖1所示，各上述增壓裝置2包括壓縮機21，上述壓縮機21的入口與上述低壓天然氣源設備1的出口連通，用于壓縮上述低壓天然氣，得到高壓天然氣。

本申請的另一種實施例中，如圖1所示，各上述增壓裝置2還包括冷卻器22，該冷卻器22與上述壓縮機21的出口連通，用于對上述壓縮機21輸出的上述高壓天然氣進行降溫。由于壓縮機在將低壓天然氣轉變為高壓天然氣的同時，將天然氣的溫度升高了，而天然氣輸送至首站的最高溫度一般不超過50℃，這主要是對管線的強度、內外涂層和陰極保護效果有影響。所以，利用冷卻器對天然氣進行降溫，進一步保護了管線、內外涂層以及陰極，保證了天然氣的安全運輸，延長了天然氣運輸設備的壽命。

本申請中的冷卻器可以采用現有技術中的任何一種冷卻器，本領域技術人員可以根據實際情況選擇合適的冷卻器對經過壓縮機的天然氣進行冷卻。一種具體的實施例中，本申請的冷卻器為空冷器。

為了進一步降低高壓天然氣的溫度，進而保證天然氣的安全運輸，本申請的一種實施例中，如圖1與圖2所示，上述高壓天然氣管路4包括第一輸送段41、第二換熱器42與第二輸送段43，其中，第一輸送段41與上述冷卻器22的出口連通，用于運送由冷卻器輸出的高壓天然氣；第二換熱器42包括第二冷氣入口、第二熱氣入口、第二冷氣出口與第二熱氣出口，上述第二冷氣入口與上述發電裝置3的氣體出口連通，也就是說，由發電裝置的氣體出口輸出的低溫的天然氣一部分作為冷源進入到第一換熱器中，另一部分作為冷源進入到第二換熱器中，上述第二熱氣入口通過第一輸送段41與上述冷卻器22的出口連通，上述第二熱氣出口與上述低壓天然氣源設備1的入口連通，上述第二換熱器42用于將降溫降壓的上述天然氣與冷卻器22輸出的高壓天然氣進行換熱，得到降溫的高壓天然氣與升溫的天然氣，即該換熱器的設置是為了進一步降低高溫天然氣的溫度，進而進一步保證天然氣的安全運輸，并且，該第二換熱器的冷氣入口與發電裝置的氣體出口連通，也就是說利用發電裝置得到的低溫天然氣對高壓天然氣進行降溫，進一步對天然氣的壓差能進行了有效利用；第二輸送段43與上述第二冷氣出口連接，用于運輸得到的低溫高壓天然氣。

為了使得由冷卻器輸出的高壓天然氣能夠獲得更好的降溫效果，本申請的一種實施例中，上述第二冷氣入口不僅與發電裝置的氣體出口連通，還與其他儲存冷源氣體的設備連通，這樣可以更高效且對更多的高壓天然氣進行降溫。

本申請中的一種實施例中，如圖1所示，上述第一輸送段41還與上述發電裝置3的氣體入口連通。

本申請的發電裝置可以是現有技術中的任何一種發電裝置，本領域技術人員可以根據實際情況選擇合適的發電裝置。

本申請的一種實施例中，上述發電裝置包括膨脹機、減速齒輪箱與減速齒輪箱，其中，膨脹機與上述高壓天然氣管路連接；減速齒輪箱與上述膨脹機軸連接；發電機與上述減速齒輪箱連接。由冷卻器的出口輸出的部分高壓天然氣通過調壓閥穩壓后進入膨脹機，通過壓差推動膨脹機葉輪高速旋轉(最高速達40000rpm)，膨脹機軸連接減速齒輪箱，減速到1500rpm帶動與之相連的發電機發電，經膨脹機后的天然氣溫度降低到20～-20℃之間，降溫后的天然氣與空氣和/或高壓天然氣換熱，溫度升高至10～30℃以上。

