天然气压差能利用智能调峰系统及其调峰方法与流程

1.本发明涉及天然气压差能应用的技术领域，尤其涉及天然气压差能利用智能调峰系统。


背景技术：

2.随着经济的快速发展和环境保护压力的不断增大，天然气作为清洁高效能源的比重日益增加。长距离、高压力、网格化的大型供气系统已成为当前世界天然气输气管道的发展趋势。随着我国天然气管道建设的迅猛发展，我国天然气管网正处于快速发展阶段。
3.高压天然气管网蕴含着大量的压力能，因为当高压天然气经过各地的门站或调压站时都要进行调压。传统调压方式都是通过节流阀进行节流膨胀，不仅浪费的大量的压差所产生的动能，而且需要大量的热量对气体进行增温，以抵消节流膨胀所产生的冷能。与此相比，近年来专家学者提出可用膨胀机将天然气压差能转化为电能从而实现天然气输送管网能量回收，但膨胀机在膨胀做功的同时亦会产生大量的冷量，该应用的推广受到膨胀过程冷能利用方式的限制。
4.与此同时，在城市天然气的输配系统中，用户对燃气的需求量是不断变化的。为保证供气的连续性和供气与用气间的平衡，结合天然气高压输送的特点，可以在天然气调压过程中同时进行天然气液化，在用气低谷时将富余天然气液化为lng储存，在用气高峰时，将储存的液化天然气气化后补给用户，用液化天然气满足城市日、时用气不均匀性调峰，保证燃气的安全、平稳、可持续地向用户输送，从而达到节省能源、节能减排、提高经济效益的目的。同时，由于天然气门站或调压站选址一般较为偏远，且站内为防爆场所，设备运行维护人员少，装置的智能化水平对该天然气压力能利用装置的推广应用至关重要。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于提供一种天然气压差能利用智能调峰系统及其调峰方法，其能实现天然气用气的智能调峰，并可有效地利用天然气管网压力能回收过程中的冷能。
6.本发明实施例提供了一种天然气压差能利用智能调峰系统，包括：天然气膨胀调压装置，用于将来自天然气高压管线的天然气进行膨胀；换热装置，包括第一换热支路和第二换热支路，第一换热支路用于将天然气膨胀调压装置输出的天然气加热升温后输出至天然气低压管线；第二换热支路用于将天然气膨胀调压装置输出的天然气冷凝为液化天然气；切换装置，切换装置的第一接口、第二接口和第三接口分别与第一换热支路的入口、第二换热支路的入口和天然气膨胀调压装置的出口连通，用于选择性地将天然气膨胀调压装置输出的天然气从第一接口输出或同时从第一接口和第二接口输出；lng再气化装置，lng再气化装置的入口与第二换热支路的出口连通，lng再气化装置的出口与天然气低压管线的入口连通，lng再气化装置用于存储第二换热支路输出的液化天然气以及将储存的液化天然气进行加热气化；压力传感器，用于检测进入天然气低压管线的天然气的压力； 控制
装置，用于接收压力传感器的输出信号，并控制天然气膨胀调压装置、切换装置以及lng再气化装置的工作。
7.本发明实施例还提供了一种上述的天然气压差能利用智能调峰系统的调峰方法，其中，控制装置在进入天然气低压管线的天然气压力p高于预设的高压阈值p1时，控制切换装置将天然气膨胀调压装置输出的天然气同时输出到换热装置的第一换热支路和第二换热支路中，第一换热支路将天然气膨胀调压装置输出的天然气加热升温后输出至天然气低压管线，lng再气化装置存储第二换热支路输出的液化天然气；控制装置在进入天然气低压管线的天然气压力p低于预设的低压阈值p2时，控制切换装置将天然气膨胀调压装置输出的天然气仅输出到换热装置的第一换热支路中，第一换热支路将天然气膨胀调压装置输出的天然气加热升温后输出至天然气低压管线，并控制lng再气化装置将储存的液化天然气进行加热气化后输出给天然气低压管线；控制装置在p2≤p≤p1时，控制切换装置将天然气膨胀调压装置输出的天然气仅输出到换热装置的第一换热支路中，第一换热支路将天然气膨胀调压装置输出的天然气加热升温后输出至天然气低压管线。
8.本发明至少具有以下优点和特点：1、本发明实施例对天然气管道压差进行充分利用的同时，在用气低谷时，利用天然气减压膨胀过程的冷能对富余天然气进行液化储存，并在用气高峰时将储存的液化天然气对天然气低压管线进行补充，从而实现天然气的智能调峰；2、本发明实施例的天然气压差能利用智能调峰系统结构简单，能量利用效率高。
