一種天然氣管網調壓發電制冷系統及其方法
【專利摘要】本發明公開了一種天然氣管網調壓發電制冷系統及其方法，其系統包括：膨脹機，其進氣口連接于所述高壓管網；與膨脹機輸出端相連接的齒輪箱；由齒輪箱帶動發電的發電機，發電機供電于耗電耗冷設備(如耗電量很大而且需要冷卻的云計算服務器)；換熱裝置，一端連接于膨脹機的出氣口，另一端連接于低一級壓力管網，換熱后的冷媒流經冷風裝置，對耗電耗冷設備進行降溫。本發明通過天然氣膨脹所產生的壓力能進行發電，供電給耗電設備，減少了中間電網環節，節省了投資；并通過對發電后的低溫天然氣進行冷能的回收，可以提供給耗冷設備，由于冷媒換熱提高了天然氣溫度，能夠不用或減少消耗電或天然氣加熱，降低了能耗。
【專利說明】一種天然氣管網調壓發電制冷系統及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及天然氣管網的差壓利用【技術領域】，尤其涉及一種天然氣管網調壓發電制冷系統及其方法。
【背景技術】
[0002]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，需要對天然氣施加高壓。我國“西氣東輸”管道、陜京線及二線系統和冀寧聯絡線輸氣管道的設計輸氣壓力已達到lOMPa，其中西氣東輸二線管道的設計壓力可以達到12MPa。高壓管網輸送的高壓天然氣到達各城市的天然氣接收門站之后，經過調壓站降壓后進入低一級壓力管網，其中調壓站根據下游用戶的供氣壓力要求進行降壓，然后才能夠供應給普通用戶(如城市燃氣用戶、公商用戶等)使用。
[0003]然而，一方面，天然氣從高壓管網經過降壓進入低一級壓力管網的過程中，會釋放巨大的壓力能，以日處理50萬立方米的天然氣門站為例，當壓力從4.0MPa降至0.4MPa時，釋放的壓力能約為3561KW，如果不利用，會造成壓力能損失；另一方面，高壓天然氣在降壓過程中因放熱會導致溫度降低，一般會降低到-20°C至_60°C的范圍，而供給至用戶使用的低壓天然氣的溫度一般為0-10°C。因此如何對壓力能進行利用以及如何對高壓天然氣降壓后的低溫天然氣加熱是目前要解決的問題。
[0004]現有的回收天然氣管網壓力能技術，一般是利用渦流管完成天然氣降壓調壓過程，將高壓天然氣經渦流管降壓后產生的冷氣流、熱氣流分別輸出，冷氣流通過在換熱器中吸收逆流空氣和燃氣輪機排氣的熱量升溫后，與熱氣流匯合進入燃氣輪機組的燃燒室；由換熱器降溫的空氣進入燃氣輪機組的壓氣機提高壓力后導入燃氣輪機組的燃燒室，在燃燒室中，天然氣與空氣混合燃燒，使燃氣輪機做功，驅動耗功設備，可以提高燃氣輪機的出力和經濟性，從而達到回收天然氣管網壓力能的目的，但需要在調壓站建燃氣輪機壓縮或發電裝置。也有采用天然氣差壓發電產生電能和冷能，用于制冰，但制冰量太大難以消耗。
[0005]現有的對高壓天然氣降壓后的低溫天然氣加熱的技術，一般是采用加熱爐加熱降壓后的低溫天然氣，但是存在以下技術缺陷:由于加熱爐在加熱過程中消耗天然氣，導致能耗高。同時天然氣壓力能和冷能未加以利用。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種天然氣管網調壓發電制冷系統及其方法，利用天然氣的差壓進行發電，同時回收降壓后低溫天然氣所產生的冷能，使所產生電能和冷能都得到利用，如用于耗電量很大而且需要冷卻的云計算服務器，減少了中間電網環節，提高了能量利用率。
[0007]為達此目的，本發明采用以下技術方案:一種天然氣管網調壓發電制冷系統，位于天然氣高壓管網與低一級壓力管網之間，所述系統包括:
[0008]膨脹機，其進氣口連接于所述高壓管網；
[0009]與膨脹機輸出端相連接的齒輪箱；
[0010]由齒輪箱帶動發電的發電機，發電機供電于耗電耗冷設備；
