本發明關于一種天然氣管網壓力能發電及冷庫方法與裝置，具體涉及管網天然氣壓力能膨脹發電和冷媒制冷的一體化裝置。

背景技術：

天然氣長輸管道一般采用高壓輸送，在輸送過程中需經壓氣站升至高壓輸送，而至用戶側則需降壓使用。天然氣在降壓過程中產生巨大的能力，目前這部分能量的有效利用已經引起人們的廣泛關注。

天然氣壓力能回收利用常通過膨脹機將其轉成機械能及冷能。機械能常用于發電或連軸使用，冷能常用于制冰、冷庫及冷水空調等常用冷產業。中國專利CN102563958A公開了一種利用管網天然氣壓力能發電與制冰的方法與裝置，該發明回收天然氣壓力能用于發電和制冷，電能主要一部分用于供調壓門站辦公樓和職工生活用電，剩余部分則直接帶動壓縮制冷循環制冰，即消耗高品質的電能用來制冰。中國專利CN104863645A公開了一種管網壓力能發電及冷能回收裝置，一種管網天然氣壓力能及冷能回收的高效利用系統，用以將高壓天然氣管路中的天然氣壓力能回收發電并將管網天然氣冷能回收制冰。此工藝壓力能回收利用裝置與冷能回收利用裝置分別撬裝，具有易安裝、易拆卸、易維護等結構優點，保證了原設備和新裝置的穩定運行，但是對于冷能的利用也僅限于一種溫位。中國專利CN205025513U公開了一種天然氣管網壓力能回收綜合利用系統，該專利實現了天然氣膨脹發電和冷能回收，該工藝較為繁瑣，并且對于冷能的回收利用僅限于制冰，有很大的局限性。上述工藝均對天然氣管網壓力能回收發電及冷能回收用于制冰進行描述，但對于制冷冷庫尤其是多溫位冷庫的應用未進行相關探討。

有鑒于此，現有技術仍存在一定的不足。

技術實現要素：

為了克服上述工藝的不足，本發明提供了一種天然氣管網壓力能用于發電及冷庫方法與裝置，回收利用管網壓力能進行發電并網，發電的同時連軸帶動壓縮機運作，在實現管網壓力能發電的同時帶動壓縮機運轉，減少了單獨使用壓縮機時的外部所需提供的能耗；同時該裝置實現兩種不同溫位的冷庫的供冷，極大的適應市場的需求。

本發明實現上述目的的技術方案為：

一種天然氣管網壓力能用于發電及冷庫裝置，其中，包括膨脹發電系統和冷媒制冷系統；

所述膨脹系統包括通過管路依次連接在高壓管網和低壓管網之間的控制閥(1)，流量計(2)，膨脹機(3)，換熱器(17)，復熱器(18)，控制閥(4)，連接在膨脹機(3)之后的還有雙軸發電機(5)，變壓同步器(6)；

所述冷媒制冷系統依靠管路依次連接形成冷媒循環回路，其中循環管路依次流經調節閥(9)，換熱器(17)，分流器(10)，控制閥(11)，高溫冷庫(12)，控制閥(15)，流量計(16)；另外一路冷媒制冷循環依靠管路依次流經分流閥(10)，節流閥(13)，低溫冷庫(14)，壓縮機(8)，控制閥(15)，流量計(16)；兩路冷媒制冷管路于緩沖罐(7)處合并形成回路；

優選的，所述的一種天然氣管網壓力能用于發電及冷庫裝置，其中：所述膨脹機為透平膨脹機、螺桿膨脹機；

優選的，所述的一種天然氣管網壓力能用于發電及冷庫裝置，其中：所述變壓同步器為三相變壓同步器；

優選的，所述的一種天然氣管網壓力能用于發電及冷庫裝置，其中：所述雙軸發電機為隔爆永磁發電機；

優選的，所述的一種天然氣管網壓力能用于發電及冷庫裝置，其中：所述換熱器為管殼式換熱器，高溫制冷劑走殼程，膨脹后的低溫天然氣走管程；

優選的，所述的一種天然氣管網壓力能用于發電及冷庫裝置，其中：壓縮機為透平壓縮機或螺桿壓縮機等常規壓縮設備；

優選的，所述的一種天然氣管網壓力能用于發電及冷庫裝置，其中：膨脹后的天然氣和壓縮后的冷媒換熱后，經分流器分為兩路，一路直接給高溫冷庫供冷，另一路經節流閥膨脹之后給低溫冷庫供冷，使冷媒制冷系統包含兩種不同溫位的冷庫，并可根據實際情況調整；