附图说明
9.图1示出了根据本发明实施例的天然气压差能利用智能调峰系统的示意图。
具体实施方式
10.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
11.图1示出了根据本发明实施例的天然气压差能利用智能调峰系统的示意图。请参考图1。根据本发明一实施例的天然气压差能利用智能调峰系统，包括天然气膨胀调压装置、换热装置、切换装置3、lng再气化装置、压力传感器51、温度传感器52和控制装置6。
12.在本实施例中，天然气压差能利用智能调峰装置设置于天然气高压管线81与天然气低压管线82之间，与天然气调压站83并联运行。在天然气高压管线81的出口与天然气调压站83的入口之间的管路上设有第四调节阀84，控制装置6的控制输出端与第四调节阀84的控制输入端连接，以控制第四调节阀84的开度。
13.天然气膨胀调压装置用于将来自天然气高压管线81的天然气进行膨胀至较低压力和温度。天然气膨胀调压装置包括天然气膨胀机11，天然气膨胀机11的入口与天然气高压管线81的出口连通。在天然气膨胀机11的入口与天然气高压管线81的出口之间的管路上设有第二调节阀12和第二开关阀13。控制装置6的控制输出端分别连接第二调节阀12及第二开关阀13的控制输入端，以控制第二调节阀12及第二开关阀13的开度。
14.换热装置包括第一换热支路、第二换热支路、第三换热支路、第一介质气压缩机24、第二介质气压缩机25及介质气膨胀机26。
15.第一换热支路用于将天然气膨胀调压装置输出的天然气加热升温后输出至天然
气低压管线82；第二换热支路用于将天然气膨胀调压装置输出的天然气冷凝为液化天然气；第三换热支路与第一换热支路并联连接，用于将天然气膨胀调压装置输出的天然气加热升温后输出至天然气低压管线82。
16.第一换热支路上设有第一开关阀21、第一换热器221和第二换热器222，第一开关阀21的入口连通切换装置3的第一接口，第一开关阀21的出口连通第一换热器221的冷侧入口，第一换热器221的冷侧出口连通第二换热器222的冷侧入口，第二换热器222的冷侧出口连通天然气低压管线82的入口。
17.第二换热支路上设有第三换热器223，第三换热器223的第一热侧入口连通切换装置3的第二接口，第三换热器223的第一热侧出口连通lng再气化装置的入口，第三换热器223的第二热侧入口连通载冷剂入口，在第二热侧入口与载冷剂入口之间的管路上设有第一调节阀23，第三换热器223的第二热侧出口连通载冷剂出口。
18.第三换热支路上设有第三开关阀27和空气换热器28，第三开关阀27的入口连通切换装置3的第一接口，第三开关阀27的出口连通空气换热器28的入口，空气换热器28的出口连通天然气低压管线82。
19.第一介质气压缩机24的动力输入轴与天然气膨胀机11的动力输出轴连接，由天然气膨胀调压装置驱动运行，第一介质气压缩机24的出口连通第一换热器221的热侧入口。第二介质气压缩机25的入口连通第一换热器221的热侧出口，第二介质气压缩机25的出口连通第二换热器222的热侧入口。介质气膨胀机26的入口连通第二换热器222的热侧出口，介质气膨胀机26的出口连通第三换热器223的冷侧入口，第三换热器223的冷侧出口连通第一介质气压缩机24的入口。介质气膨胀机26的动力输出轴与第二介质气压缩机25的动力输入轴连接，第二介质气压缩机25由介质气膨胀机26驱动运行。第一介质气压缩机24、第二介质气压缩机25及介质气膨胀机26所采用的介质气体可以是氮气、氦气或相关混合气等。
20.控制装置6的控制输出端分别连接第一开关阀21、第三开关阀27、第一调节阀23的控制输入端，以控制第一开关阀21、第三开关阀27及第一调节阀23的开度。
21.可选地，第一开关阀21、第二开关阀13均采用快关阀，第三开关阀27采用快开阀。
22.切换装置3的第一接口分别与第一换热支路的入口和第三换热支路的入口连通，切换装置3的第二接口与第二换热支路的入口连通，切换装置3的第三接口与天然气膨胀调压装置的出口连通，用于选择性地将天然气膨胀调压装置输出的天然气从第一接口输出或同时从第一接口和第二接口输出。