[0011]換熱裝置，一端連接于膨脹機的出氣口，另一端連接于低一級壓力管網，流經換熱裝置的冷媒與經膨脹機膨脹的天然氣進行熱交換，換熱后的冷媒流經冷風裝置，對耗電耗冷設備進行降溫。
[0012]優選的，所述齒輪箱與膨脹機的機軸相連接。
[0013]優選的，所述高壓管網與膨脹機之間設有穩壓閥。
[0014]優選的，所述齒輪箱還連接有潤滑油站。
[0015]優選的，所述換熱裝置與所述低一級壓力管網之間設有輔助加熱裝置，所述輔助加熱裝置為電加熱器或加熱爐。
[0016]優選的，還包括泵，設置在換熱裝置和冷風裝置之間。
[0017]優選的，所述換熱裝置為換熱器；所述冷風裝置為壓縮空氣冷媒換熱器。基于上述的天然氣管網調壓發電制冷系統，本發明還提供一種天然氣管網調壓發電制冷方法，其步驟如下:
[0018]A.天然氣的膨脹發電:所述高壓管網內的天然氣進入膨脹機，并通過膨脹機兩端的壓力差帶動膨脹機的葉輪高速旋轉，經由齒輪箱減速后帶動發電機進行發電，提供電力給耗電耗冷設備；
[0019]B.天然氣的升溫:經膨脹機膨脹后的天然氣溫度降低，其通過換熱裝置與流經換熱裝置的冷媒進行熱交換，升溫后的天然氣進入所述低一級壓力管網；
[0020]C.天然氣的冷能利用:換熱后的冷媒進入冷風裝置，并由冷風裝置將冷能轉換成冷風對耗電耗冷設備降溫，經過冷風裝置的冷媒由泵輸送至換熱裝置中循環使用。
[0021]作為優選方案，在所述高壓管網內的天然氣進入膨脹機之前，先通過穩壓閥進行穩壓；
[0022]換熱后的天然氣的溫度，在達不到低一級壓力管網輸入要求時，通過輔助加熱裝置對換熱后的天然氣加熱，輔助加熱裝置為電加熱器或加熱爐；
[0023]所述冷風裝置為壓縮空氣冷媒換熱器，換熱裝置為換熱器。
[0024]本發明的有益效果為:通過膨脹機對由天然氣高壓管網進入的天然氣進行降壓，能夠使天然氣從高壓管網經降壓后進入低一級壓力管網，同時利用天然氣降壓前后的壓力差進行發電，能夠回收天然氣在從高壓管網經過降壓進入低一級壓力管網的過程中釋放的壓力能；所發電供給耗電設備(如云計算服務器)，減少了中間電網環節，節省了投資；并并通過對發電后的低溫天然氣進行冷能的回收，所產生的冷能又可以提供給耗冷設備(如云計算服務器)，由于冷媒換熱提高了天然氣溫度，而不用或減少消耗電或天然氣加熱，降低了能耗。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明的天然氣管網調壓發電制冷系統的結構示意圖。
[0026]圖中:
[0027]1、穩壓閥；2、膨脹機；3、齒輪箱；4、發電機；5、換熱裝置；6、潤滑油站；7、泵；8、冷風裝置；9、耗電耗冷設備；10、輔助加熱裝置；11、高壓管網；12、低一級壓力管網；13、其他耗電設備；14、其他耗冷設備；
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本發明的技術方案。
[0029]經研究機構預測，云計算將在未來幾年以26%的年增長率快速增長，這種超越傳統IT市場增長速度5倍的發展速度充分體現了云產業煥發的活力。信息化的今日，無論是政府、企業和個人用戶，各行各業都看好了云計算中蘊藏的無盡潛力，一場以云計算為主導的信息化革命進程正在全球范圍內如火如荼的進行著，然而云計算的強大計算能力背后，也不可避免的產生了高能耗的問題。2011年我國數據中心總耗電量達700億千瓦時，已經占到全社會用電根據調量的1.5%，相當于2011年天津市全年的總用電量；921個經營性數據中心機房，面積約88萬平米。隨著云計算的快速增長，未來5年我國對數據中心流量處理能力需求將增長7-10倍，機房面積需要翻一番才能滿足云計算發展的需求。中國聯通數據中心的能耗數據顯示，該中心每年耗電99億千瓦時。以中國目前標準煤的效能看，需要消耗92萬噸標準煤才能提供足夠的電力供中國聯通數據中心的能耗需求。與中國聯通對應，中國電信數據中心年耗電112億千瓦時，總計年需消耗102.95萬噸標準煤，云計算數據中心的服務器機房既要耗大量的電能，又要需要冷卻，因此與天然氣管網調壓發電制冷系統相結合，可以充分利用天然氣調壓站的剩余能量，起到節能環保的作用。
