天然氣壓差發電及能量梯級利用耦合系統及使用方法
【專利摘要】天然氣壓差發電及能量梯級利用耦合系統及使用方法。通常通過采氣樹對開采的天然氣進行降壓處理，采氣樹多為節流閥組成，在節流過程中，雖然壓力降低了，但其所蘊含的壓力能也被大量浪費掉了。本發明方法包括：天然氣壓差能量冷電回收組（1），所述的天然氣壓差能量冷電回收組由單級或者多級串聯的天然氣壓差能量冷電回收裝置（2）組成，所述的天然氣壓差能量冷電回收組與汽輪機（3）連接，所述的汽輪機與余熱發電機（4）以及鍋爐（5）連接，所述的鍋爐通過增壓泵（6）與所述的天然氣壓差能量冷電回收組連接，所述的鍋爐還與燃氣輪機（7）連接。本發明用于天然氣壓差發電及能量梯級利用耦合系統。
【專利說明】
天然氣壓差發電及能量梯級利用耦合系統及使用方法
[0001 ] 技術領域:
本發明涉及一種天然氣壓差發電及能量梯級利用耦合系統及使用方法。
[0002]【背景技術】:
天然氣開采過程中，從地底釋放出來的天然氣，帶有較高的壓力能，一般達到30 MPa到100 MPa，經過調壓站分配的天然氣壓力在6MPa左右，實際用戶管線的壓力在0.4MPa。通常通過采氣樹對開采的天然氣進行降壓處理，采氣樹多為節流閥組成。在節流過程中，雖然壓力降低了，但其所蘊含的壓力能也被大量浪費掉了。
[0003]從油氣開發的處理工藝上來說，節流降壓的處理方式浪費了很大一部分天然氣壓力能量。為了利用天然氣所蘊藏的壓力勢能，最有效的方法是采用高壓天然氣膨脹產生機械功的轉化方式替代節流降壓過程，將天然氣的壓能轉化為機械能進行發電或者作為其他源動力。這樣不僅能夠產生新能源，而且綠色環保，產生的經濟效益和社會效益將非常可觀。
[0004]目前天然氣壓力能的利用方式主要有發電和制冷兩大類。
[0005]一是利用高壓天然氣膨脹驅動發電機發電。這種技術一般要在天然氣膨脹前將氣預熱，保證天然氣膨脹后的溫度在10°C以上，從而防止天然氣中的水汽凝結。二是利用高壓天然氣膨脹降溫，獲得冷能，用于制冷、冷卻或冷凍等方面。
[0006]通過對國內外現有專利的檢索，目前國內外已公開的利用天然氣壓力能的專利，具有代表性的包括:
美國專利(US20090272115A1)公開了一種利用膨脹機輸出機械功驅動同軸發電機發電，但該專利未涉及低溫天然氣冷能的利用。美國專利(CN1179198A)，提供了一種“利用天然氣管道中過剩壓力發電的設備和方法”，通過使有壓氣體在流入位于裝滿液體的容器，氣體會置換容器中的一部分液體，產生的浮力會使貯槽向上運動并使浮力轉換成旋轉能。我國專利(CN 101245956A)公開了一種利用天然氣壓力能制冷的普適性方法。我國專利(CN101852529 A)公開了一種利用天然氣管網壓力能高效利用的方法及裝置，該方法涉及了一種壓力能制冷用于冷庫和冷水空調工藝。我國專利(CN102383870A)公開了一種“自適應后端負荷變化的天然氣壓差發電系統”，其包括負荷自動旁路降壓穩壓系統和天然氣壓差發電系統。
[0007]以上專利多數是針對發電或制冷某一單項用途，同時專利所提方法較為理論化，屬于天然氣壓差能應用的原則性思路和方法，具體可實用、涉及壓差能量綜合利用的技術專利還不多見。
[0008]因此，有必要針對上述問題和現有工業需求，開發能更加充分利用天然氣壓差能量、適應發電冷卻等多種供能需求的、綠色環保高效的天然氣壓差能量利用裝置和技術。
[0009]
【發明內容】
:
