基于回收来流压力能的超低温环境取热天然气调温调压系统技术方案

一种基于回收来流压力能的超低温环境取热天然气调温调压系统，属于天然气领域，包括管道天然气、压缩天然气、液化天然气，本发明专利技术属于天然气领域，包括管道天然气、压缩天然气、液化天然气。该系统采用涡流管、空温式换热器和喷射器构成的压力驱动式加热单元代替现有的加热器(对于LNG通过在储罐和空温式气化器之间设置低温液体增压泵，以提高空温式气化器出口NG压力)。采用喷射器和涡流管这两种压力驱动装置，将涡流管冷端出口的低温NG通入空温式换热器持续从环境中吸收热量；同时使从涡流管热端出来的气体升温直接达到管网温度要求，进而实现无需加热器耗能的目的。

【技术实现步骤摘要】
基于回收来流压力能的超低温环境取热天然气调温调压系统
本专利技术属于天然气领域，包括管道天然气、压缩天然气、液化天然气，可回收来流压力余能实现超低温环境取热补偿压力调节、温度调节热需求的系统。技术背景天然气是一种高热量、清洁能源，随着环境污染问题日益严重和大量气田的发掘、开展，天然气在全球能源市场中占比越来越高。天然气在输送过程中可以采用多种方式，例如液化天然气(LNG)、罐装压缩天然气(CGN)以及管道压缩天然气(PNG)等，其核心在于采用加大密度(液态或者高压气态)提升输送效率。管道天然气是指将天然气(包括油田生产的伴生气)从井田开采地或处理厂增压输送到城市配气中心或工业企业用户的管道，又称输气管道，在管道内进行长距离输运的天然气称为管道天然气(pipenaturalgas，PNG)。在长输天然气管道运输过程当中，由于提高气体压力可以降低输运成本，管道设计输运压力一般在10Mpa左右，甚至更高。压缩天然气(compressednaturalgas，CNG)是通过压缩机把低压的天然气，增压至20-25Mpa,使其压缩进一组能耐高压的气瓶或管束中，形成压缩天然气。压缩的作用是使其密度增大，一次运输可携带更多的质量的天然气，适合长距离运输，以代替长输管线的管道输送方式。天然气中主要成分为甲烷，在常压下将天然气冷却至约-162℃时，则发生相变由气态变成液态，简称液化天然气(LiquefiedNaturalGas，LNG)。由于LNG的密度大约是标准状态下气态天然气的625倍，使得LNG具有便于贮存和运输、安全性高、投资少和环保性等诸多优。而随着天然气使用的日益普及，由于天然气在使用时为气态，诸多城市陆续设立大型LNG城市门站用以接收、气化、加臭计量和分输天然气。问题分析：气态的高压天然气无论是通过管道输送(PNG)或者罐装(CNG)，由于用户使用时天然气为低压状态，在送到最终使用之前都需要进行减压处理，降至城市管网允许压力0.1-0.4MPa之后才可进入管道。但是高压天然气在减压过程中由于焦汤效应的影响温度也会随之迅速降低，会从周围环境吸收大量的热量，如果不及时补充这些热量将会出现管线结霜甚至阀门冰堵现象，极大的破坏管线及其附属的管件阀门，升高到一定温度之后，再进入调压装置调压，使得在调压、降温过程中，天然气不会降温到冰点之下。此加热装置基本为两种，一种是消耗电能，电加热或电伴热系统；一种是消耗燃气，热水锅炉水循环加热系统。这两种加热系统都需要消耗大量的能量给天然气加压过程提供热量。由于在现有的CNG储罐或来流PNG中，高压的天然气在管道天然气分输站或天然气减压站的调压装置中被直接降压，这一部分巨大的压力能被白白损耗掉了，并没有得到利用。对于采用空温式气化器作为气化器的液化天然气气化站工艺流程，同样需要除气化器之外的加热器对未达管网温度要求的低温天然气进行加热。在非工作条件下，LNG以低温、常压的形式储存在储罐内；在工作条件下，储罐自带增压器对LNG储罐内的LNG进行增压，利用压差将LNG从储罐压至空温式气化器。在空温式气化器中，LNG与外界环境中引入的空气进行换热，产生相变，气化为气态，同时升高温度。当夏季外界环境温度较高时，空温式气化器出口天然气温度可达到5℃以上，直接经过调压装置降压进入城市管网，送至各类用户。在冬季或者雨季，由于环境温度较低或湿度的影响，空温式气化器效率降低，气化后天然气温度达不到管网温度要求时，为防止低温天然气直接进入城市管网导致管道阀门等设施产生低温脆裂，也为防止低温天然气密度大而产生过大的供销差，气化后的低温天然气需要再经过加热器加热至管网允许温度后，最后经加臭、计量后才可进入输配管网送入各类用户。加热器根据热源不同，可分为燃烧加热式、热水加热式和电加热式等，现有天然气气化加热工艺需要消耗大量的能量来给低温NG加热。综上所述，尽管现有工艺中液化天然气在气化过程中使用了空温式气化器来吸收大气热量，但是依然受制于大气温度在较低环境温度条件下无法实现有效吸热；而CGN/PNG的各级调压过程则更多使用电加热。随着城市天然气利用量的急剧增加，以上两个过程中消耗的热量总量极为可观，因此迫切需要通过系统创新、回收系统原有潜能，增大从环境(尤其是大气)中获取热量的能力、提升天然气使用过程中的能源利用效率。本专利技术针对管道、压缩天然气调压/液化天然气气化过程中的加热过程，通过分析，提出在现有天然气减压/气化过程中采用喷射器-涡流管-空温式换热器组成循环，实现在超低温环境取热能力、替代现有水浴加热或者电加热工艺。