[0030]因此，本發明提供一種天然氣管網調壓發電制冷系統，位于天然氣高壓管網11與低一級壓力管網12之間，能夠利用降壓之前的天然氣和降壓之后的天然氣的壓力差進行發電，同時對降壓后的低溫天然氣進行升溫，并將所產生的冷能回收利用，該系統包括:
[0031]膨脹機2，其進氣口連接于天然氣高壓管網11的排氣口，使通過天然氣高壓管網11排出的天然氣的體積膨脹得以降壓，同時膨脹機2的兩側天然氣的氣壓不同，所產生的壓力差能夠使膨脹機2的葉輪高速旋轉；
[0032]齒輪箱3，連接于膨脹機2的輸出端也就是機軸，實現對膨脹機2的高速旋轉的減速；
[0033]發電機4,與齒輪箱3相連接,并由齒輪箱3帶動發電,用于對耗電耗冷設備9提供電力；
[0034]換熱裝置5，用于將膨脹機2膨脹后的低溫天然氣與冷媒熱交換，使換熱后的天然氣溫度達到低一級壓力管網12下游用戶(如城市燃氣用戶、公商用戶等)的要求。換熱裝置5通過管道一端連接于膨脹機2的出氣口，另一端連接于低一級壓力管網12，流經換熱裝置5的冷媒與經膨脹機2膨脹的天然氣進行熱交換，換熱后的冷媒流經冷風裝置8，冷風裝置8實現對冷媒的冷能提取并轉換成冷風，對耗電耗冷設備9進行降溫；
[0035]在換熱裝置5和冷風裝置8之間設有泵7，用于提高經過冷風裝置8的冷媒利用率，在換熱裝置5內進行換熱后的溫度較低的冷媒在泵7的作用下輸送至冷風裝置8內，在其內與空氣進行換熱，將冷能傳輸給空氣，對耗電耗冷設備9周邊的空氣降溫，之后，升溫后的冷媒返回換熱裝置5內對低溫天然氣再次進行加熱，形成冷媒的循環利用。
[0036]本實施例中換熱裝置5可以選用換熱器，在一些要求較高的場地還可以使用換熱機組，以提聞換熱效率；
[0037]冷風裝置8，可以是壓縮空氣冷媒換熱器，在換熱裝置5內進行換熱后的溫度較低的冷媒流經壓縮空氣冷媒換熱器，在壓縮空氣冷媒換熱器內與空氣進行換熱，將冷媒攜帶的冷能轉化成冷氣，對耗電耗冷設備9周邊的空氣降溫，本實施例中主要對云計算服務器周邊的空氣降溫，升溫后的冷媒通過泵7返回換熱裝置5內對膨脹的低溫天然氣進行加熱，形成冷媒循環，以達到冷能回收的目的。
[0038]優選的，在天然氣高壓管網11和膨脹機2之間設置穩壓閥1，用于對通過天然氣高壓管網11進入的天然氣進行穩壓，以使穩壓后的天然氣進入膨脹機2。
[0039]需要說明的是，在一些情況下，經換熱裝置5換熱后的天然氣會出現達不到下游用戶的溫度要求，優選的，在換熱裝置5之后添加一個輔助加熱裝置10，在達不到溫度要求的情況下，可以啟動輔助加熱裝置10，輔助加熱裝置10對經換熱裝置5加熱后的天然氣進行進一步加熱，從而達到下游用戶天然氣的所需溫度要求，本發明中，輔助加熱裝置10可以是電加熱器或者加熱爐，根據不同的環境需要選用。
[0040]優選的，對齒輪箱3設置一個潤滑油站6，能夠對齒輪箱3提供循環潤滑油，提高齒輪箱3的使用壽命，間接提高發電效率。
[0041]以上結合具體實施例描述了本發明的技術原理，本實施例中耗電耗冷設備9指云計算服務器，但是并不僅限于云計算服務器，本發明所發電除供給耗電裝置外，多余的電能還可以外輸到其他耗電設備13或者自用；膨脹發電所產生的冷能通過冷媒取出除產生冷風外，多余冷能也可以外供給其他耗冷設備14 ;而且本發明還可以針對性的對其他設備同時進行電力以及冷能的提供。