本發明的目的是提供一種天然氣壓差發電及能量梯級利用耦合系統及使用方法。
[0010]上述的目的通過以下的技術方案實現:
一種天然氣壓差發電及能量梯級利用耦合系統，其組成包括:天然氣壓差能量冷電回收組，所述的天然氣壓差能量冷電回收組由單級或者多級串聯的天然氣壓差能量冷電回收裝置組成，所述的天然氣壓差能量冷電回收組與汽輪機連接，所述的汽輪機與余熱發電機以及鍋爐連接，所述的鍋爐通過增壓栗與所述的天然氣壓差能量冷電回收組連接，所述的鍋爐還與燃氣輪機連接。
[0011]所述的天然氣壓差發電及能量梯級利用耦合系統，所述的天然氣壓差能量冷電回收裝置包括天然氣渦輪膨脹機、天然氣壓差發電機以及天然氣換熱器，所述的天然氣渦輪膨脹機與所述的天然氣壓差發電機以及所述的天然氣換熱器均連接，所述的天然氣換熱器與所述的汽輪機或所述的增壓栗連接，所述的燃氣輪機包括渦輪、壓氣機以及燃燒室，所述的天然氣渦輪膨脹機設置有高壓天然氣入口和低壓天然氣出口，所述的天然氣渦輪膨脹機內部設置有渦輪軸磁轉子，所述的渦輪軸磁轉子外套設有外磁轉子和內磁轉子，所述的外磁轉子和所述的內磁轉子之間設置有隔離密封套，所述的天然氣壓差發電機中設置有一組徑向空氣軸承和一組止推空氣軸承，所述的徑向空氣軸承和所述的止推空氣軸承均與設置在所述的天然氣壓差發電機中的永磁轉子配合，所述的永磁轉子與設置在所述的天然氣壓差發電機中的永磁靜子適配。
[0012]所述的天然氣壓差發電及能量梯級利用耦合系統的使用方法，高壓天然氣進入天然氣壓差能量冷電回收裝置中的天然氣渦輪膨脹機膨脹做功，驅動天然氣壓差發電機發電，同時天然氣降壓降溫，輸出低壓低溫天然氣，可以用于進一步膨脹做功發電，也可直接通過高壓天然氣換熱器，為動力裝置或其他需要冷源的設備提供冷卻和供冷，所以天然氣壓差能量冷電回收裝置可以完成天然氣壓差能量的提取和利用，用于發電和供冷，也可以根據天然氣壓力高低和實際使用需求，將天然氣壓差能量冷電回收裝置采用單級或者多級串聯的方式使用；也可以根據供能的需求，簡便靈活的將其與其他能源動力設備耦合集成在一起，構建天然氣壓差能量利用設備與燃氣輪機、鍋爐和汽輪機等設備的耦合循環系統，發揮能量梯級利用的優勢，實現綠色環保的能量回收與利用;耦合循環系統工作時，高壓天然氣進入天然氣壓差能量冷電回收組中的第一級天然氣壓差能量冷電回收裝置的天然氣渦輪膨脹機，在其中膨脹做功驅動天然氣壓差發電機發電，膨脹降溫的天然氣流經高壓天然氣換熱器，作為換熱器的冷源;之后，天然氣依次流過天然氣壓差能量冷電回收組中的第二級、第三級一直到最后一級天然氣壓差能量冷電回收裝置中的天然氣渦輪膨脹機，最終輸出低壓天然氣，實現天然氣壓差的能量的充分利用，低壓天然氣的一部分作為燃料供給燃氣輪機，燃氣輪機的燃氣進入到鍋爐中加熱冷凝水生成水蒸汽，水蒸汽進入汽輪機中進行膨脹做功，驅動余熱發電機發電，膨脹做功后的水蒸汽依次先后流過天然氣壓差能量冷電回收組中的高壓天然氣換熱器，與膨脹后的天然氣換熱，這種換熱一方面利用水蒸汽的熱能為天然氣加溫，避免低溫天然氣損壞膨脹機；另一方面利用天然氣的冷能為水蒸汽冷卻，形成冷凝水，經過增壓栗，冷凝水再回到鍋爐。
[0013]
有益效果:
1.本發明可利用低壓情況和中高壓情況下的天然氣壓差能量，在低壓情況下的天然氣壓差能量利用模式工作時，一般情況下，來自高壓管網的天然氣約為2.8?6MPa，溫度約為5?6°C。該部分天然氣進入調壓分配站后，經過調節閥門等設備處理后，壓力降為0.4?
