利用天然气压力能的制冷系统的制作方法

本申请涉及能源领域，具体而言，涉及一种利用天然气压力能的制冷系统。

背景技术：

天然气是目前全球广泛采用的一种清洁能源，为满足长距离输送天然气的需要，需要加高压，例如，西气东输一线、二线的输气管线压力分别为4.0mpa与10mpa，如此高压力的天然气输送到各地接收门站，一般都需要根据用户要求在天然气调压站进行降压。对于城市燃气管网来说，一般降至中压范围。

例如，西气东输一线的年供气能力已逾120亿立方米，西气东输二线线设计的年供气能力为300亿立方米，若不考虑由于高压天然气输送过程中由于补充压力而造成的天然气损失，仅西气东输一线由4.0mpa调1.6mpa这一压力等级即可回收802亿千瓦，二线由10mpa调到4mpa这一压力等级可回收能量更大。但是目前，上述的天然气压力差对应的压力能没有被有效回收利用。

技术实现要素：

本申请的主要目的在于提供一种利用天然气压力能的制冷系统，以解决现有技术中不能有效利用天然气压力能的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种利用天然气压力能的制冷系统，该制冷系统包括：发电装置，与高压天然气管路连接，上述发电装置利用高压天然气发电，得到降温且降压的天然气；至少一个第一换热器，各上述第一换热器包括第一热气入口、第一冷气入口、第一热气出口与第一冷气出口，上述第一热气入口与空气源设备连通，上述第一冷气入口与上述发电装置的气体出口连通，上述第一热气出口与低压天然气源设备的入口连通，上述第一冷气出口与燃烧机的助燃气进口连通，各上述第一换热器用于将上述空气源设备中的空气与发电机输出的降温降压的天然气进行换热。

进一步地，上述制冷系统还包括：至少一个增压装置，各上述增压装置的入口与上述低压天然气源设备的出口连通，各上述增压装置的出口与上述高压天然气管路连通，上述增压装置用于对上述低压天然气源设备输出的低压天然气进行增压。

进一步地，上述增压装置包括：压缩机，上述压缩机的入口与上述低压天然气源设备的出口连通，用于压缩上述低压天然气，得到高压天然气。

进一步地，各上述增压装置还包括：冷却器，与上述压缩机的出口连通，用于对上述压缩机输出的上述高压天然气进行降温。

进一步地，上述冷却器为空冷器。

进一步地，上述高压天然气管路包括：第一输送段，与上述冷却器的出口连通；第二换热器，包括第二冷气入口、第二热气入口、第二冷气出口与第二热气出口，上述第二冷气入口与上述发电装置的气体出口连通，上述第二热气入口通过上述第一输送段与上述冷却器的出口连通，上述第二热气出口与上述低压天然气源设备的入口连通，上述第二换热器用于将降温降压的上述天然气与上述冷却器输出的高压天然气进行换热；第二输送段，与上述第二冷气出口连接。

进一步地，上述第一输送段还与上述发电装置的气体入口连通。

进一步地，上述发电装置包括：膨胀机，与上述高压天然气管路连接；减速齿轮箱，与上述膨胀机轴连接；发电机，与上述减速齿轮箱连接。

进一步地，上述燃烧机为燃气轮机。

进一步地，上述助燃气进口为空气进口。

应用本申请的技术方案，一方面，利用天然气的压差进行发电；另一方面，并将发电后产生的低温天然气用于对待进入燃气机的助燃气进行降温，进入燃气机的助燃气(例如空气)的温度越低，其输出的功率就越高，因此，本申请中的制冷系统不仅能够有效利用天然气的压差能，还能提升燃气机的输出功率，降低高压天然气输送温度，保证高压天然气的输送安全。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了本申请的一种实施例提供的利用天然气压力能的制冷系统的结构示意图；以及

图2示出了本申请的另一种实施例提供的利用天然气压力能的制冷系统的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、低压天然气源设备；2、增压装置；3、发电装置；4、高压天然气管路；5、第一换热器；6、燃烧机；7、空气源设备；21、压缩机；22、冷却器；41、第一输送段；42、第二换热器；43、第二输送段。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中不能很好地利用压差能，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种利用天然气压力能的制冷系统。