[0042]本發明適用于對高壓天然氣進行降壓的各級高壓天然氣管網之中，例如，壓力為1MPa的高壓天然氣管網中的天然氣經逐級降壓后壓力分別為4MPa，1.6MPa，0.4MPa和2.5KPa，其中壓力為4MPa，1.6MPa，0.4MPa和2.5KPa的天然氣可以供給至對應區域的用戶，因此本發明適用于壓力從1MPa降低至4MPa、l.6MPa降低至0.4MPa的天然氣管網之間，以及壓力從0.4MPa降低至2.5KPa的天然氣管網之間。
[0043]下面以適用于壓力從1MPa降低至4MPa的天然氣管網之間為例對本發明的天然氣管網調壓發電方法加以說明，其具體步驟如下:
[0044]A.天然氣的膨脹發電:指利用降壓之前1MPa的天然氣和膨脹降壓之后4MPa的天然氣的壓力差通過發電機4進行發電，并將得到電能供給耗電耗冷設備9，具體過程如下:
[0045]壓力為1MPa的高壓管網11內的天然氣先通過穩壓閥I穩壓，之后進入膨脹機2，此時膨脹機2兩端的氣壓不同，所產生的壓力差會帶動膨脹機2的葉輪高速旋轉，該膨脹機2的最高轉速可達45000RPM，然后由連接在膨脹機2機軸上的齒輪箱3將轉速減速到1500RPM，再通過齒輪箱3帶動發電機4進行發電，最終提供將電力提供給耗電耗冷設備9 (即云計算服務器)，多余的電量還可外輸到其他耗電設備13或者自用。
[0046]B.天然氣的升溫:由于壓力為1MPa的高壓天然氣在膨脹降壓的過程中會吸熱而導致降壓后壓力為4MPa的天然氣的溫度會降低，一般會降低到-20°C至_60°C的范圍，而通過低一級壓力管網12供給至用戶的低壓天然氣的溫度一般為0-20°C，因此需要對低壓天然氣進行升溫處理，以滿足用戶使用的需求，其過程如下:
[0047]經膨脹機2膨脹后的低壓天然氣溫度降低，降溫后的天然氣通過換熱裝置器5與流經換熱裝置5的冷媒進行熱交換，溫度升高至(TC以上，而后進入壓力為4MPa的低一級壓力管網12 ；
[0048]需要指出的是，在經換熱裝置5加熱后的天然氣會出現達不到下游用戶所需溫度的情況，這種情況下，需要啟動輔助加熱裝置10，輔助加熱裝置10對經換熱裝置5加熱后的天然氣進行進一步加熱，從而達到天然氣的所需溫度要求，最后進入4MPa的低壓天然氣管網12。
[0049]C.天然氣的冷能利用:在對膨脹后的低溫天然氣進行升溫的過程中，通過換熱裝置5會置換大量的冷能，因此可以將其利用起來，對耗電耗冷設備9進行降溫，或者用于其他需降溫和制冷的場所，其工作過程如下:
[0050]經換熱裝置5換熱后的冷媒溫度很低，此時的冷媒進入冷風裝置8也就是壓縮空氣冷媒換熱器內，在其內部與空氣進行換熱，將冷能傳輸給耗電耗冷設備9(云計算服務器)周邊的空氣，對耗電耗冷設備9降溫，而經過冷風裝置8升溫后的冷媒由泵7再一次輸送至換熱裝置5中循環使用；當然過多的冷能也可以通過冷媒供給于其他耗冷設備14，在供給其他耗冷設備14冷能后的冷媒同樣通過泵7循環至換熱裝置5，循環使用。
[0051]對于500萬方/天、壓力為1MPa的高壓天然氣，采用本發明的技術方案后，壓力降低到4MPa，同時可發電約4000kW，同時可制冷8000kW。其中所產生電能供給耗電耗冷設備9(云計算服務器)，節省了大量電量的同時，也充分利用了天然氣降壓過程中的壓力能。
[0052]以上是對以適用于壓力從1MPa降低至4MPa的天然氣管網之間為例對本發明進行了闡述，但是本發明不限于該壓力段的天然氣管網之間，同樣適用于1.6MPa降低至0.4MPa的天然氣管網之間，以及壓力從0.4MPa降低至2.5KPa的天然氣管網之間。
[0053]本發明通過天然氣膨脹發電對由天然氣高壓管網11進入的天然氣進行降壓，能夠使天然氣從高壓管網11經降壓后進入低一級壓力管網12，同時利用天然氣降壓前后的壓力差進行發電，能夠回收天然氣在從高壓管網11經過降壓進入低一級壓力管網12的過程中釋放的壓力能；同時用冷媒通過換熱裝置5取出上述過程中產生冷能，降壓后的低溫天然氣升溫，因而不需要或減少消耗天然氣，因此能夠在低溫天然氣的加熱過程中降低能耗；同時利用了減壓過程中所產生的冷能，節約了能源。
