基于冷量深度耦合利用的CNG上载站节能系统及方法与流程

本发明涉及换热器，特别涉及基于冷量深度耦合利用的cng上载站节能系统及方法。

背景技术：

1、cng（压缩天然气）减压撬工艺是将高压cng转变为中压或低压cng的过程，以满足不同需求的应用。在减压过程中，高压cng从储气罐中流出，进入减压器，减压器的作用是将cng的压力降低到中压或低压水平，并可调节出口压力，将cng送入下一阶段的分步减压过程。分步减压则通过多级减压器逐步降低cng的压力，确保压力从高压到中压或低压的逐步过渡，防止过快的压力下降对设备和管道造成损坏。

2、在cng减压撬过程中，高压天然气通过减压阀节流口时，压降大、速度快，天然气的压力、密度和温度等参数都发生变化，体积膨胀在通过阀口时要损失能量，温度变化就引起天然气与周围壁面之间的热交换。但热交换速度远远小于天然气的流速变化，这一过程可以近似地看作绝热过程。由于绝热节流并不是可逆绝热过程，且天然气的主要成分是甲烷，还含有少量的乙烷、丙烷、丁烷及惰性气体，如果碳氢化合物中的水分超过一定的含量，在一定的温度压力条件下，水能与液相和气相的碳氢化合物生成结晶水化物，类似于冰或致密的雪，导致管道结冰。因此，压缩天然气减压过程中，要设专用的换热器为天然气提供热量，但是现有的换热器在对压缩天然气进行加热的过程中加热温度不稳定，工作效率低。

3、申请号为cn201420598231.2的中国专利公开了用于压缩天然气减压装置的换热器，包括换热器壳体，在换热器壳体内安装一级换热盘管和二级换热盘管，将需要降压的天然气先通入一级换热盘管，经一级加热后的天然气经过导气管与外部一级减压设备连接，降压后的天然气再经导气管进入二级换热盘管，经二级加热后的天然气经导气管与外部二级减压设备连接，进行减压。换热器壳体的上端安装有温度表、温度变送器和液位计等测量仪表，监测换热器壳体内热水的液位和温度。在换热器壳体的下端安装有支腿，便于安装和运输。换热器壳体内的热水可用电热器进行加热，也可通过联通管与外部锅炉连接，由外部锅炉提供循环热水。

4、尽管上述装置能够通过换热器对压缩天然气实施加热处理，有效缓解其在降压过程中可能引发的结冰问题，然而，在换热器对天然气进行加热的过程中，换热管两端会显著产生温差，由此引发的温差应力导致换热管与管板连接部位易于发生拉脱破裂现象，进而造成压缩天然气从换热管与管板接合处泄漏的风险增加。

5、此外，当采用管壳式换热器对压缩天然气进行加热时，壳程流体流经弓形折流板的圆缺区域后，会在折流板背侧形成涡流区域。在此区域内，流体流动相对停滞，导致壳程流体温度迅速与换热管外壁表面温度达到平衡状态。由于该区域流体近乎静止，热量在此积聚且难以及时传递至下游区域，因此该区域的换热效果极为不佳，被称之为“传热死区”。传热死区的存在不仅限制了管壳式换热器换热面积的有效利用，还显著影响了其传热效率。同时，该区域易于积聚污垢，进一步加剧了传热效率的降低。

6、鉴于此，迫切需要基于冷量深度耦合利用的cng上载站节能系统及方法以解决上述所提出的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于冷量深度耦合利用的cng上载站节能系统及方法，以解决上述背景技术中提出的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于冷量深度耦合利用的cng上载站节能系统，包括通过连接管道依次连接的一级换热器、一级过滤器、一级调压器、二级换热器、二级过滤器、二级调压器；

4、一级换热器与二级换热器包括管壳式的换热装置，所述换热装置包括进行气液传质作业的壳程部，所述壳程部的两端分别设有前头部与后头部；

5、所述壳程部包括壳体，所述壳体的两端均设有管板，两块所述管板之间设有供cng流通的换热管，所述换热管的外侧设有阵列分布的折流装置，所述折流装置包括圆周板，所述圆周板上开设有供换热管穿过的穿孔，所述圆周板上设有供流体通过的缺口部，所述缺口部内设有对缺口部进行封挡的调节件；

6、所述调节件包括开设在圆周板上的限位槽，所述限位槽的内部设有活动板，所述活动板的两侧设有推动件，所述推动件驱使活动板沿限位槽上下往复移动并对缺口部进行封挡作业。

7、优选地，所述换热装置配备有进水口与出水口，一级换热器的出水口接入二级换热器的进水口，二级换热器出水口连接至蓄冷箱低温侧进水端，蓄冷箱低温侧出水端与cng压缩机进水端相连，cng压缩机出水端与蓄冷箱高温侧的进水端相连，蓄冷箱高温侧的出水端回流至一级换热器进水口，形成闭式循环。