本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种利用天然气压力能的制冷系统，如图1与图2所示，该系统包括发电装置3与至少一个第一换热器5，其中，发电装置3与高压天然气管路4连接，上述发电装置3利用由高压天然气管路4送入其内的高压天然气发电，且高压天然气变为降温且降压的天然气；各第一换热器5包括第一热气入口、第一冷气入口、第一热气出口与第一冷气出口，上述第一热气入口与空气源设备7连通，上述第一冷气入口与发电装置3的气体出口连通，也就是说，由发电机输出的天然气的至少一部分作为冷源进入到第一换热器中，上述第一热气出口与低压天然气源设备1的入口连通，上述第一冷气出口与燃烧机6的助燃气进口连通，上述第一换热器5用于将上述空气源设备7中的空气与发电机输出的降温降压的天然气进行换热，其中，空气作为热源，降温降压的天然气作为冷源，二者换热得到降温的空气与升温的天然气。

应用本申请的技术方案，一方面，利用天然气的压差进行发电；另一方面，并将发电后产生的低温天然气用于对待进入燃气机的助燃气进行降温，进入燃气机的助燃气例如空气的温度越低，其输出的功率就越高，因此，本申请中的制冷系统不仅能够有效利用天然气的压差能，还能提升燃气机的输出功率，降低高压天然气输送温度，保证高压天然气的输送安全。

本申请的一种实施例中，如图1与图2所示，本申请的制冷发电系统中还包括至少一个增压装置2，各增压装置2的入口与上述低压天然气源设备1的出口连通，各上述增压装置2的出口与上述高压天然气管路4连通，各上述增压装置2用于对上述低压天然气源设备1输出的低压天然气进行增压。通过增压装置对低压天然气的增压，使得低压天然气变为高压天然气，进而进一步满足天然气的长距离输送要求。

为了以简单的方式将低压天然气转变为高压天然气，本申请的一种实施例中，如图1所示，各上述增压装置2包括压缩机21，上述压缩机21的入口与上述低压天然气源设备1的出口连通，用于压缩上述低压天然气，得到高压天然气。

本申请的另一种实施例中，如图1所示，各上述增压装置2还包括冷却器22，该冷却器22与上述压缩机21的出口连通，用于对上述压缩机21输出的上述高压天然气进行降温。由于压缩机在将低压天然气转变为高压天然气的同时，将天然气的温度升高了，而天然气输送至首站的最高温度一般不超过50℃，这主要是对管线的强度、内外涂层和阴极保护效果有影响。所以，利用冷却器对天然气进行降温，进一步保护了管线、内外涂层以及阴极，保证了天然气的安全运输，延长了天然气运输设备的寿命。

本申请中的冷却器可以采用现有技术中的任何一种冷却器，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的冷却器对经过压缩机的天然气进行冷却。一种具体的实施例中，本申请的冷却器为空冷器。

为了进一步降低高压天然气的温度，进而保证天然气的安全运输，本申请的一种实施例中，如图1与图2所示，上述高压天然气管路4包括第一输送段41、第二换热器42与第二输送段43，其中，第一输送段41与上述冷却器22的出口连通，用于运送由冷却器输出的高压天然气；第二换热器42包括第二冷气入口、第二热气入口、第二冷气出口与第二热气出口，上述第二冷气入口与上述发电装置3的气体出口连通，也就是说，由发电装置的气体出口输出的低温的天然气一部分作为冷源进入到第一换热器中，另一部分作为冷源进入到第二换热器中，上述第二热气入口通过第一输送段41与上述冷却器22的出口连通，上述第二热气出口与上述低压天然气源设备1的入口连通，上述第二换热器42用于将降温降压的上述天然气与冷却器22输出的高压天然气进行换热，得到降温的高压天然气与升温的天然气，即该换热器的设置是为了进一步降低高温天然气的温度，进而进一步保证天然气的安全运输，并且，该第二换热器的冷气入口与发电装置的气体出口连通，也就是说利用发电装置得到的低温天然气对高压天然气进行降温，进一步对天然气的压差能进行了有效利用；第二输送段43与上述第二冷气出口连接，用于运输得到的低温高压天然气。