喷射器-涡流管可以利用管道、压缩天然气调压过程中高压差或者液化天然气气化过程中的升温升压产生压差来驱动，降低空温式换热器取热温度，实现超低温环境中的空气取热、补偿高压天然气减压/液化天然气气化过程中所需热量，无需再消耗电量或者燃料加热，从而可以实现现有天然气分输站/减压站/气化站的用能效率的大幅度提升。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种利用来流天然气自身压力或者LNG汽化过程中增压实现低温空气取热的管道天然气减压/气化系统。该系统采用涡流管、空温式换热器和喷射器构成的压力驱动式加热单元代替现有的加热器(对于LNG通过在储罐和空温式气化器之间设置低温液体增压泵，以提高空温式气化器出口NG压力)。采用喷射器和涡流管这两种压力驱动装置，将涡流管冷端出口的低温NG通入空温式换热器持续从环境中吸收热量；同时使从涡流管热端出来的气体升温直接达到管网温度要求，进而实现无需加热器耗能的目的。其核心是利用涡流管能量分离效应，产生高温、低温气流，高温气流直接进入用户管网、低温气流则具备了从超低温环境大气吸收热量能力；喷射器实现了涡流管排入空温式换热器、吸收大气热量后再次进入涡流管的能力。两者匹配，在来流天然气压力驱动下工作。本专利技术解决技术问题采用的方案如下：一种基于回收来流压力能的超低温环境取热天然气调温调压系统，包括来流高压天然气、调压装置、压力驱动式加热调压单元。所述的压力驱动式加热调压单元包括涡流管、空温式换热器和喷射器。所述的来流高压天然气包括压缩天然气、管道天然气、液化天然气。液化天然气在储罐中压力低、温度低，因此需要在进入空温式气化器之前布置增压泵提升LNG压头，然后通过空温式气化器气化、升温后变为压力更高的气态天然气。而管道、压缩天然气在储运过程中都是高压气体形式存在，则无需升压。在此基础上，来流高压天然气通过压力驱动式加热调压单元进行加热、气化/减压后再接入调压装置。所述的压力驱动式加热调压单元由涡流管、空温式换热器和喷射器构成，其中，喷射器的入口连接空温式换热器出口，喷射器的出口连接涡流管的入口；涡流管的冷端与空温式换热器入口相连，涡流管的热端与调压装置相连。所述的来流高压天然气与从空温式换热器中排出的低压天然气在喷射器中混合，形成一股中压天然气后由喷射器出口进入涡流管；经涡流管的切向喷嘴降压后形成高速涡旋，由于涡流管的能量分离效应，将天然气分离成两股，一股天然气由于涡流管内的加热作用升温，并通过热端控制阀将天然气温度调至管网允许温度后送至调压装置；另一股从涡流管冷端出口排出的天然气通入空温式换热器中，向空气中吸收热量；从空温式换热器出口排出的天然气被喷射器内的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于回收来流压力能的超低温环境取热天然气调温调压系统，包括来流高压天然气、调压装置，其特征在于，还包括压力驱动式加热调压单元，来流高压天然气通过压力驱动式加热调压单元进行加热、气化/减压后再接入调压装置；所述的压力驱动式加热调压单元包括涡流管(1‑1)、空温式换热器(1‑2)和喷射器(1‑3)；所述的来流高压天然气包括压缩天然气、管道天然气、液化天然气；所述的压力驱动式加热调压单元由涡流管(1‑1)、空温式换热器(1‑2)和喷射器(1‑3)构成，其中，喷射器(1‑3)的入口连接空温式换热器(1‑2)出口，喷射器(1‑3)的出口连接涡流管(1‑1)的入口；涡流管(1‑1)的冷端与空温式换热器(1‑2)入口相连，涡流管(1‑1)的热端与调压装置相连；所述的来流高压天然气与从空温式换热器(1‑2)中排出的低压天然气在喷射器(1‑3)中混合，形成一股中压天然气后由喷射器(1‑3)出口进入涡流管(1‑1)；经涡流管(1‑1)的切向喷嘴降压后形成高速涡旋，由于涡流管(1‑1)的能量分离效应，将天然气分离成两股，一股天然气由于涡流管(1‑1)内的加热作用升温，并通过热端控制阀将天然气温度调至管网允许温度后送至调压装置；另一股从涡流管(1‑1)冷端出口排出的天然气通入空温式换热器(1‑2)中，向空气中吸收热量；从空温式换热器(1‑2)出口排出的天然气被喷射器(1‑3)内的高速射流引射进入喷射器(1‑3)；所述的涡流管(1‑1)热端排出的天然气进入调节装置进行降压，达到输送压力最终通入分输站下流或者城市管网。...

【技术特征摘要】
1.一种基于回收来流压力能的超低温环境取热天然气调温调压系统，包括来流高压天然气、调压装置，其特征在于，还包括压力驱动式加热调压单元，来流高压天然气通过压力驱动式加热调压单元进行加热、气化/减压后再接入调压装置；所述的压力驱动式加热调压单元包括涡流管(1-1)、空温式换热器(1-2)和喷射器(1-3)；所述的来流高压天然气包括压缩天然气、管道天然气、液化天然气；所述的压力驱动式加热调压单元由涡流管(1-1)、空温式换热器(1-2)和喷射器(1-3)构成，其中，喷射器(1-3)的入口连接空温式换热器(1-2)出口，喷射器(1-3)的出口连接涡流管(1-1)的入口；涡流管(1-1)的冷端与空温式换热器(1-2)入口相连，涡流管(1-1)的热端与调压装置相连...

【专利技术属性】
技术研发人员：张博，郭向吉，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21