優選的，所述的一種天然氣管網壓力能用于發電及冷庫裝置，其中：所述冷媒為R404a、R134a、R22、CO₂等常用冷媒；

優選的，所述的一種天然氣管網壓力能用于發電及冷庫裝置，其中：所述膨脹機后連接雙軸發電機，連軸帶動發電機及壓縮機；

一種天然氣管網壓力能用于發電及冷庫方法，應用所述的天然氣管網壓力能用于發電及冷庫裝置，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

S100、高壓天然氣流經第一控制閥(1)，第一流量計，膨脹機(3)膨脹發電，膨脹后的天然氣溫度降低，膨脹發電部分通過變壓同步器(6)用于輸出，同時帶動壓縮機(8)；

膨脹后的天然氣與換熱器(17)中的冷媒進行換熱，使換熱后的天然氣經復熱器加熱后，溫度達到要求，然后經過第二控制閥(4)進入城市燃氣管網；

S200、流經換熱器的制冷劑經過換熱器(17)，然后流經(10)分流器分成兩路，一路流經第三控制閥(11)，高溫冷庫(12)，第四控制閥(15)，第二流量計(16)，緩沖罐(7)；另一路流經節流閥(13)，低溫冷庫(14)，壓縮機(8)，第四控制閥，第二流量計(16)，然后和第一路制冷劑混合在一起進入緩沖罐(7)，隨后流經第五控制閥(9)一起流經換熱器(17)與膨脹發電后的天然氣進行換熱。

本發明與現有技術比較有以下的優異效果:

1、實現能源有效利用。本發明回收了原本天然氣管道中浪費的壓力能；其次膨脹降溫后的低溫天然氣與壓縮后的冷媒在管殼式換熱器換熱，不僅節約了原有工藝中提升調壓后低溫天然氣的溫度所耗費的能量和設備，而且也節省了冷媒制冰所需的冷量。

2、能源利用率高，可以實現不同溫位的冷庫供冷。通過膨脹機、發電機和壓縮機的聯軸，實現膨脹發電與壓縮制冷一體化，視輸出功的大小有效利用電能，大大提升能源綜合利用率；其次該裝置中能實現兩種不同溫位的冷庫，能夠實現不同食品、海鮮或者設備的冷凍保藏，極大的適應市場的需求。

3、工藝流程簡單，安全穩定性高。利用載冷劑作為冷量傳遞介質，分級回收天然氣膨脹后的冷能，同時也保證了天然氣調壓站和天然氣壓力能回收綜合利用系統的安全穩定性。

4、易于推廣使用。該工藝可實現發電和制冷一體化，工藝流程簡單。可建在對冷市場需求較大的地方，具有良好的社會效益和經濟效益。

附圖說明

圖1為本發明的天然氣管網壓力能用于發電及冷庫裝置的示意圖。

圖2為本發明的天然氣管網壓力能用于發電及冷庫方法的流程示意圖。

其中1—第一控制閥，2—第一流量計，3—膨脹機，4—第二控制閥，5—發電機，6—變壓同步器，7—緩沖罐，8—壓縮機，9—第五控制閥，10—分流器，11—第三控制閥，12—高溫冷庫，13—節流閥，14—低溫冷庫，15—第四控制閥，16—第二流量計，17—換熱器，18—復熱器。

具體實施方式

下面結合實例和工藝流程圖(見圖1)做進一步說明。如圖1所示，一種天然氣管網壓力能發電及冷庫方法與裝置，包括膨脹機發電系統和冷媒制冷系統；

所述膨脹系統包括通過管路依次連接在高壓管網和低壓管網之間的控制閥1、流量計2、膨脹機3、換熱器17、復熱器18、控制閥4，其中膨脹機3后端還連接雙軸發電機5，變壓同步器6；所述透平膨脹機3的輸出軸連接雙軸發電機6的一軸，所述雙軸發電機6的電力供場地設備使用或者通過變壓同步器向外供電；

所述冷媒制冷系統依靠管路依次連接形成冷媒循環回路，其中循環管路依次流經換熱器17、分流器10、第五控制閥11、高溫庫12、第四控制閥15、第二流量計16，緩沖罐7；另外一路冷媒制冷循環依靠管路依次流經分流器10、節流閥13、低溫庫14、壓縮機8、第四控制閥15、第二流量計16，緩沖罐7，形成兩種不同溫位的冷庫。