为了使得由冷却器输出的高压天然气能够获得更好的降温效果，本申请的一种实施例中，上述第二冷气入口不仅与发电装置的气体出口连通，还与其他储存冷源气体的设备连通，这样可以更高效且对更多的高压天然气进行降温。

本申请中的一种实施例中，如图1所示，上述第一输送段41还与上述发电装置3的气体入口连通。

本申请的发电装置可以是现有技术中的任何一种发电装置，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的发电装置。

本申请的一种实施例中，上述发电装置包括膨胀机、减速齿轮箱与减速齿轮箱，其中，膨胀机与上述高压天然气管路连接；减速齿轮箱与上述膨胀机轴连接；发电机与上述减速齿轮箱连接。由冷却器的出口输出的部分高压天然气通过调压阀稳压后进入膨胀机，通过压差推动膨胀机叶轮高速旋转(最高速达40000rpm)，膨胀机轴连接减速齿轮箱，减速到1500rpm带动与之相连的发电机发电，经膨胀机后的天然气温度降低到20～-20℃之间，降温后的天然气与空气和/或高压天然气换热，温度升高至10～30℃以上。

本申请中的燃烧机可以是现有技术中的任何一种燃烧机，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的燃烧机。

具体的一种实施例中，为了更好地利用天然气的压差能，上述燃烧机为燃气轮机，燃气轮机的出力和效率与助燃气(一般是空气)进气温度密切相关，随着进气温度降低机组的进密度以及质量流量等升高，发电机的输出功率也就越大，效率也上有所提高。燃气轮机的出力与助燃气的进气温度成反比，进气温度每降低1℃出力增加1％。燃气轮机的额定工况是在iso标准下制定的，即：进气温度15℃，相对湿度60％。而在我国的大部分地区，尤其是南方，比如重庆，夏季日平均温度较高，最高可达40℃多，而此时恰恰是用电高峰期，燃气轮机需要全力运行调峰。如此高的进气温度使燃气轮机的功率大幅下降，效率也降低。因此，对进气助燃气的冷却就显得尤为重要。

本申请的一种实施例中，上述助燃气进口为空气进口，即燃气机中的助燃气为空气。这样可以降低燃烧成本且取材方便。但是，本申请中的助燃气并不限于空气，可以是其他气体例如氧气等，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的气体作为助燃气。

另外，也可以使用备用的增压装置进行膨胀发电，利用降温后天然气冷却高压天然气和/或待进入燃烧机的空气。具体如图2所示，该制冷系统包括两个增压装置与两个不同的高压天然气管路4，其中一个增压装置与发电装置连通，该增压装置称为备用增压装置，另一个称为工作增压装置，每个增压装置中均包括压缩机21、冷却器22，发电装置一端通过一个高压天然气管路4与备用增压装置连通，另一端与低压天然气源设备1连通，这两个增压装置可以共用一个低压天然气源设备1，也可以分别与一个低压天然气源设备1连通。

且该系统包括两个第一换热器5，一个第一换热器5的出口与备用增压装置的入口连通，该第一换热器5称为备第一换热器，另一个第一换热器5与工作增压装置的入口连通，该第一换热器5称为工第一换热器。这两个第一换热器5的第一冷气入口均与发电装置3的气体出口连通，二者的第一热气入口均与空气源设备7连通，具体地，可以如图2所示，分别与一个空气源设备7连通，也可以与一个空气源设备7连通。

该系统中与备用增压装置连通的高压天然气管路4称为备高压天然气管路，与工作增压装置连通的高压天然气管路4称为工高压天然气管路，工高压天然气管路包括第一输送段、一个第二换热器42与第二输送段43，且该第二换热器42也与发电装置3的气体出口连通。

上述系统中，备用增压装置中，低压天然气经过备用增压装置的压缩机21与冷却器22后进入发电装置3中发电，在工作增压装置中，低压天然气经过压缩机21与冷却器22后直接进入第二换热器42中。

在发电装置3中被利用发电部分的天然气发电后变为降温降压的天然气，这部分天然气分为三部分，第一部分与第二部分分别进入备第一换热器与工第一换热器中，对待进入燃烧机的空气进行降温，第三部分进入到第二换热器42中，与高温天然气进行换热进而对其降温。

