一种天然气管网压力能利用的安全操控实现系统及方法 |
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| 申请号 | CN201611087545.6 | 申请日 | 2016-12-01 | 公开(公告)号 | CN106640246A | 公开(公告)日 | 2017-05-10 |
| 申请人 | 深圳市燃气集团股份有限公司; | 发明人 | 陈秋雄; 陈运文; 杜琳琳; 王晓东; 徐文东; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种 天然气 管网压 力 能利用的安全操控实现系统及方法，系统包括：膨胀发电模 块 ，用于对从高压 电网 流出的高压天然气进行降压，并将降压所获得的压力能转化为 电能 ；低温天然气冷能利用模块，用于将经膨胀发电模块膨胀后的低温天然气经与冷媒换热后的供给冷能；监测调控模块，用于实时监控膨胀发电模块，当监控到膨胀发电模块紧急停机或天然气发电负载陡降时，则将膨胀发电模块切换至预设的调压系统，并将膨胀发电模块的后端压力补充至前端。本发明实现压力能膨胀发电系统与原有调压系统的无缝对接，有效应对突发工况的冲击，提高膨胀机运行使用寿命，保证整套系统安全稳定运行。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种天然气管网压力能利用的安全操控实现系统，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种天然气管网压力能利用的安全操控实现系统及方法技术领域背景技术[0002] 天然气长输管道一般采用高压输送，如西气东输“一线”和“二线”的输气压力分别为10MPa和12MPa，在输送至用户端前，常需将该部分压力通过减压阀降低，在此过程中会产生大量的压力能。例如：当天然气管网压力为4MPa，终端用户的压力为1.6MPa，将该部分压力能用于发电，则每方气可回收的电能约为12W，按照“一线”年输气量为120亿立方米计算，则每年可回收的压力能为1.32亿kW，直接经济损失6336亿元。为了减少资源浪费节约能源，该部分压力能的利用已经引起人们的重视。 [0003] 中国专利CN105401990A介绍了一种智能化天然气管网压力能发电装置。该实用新型专利通过压力能发电系统与储能系统的优化配置及智能化控制，可实现系统无源启动，一键启闭、自动调节及远传操控，适用于有用电需求、无人值守的偏远地区。中国专利CN203430574U介绍了一种利用小型天然气管网压力能发电的装置。该实用新型专利通过密封系统改造，将流体马达运用于天然气管网压力能发电，可为1-5kW小功率用户提供标准稳定电源。中国专利CN102563958A介绍了一种利用管网压力能发电与制冰的方法与装置，该发明将天然气管网压力能用于发电，所发电力及调压后低温天然气冷能均通入制冰系统制冰，实现天然气管网压力能与冷能的充分利用。中国专利CN204960996U介绍了一种天然气管网压力能自控发电系统。该实用新型专利采用蓄电、逆变、自控、限流等技术结合保证系统电力稳定供给，解决燃气波动造成电力输出不稳问题。中国专利CN205025513U提供了一种天然气管网压力能回收综合利用系统，该系统通过热泵系统与二级膨胀系统的结合，增加发电量的同时，解决膨胀机预热与调压后低温天然气的回温问题。中国专利CN101245956A提供了一种利用天然气压力能的方法，该发明专利采用无动力制冷机将压力能转化为冷能依次应用于冷库、制冰、空调用户。 [0004] 上述专利均提出了天然气管网压力能的回收利用方式，部分专利对压力能利用系统的稳定操控及产品稳定输出进行探讨。然而，在天然气管网压力能回收利用系统中，存在紧急停气或发电负载减少等特殊工况对关键设备膨胀机存在冲击损耗等问题，最终导致膨胀机损坏，影响下游天然气供应系统的稳定输出。 [0005] 因此，现有技术还有待改进和发展。 发明内容[0006] 鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种天然气管网压力能利用的安全操控实现系统及方法，回收天然气管网压力能用于发电，调压后低温天然气可用于用于干冰、冷库、制冰或冷水空调等系统。重要的是在运行过程中，通过监测调控及系统联动设计，保证膨胀发电系统与原有调压系统的无缝对接，保护膨胀机免受突发工况的冲击，实现燃气工艺系统的安全稳定。 [0007] 为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案： [0008] 一种天然气管网压力能利用的安全操控实现系统，其中，包括： [0010] 低温天然气冷能利用模块，用于将经膨胀发电模块膨胀后的低温天然气经与冷媒换热后的供给冷能； [0011] 监测调控模块，用于实时监控膨胀发电模块，当监控到膨胀发电模块紧急停机或天然气发电负载陡降时，则将膨胀发电模块切换至预设的调压系统，并将膨胀发电模块的后端压力补充至前端。 [0012] 所述天然气管网压力能利用的安全操控实现系统，其中，所述膨胀发电模块包括通过管路依次连接在高压管网与低压管网之间的膨胀机(6)，膨胀机(6)的输出轴依次连接联轴器(7)及发电机(9)，发电机(9)的输出电力通过电缆输出；经膨胀机(6)降压后的天然气通过温压平衡器(12)调节后进入低温天然气冷能利用模块。 [0013] 所述天然气管网压力能利用的安全操控实现系统，其中，所述低温天然气冷能利用模块包括换热器(16)及用冷装置(17)，所述换热器(16)的一端与所述温压平衡器(12)连接、另一端与所述用冷装置(17)连接。 [0014] 所述天然气管网压力能利用的安全操控实现系统，其中，所述监测调控模块包括： [0016] 在所述联轴器(7)上连接的转速变送器(8)； [0017] 在电动调节阀(3)与温压平衡器(12)之间相连接的支路上依次设置的第二电磁阀(10)、及止回阀(11)； [0018] 在温压平衡器(12)与换热器(16)之间的支路上依次连接的第二温度变送器(13)、第二压力变送器(14)及第二截止阀(15)； [0020] 在高压管网与低压管网之间的支路上依次设置的第三电磁阀(24)，及调压器(25)。 [0021] 所述天然气管网压力能利用的安全操控实现系统，其中，所述膨胀机(6)为透平膨胀机或螺杆膨胀机。 [0022] 所述天然气管网压力能利用的安全操控实现系统，其中，所述温压平衡器(12)为20-50L的平衡罐，平衡罐内部设置除冰丝网。 [0023] 所述天然气管网压力能利用的安全操控实现系统，其中，所述电动调节阀(3)与转速变送器(8)进行联动，当膨胀机(6)转速大于预设的上限转速时，电动调节阀(3)开度减小；当膨胀机(6)转速小于预设的下限转速时，电动调节阀(3)开度增大。 [0024] 所述天然气管网压力能利用的安全操控实现系统，其中，所述第一电磁阀(2)、第二电磁阀(10)及第三电磁阀(24)进行联动，当第一电磁阀(2)开启时，第二电磁阀(10)及第三电磁阀(24)均为关闭状态；当第一电磁阀(2)关闭时，第二电磁阀(10)及第三电磁阀(24)均为开启状态。 [0025] 所述天然气管网压力能利用的安全操控实现系统，其中，所述换热器(16)为管壳式换热器。 [0026] 一种天然气管网压力能利用的安全操控实现方法，其中，所述方法包括以下步骤： [0027] 膨胀发电模块对从高压电网流出的高压天然气进行降压，并将降压所获得的压力能转化为电能； [0028] 低温天然气冷能利用模块将经膨胀发电模块膨胀后的低温天然气经与冷媒换热后的供给冷能； [0029] 监测调控模块实时监控膨胀发电模块，当监控到膨胀发电模块紧急停机或天然气发电负载陡降时，则将膨胀发电模块切换至预设的调压系统，并将膨胀发电模块的后端压力补充至前端。 [0030] 本发明所提供的天然气管网压力能利用的安全操控实现系统及方法，系统包括：膨胀发电模块，用于对从高压电网流出的高压天然气进行降压，并将降压所获得的压力能转化为电能；低温天然气冷能利用模块，用于将经膨胀发电模块膨胀后的低温天然气经与冷媒换热后的供给冷能；监测调控模块，用于实时监控膨胀发电模块，当监控到膨胀发电模块紧急停机或天然气发电负载陡降时，则将膨胀发电模块切换至预设的调压系统，并将膨胀发电模块的后端压力补充至前端。本发明实现压力能膨胀发电系统与原有调压系统的无缝对接，有效应对突发工况的冲击，提高膨胀机运行使用寿命，保证整套系统安全稳定运行。 附图说明 [0031] 图1为本发明所述天然气管网压力能利用的安全操控实现系统的结构框图。 [0032] 图2为本发明所述天然气管网压力能利用的安全操控实现系统的结构示意图。 [0033] 其中，图2中所示为：1-第一截止阀；2-第一电磁阀；3-电动调节阀；4-第一温度变送器；5-第一压力变送器；6-膨胀机；7-联轴器；8-转速变送器；9-发电机；10-第二电磁阀；11-止回阀；12-温压平衡器；13-第二温度变速器；14-第二压力变送器；15-第二截止阀；16-换热器；17-用冷装置；18-第三截止阀；19-第三温度变送器；20-第三压力变送器；21-单向阀；22-安全阀；23-第四截止阀；24-第三电磁阀；25-原有调压器。 [0034] 图3为本发明所述天然气管网压力能利用的安全操控实现系统方法的流程图。 具体实施方式[0035] 本发明提供一种天然气管网压力能利用的安全操控实现系统及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0036] 本发明所述天然气管网压力能利用的安全操控实现系统，如图1所示，其包括： [0037] 膨胀发电模块100，用于对从高压电网流出的高压天然气进行降压，并将降压所获得的压力能转化为电能； [0038] 低温天然气冷能利用模块200，用于将经膨胀发电模块膨胀后的低温天然气经与冷媒换热后的供给冷能； [0039] 监测调控模块300，用于实时监控膨胀发电模块，当监控到膨胀发电模块紧急停机或天然气发电负载陡降时，则将膨胀发电模块切换至预设的调压系统，并将膨胀发电模块的后端压力补充至前端； [0040] 所述膨胀发电模块100分别连接低温天然气冷能利用模块200和监测调控模块300。 [0041] 具体的，如图2所示，膨胀发电模块包括通过管路依次连接在高压管网与低压管网之间的膨胀机6，膨胀机6的输出轴依次连接联轴器7及发电机9，发电机9输出电力通过电缆输出；调压后的天然气通过温压平衡器12调节后进入换热器16。 [0042] 低温天然气冷能利用模块包括通过调节后的天然气与换热冷媒热交换的换热器16及用冷装置17。 [0043] 监测调控模块包括依次设置在高压管网与透平膨胀机进气口之间管路上的第一截止阀1、第一电磁阀2、电动调节阀3、第一温度变送器4、第一压力变送器5；在所述联轴器7上连接的转速变送器8；在电动调节阀3与温压平衡器12之间相连接的支路上依次设置第二电磁阀10与止回阀11；在温压平衡器12与换热器16之间的支路上依次连接第二温度变送器13、第二压力变送器14及第二截止阀15；在换热器16与下游管网的支路上依次连接的第三截止阀18、第三温度变送器19、第三压力变送器20、第二单向阀21、安全阀22及第四截止阀 23在高压管网与低压管网之间的支路上依次设置的第三电磁阀24，及调压器25。 [0044] 作为本实施中的优选实施方式，膨胀机6优选为透平膨胀机或螺杆膨胀机；联轴器7优选为弹性联轴器；发电机8优选为异步发电机，具有防爆功能；温压平衡器12优选为20- 50L的平衡罐，平衡罐内部设置除冰丝网，去除低温天然气中微量水降压过程中形成的冰，保证下游管网及设备安全；换热器16优选为管壳式换热器，低温天然气走管程，冷媒走壳程，从而将低温天然气冷能传递至用冷装置17；用冷装置17优选冷库、制冰或冷水空调系统，其相对应的冷媒分别为R404A、乙二醇水溶液或盐水、水。 [0045] 第一截止阀1和第四截止阀23将天然气膨胀系统与原有调压系统独立出来；第一截止阀1、第二截止阀15及第三截止阀18可分别将膨胀发电装置及换热装置从系统中独立出来；第一温度变送器4、第一压力变送器5，第二温度变送器13、第二压力变送器14，及第三温度变送器19、第三压力变送器20分别将高压天然气、调压后低温天然气及经换热后的低温天然气进行温度压力计量；第一单向阀11与第二单向阀21使得天然气无法回流；安全阀22在管网压力过高状况下泄压以保证系统安全。 [0046] 电动调节阀3与转速变速器8为联动系统，当转速过大时，电动调节阀3开度减小，使得天然气流量减小，膨胀机6转速降低；当转速过小时，电动调节阀开度3增大，使得天然气流量增加，膨胀机6转速提高。保证调压过程的正常稳定。 [0047] 第一电磁阀2、第二电磁阀10及第三电磁阀24为联动系统，当第一电磁阀2开启时，第二电磁阀10及第三电磁阀24均为关闭状态；当第一电磁阀2关闭时，第二电磁阀10及第三电磁阀24均为开启状态。该联动系统的设计能有效保证膨胀机6应对各种突发状况。 [0048] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的有益效果： [0049] 1)实现膨胀发电系统的安全稳定，保证下游燃气的稳定输出。在现有膨胀发电技术下，在天然气紧急停气及发电负载降低的情况下，会造成膨胀机直接损坏，影响其使用寿命。本发明通过三个电磁阀联动设计，可实现天然气膨胀系统与原有调压系统的无缝对接，保证天然气下游用气需求。同时将紧急情况下膨胀机后端压力引流补充至前端，从而保证膨胀机缓慢降速，有效解决紧急工况下膨胀机系统突然抱死造成的膨胀机损坏。 [0050] 2)能量利用率高。将天然气回收利用系统替代原有的调压系统，可有效回收白白浪费的压力能用于发电，同时将膨胀降温后的低温天然气与冷媒在换热器换热，回收该部分冷能用于用冷用户，充分利用了天然气管网压力能，有效提高了系统能量利用率。 [0051] 3)工艺简单易控、发电系统安全可靠。本发明主要由膨胀机发电系统、低温天然气换热系统及监测调控系统组成，工艺简单，发电量可根据用户需求调节。自控系统保证整套工艺快速计量控制，使得系统安全可靠。 [0052] 4)易于推广使用。本发明工艺可实现发电和制冷综合利用，工艺流程简单，发出的电力可供场站设备使用或发电上网，制冷产品可就近用于周边用冷市场。制得的冷量也可用于其他用途，如制干冰、发电等。该工艺可在有用电需求或无电网的偏远地区建设，可有效节约电能，减少电网建设投资，具有良好的经济社会效益。 [0053] 基于上述系统实施例，本发明还提供一种天然气管网压力能利用的安全操控实现方法，如图3所示，所述天然气管网压力能利用的安全操控实现方法包括如下步骤： [0054] 步骤S100、膨胀发电模块对从高压电网流出的高压天然气进行降压，并将降压所获得的压力能转化为电能； [0055] 步骤S200、低温天然气冷能利用模块将经膨胀发电模块膨胀后的低温天然气经与冷媒换热后的供给冷能； [0056] 步骤S300、监测调控模块实时监控膨胀发电模块，当监控到膨胀发电模块紧急停机或天然气发电负载陡降时，则将膨胀发电模块切换至预设的调压系统，并将膨胀发电模块的后端压力补充至前端。 [0057] 具体的，在正常运行工况下，高压天然气从高压管网出来后，依次经过第一截止阀1、第一电磁阀2、电动调节阀3调节流量、第一温度变送器4及第一压力变送器5计量温度压力后进入膨胀机6降压，将温压平衡器7调节后，通过第二温度变送器13、第二压力变送器 14、第二截止阀15后进入换热器16后温度升高进入下游管网。 [0058] 高压天然气通过膨胀机6将压力能转化成机械能，通过联轴器7使膨胀机6与发电机9相匹配发出电能。膨胀后的低温天然气通过换热器16内与冷媒换热后将冷能供给下游用冷装置17。 [0059] 在紧急工况下，例如当天然气膨胀系统出现紧急停机或天然气发电负载突然降低时，第一电磁阀2瞬间关闭，同时第二电磁阀10及第三电磁阀24瞬间开启。此时一方面膨胀发电模块切换到原有的调压系统，保证两套系统之间的无缝切换，使得天然气调压系统的稳定运行。另一方面由于紧急停机或发电负载降低造成的膨胀机6前端压力瞬间降低甚至可能造成无压力等状况，可将膨胀机6后端的压力通过第一单向阀11与第二电磁阀10后补充到膨胀机前端，防止膨胀机6前端压力瞬间降低造成的膨胀机6系统抱死等损坏，使得膨胀机6缓慢停机，从而保证其安全稳定。 [0060] 实施例 [0061] 本技术方案通常应用于天然气调压站。该技术方案实施前，需了解天然气组分、流量、调压前后压力、温度等数据，并根据了解的数据选择天然气膨胀机组的容量。并选择合适的仪表阀门进行匹配。 [0062] 以天然气输送量为调压量为4500Nm3/h的调压站为例，该调压站进站压力1.6MPa(a)，调压后的压力为0.4MPa(a)，天然气初始温度约为20℃。本方案将高压天然气压力能用于发电后，低温的天然气冷能用于制片冰供下游用冰用户使用。 [0063] 本方案膨胀机6选用SEPG180-80-3000-1.65-S型螺杆膨胀机，膨胀效率约为0.65；联轴器选用H型弹性联轴器；发电机选用南阳防爆型的异步发电机；温压平衡器容积为30L平衡罐；换热器为管壳式特型设备，换热面积为60m2；片冰机选用ICESTA片冰机。本方案中仪表阀门均为常规设备，其中电磁阀均ZCKF型燃气紧急切断阀，电动调节阀为CXZQH-Ⅱ型流量调节阀。膨胀机6前端管路管径为100mm，压力为40MPa(a)，其配套阀门仪表规格均DN100PN40。膨胀机6后端管路管径为150mm，压力为16MPa(a)，其配套阀门仪表规格均为DN150PN16。在电动调节阀3之后及温压平衡器12之后相连接的支路管径为50mm压力为 16MPa(a)，则其支路上第二电磁阀10与止回阀11规格为DN50PN40。 [0064] 正常运行工况下，20℃、4.0MPa(a)、4500Nm3/h的天然气从高压管网出来后，依次计量调节后进入膨胀机6降压至1.6MPa(a)，温度降低至-30℃，经过稳压平衡器后进入换热器16后温度升高进入下游管网。运行过程中，通过转速变送器8与电动调节阀3的联动控制，使得膨胀机能在额定工况下稳定运行。高压天然气通过膨胀机6将压力能转化成机械能，通过联轴器7使膨胀机6与发电机9相匹配发出80kW电能。膨胀后的低温天然气通过换热器16内与盐水换热后将冷能供给片冰机17，产冰量为10t/d。 [0065] 在紧急工况下，当天然气膨胀系统出现紧急停机或天然气发电负载突然降低时，第一电磁阀2瞬间关闭，第二电磁阀10及第三电磁阀24瞬间开启。天然气调压系统切换到原有的调压系统，保证天然气下游稳定供气。同时紧急停机或发电负载降低造成的膨胀机6前端压力瞬间降低或无压力，本系统中将膨胀机6后端温压平衡器内的1.6MPa(a)气体通过第一单向阀11与第二电磁阀10后补充到膨胀机6前端，使得膨胀机6前端压力控制到1.0MPa(a)，此后压力逐渐降低，膨胀机6转速逐渐减低，当整套膨胀发电模块平衡以后，膨胀机6停机。本方案可防止膨胀机6前端压力瞬间降低造成的膨胀机6系统抱死等损坏，使得膨胀机6缓慢停机，从而保证其安全稳定。 |
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