0.6MPa，溫度約為2°C左右，繼而進入城市燃氣市政管網，當在調壓站進行天然氣壓差能量利用的時候，由于出口壓力為低壓，可直接采用一個天然氣壓差能量冷電回收裝置，將調壓站天然氣在2.SMPa到0.6MPa之間的壓力能充分利用，利用天然氣壓差進行膨脹發電，并將膨脹后的冷量回收，實現壓力能的“冷電回收”；在中高壓情況下的天然氣壓差能量利用模式工作時，天然氣采氣與輸送利用之間存在加大的壓力差，利用膨脹機可以回收這部分壓差能發電，但是由于天然氣膨脹過程中會出現溫度下降，為了保持膨脹過程中天然氣溫度不至于降低過大而對膨脹機造成損害，需要采用分級膨脹方式，同時在膨脹過程中加熱天然氣，針對中高壓情況下的天然氣壓差能量利用的以上問題，本專利提出了一種天然氣壓差能量發電及能量梯級利用的耦合系統結構，采用多個天然氣壓差能量冷電回收裝置串聯形成的天然氣壓差能量冷電回收組與燃氣輪機、鍋爐、汽輪機耦合集成耦合循環系統，該耦合循環系統利用天然氣膨脹后的冷能作為燃氣輪機、鍋爐、汽輪機系統中燃氣、水蒸汽循環的冷端，降低了燃機、鍋爐、汽輪機循環中的水蒸氣冷凝溫度，提高了燃機、鍋爐、汽輪機聯合循環的效率;利用燃氣、水蒸汽循環的熱能作為天然氣壓差能量利用系統的熱端，加熱天然氣以便避免膨脹過程中溫度過低，這種耦合循環結構形式，實現了冷、熱、電多種形式的能量供給，以及天然氣、燃氣、水蒸氣多種工質的高效循環利用。
[0014]本發明中的天然氣渦輪膨脹機和天然氣壓差發電機配合時，考慮到天然氣的進出口參數，結合膨脹機軸系與渦輪葉輪的使用要求，在轉速為5000?20000rpm的低轉速使用情況下，選取單級或多級軸流渦輪的方式，實現大流量、多級降壓使用要求，在轉速為20000?60000rpm的高轉速情況下，選取徑流式渦輪的方式實現大膨脹比、中小流量的使用要求；由于天然氣工質具有高壓、易燃、易爆等特點，常規軸端密封形式(如迷宮、梳齒、刷齒、指尖等密封)均不易實現高壓氣體工質的零泄漏密封，因此提出一種帶有隔離密封的磁力傳動發電機一體化結構，解決天然氣密封、傳動和發電的問題，該結構由外磁轉子、內磁轉子及不導磁的隔離密封套等關鍵部件組成，單級及多級渦輪中天然氣膨脹做功過程在隔離密封套內部完成，可以完全封閉天然氣向外界泄露，同時，天然氣膨脹渦輪驅動渦輪軸磁轉子轉動，通過外磁轉子、內磁轉子組成的磁力傳動部分實現功率傳遞，內磁轉子和外磁轉子均為筒形永磁轉子，確保了磁力傳動系統效率高、滑差小，傳動效率可達90%以上，經過磁力同步傳動裝置輸出的機械能，由高速永磁發電機轉化為電能輸出，高速永磁發電機主要包括發電機永磁轉子、發電機永磁靜子等組件，解決了傳統電機勵磁機制下結構復雜、效率低、體積重量大的問題，永磁轉子采用徑向空氣軸承和止推空氣軸承支承，實現軸承工作狀態零磨損，使整機使用壽命和可靠性大大提高，具有轉速高、功率密度大、轉矩大、轉動慣量小、體積重量小等優點。
[0015]本發明提供了一種天然氣“綠色”壓差發電及能量梯級利用耦合系統技術，與傳統系統和技術相比，具有綠色環保、適應性高、集成性好、可控性強等特點，構建了天然氣壓差能量利用系統及其與其他形式能源動力系統耦合集成的模式與方法，實現了多種類工質、多梯級能量的系統化、功能化高效循環與利用，符合綠色環保的能源動力和環境保護的要求，還可用于煤礦煤層氣和油頁巖開采中的可燃氣體能量利用的相關工藝和技術。