[0054]以上結合具體實施例描述了本發明的技術原理。這些描述只是為了解釋本發明的原理，而不能以任何方式解釋為對本發明保護范圍的限制。基于此處的解釋，本領域的技術人員不需要付出創造性的勞動即可聯想到本發明的其它【具體實施方式】，這些方式都將落入本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種天然氣管網調壓發電制冷系統，位于天然氣高壓管網(11)與低一級壓力管網(12)之間，其特征在于，所述系統包括: 膨脹機(2)，其進氣口連接于所述高壓管網(11)； 與膨脹機(2)輸出端相連接的齒輪箱(3)； 由齒輪箱⑶帶動發電的發電機(4),發電機⑷供電于耗電耗冷設備(9)； 換熱裝置(5)，一端連接于膨脹機(2)的出氣口，另一端連接于低一級壓力管網(12)，流經換熱裝置(5)的冷媒與經膨脹機(2)膨脹的天然氣進行熱交換，換熱后的冷媒流經冷風裝置(8)，對耗電耗冷設備(9)進行降溫。
2.根據權利要求1所述的天然氣管網調壓發電制冷系統，其特征在于，所述齒輪箱(3)與膨脹機(2)的機軸相連接。
3.根據權利要求2所述的天然氣管網調壓發電制冷系統，其特征在于，所述高壓管網(11)與膨脹機(2)之間設有穩壓閥(I)。
4.根據權利要求1所述的天然氣管網調壓發電制冷系統，其特征在于，所述齒輪箱(3)還連接有潤滑油站(6)。
5.根據權利要求1所述的天然氣管網調壓發電制冷系統，其特征在于，所述換熱裝置(5)之后設有輔助加熱裝置(10)，所述輔助加熱裝置(10)為電加熱器或加熱爐。
6.根據權利要求1所述的天然氣管網調壓發電制冷系統，其特征在于，還包括泵(7)，設置在換熱裝置(5)和冷風裝置(8)之間。
7.根據權利要求6所述的天然氣管網調壓發電制冷系統，其特征在于，所述換熱裝置(5)為換熱器，所述冷風裝置(8)為壓縮空氣冷媒換熱器。
8.一種天然氣管網調壓發電制冷方法，采用如權利要求1所述的天然氣管網調壓發電制冷系統，其特征在于，步驟如下: A.天然氣的膨脹發電:所述高壓管網(11)內的天然氣進入膨脹機(2)，并通過膨脹機(2)兩端的壓力差帶動膨脹機(2)的葉輪高速旋轉，經由齒輪箱(3)減速后帶動發電機(4)進行發電，提供電力給耗電耗冷設備(9)； B.天然氣的升溫:經膨脹機(2)膨脹后的天然氣溫度降低，其通過換熱裝置(5)與流經換熱裝置(5)的冷媒進行熱交換，升溫后的天然氣進入所述低一級壓力管網(12)； C.天然氣的冷能利用:換熱后的冷媒進入冷風裝置(8)，并由冷風裝置(8)將冷能轉換成冷風對耗電耗冷設備(9)降溫，經過冷風裝置(8)的冷媒由泵(7)輸送至換熱裝置(5)中循環使用。
9.根據權利要求8所述的天然氣管網調壓發電制冷方法，其特征在于:在所述高壓管網(11)內的天然氣進入膨脹機(2)之前，先通過穩壓閥(I)進行穩壓； 換熱后的天然氣的溫度，在達不到低一級壓力管網(12)的輸入要求時，通過輔助加熱裝置(10)對換熱后的天然氣加熱，輔助加熱裝置(10)為電加熱器或加熱爐； 所述冷風裝置(8)為壓縮空氣冷媒換熱器，換熱裝置(5)為換熱器。
【文檔編號】F17D1/02GK104265381SQ201410482232
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月19日 優先權日:2014年9月19日
【發明者】婁世松, 沈懿桐, 趙子康, 王麗, 宋移團, 許娜, 邸建軍 申請人:碧海舟（北京）石油化工設備有限公司