本申請中的燃燒機可以是現有技術中的任何一種燃燒機，本領域技術人員可以根據實際情況選擇合適的燃燒機。

具體的一種實施例中，為了更好地利用天然氣的壓差能，上述燃燒機為燃氣輪機，燃氣輪機的出力和效率與助燃氣(一般是空氣)進氣溫度密切相關，隨著進氣溫度降低機組的進密度以及質量流量等升高，發電機的輸出功率也就越大，效率也上有所提高。燃氣輪機的出力與助燃氣的進氣溫度成反比，進氣溫度每降低1℃出力增加1％。燃氣輪機的額定工況是在iso標準下制定的，即：進氣溫度15℃，相對濕度60％。而在我國的大部分地區，尤其是南方，比如重慶，夏季日平均溫度較高，最高可達40℃多，而此時恰恰是用電高峰期，燃氣輪機需要全力運行調峰。如此高的進氣溫度使燃氣輪機的功率大幅下降，效率也降低。因此，對進氣助燃氣的冷卻就顯得尤為重要。

本申請的一種實施例中，上述助燃氣進口為空氣進口，即燃氣機中的助燃氣為空氣。這樣可以降低燃燒成本且取材方便。但是，本申請中的助燃氣并不限于空氣，可以是其他氣體例如氧氣等，本領域技術人員可以根據實際情況選擇合適的氣體作為助燃氣。

另外，也可以使用備用的增壓裝置進行膨脹發電，利用降溫后天然氣冷卻高壓天然氣和/或待進入燃燒機的空氣。具體如圖2所示，該制冷系統包括兩個增壓裝置與兩個不同的高壓天然氣管路4，其中一個增壓裝置與發電裝置連通，該增壓裝置稱為備用增壓裝置，另一個稱為工作增壓裝置，每個增壓裝置中均包括壓縮機21、冷卻器22，發電裝置一端通過一個高壓天然氣管路4與備用增壓裝置連通，另一端與低壓天然氣源設備1連通，這兩個增壓裝置可以共用一個低壓天然氣源設備1，也可以分別與一個低壓天然氣源設備1連通。

且該系統包括兩個第一換熱器5，一個第一換熱器5的出口與備用增壓裝置的入口連通，該第一換熱器5稱為備第一換熱器，另一個第一換熱器5與工作增壓裝置的入口連通，該第一換熱器5稱為工第一換熱器。這兩個第一換熱器5的第一冷氣入口均與發電裝置3的氣體出口連通，二者的第一熱氣入口均與空氣源設備7連通，具體地，可以如圖2所示，分別與一個空氣源設備7連通，也可以與一個空氣源設備7連通。

該系統中與備用增壓裝置連通的高壓天然氣管路4稱為備高壓天然氣管路，與工作增壓裝置連通的高壓天然氣管路4稱為工高壓天然氣管路，工高壓天然氣管路包括第一輸送段、一個第二換熱器42與第二輸送段43，且該第二換熱器42也與發電裝置3的氣體出口連通。

上述系統中，備用增壓裝置中，低壓天然氣經過備用增壓裝置的壓縮機21與冷卻器22后進入發電裝置3中發電，在工作增壓裝置中，低壓天然氣經過壓縮機21與冷卻器22后直接進入第二換熱器42中。

在發電裝置3中被利用發電部分的天然氣發電后變為降溫降壓的天然氣，這部分天然氣分為三部分，第一部分與第二部分分別進入備第一換熱器與工第一換熱器中，對待進入燃燒機的空氣進行降溫，第三部分進入到第二換熱器42中，與高溫天然氣進行換熱進而對其降溫。

為了使得本領域技術人員可以更加清楚地了解本申請的技術方案，以下將結合具體的實施例來說明本申請的技術方案。

實施例1

采用圖1所示的制冷系統對天然氣的壓差能進行利用，其中，冷卻器為空冷器，發電裝置包括膨脹機、減速齒輪箱、發電機與油站，高壓天然氣管路包括第一輸送段、第二換熱器與第二輸送段，且膨脹機的氣體入口通過第一輸送段與冷卻器的出口連通。燃燒機為燃氣輪機，且助燃氣為空氣。

低壓天然氣源設備中的低壓天然氣6mpa、36℃(40萬標方/天)首先進入壓縮機，壓縮后得到10mpa、87℃的高壓天然氣，高壓天然氣進入空冷器降溫，冷卻至50℃后，部分高壓天然氣進入到第二換熱器中與冷源氣體進行換熱，降溫后的高壓天然氣直接運輸出去；另一部分的高壓天然氣進膨脹機，發電500kw，出膨脹機，膨脹后的天然氣溫度從50℃降至18℃，壓力由10mpa降至6.05mpa。

