CN206785443U - 一种高压天然气热电联供分布式能源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高压天然气热电联供分布式能源系统，包括联供能源站和计量调压站，联供能源站与计量调压站均通过气动切断阀连接在高压天然气输气管道上，联供能源站与计量调压站非串联连接；联供能源站包括增压膨胀机组和燃气轮机组；燃气轮机组包括燃气轮机压气机、燃气轮机燃烧室和透平轮机，燃气轮机压气机与透平轮机串联；膨胀机组与燃气轮机压气机连接；所述联供能源站还包括发电单元、冷却液供给单元和蒸汽外输单元。通过利用高压天然气压差能量，即提高了燃气‑蒸汽联合循环工作效率，特别是燃气轮机输出功率，同时又能达到天然气工艺减压的要求，使原有浪费的高压天然气压力能得以回收利用，其操作方便、投资少、运行可靠。

Description

一种高压天然气热电联供分布式能源系统

技术领域

本实用新型涉及一种热电联供能源站，特别是一种高压天然气热电联供分布式能源系统。

背景技术

天然气的长距离输送一般采用4～7MPa以上的高压管道输送，高压管输气在进入天然气分布式能源站燃气轮机入口前，通常会通过调压站将天然气压力降为2.5MPa左右，同时还需要采用外加热的方式确保减压后天然气升温到正常工作温度，以符合燃气轮机入口燃料气压力及温度要求，增加了能耗量。

另外, 目前燃气轮机机组空气进气冷却主要采用压缩式制冷、吸收式制冷、蓄冷以及直接接触水冷等方式,不但增加了额外投资和维护等费用, 还需要消耗一定的能量。

天然气调压站的降压过程一般采用节流减压方式，由工程热力学理论可知, 当天然气具备一定的压力和温度时, 就具备了一定的能量, 即由压力所体现的势能和由温度所体现的动能, 二者合称为天然气的内能。在用减压器进行调节时，这部分压差能量没有得到很好地利用。

如何很好地利用这部分天然气压差能量，其难度在于天然气膨胀降压过程伴随着数十度甚至上百度的温度降，后端天然气温度过低造成使用的不便；因此研发一种既可以利用天然气压差能量提高燃气-蒸汽联合循环工作效率，利用又能避免加热膨胀降压后天然气过程中消耗的能量的新工艺流程十分必要。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种利用高压天然气压差能量提高热电联供天然气分布式能源系统效率的工艺流程，通过利用天然气压差能量，提高燃气-蒸汽联合循环工作效率，同时又能达到天然气工艺减压的要求的工艺流程，使原有浪费的压力能得以回收利用，其操作方便、投资少、运行可靠，具有广泛的实用性。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型的高压天然气热电联供分布式能源系统，它包括联供能源站和计量调压站，联供能源站与计量调压站均通过气动切断阀连接在高压燃气输送管道上，联供能源站与计量调压站非串联连接；所述联供能源站包括膨胀机组和燃气轮机组；所述燃气轮机组包括燃气轮机压气机、燃气轮机燃烧室和透平轮机，燃气轮机压气机和透平轮机串联；所述膨胀机组包括膨胀机膨胀端和膨胀机增压端，膨胀机组与燃气轮机压气机连接；所述联供能源站还包括发电单元、冷却液供给单元和蒸汽外输单元，发电单元与透平轮机连接，冷却液供给单元通过冷却水冷却器与膨胀后低温天然气换热冷却，蒸汽外输单元通过余热锅炉与透平轮机排烟烟道连接，透平轮机排烟烟气经排烟余热回收器对膨胀后低温天然气进行加热后排出烟气。

由于采用上述结构，通过在天然气高压输送管道上设置联供能源站，将天然气调压站降压过程中形成的压差能量和低温转换为燃气轮机组压气机单元驱动动能、燃气轮机空气进气冷却和循环冷却水冷却等冷能，提高了能量的利用率，避免了能量的损耗和浪费，保证了燃气-蒸汽联供循环的工作效率，合理的利用系统能量，减少了使用成本，且整个系统结构和工艺简单，操作性极强。

本实用新型的高压天然气热电联供分布式能源系统，所述膨胀机组包含有膨胀机膨胀端和膨胀机压缩端，膨胀机膨胀端通过气动切断阀二、流量调节阀与高压燃气输送管道连接，燃气轮机压气机和膨胀机压缩端连接，膨胀机膨胀端天然气出口与空气换热器天然气入口连接。

