CN101245956A - 利用天然气压力能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用天然气压力能的方法，即：高压管网中的天然气通过无动力制冷机降压降温得到低温天然气，然后与从常温罐输送来的常温冷媒换热，经降温的低温冷媒进入冷媒储罐备用，并最终被输送至冷能用户，升温后的常温天然气则进入管网。本发明整体工艺技术方便、实用、高效，花费少量投资在调压站回收高压天然气减压过程中自身的压力能，以较低的运行成本将压力能转换成冷能，通过冷媒供调压站周边的冷库、冷水空调、废旧橡胶深冷粉碎等冷量用户使用，或制成冰块、干冰产品外运销售等，从而取得巨大经济效益，提高能源利用效率，同时消除常规调压过程中设备急冷产生的安全隐患。

Description

利用天然气压力能的方法

技术领域

本发明涉及制冷系统技术领域，尤其涉及回收天然气压力能转换成冷能并加以利用的技术领域。

背景技术

能源短缺日益加剧，人们提出了节能减排的要求。利用流失排放的压力能制取冷能，代替电制冷无疑是符合这一要求的技术。我国现今的一项基本国策就是节能，余热、余压利用工程则被列入“十一五”期间我国重点推进的十项节能工程之一。高压天然气的压力能回收利用属于余压利用范畴，具有显著的节能效果，但目前尚未引起足够重视。

天然气长输管道一般都采用高压输送方式。国外天然气输气管道压力高达12MPa以上，比如，穿越西西里海峡的阿-意输气管道的最大工作压力为15MPa。我国也不例外，“西气东输”一线输气管道压力为10MPa，二线则为12MPa，这其中蕴藏着大量的压力能。如此高压力的天然气送到各地接收门站，一般都需根据用户要求在天然气调压站进行降压。对于城市燃气管网，一般降至中压范围，压比高达10以上。

现今的现实情况是，面对如此高压比的天然气压力差，巨大的压力能却没能被有效利用，白白浪费掉不说，相反，降压过程中还产生大量的噪音，而且由于急剧降温，对管道及调压设备运行造成威胁甚至损害。可见，回收利用该部分压力能可以产生显著的经济效益，同时还可消除降压过程中的噪音和设备损伤隐患，具有重要的现实意义。

可用来表述天然气可用压力能大小。压力为4.0MPa的天然气所具有的压力

为480kJ/kg。以某公司4.0亿m³/年的输气规模，天然气所具有的压力

总计为1.53×10¹¹kJ/年。当压力为P₁的高压天然气在调压站降压至P₂压力时，可回收的最大压力

e_x，p’为：

${{e_{x,p}}^{\′}=T}_{0}R\ln \frac{P_1}{P_0}-T_{0}R\ln \frac{P_2}{P_0}=T_{0}R\ln \frac{P_1}{P_2}$

式中T₀、R为常数，可见压力

与

成正比，即和P₁/P₂的比值(压比)直接相关。

输送压力为4.0MPa、输送量为5.0万m³/h的高压天然气，降压至0.4MPa时，可回收的最大压力为186kJ/kg，总计为2.7×10¹⁰kJ/年，节电效益高达2600万元。由此可见，将这一部分压力

回收利用，能创造出较大的经济效益。

回收天然气压力能的方法有一些。回收的天然气压力能将具有广泛的用途。比如，可用于：

1天然气压力能膨胀发电

利用高压天然气压力能发电就是利用高压天然气降压时体积膨胀产生的能量来驱动发电机发电。高压气体在降压过程中体积膨胀，产生相当大的能量，如果降压过程在透平膨胀机中进行，就可以对外做轴功，从而带动发电机发电。一个50万m³/日规模的调压站，高压天然气由4.0MPa降为0.4MPa时，发电能力可达到500kw左右。

日本东京电力公司建有一座利用天然气压力差发电、能力为7700kw的电站，这是世界上少有的几座利用天然气压力能发电的电站，我国目前还没有此类电站。

2天然气压力能液化自身重质组分

天然气在降压过程中，利用自身的压力能制冷，使天然气降温从而将自身的一部分重质组分(比如C₂、C₃等)液化下来。用此生产工艺可以实现对热值相对较高的气相天然气热值进行调控(降低热值)，使之与管输天然气热值及燃烧特性相匹配。

由于是利用高压天然气自身的“与生俱来”的压力能制冷生产液相C₂、C₃等，因而产品成本特别低。按典型流程计算，进口压力为4.0MPa、流量为6.5万m³/h的高压天然气降压到0.3MPa，能够获得液态重烃8.8t/h，流程的总液化率为18％左右。

3把压力能转换成冷能作进一步的应用。

高压天然气可通过透平膨胀机、涡流管和气波制冷机等设备来予以实现压力能转换成冷能。这几种技术利用压力能的方式和原理各不相同，但都是利用高压天然气膨胀后温度降低而得到低温冷能。但未见这些冷能充分利用的实例。

可以推测，把天然气的压力能充分利用起来将会是笔具大的能源财富。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足，提供一种回收天然气压力能转换成冷能加以利用的方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：一种利用天然气压力能的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)高压管网中的天然气通过无动力制冷机降压降温得到低温天然气；