8、优选地，所述一级换热器与二级换热器之间设有一级过滤器，所述一级过滤器对进入到二级换热器中的压缩天然气进行初步过滤，所述二级换热器与城市管网之间设有二级过滤器，所述二级过滤器对进入到城市管网中的压缩天然气进行二次过滤。

9、优选地，所述一级换热器的出水口与二级换热器的进水口之间设有一级净化器，所述一级净化器对进入二级换热器中的流体杂质进行拦截，所述二级换热器的出水口与蓄冷箱之间设有二级净化器，所述二级净化器对进入蓄冷箱中的杂质进行拦截。

10、优选地，所述折流装置将进入壳体内的流体进行阻挡，使流体的流向呈“w”形；

11、所述壳体包括低温区与高温区，位于低温区的折流装置间与位于高温区的折流装置间分别安装有伸缩装置，用以调节相邻折流装置之间的板间距；

12、所述壳体的外侧设有等同于进水口的进液口，以及等同于出水口的出液口。

13、优选地，所述前头部包括罩体，所述罩体的内部设有分隔板，所述分隔板将罩体分为上下两个区域；

14、所述罩体的外侧设有进气口与出气口，所述进气口与罩体的上半区域相连通，所述出气口与罩体的下半区域相连通。

15、优选地，所述圆周板朝向后头部的一面设有膨胀部，当两个相邻的圆周板之间的区域处于密封状态时，两个圆周板之间的板间距扩大，膨胀部发生膨胀。

16、优选地，所述膨胀部包括开设在圆周板上的空槽，所述空槽内设有弹性膜。

17、优选地，所述换热管的端部通过补偿装置与管板相连接，所述补偿装置包括设置在管板上的固定板，所述固定板上设有伸缩管，所述伸缩管的端部设有安装板，所述安装板与固定板之间设有限位活动件。

18、本发明还提供一种基于冷量深度耦合利用的cng上载站节能系统的节能方法，所述节能方法包括以下步骤：

19、s1、初步加热与过滤阶段：首先，将压缩天然气导入一级换热器进行初步加热，加热完成后，经一级调压器降压处理，进入一级过滤器进行初步杂质去除；

20、s2、二次加热与精细过滤阶段：初步过滤后的压缩天然气进入二级换热器，接受二次加热处理，随后，通过二级调压器进一步降压，进入二级过滤器进行二次过滤作业，最终将净化后的天然气输送至城市管网；

21、s3、冷量回收与再利用阶段：在s1与s2的基础上，利用蓄冷箱上部的高温水对一级换热器及二级换热器中的低温天然气进行热交换，热交换后的高温水流至蓄冷箱下部，降低其中下部水温；同时，蓄冷箱下部的低温水被用于冷却cng压缩机，产生的高温水回流至蓄冷箱上部，进行冷量回收与再利用循环；

22、s4、热交换效率优化阶段：在s3基础上通过监测换热器内部的温差及压降变化，利用控制调节件及伸缩装置的动态调整，依据不同工况下的需求，优化天然气与高温水的热交换过程。

23、本发明的技术效果和优点：

24、1.本发明通过一级换热器和二级换热器的串联使用，以及蓄冷箱与换热器的循环水系统，实现了对压缩天然气的逐步加热，显著提高了换热效率，同时通过圆周板与缺口部的设计，在壳体内形成了“w”形流体流动路径，增加了流体与换热管之间的接触面积和湍流程度，从而增强了热交换效果。

25、2.本发明通过监测换热管两端的温差和壳体的压降值，能够实时判断天然气与高温水之间的传热效率，并根据传热效率控制伸缩装置和推动件进行相应的结构变化，以平衡换热管两端的温差和壳体的压降；当温差超出预设阈值时，通过调节圆周板之间的板间距，可以有效平衡换热管两端的温差，避免温差应力导致的连接损坏；当压降超出设定状态时，通过同步伸长位于壳体低温侧与高温侧的伸缩装置，扩大圆周板之间的板间距，降低壳体内的流体阻力，从而维持流体的稳定流动并降低压降。

26、3.本发明通过圆周板上的活动板与推动件的配合使用，能够在伸缩装置的驱动下对换热管和壳体内壁上的结垢进行自动清理，避免了结垢对传热效果和流体阻力的影响；同时通过弹性膜与圆周板的结合设计，在清理结垢时能够利用负压和弹性膜的膨胀作用对结垢的应力结构进行破坏，使结垢更容易脱落并被水流冲刷带走。

27、4.本发明通过在换热管的两端设置补偿装置，当换热管因温差产生应力拉伸时，伸缩管能够对换热管的应力拉伸进行补偿缓冲，避免了换热管与管板连接部位的拉脱破裂现象，从而保障了压缩天然气的安全传输。