由于采用上述结构，高压天然气在膨胀端膨胀做功，驱动膨胀机压缩端与燃气轮机压气机转动，膨胀机压缩端天然气进行增压，提高膨胀做功后的气体压力，同时同步转动的燃气轮机组压气机对进入燃气轮机的空气进行增压；通过高压天然气膨胀做功，为后续作用单元提供良好的作用条件并减少投资和能耗，同时膨胀机压缩端和燃汽轮机组压气机作为膨胀机组膨胀端后端负载，可作为膨胀机组的减速器使用，避免膨胀机转速过高引起的飞车故障。

本实用新型的高压天然气热电联供分布式能源系统，所述空气换热器还与燃气轮机压气机连接；所述发电单元发包括燃气透平轮机和发电机，发电机与燃气透平轮机连接；所述燃气轮机组、空气换热器和发电机构成发电单元管路。

由于采用上述结构，通过燃气轮机压气机做功后的低温低压天然气进入空气换热器，与将要进入燃气轮机的空气换热，将空气进行冷却，天然气升温至一定温度；冷却后空气进入与膨胀机压缩端相连的燃气轮机压气机，经燃气轮机压气机升压后一部分进入燃气轮机燃烧腔与天然气混合燃烧，同时一部分冷空气作为燃气轮机叶片冷却气冷却燃气轮机叶片；燃烧后的高温烟气推动燃气轮机做功，带动发电机发电；高压天然气通过膨胀机膨胀做功带动燃气轮机压气机工作，可取消带动压气机的启动电机，减少设备投资，不需消耗额外电力。同时膨胀机组带动燃气轮机压气机工作，减少了燃气轮机组消耗在压气机上的做功，减少耗能，增加发电量；同时由于燃气轮机组空气进气温度降低，可显著增加燃气轮机输出功率（增加15%左右），增加发电量。

本实用新型的高压天然气热电联供分布式能源系统，所述冷却液供给单元包括冷却水循环泵和冷却水冷却器，所述冷却水冷却器的冷却水入口与冷却水循环泵出口相连，冷却水循环泵内流通的冷却水；所述冷却水冷却器的进气口与空气换热器的天然气出口连接，由膨胀后的低温天然气为冷却水冷却器提供冷源；所述冷却水冷却器的出气口连接至排烟余热回收器对换热后天然气进行加热；所述膨胀机组、空气换热器、冷却水循环泵和冷却水冷却器构成冷却液供给单元管路。

由于采用上述结构及工艺，膨胀做功后的低温低压天然气经冷却水冷却器与冷却水循环泵泵来的过热冷却水换热，将冷却水降温，便可用于冷却润滑油系统等；该冷却系统管路结构简单，提高了冷却效率，节约了用于降低冷却水温度的设备投资，不需消耗额外电力，当夏天环境温度较高时，冷却效果更加明显。

本实用新型的高压天然气热电联供分布式能源系统，所述蒸汽外输单元包括余热锅炉和除盐水给水泵；所述余热锅炉和除盐水给水泵、燃气轮机组透平轮机排烟出口连接；所述燃气轮机组透平轮机排烟烟道、除盐水给水泵、余热锅炉构成蒸汽生产和外输单元管路。

由于采用上述结构，进入燃气轮机组的天然气燃烧后产生的高温烟气经余热锅炉，将除盐水水泵泵来的除盐水加热为高温蒸汽，外输用户使用，将烟气产生的高温余热加以利用，提高燃汽轮机组的热效率。

本实用新型的高压天然气热电联供分布式能源系统，所述燃气轮机组透平轮机烟气出口上连接有排烟余热回收器，用于加热低温低压天然气。

由于采用上述结构，燃气轮机排放的高温烟气经排烟余热回收器将与空气和冷却水换热后温度仍然很低的天然气加热到一定温度后，进入膨胀机压缩端升压，然后进入燃气轮机燃烧腔与空气混合燃烧，燃烧后的高温烟气经余热锅炉，将软化水泵泵来的软化水加热为高温蒸汽，外输用户使用；利用燃气轮机排出的高温烟气加热天然气，节约计量调压后需用于加热天然气的设备投资，不需消耗额外电力。