進一步地，所述雙軸發電機5為隔爆永磁發電機，安全可靠、穩定性高。

進一步地，所述變壓同步器6為三相變壓同步器，具有體積小、重量輕、維護簡單、運行可靠等優點。

進一步地，所述換熱器為管殼式換熱器17，膨脹后的低溫天然氣流經換熱器與經壓縮機壓縮的高溫冷媒進行換熱,高溫冷媒走殼層，膨脹后的天然氣走管層，具有結構簡單，成本低，換熱效果好等優點。

進一步地，所述膨脹機3為透平膨脹機、螺桿膨脹機，具體需根據不同的工況選擇合適的膨脹機。

進一步地，所述的冷媒制冷系統包含兩種不同溫位的冷庫，能夠實現不同食品、海鮮或者設備的冷凍保藏，可滿足不同溫位冷產品需冷要求，極大的適應市場的需求。

進一步地，所述冷媒為R404a、R134a、R22、CO₂等常用冷媒。

進一步地，所述膨脹機后接雙軸發電機，連軸帶動壓縮機，在實現管網壓力能發電的同時帶動壓縮機運轉，減少了單獨使用壓縮機時的外部所需提供的能耗。

應用所述裝置的天然氣管網壓力能用于發電及冷庫方法，如圖2所示，包括如下步驟：

S100、高壓天然氣流經第一控制閥1，第一流量計2，膨脹機3膨脹發電，膨脹后的天然氣溫度降低，膨脹發電部分通過變壓同步器6用于輸出，同時帶動壓縮機8；

膨脹后的天然氣與換熱器17中的冷媒進行換熱，使換熱后的天然氣經復熱器加熱后，溫度達到要求，然后經過第二控制閥4進入城市燃氣管網；

S200、經換熱器的制冷劑經過換熱器17，然后流經10分流器分成兩路，一路流經第三控制閥11，高溫冷庫12，第四控制閥15，第二流量計16，緩沖罐7；另一路流經節流閥13，低溫冷庫14，壓縮機8，第四控制閥，第二流量計16，然后和第一路制冷劑混合在一起進入緩沖罐7，隨后流經第五控制閥9一起流經換熱器17與膨脹發電后的天然氣進行換熱。

某門站天然氣調壓前相關參數為20℃、4.0MPa、50000Nm³/h，調壓后天然氣壓力為1.2MPa。該地有周邊有豬肉類和瓜果類需冷產業，需要庫容為5000m³，溫位為-5℃左右的冷庫及庫容為5000m³，溫位為-30℃左右的冷庫進行保冷保鮮。

根據上述項目背景進行方案設計，本方案中所用的制冷劑為R404a，膨脹機3選用透平膨脹機，膨脹效率約為0.78，發電機5選用防爆型的異步發電機，換熱器17為管殼式特型設備，所用壓縮機7為螺桿式壓縮機，壓縮機的機械效率為0.78，具體實施方案如下。

現有30000Nm³/h的高壓管網天然氣20℃、4.0MPa的天然氣經透平膨脹機膨脹3至1.2MPa，天然氣的溫度降低至-45℃；-45℃的低溫天然氣與換熱器17中的制冷劑R404a換熱，天然氣的溫度升高至-8℃后，在經過復熱器18，達到要求后并入城市低壓燃氣管網；1℃、0.5MPa、139000kg/h的冷媒R404a，換熱后的溫度為-7℃，然后流經分流器10，第一路為8757kg/h，經過第三控制閥11，隨后給-5℃高溫冷庫12供冷；另一管路為5143kg/h，經過節流膨脹后溫度可達到-32℃左右，然后給-30℃低溫冷庫14供冷，隨后通過壓縮機8壓縮后，壓力增加至0.5MPa，隨后和第一路管道的冷媒在緩沖罐中混合在一起，混合后的壓力為0.5MPa、溫度為1℃隨后流經調節閥9，經過換熱器17形成整個回路。

整個工藝中換熱器所需的換熱面積為7180m²，第一路制冷劑能提供442kW的冷量，可供應5000t溫位為-5℃的冷庫；第二路制冷劑能提供231kW的冷量，可供5000t溫位-30℃的冷庫存儲保鮮。

本工藝運用天然氣管網壓力能發電及冷庫方法與裝置發電能產生1220kW電能，壓縮機需耗功26kW。以全年運行時間8600h，電費0.8元/kWh計算，本工藝總節能效益為820萬元/年。

本發明的上述實施例僅僅為清楚說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定。對于所述領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其他不同形式的變化或變動。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明權利要求的保護范圍之內。