降溫后的低溫天然氣分為兩部分，一部分低溫天然氣進入第一換熱器對空氣降溫，低溫天然氣的溫度從18℃升至28℃，高溫空氣的溫度從35℃降至20℃，降溫后的空氣進入燃氣輪機中與燃料混合燃燒，升溫的天然氣再進入壓縮機進口天然氣管網中；另一部分低溫天然氣進入第二換熱器中用于冷卻由空冷器輸出的高壓天然氣，低溫天然氣的溫度從18℃升至39℃，且再進入壓縮機的進口天然氣管網中，高壓天然氣的溫度從50℃降至40℃且滿足運輸要求。

實施例2

采用圖2所示的制冷系統對天然氣的壓差能進行利用，其中，各冷卻器均為空冷器，發電裝置包括膨脹機、減速齒輪箱、發電機與油站，與工作增壓裝置連通的高壓天然氣管路包括第一輸送段、第二換熱器與第二輸送段，且膨脹機的氣體入口與冷卻器的出口連通。燃燒機為燃氣輪機，且助燃氣為空氣。與備第一換熱器連通的燃氣輪機為備燃氣輪機，與工第一換熱器連通的燃氣輪機為工燃氣輪機，具體的結構的連接關系可以參見上文中對圖2的描述。

低壓天然氣源設備中的低壓天然氣6mpa、36℃(40萬標方/天)進入備用增壓裝置中，經過壓縮機壓縮后得到10mpa、87℃的高壓天然氣，高壓天然氣進入空冷器降溫，冷卻至50℃后全部進入膨脹機中發電，發電500kw，出膨脹機，膨脹后的天然氣溫度從50℃降至18℃，壓力由10mpa降至6.05mpa。進而得到降溫厚度低溫天然氣，這部分天然氣分為三部分，且其中的兩部分分別進入備第一換熱器與工第一換熱器中，與待進入汽輪機的空氣進行換熱，換熱后的低溫天然氣的溫度從18℃升至28℃，高溫空氣的溫度從35℃降至20℃，降溫后的空氣分別對應進入備燃氣輪機與工燃氣輪機中與燃料混合燃燒，升溫的天然氣均進入備用增壓裝置中的壓縮機進口天然氣管網中，第三部分低溫天然氣進入第二換熱器中。

低壓天然氣源設備中的低壓天然氣6mpa、36℃(40萬標方/天)進入工作增壓裝置，經過工作增壓裝置中的壓縮機壓縮后得到10mpa、87℃的高壓天然氣，高壓天然氣進入工作增壓裝置中的空冷器降溫，降溫后的天然氣經過第一輸送段進入第二換熱器中，與進入第二換熱器中的低溫天然氣換熱，低溫天然氣的溫度從18℃升至39℃，且再進入備用增壓裝置的壓縮機的進口天然氣管網中，高壓天然氣的溫度從50℃降至40℃且滿足運輸要求。

上述的兩個制冷系統不僅有效利用了天然氣的壓差進行發電，還充分利用了天然氣調壓發電所產生的冷能，即將發電所產生的冷能用于對天然氣以及空氣的降溫，提高了燃氣機的效率且滿足了高壓天然氣安全輸送要求，且降低了增壓裝置中對冷卻器的投資和能耗。

從以上的描述中，可以看出，本申請上述的實施例實現了如下技術效果：

本申請的制冷系統，一方面，利用天然氣的壓差進行發電；另一方面，并將發電后產生的低溫天然氣用于對待進入燃氣機的助燃氣進行降溫，進入燃氣機的助燃氣(例如空氣)的溫度越低，其輸出的功率就越高，因此，本申請中的制冷系統不僅能夠有效利用天然氣的壓差能，還能提升燃氣機的輸出功率，降低高壓天然氣輸送溫度，保證高壓天然氣的輸送安全。

以上所述僅為本申請的優選實施例而已，并不用于限制本申請，對于本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護范圍之內。