本实用新型的高压天然气热电联供分布式能源系统，所述联供能源站与气动切断阀二之间还设有控制阀；所述控制阀与膨胀机膨胀端连接，控制进入膨胀机的天然气流量和膨胀机转速。

由于采用上述结构，该控制阀可以控制进入膨胀机的天然气流量及流速，从而控制膨胀机转速。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的高压天然气热电联供分布式能源系统，其系统连接简单，合理循环并利用能量，使原有浪费的压力能得以回收利用，解决了现有技术中天然气在降压过程中的能损耗和浪费为题，提高了燃气-蒸汽联合循环的工作效率和能源的综合利用率；

2、利用高压天然气膨胀做功产生的冷能，冷却燃气轮机组空气进气，降低燃气轮机组空气进气温度，可显著增加燃气轮机输出功率（增加15%左右），增加发电量，同时节约用于进气冷却的设备投资。

3、在本系统中可取消带动燃气轮压气机的启动电机，减少了设备投资，通过高压天然气膨胀做功带动压气机转动，不需要消耗额外电力，减少了燃气轮机组消耗在压气机上的做功，增加发电量；

4、利用燃气轮机排出的高温烟气加热膨胀做功后的低温天然气，节约计量调压后需用于加热天然气的设备投资，不需消耗额外电力；

5、低温低压天然气与冷却水换热，降低冷却水温度，提高冷却效率，节约用于降低冷却水温度的设备投资；

6、其操作方便，能源利用率高，使用成本低；

7、系统运行稳定性好，可靠实用，具有良好的社会经济价值，适于推广应用。

附图说明

图1是本实用新型的热电联供天然气分布式能源系统图；

图中标记：1-联供能源站，101-膨胀机膨胀端，102-空气换热器，103-膨胀机压缩端，104-燃气轮机压气机，105-燃气轮机燃烧室，106-透平轮机，107-发电机，108-冷却水循环泵，109-冷却水冷却器，110-除盐水给水泵，111-余热锅炉，112-排烟余热回收器，113-气动切断阀三，2-计量调压站，3-气动切断阀一，4-气动切断阀二，5-控制阀。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

如图1所示，一种高压天然气热电联供分布式能源系统，它包括联供能源站1和计量调压站2，联供能源站1与计量调压站2通过气动切断阀连接在高压燃气输送管道上，联供能源站1与计量调压站2非串联连接；联供能源站1包括膨胀机组和燃气轮机组；燃气轮机组包括燃气轮机压气机104、燃气轮机燃烧室105和透平轮机106；其中膨胀机组、燃气轮机压气机104和透平轮机106串联；联供能源站1还包括发电单元、冷却液供给单元和蒸汽外输单元；发电单元与燃气轮机组的透平轮机106连接，冷却液供给单元通过冷却水冷却器109与空气换热器102连接，蒸汽外输单元通过余热锅炉111与燃汽轮机组透平轮机106排烟出口连接；膨胀机组包含有膨胀机膨胀端101和膨胀机压缩端103，膨胀机膨胀端101通过气动切断阀二4、流量调节阀与高压燃气输管道连接，燃气轮机压气机104与膨胀机压缩端103连接；其中高压天然气在膨胀机组膨胀端101膨胀做功，带动膨胀机组压缩端103压缩加热后的天然气，提高膨胀做功后的天然气压力。同时膨胀机压缩端103与燃气轮机压气机104为同轴连接，利用膨胀机带动燃气轮机压气机104转动；膨胀机膨胀端101出口上还连接有空气换热器102。气动切断阀包括气动切断阀一3、气动切断阀二4和气动切断阀三113；气动切断阀一3用于切换计量调压站2管路，气动切断阀二4用于切换联供能源站1管路，气动切断阀三113用于切换燃汽轮机组燃料气进气管路；当膨胀机发生故障，关闭膨胀机入口的气动切断阀二4，膨胀机自动停机，关闭气动切断阀三113，同时打开计量调压站2入口气动切断阀一3，流程转入计量调压站2，对天然气进行调压计量并加热后送入燃汽轮机组燃烧做功。联供能源站1与气动切断阀二4之间还设有控制阀5；控制阀5与膨胀机膨胀端101连接，该控制阀5为流量控制阀，当膨胀机正常工作时，控制调节进入膨胀机的天然气流量及流速，从而控制膨胀机转速。