(2)低温天然气通过换热器与从常温罐输送来的常温冷媒换热；

(3)经降温的低温冷媒进入冷媒储罐备用，升温后的常温天然气进入管网。

(4)低温冷媒从冷媒储罐中输送至冷能用户。

具体地来说，步骤(1)中的无动力制冷机为波气波制冷机。

步骤(2)中的换热器为板翅式换热器。

经步骤(2)换热后，冷媒的温度降至-40~-100℃。

本发明涉及一种利用天然气管网压力能转换成冷能并加以高效利用的工艺技术。工艺流程主要包括：无动力膨胀制冷、高效换热、冷媒循环与利用环节。通过这几个技术环节的有机结合，能够扩展天然气压力能利用过程的操作弹性和应用范围，达到高效利用的目的。具体地来说：

1.采用无动力制冷机代替节流膨胀阀，避免压力能的损失，并将此部分能量转化为冷能，同时避免了透平膨胀机初始投资高、运行结构复杂和可靠性低的缺点。

2.采用板翅换热器设计多股道板翅式紧凑形换热器，换热面积大，与常用的管式及板式换热器相比，更适合于地方狭小的各种天然气调压站。

3.将冷能利用技术与冷能用户按照不同温位需求进行结合，根据调压站现场情况，采用经济可行的冷能终端利用技术。

本发明整体工艺技术方便、实用、高效，花费少量投资在调压站回收高压天然气减压过程中自身的压力能，以较低的运行成本将压力能转换成冷能，通过冷媒供调压站周边的冷库、冷水空调、废旧橡胶深冷粉碎等冷量用户使用，或制成冰块、干冰产品外运销售等，从而取得巨大经济效益，提高能源利用效率，同时消除常规调压过程中设备急冷产生的安全隐患。

附图说明

图1是本发明高压天然气经制冷机膨胀制冷并用于不同温位冷能用户的工艺流程图

图2是本发明天然气压力能制冷用于干冰生产工艺流程；

图3是本发明压力能制冷用于冷冻库工艺流程；

图4是本发明压力能制冷用于冷水空调工艺流程。

101-无动力制冷机，102、103、104-换热设备，

201-截止阀，202-天然气预冷器，203-无动力制冷机，204-CO₂深冷器，205-截止阀，

206-气态CO₂截止阀，207-干冰机，208-干冰保温箱，209-液态CO₂储罐，210-液态CO₂分离器，

211-液态CO₂加压泵，212-液态CO₂截止阀，213-瓶装液态CO₂，

301-预冷器，302-氨蒸发器，303-膨胀设备，305-氨压缩机，306-氨冷却器，308-分离器，

309-液氨冷却器，310-低温冷库，311-鼓风机，312-循环空气冷却器，313-液氨泵，

401-截止阀，402-天然气预冷器，403-制冷机，404-二级换冷器，405-截止阀，406-热水泵，

407-热水箱，408-冷水箱，409-冷水泵，410-空调换热器

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示是一种利用无动力制冷机将天然气压力能转换成冷能并用于不同温位冷能用户的工艺流程。

高压的天然气(压力约为4.0~5.0MPa)、温度约为15℃，通过无动力制冷机101膨胀降压至0.5MPa，温度降低至-49.3℃～-58.7℃，成为低温天然气。为了回收天然气的冷能用于-30℃冷库制冷，冷库的载冷剂(如R22，R410A、氨等)在E413设备102中同低温天然气换热，载冷剂吸收冷能而液化，再经载冷剂泵输送到冷库中蒸发释放出冷能。为了充分利用低温天然气的冷能，依次将两个不同蒸发温度的冷库(如-30℃冷库和-15℃冷库)载冷剂与天然气换热而液化，天然气被换热器103加热至约-16.3℃，再通过换热器104与乙二醇水溶液换热，为调压站及周边的建筑物的空调系统提供冷能，实现冷能的集成、梯级利用，天然气则被加热至5℃以上进入城市中压燃气管网。

本例中的无动力制冷机101采用气波制冷机。气波制冷机是利用气体的压力能产生激波和膨胀波使气体制冷的一种制冷设备，又称压力波制冷机或热分离机。它在制冷工艺中的作用与透平膨胀机、节流阀一样，是一种气体制冷机。它的热力过程与膨胀机相似，靠气体的等熵膨胀过程获得低温。其主要特点如下：

①制冷效率高。在实验室研究中已经达到90％，工业应用中达到了75％；

②节能效果明显。结构可为自旋式，不耗电、水、仪表风，不需外部动力驱动；

③价格便宜，设备投资低；

④制冷部分无运动部件，且具有较强的两相流侵蚀的能力，对气体在机器内发生的液化现象不敏感，允许带液率最高达50％，适用于在气体冷却过程中会出现气液两相流的工况；

⑤对进口高压气体的组成、流量、压力及膨胀比的变化有较强的适应性，特性曲线平坦，允许操作工况范围大，适用的膨胀比范围广。适用天然气制冷的技术条件为：进气压力范围为0.6～30.0MPa，流量范围为1.0～40.0×10⁴m³/d，膨胀比范围为2～7。