[0016]【附圖說明】:
附圖1是本發明的結構示意圖。
[0017]附圖2是本發明天然氣渦輪膨脹機和天然氣壓差發電機配合的磁力傳動發電機一體化結構示意圖。
[0018]【具體實施方式】:
實施例1:
一種天然氣壓差發電及能量梯級利用耦合系統，其組成包括:天然氣壓差能量冷電回收組I，所述的天然氣壓差能量冷電回收組由單級或者多級串聯的天然氣壓差能量冷電回收裝置2組成，所述的天然氣壓差能量冷電回收組與汽輪機3連接，所述的汽輪機與余熱發電機4以及鍋爐5連接，所述的鍋爐通過增壓栗6與所述的天然氣壓差能量冷電回收組連接，所述的鍋爐還與燃氣輪機7連接。
[0019]實施例2:
根據實施例1所述的天然氣壓差發電及能量梯級利用耦合系統，所述的天然氣壓差能量冷電回收裝置包括天然氣渦輪膨脹機、天然氣壓差發電機以及天然氣換熱器，所述的天然氣渦輪膨脹機與所述的天然氣壓差發電機以及所述的天然氣換熱器均連接，所述的天然氣換熱器與所述的汽輪機或所述的增壓栗連接，所述的燃氣輪機包括渦輪、壓氣機以及燃燒室，所述的天然氣渦輪膨脹機設置有高壓天然氣入口和低壓天然氣出口，所述的天然氣渦輪膨脹機內部設置有渦輪軸磁轉子，所述的渦輪軸磁轉子外套設有外磁轉子和內磁轉子，所述的外磁轉子和所述的內磁轉子之間設置有隔離密封套，所述的天然氣壓差發電機中設置有一組徑向空氣軸承和一組止推空氣軸承，所述的徑向空氣軸承和所述的止推空氣軸承均與設置在所述的天然氣壓差發電機中的永磁轉子配合，所述的永磁轉子與設置在所述的天然氣壓差發電機中的永磁靜子適配。
[0020]實施例3:
一種利用實施例1或2所述的天然氣壓差發電及能量梯級利用耦合系統的使用方法，高壓天然氣進入天然氣壓差能量冷電回收裝置中的天然氣渦輪膨脹機膨脹做功，驅動天然氣壓差發電機發電，同時天然氣降壓降溫，輸出低壓低溫天然氣，可以用于進一步膨脹做功發電，也可直接通過高壓天然氣換熱器，為動力裝置或其他需要冷源的設備提供冷卻和供冷，所以天然氣壓差能量冷電回收裝置可以完成天然氣壓差能量的提取和利用，用于發電和供冷，也可以根據天然氣壓力高低和實際使用需求，將天然氣壓差能量冷電回收裝置采用單級或者多級串聯的方式使用；也可以根據供能的需求，簡便靈活的將其與其他能源動力設備耦合集成在一起，構建天然氣壓差能量利用設備與燃氣輪機、鍋爐和汽輪機等設備的耦合循環系統，發揮能量梯級利用的優勢，實現綠色環保的能量回收與利用;耦合循環系統工作時，高壓天然氣進入天然氣壓差能量冷電回收組中的第一級天然氣壓差能量冷電回收裝置的天然氣渦輪膨脹機，在其中膨脹做功驅動天然氣壓差發電機發電，膨脹降溫的天然氣流經高壓天然氣換熱器，作為換熱器的冷源;之后，天然氣依次流過天然氣壓差能量冷電回收組中的第二級、第三級一直到最后一級天然氣壓差能量冷電回收裝置中的天然氣渦輪膨脹機，最終輸出低壓天然氣，實現天然氣壓差的能量的充分利用，低壓天然氣的一部分作為燃料供給燃氣輪機，燃氣輪機的燃氣進入到鍋爐中加熱冷凝水生成水蒸汽，水蒸汽進入汽輪機中進行膨脹做功，驅動余熱發電機發電，膨脹做功后的水蒸汽依次先后流過天然氣壓差能量冷電回收組中的高壓天然氣換熱器，與膨脹后的天然氣換熱，這種換熱一方面利用水蒸汽的熱能為天然氣加溫，避免低溫天然氣損壞膨脹機;另一方面利用天然氣的冷能為水蒸汽冷卻，形成冷凝水，經過增壓栗，冷凝水再回到鍋爐。
【主權項】