空气换热器102与膨胀机组膨胀端101连接，膨胀做功后的低温低压天然气与空气换热，冷却进入燃汽轮机组的空气；

发电单元发包括燃汽轮机组燃烧室105、透平轮机106、发电机107，发电机107与透平轮机106连接；燃气轮机组、空气换热器102和发电机107构成发电单元管路。

冷却液供给单元包括冷却水循环泵108和冷却水冷却器109，冷却水冷却器109的冷却水入口与冷却水循环泵108出口相连，冷却循环泵108内流通的过热冷却水；所述冷却水冷却器109的进气口与空气换热器102的天然气出口连接，由膨胀后的低温天然气为冷却水冷却器109提供冷源；空气换热器102、冷却水循环泵108和冷却水冷却器109构成冷却液供给单元管路。

蒸汽外输单元包括余热锅炉111和除盐水给水泵110；余热锅炉111和除盐水给水泵110、燃气轮机组透平轮机106排烟出口连接；所述燃气轮机组透平轮机106排烟烟道、除盐水给水泵110、余热锅炉111构成蒸汽生产和外输单元管路。

余热锅炉111烟道出口与排烟余热回收器112连接，对低温天然气进行加热，加热后天然气进入膨胀机组压缩端103，经压缩端增压后进入燃气轮机组燃烧室105与燃气轮机组压气机104来的空气混合进行燃烧做功；所述排烟余热回收器112、膨胀机组压缩端103、燃气轮机组燃烧室105构成燃气轮机组燃气供应单元管路。

实施例2

基于实施例1的热电联供天然气分布式能源系统，一种利用高压天然气输送管网压力差提高热电联供天然气分布式能源系统效率的新工艺，其工艺过程如下：

高压管输天然气（20°C、4MPa）经气动切断阀3与计量调压站2断开，经控制阀5控制进入膨胀机膨胀端101的天然气流量与流速，高压天然气在膨胀机膨胀端101内膨胀做功，推动膨胀机膨胀端101及膨胀机压缩端103由低速向高速转动，并带动与膨胀机压缩端103相连的燃气轮机压气机104高速旋转，膨胀做功后的天然气压力降至0. 4MPa，温度为-20°C左右。做功后的低温低压天然气进入空气换热器102，与将要进入燃气轮机组的空气换热，将空气冷却至5℃左右，天然气升温至-10℃左右；冷却后空气进入与膨胀机压缩端103相连的燃气轮机压气机104，经燃气轮机压气机104升压后一部分进入燃气轮机燃烧腔105与天然气混合燃烧，同时一部分冷空气作为燃气轮机叶片冷却气冷却燃气轮机叶片；燃烧后的高温烟气推动燃汽轮机组透平轮机106转动做功，带动发电机107发电。

经空气换热器102换热后天然气（-10℃左右），经冷却水冷却器109与冷却水循环泵108泵来的冷却水（20℃左右）换热，将冷却水降温至5℃左右，用于冷却润滑油系统等。

经冷却水冷却器109换热后的天然气升温至5℃左右，经排烟余热回收器112，利用燃气轮机组排出的高温烟气将天然气加热至50℃左右，然后进入膨胀机压缩端103升压至2.5MPa，最后进入燃气轮机燃烧室105与空气混合燃烧，燃烧后的高温烟气经余热锅炉111，将除盐水给水泵110泵来的除盐水加热为高温蒸汽，外输用户使用。

在上述流程中，当膨胀机发生故障，关闭膨胀机组膨胀端101入口的气动切断阀二4，关闭气动切断阀三113，膨胀机自动停机；同时打开计量调压站入口气动切断阀一3，流程转入天然气经调压站调压后加热并输入燃汽轮机组燃烧做功。