23.在本实施例中，切换装置3为三通调节阀，控制装置6的控制输出端连接三通调节阀3的控制输入端，以控制三通调节阀3的开度。
24.lng再气化装置的入口与第二换热支路的出口连通，lng再气化装置的出口与天然气低压管线82的入口连通，lng再气化装置用于存储第二换热支路输出的液化天然气以及将储存的液化天然气进行加热气化。
25.在本实施例中，lng再气化装置包括lng储罐41和lng气化器42。lng储罐41的入口连通第二换热支路的出口，用于存储第二换热支路输出的液化天然气；lng气化器42的入口与lng储罐41的第一出口连通，用以将储存的液化天然气进行加热气化。lng储罐41还设有第二出口，用于外送lng。
26.在lng气化器42的入口与lng储罐41的第一出口之间的管路上设有第三调节阀43，
控制装置6的控制输出端连接第三调节阀43的控制输入端，以控制第三调节阀43的开度。
27.压力传感器51用于检测进入天然气低压管线82的天然气的压力，温度传感器52用于检测进入天然气低压管线82的天然气的温度。
28.控制装置6用于接收压力传感器51和温度传感器52的输出信号，并控制天然气膨胀调压装置、切换装置以及lng再气化装置的工作。控制装置6用于在进入天然气低压管线的天然气压力p高于预设的高压阈值p1时，控制切换装置3将天然气膨胀调压装置输出的天然气同时输出到换热装置的第一换热支路和第二换热支路中，由第一换热支路将天然气膨胀调压装置输出的天然气加热升温后输出至天然气低压管线，由lng再气化装置存储第二换热支路输出的液化天然气，在进入天然气低压管线的天然气压力p低于预设的低压阈值p2时，控制切换装置3将天然气膨胀调压装置输出的天然气仅输出到换热装置的第一换热支路中，由第一换热支路将天然气膨胀调压装置输出的天然气加热升温后输出至天然气低压管线，并控制lng再气化装置将储存的液化天然气进行加热气化后输出给天然气低压管线，在p2≤p≤p1时，控制切换装置3将天然气膨胀调压装置输出的天然气仅输出到换热装置的第一换热支路中，由第一换热支路将天然气膨胀调压装置输出的天然气加热升温后输出至天然气低压管线；在进入天然气低压管线的天然气的温度低于预设的温度阈值时，控制第一换热支路关闭及第三换热支路开启，以使天然气膨胀调压装置输出的天然气通过第三换热支路加热升温后输出至天然气低压管线。
29.控制装置6包括plc控制器61和触摸屏62。其中plc控制器61是整个控制装置的核心，plc控制器61接收压力传感器51和温度传感器52的输出信号，并对第一调节阀23、第二调节阀12、第三调节阀43、第四调节阀84、三通调节阀3、第一开关阀21、第二开关阀13和第三开关阀27的开度进行控制，以实现天然气压差能利用智能调峰装置在正常工况、用气低谷、用气高峰、故障模式等不同工况下稳定投运或停机。触摸屏62主要用于人机交互界面管理和控制系统实时监控，它通过串口与plc控制器61通信，可通过触摸键按键方式实现对天然气压差能利用智能调峰装置的启停、调速等控制，在不同的运行工况下，触摸屏62上动态显示天然气压差能利用智能调峰装置制冷量、lng液化量、lng气化量等参数。
30.天然气膨胀调压装置将天然气管网压力能转化为机械能驱动换热装置，此过程中天然气高压管线来的天然气经天然气膨胀机11膨胀至天然气低压管线压力，天然气膨胀机11输出的低温低压天然气在换热装置正常工作时（正常工况、用气低谷、用气高峰）经换热装置吸收后达到要求的温度并入天然气低压管线82，在换热装置处于故障或检修状态下，天然气膨胀机11输出的低温低压天然气经空气换热器28加热至要求的温度后并入天然气低压管线82。lng再气化系统在用气高峰时投入使用，将低谷时换热装置制备并存储在lng储罐41内的lng气化后并入天然气低压管线82，保障用户用气需求。
31.以下结合图1对本发明实施例的天然气压差能利用智能调峰系统的工作过程进行详细介绍。