为了使得本领域技术人员可以更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例来说明本申请的技术方案。

实施例1

采用图1所示的制冷系统对天然气的压差能进行利用，其中，冷却器为空冷器，发电装置包括膨胀机、减速齿轮箱、发电机与油站，高压天然气管路包括第一输送段、第二换热器与第二输送段，且膨胀机的气体入口通过第一输送段与冷却器的出口连通。燃烧机为燃气轮机，且助燃气为空气。

低压天然气源设备中的低压天然气6mpa、36℃(40万标方/天)首先进入压缩机，压缩后得到10mpa、87℃的高压天然气，高压天然气进入空冷器降温，冷却至50℃后，部分高压天然气进入到第二换热器中与冷源气体进行换热，降温后的高压天然气直接运输出去；另一部分的高压天然气进膨胀机，发电500kw，出膨胀机，膨胀后的天然气温度从50℃降至18℃，压力由10mpa降至6.05mpa。

降温后的低温天然气分为两部分，一部分低温天然气进入第一换热器对空气降温，低温天然气的温度从18℃升至28℃，高温空气的温度从35℃降至20℃，降温后的空气进入燃气轮机中与燃料混合燃烧，升温的天然气再进入压缩机进口天然气管网中；另一部分低温天然气进入第二换热器中用于冷却由空冷器输出的高压天然气，低温天然气的温度从18℃升至39℃，且再进入压缩机的进口天然气管网中，高压天然气的温度从50℃降至40℃且满足运输要求。

实施例2

采用图2所示的制冷系统对天然气的压差能进行利用，其中，各冷却器均为空冷器，发电装置包括膨胀机、减速齿轮箱、发电机与油站，与工作增压装置连通的高压天然气管路包括第一输送段、第二换热器与第二输送段，且膨胀机的气体入口与冷却器的出口连通。燃烧机为燃气轮机，且助燃气为空气。与备第一换热器连通的燃气轮机为备燃气轮机，与工第一换热器连通的燃气轮机为工燃气轮机，具体的结构的连接关系可以参见上文中对图2的描述。

低压天然气源设备中的低压天然气6mpa、36℃(40万标方/天)进入备用增压装置中，经过压缩机压缩后得到10mpa、87℃的高压天然气，高压天然气进入空冷器降温，冷却至50℃后全部进入膨胀机中发电，发电500kw，出膨胀机，膨胀后的天然气温度从50℃降至18℃，压力由10mpa降至6.05mpa。进而得到降温厚度低温天然气，这部分天然气分为三部分，且其中的两部分分别进入备第一换热器与工第一换热器中，与待进入汽轮机的空气进行换热，换热后的低温天然气的温度从18℃升至28℃，高温空气的温度从35℃降至20℃，降温后的空气分别对应进入备燃气轮机与工燃气轮机中与燃料混合燃烧，升温的天然气均进入备用增压装置中的压缩机进口天然气管网中，第三部分低温天然气进入第二换热器中。

低压天然气源设备中的低压天然气6mpa、36℃(40万标方/天)进入工作增压装置，经过工作增压装置中的压缩机压缩后得到10mpa、87℃的高压天然气，高压天然气进入工作增压装置中的空冷器降温，降温后的天然气经过第一输送段进入第二换热器中，与进入第二换热器中的低温天然气换热，低温天然气的温度从18℃升至39℃，且再进入备用增压装置的压缩机的进口天然气管网中，高压天然气的温度从50℃降至40℃且满足运输要求。

上述的两个制冷系统不仅有效利用了天然气的压差进行发电，还充分利用了天然气调压发电所产生的冷能，即将发电所产生的冷能用于对天然气以及空气的降温，提高了燃气机的效率且满足了高压天然气安全输送要求，且降低了增压装置中对冷却器的投资和能耗。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

本申请的制冷系统，一方面，利用天然气的压差进行发电；另一方面，并将发电后产生的低温天然气用于对待进入燃气机的助燃气进行降温，进入燃气机的助燃气(例如空气)的温度越低，其输出的功率就越高，因此，本申请中的制冷系统不仅能够有效利用天然气的压差能，还能提升燃气机的输出功率，降低高压天然气输送温度，保证高压天然气的输送安全。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。