上述流程中膨胀做功后的低温低压天然气加热温度需根据空气温度及排烟余热回收后排烟温度确定，保证进入燃烧室的天然气温度符合机组要求。

使用膨胀做功后的低温低压天然气冷却燃气轮机入口空气，当空气温度下降时，会使机组进气密度上升，进入燃汽轮机组压气机和燃烧室的空气质量增加，进气温度越低，燃气轮机出力越大，压气机耗功越小，发电功率越高。与其它进气冷却方式（压缩式制冷、吸收式制冷、蓄冷或直接接触水冷等）相比，节约用于冷却空气的设备投资，不需消耗额外电力。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高压天然气热电联供分布式能源系统，其特征在于：它包括联供能源站（1）和计量调压站（2），联供能源站（1）与计量调压站（2）均通过气动切断阀连接在高压燃气输送管道上，联供能源站（1）与计量调压站（2）非串联连接；所述联供能源站（1）包括膨胀机组和燃气轮机组；所述燃气轮机组包括燃气轮机压气机（104）、燃气轮机燃烧室（105）和透平轮机（106），燃气轮机压气机（104）和透平轮机（106）串联；所述膨胀机组包括膨胀机膨胀端（101）和膨胀机增压端（103），膨胀机组与燃气轮机压气机（104）连接；所述联供能源站（1）还包括发电单元、冷却液供给单元和蒸汽外输单元，发电单元与透平轮机（106）连接，冷却液供给单元通过冷却水冷却器（109）与膨胀后低温天然气换热冷却，蒸汽外输单元通过余热锅炉（111）与透平轮机（106）排烟烟道连接，透平轮机（106）排烟烟气经排烟余热回收器（112）对膨胀后低温天然气进行加热后排出烟气。

2.根据权利要求1所述的高压天然气热电联供分布式能源系统，其特征在于：所述膨胀机组包含有膨胀机膨胀端（101）和膨胀机压缩端（103），膨胀机膨胀端（101）通过气动切断阀二（4）、流量调节阀与高压燃气输送管道连接，燃气轮机压气机（104）和膨胀机压缩端（103）连接，膨胀机膨胀端（101）天然气出口与空气换热器（102）天然气入口连接。

3.根据权利要求2所述的高压天然气热电联供分布式能源系统，其特征在于：所述空气换热器（102）还与燃气轮机压气机（104）连接；所述发电单元发包括燃气透平轮机（106）和发电机（107），发电机（107）与燃气透平轮机（106）连接；所述燃气轮机组、空气换热器（102）和发电机（107）构成发电单元管路。

4.根据权利要求1所述的高压天然气热电联供分布式能源系统，其特征在于：所述冷却液供给单元包括冷却水循环泵（108）和冷却水冷却器（109），所述冷却水冷却器（109）的冷却水入口与冷却水循环泵（108）出口相连，冷却水循环泵（108）内流通的冷却水；所述冷却水冷却器（109）的进气口与空气换热器（102）的天然气出口连接，由膨胀后的低温天然气为冷却水冷却器（109）提供冷源；所述冷却水冷却器（109）的出气口连接至排烟余热回收器（112）对换热后天然气进行加热；所述膨胀机组、空气换热器（102）、冷却水循环泵（108）和冷却水冷却器（109）构成冷却液供给单元管路。

5.根据权利要求1所述的高压天然气热电联供分布式能源系统，其特征在于：所述余热锅炉（111）烟道出口与排烟余热回收器（112）连接，对低温天然气进行加热，加热后天然气进入膨胀机组压缩端（103），经压缩端增压后进入燃气轮机组燃烧室（105）燃烧做功；所述排烟余热回收器（112）、膨胀机组压缩端（103）、燃气轮机组燃烧室（105）构成燃气轮机组燃气供应单元管路。

6.根据权利要求1所述的高压天然气热电联供分布式能源系统，其特征在于：所述蒸汽外输单元包括余热锅炉（111）和除盐水给水泵（110）；所述余热锅炉（111）和除盐水给水泵（110）、燃气轮机组透平轮机（106）排烟出口连接；所述燃气轮机组透平轮机（106）排烟烟道、除盐水给水泵（110）、余热锅炉（111）构成蒸汽生产和外输单元管路。

7.根据权利要求1所述的高压天然气热电联供分布式能源系统，其特征在于：所述排烟余热回收器（112）用于燃气轮机排烟余热回收及加热膨胀后低温天然气。

8.根据权利要求2所述的高压天然气热电联供分布式能源系统，其特征在于：所述联供能源站（1）与气动切断阀二（4）之间还设有控制阀（5）；所述控制阀（5）与膨胀机膨胀端（101）连接，控制进入膨胀机的天然气流量和膨胀机转速。