1.一種天然氣壓差發電及能量梯級利用耦合系統，其組成包括:天然氣壓差能量冷電回收組，其特征是:所述的天然氣壓差能量冷電回收組由單級或者多級串聯的天然氣壓差能量冷電回收裝置組成，所述的天然氣壓差能量冷電回收組與汽輪機連接，所述的汽輪機與余熱發電機以及鍋爐連接，所述的鍋爐通過增壓栗與所述的天然氣壓差能量冷電回收組連接，所述的鍋爐還與燃氣輪機連接。2.根據權利要求1所述的天然氣壓差發電及能量梯級利用耦合系統，其特征是:所述的天然氣壓差能量冷電回收裝置包括天然氣渦輪膨脹機、天然氣壓差發電機以及天然氣換熱器，所述的天然氣渦輪膨脹機與所述的天然氣壓差發電機以及所述的天然氣換熱器均連接，所述的天然氣換熱器與所述的汽輪機或所述的增壓栗連接，所述的燃氣輪機包括渦輪、壓氣機以及燃燒室，所述的天然氣渦輪膨脹機設置有高壓天然氣入口和低壓天然氣出口，所述的天然氣渦輪膨脹機內部設置有渦輪軸磁轉子，所述的渦輪軸磁轉子外套設有外磁轉子和內磁轉子，所述的外磁轉子和所述的內磁轉子之間設置有隔離密封套，所述的天然氣壓差發電機中設置有一組徑向空氣軸承和一組止推空氣軸承，所述的徑向空氣軸承和所述的止推空氣軸承均與設置在所述的天然氣壓差發電機中的永磁轉子配合，所述的永磁轉子與設置在所述的天然氣壓差發電機中的永磁靜子適配。3.—種利用根據權利要求1或2所述的天然氣壓差發電及能量梯級利用耦合系統的使用方法，其特征是:高壓天然氣進入天然氣壓差能量冷電回收裝置中的天然氣渦輪膨脹機膨脹做功，驅動天然氣壓差發電機發電，同時天然氣降壓降溫，輸出低壓低溫天然氣，可以用于進一步膨脹做功發電，也可直接通過天然氣換熱器，為動力裝置或其他需要冷源的設備提供冷卻和供冷，所以天然氣壓差能量冷電回收裝置可以完成天然氣壓差能量的提取和利用，用于發電和供冷，也可以根據天然氣壓力高低和實際使用需求，將天然氣壓差能量冷電回收裝置采用單級或者多級串聯的方式使用；也可以根據供能的需求，簡便靈活的將其與其他能源動力設備耦合集成在一起，構建天然氣壓差能量利用設備與燃氣輪機、鍋爐和汽輪機等設備的耦合循環系統，發揮能量梯級利用的優勢，實現綠色環保的能量回收與利用;耦合循環系統工作時，高壓天然氣進入天然氣壓差能量冷電回收組中的第一個天然氣壓差能量冷電回收裝置的天然氣渦輪膨脹機，在其中膨脹做功驅動天然氣壓差發電機發電，膨脹降溫的天然氣流經天然氣換熱器，作為換熱器的冷源;之后，天然氣依次流過天然氣壓差能量冷電回收組中的第二級、第三級一直到最后一級天然氣壓差能量冷電回收裝置，最終輸出低壓天然氣，實現天然氣壓差的能量的充分利用，低壓天然氣的一部分作為燃料供給燃氣輪機，燃氣輪機的燃氣進入到鍋爐中加熱冷凝水生成水蒸汽，水蒸汽進入汽輪機中進行膨脹做功，驅動余熱發電機發電，膨脹做功后的水蒸汽依次先后流過天然氣壓差能量冷電回收組中的高壓天然氣換熱器，與膨脹后的天然氣換熱，這種換熱一方面利用水蒸汽的熱能為天然氣加溫，避免低溫天然氣損壞膨脹機；另一方面利用天然氣的冷能為水蒸汽冷卻，形成冷凝水，經過增壓栗，冷凝水再回到鍋爐。
【文檔編號】F01D15/10GK105927491SQ201610456154
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月22日
【發明人】劉洪鵬, 楊力平, 單國斌, 邱敬樂
【申請人】哈爾濱耦合動力工程技術中心有限公司