由此可知，气波制冷机的技术特征比较符合天然气调压站的特点，它在天然气负荷大范围波动时能够像普通节流阀一样调节而不影响制冷性能，且初始投资少，运行可靠性较高。是一种较有前景的回收天然气压力能技术。

本例中的换热器采用板翅式换热器。

实施例2(天然气压力能制冷用于干冰生产)

干冰是二氧化碳气体经压缩、提纯、液化、减压得到的一种固态物质。传统的工艺是将二氧化碳气体压缩至2.5～3.0MPa，再利用制冷设备冷却和液化。而利用天然气膨胀制冷的冷能，则很容易获得冷却和液化二氧化碳所需要的低温，从而将液化装置的工作压力降至0.9MPa左右。与传统工艺相比，制冷设备的负荷大为减少，电耗也大幅降低。

以广州市田心天然气调压站为例。调压站接收天然气来气压力为3.6～5.2MPa，气源为澳大利亚进口LNG，最大流量为5.0万m³/h。因为用户的不均匀性，流量存在一定的不稳定性，要求出站压力为0.4MPa，且基本恒定，送入城市统一中压燃气管网供用户使用。天然气压力能制冷用于干冰生产的工艺流程图如图2。

高压管网中4.0左右MPa的天然气通过调节阀201进入预冷器202再进入膨胀制冷设备203降压至0.4MPa左右，气体温度降低为-90℃。低温天然气进入CO₂深冷器204与0.25MPa、-20℃的二氧化碳换冷，使其降温至-78℃，进入液态CO₂分离器210由加压泵211输入液态二氧化碳储槽209，等待进入干冰机207制备干冰，制得的干冰由干冰保温箱208保存产品。初步模拟计算显示：一个50万m³/日规模的上述调压站，在温位-80℃利用压力能产生的冷能为0.17MJ，相当于节省1.49×107度/年的电力，节电效益约为1042万元/年。

实施例3(天然气压力能制冷用于冷库生产)

冷冻库温度通常在-20℃～-30℃左右；冷藏库用于把不同温度的冷却食品和冻结食品在不同温度的冷藏间和冻结间内作短期或是长期的储存。基本上都是采用多级电压缩制冷装置维持冷库的低温。用回收高压天然气的廉价冷能代替电力制冷作为冷库的冷源，可以减少压缩制冷系统的投资，产生较大经济效益。

高压的天然气(压力约为5.0MPa)进入一级预冷器301，再进入氨蒸发器302进行二级换热，在膨胀设备303中降压至0.4MPa左右，气体温度降低为-100℃。低温天然气进入液氨冷却器309，通过液氨冷媒循环(309，312，313)，将冷量传递给换热器312，通过空气循环(310，311，312)，供给低温冷库310使用冷源。

初步模拟计算显示：一个50万m³/日规模的上述调压站，利用压力能将产生-30℃的冷能0.43MJ，相当于节省电力7.5×10⁶度/年，节电效益约为527万元/年。

实施例4(天然气压力能制冷用于冷水空调)

如图4所示为天然气压力能制冷用于冷水空调的工艺流程图。

传统的建筑物空调大多采用电力空调，电力消耗很大。若利用天然气压力能转换的冷能作为空调的冷源，可以简化制冷系统，极大地降低能源消耗。

高压的天然气(压力约为5.0MPa)、温度约为15℃，经过预冷器402温度降低到-10℃，再通过制冷机403制冷后，低温天然气与热水槽407里的热水经过二级换冷器404换热，天然气升温至大约-15℃，输送至天然气预冷器402作换热循环。而热水槽407里面流出的载冷剂(水)被冷却到5℃后，进入冷水箱408，再通过冷水泵409泵送至各房间的冷水空调散热器，即空调机室内机，同空气进行热交换后，即可冷却建筑物房间。换热后升温的载冷剂(水)则输送至热水槽407。

初步模拟计算显示：一个50万m³/日规模的上述调压站，利用压力能将产生15℃冷水空调的冷能为0.83MJ，相当于节省电力3.57×10⁶度/年，节电效益约为250万元/年。

Claims (5)

1、一种利用天然气压力能的方法，其特征在于依次包括以下步骤：

(1)高压管网中的天然气通过无动力制冷机降压降温得到低温天然气；

(2)低温天然气通过换热器与从常温罐输送来的常温冷媒换热；

(3)经降温的低温冷媒进入冷媒储罐备用，升温后的常温天然气进入管网。

(4)低温冷媒从冷媒储罐中输送至冷能用户。

2、根据权利要求1所述的利用天然气压力能的方法，其特征在于：步骤(1)中的无动力制冷机为气波制冷机。

3、根据权利要求1所述的利用天然气压力能的方法，其特征在于：步骤(1)中的天然气先经换热器预冷后再进入无动力制冷机降压降温。

4、根据权利要求1或3所述的利用天然气压力能的方法，其特征在于：步骤(2)中的换热器为板翅式换热器。

5、根据权利要求1所述的利用天然气压力能的方法，其特征在于：经步骤(2)换热后，冷媒的温度降至-40~-100℃。

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