32.天然气压差能利用智能调峰装置运行时，第四调节阀84微开备用，高压天然气主要经第二开关阀13、第二调节阀12进入天然气膨胀机11膨胀做功发电，压力降至低压管线压力，温度降低至
‑
100℃以下。
33.天然气膨胀机11输出的低压低温天然气经三通阀调节阀3后可分为两路，一路从三通调节阀3的第一接口输出，另一路从三通调节阀3的第二接口输出，两路天然气流量根
据后端用气需求变化由控制装置自动调节。
34.正常工况下（即p2≤p≤p1且进入天然气低压管线的天然气的温度大于等于预设的温度阈值时），高压天然气经第二开关阀13、第二调节阀12进入天然气膨胀机11膨胀做功后经三通调节阀3全部从三通调节阀3的第一接口输出。此时换热装置投入运行，第一开关阀21打开，第三开关阀27关闭，低压低温天然气经第一开关阀21依次流经第一换热器221、第二换热器222加热升温后进入天然气低压管线82。同时天然气膨胀机11驱动第一介质气压缩机24运行，第一介质气压缩机24输出的高压高温介质气经第一换热器221降温后进入第二介质气压缩机25进一步压缩，第二介质气压缩机25输出的高压介质气经第二换热器222降温后进入介质气膨胀机26，介质气膨胀机26输出的低压低温介质气经第三换热器223换热升温后循环进入第一介质气压缩机24，完成一次制冷循环，此过程第一调节阀23全开，载冷剂经调节阀17流入第三换热器吸收液化系统冷量后输出待用。
35.用气低谷时，天然气低压管线前端瞬时压力升高，压力传感器51的压力检测值超过了预设的高压阈值p1，plc控制器61控制三通调节阀3的第二接口逐渐打开，多余天然气经三通调节阀3的第二接口输出后，由第三换热器223冷凝为lng存储在lng储罐41中，同时plc控制器61控制第一调节阀23的开度逐渐关小，减少流入第三换热器223的载冷剂流量。此时换热装置保持运行，具体模式为第一开关阀21打开，第三开关阀27关闭，低压低温天然气经第一开关阀21依次流经第一换热器221、第二换热器222加热升温后进入天然气低压管线82。同时天然气膨胀机11驱动第一介质气压缩机24运行，第一介质气压缩机24输出的高压高温介质气经第一换热器221降温后进入第二介质气压缩机25进一步压缩，第二介质气压缩机25输出的高压介质气经第二换热器222降温后进入介质气膨胀机26，介质气膨胀机26输出的低压低温介质气经第三换热器223换热升温后循环进入第一介质气压缩机24，完成一次制冷循环。
36.用气高峰时，天然气低压管线82的前端瞬时压力降低，压力传感器51的天然气压力检测值p低于预设的低压阈值p2时，plc控制器61控制三通调节阀3的第二接口逐渐关闭，同时控制第一调节阀23的开度增大，增加流入第三换热器223的载冷剂流量，同时控制lng再气化装置投入使用，具体运行模式为控制第三调节阀43逐渐打开，lng储罐41内的lng由lng气化器42加热气化后并入天然气低压管线82，供用户使用。此时换热装置保持运行，具体模式为第一开关阀21打开，第三开关阀27关闭，低压低温天然气经第一开关阀21依次流经第一换热器221、第二换热器222加热升温后进入天然气低压管线82。同时天然气膨胀机11驱动第一介质气压缩机24运行，第一介质气压缩机24输出的高压高温介质气经第一换热器221降温后进入第二介质气压缩机25进一步压缩，第二介质气压缩机25输出的高压介质气经第二换热器222降温后进入介质气膨胀机26，介质气膨胀机26输出的低压低温介质气经第三换热器223换热升温后循环进入第一介质气压缩机24，完成一次制冷循环。
37.当换热装置出现故障或需要检维修时，温度传感器52的温度检测值低于设定的温度阈值，控制装置自动控制第一开关阀21关闭，第三开关阀27打开，天然气膨胀机11输出的低温低压天然气通过三通调节阀3的第一接口全部流经第三开关阀27、空气换热器28后进入天然气低压管线82。当天然气膨胀机11出现故障或需要检维修时，控制装置控制第二开关阀13迅速切断，第四调节阀84迅速开大，天然气压差能利用智能调峰装置停止运行，高压天然气通过原有天然气调压站83进行调压后进入天然气低压管线82。
38.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。