一种利用高压天然气管网压力能的空气分离系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种利用高压天然气管网压力能的空气分离系统及方法，包括天然气压力能回收系统、空气分离系统、冷媒循环回路，所述天然气压力能回收系统包括天然气净化装置、高压天然气膨胀机、高压冷媒压缩机、换热器A、冷媒膨胀机、中压冷媒压缩机、中压天然气膨胀机、换热器B；空气分离系统包括鼓风机、空气过滤器、空压机、空压机后冷却器、空气预冷器、分子筛吸附装置、电加热器、主换热器、空气膨胀机、精馏塔、氧气储存装置、氮气储存装置。本发明专利技术将高压天然气的较高的压力能转换成空气分离的冷能，利用膨胀机及换热器作为能量转化的中间设备，压降的同时将压力能充分制冷充分利用，解决空气分离技术能耗高及压力能量利用率低的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高压天然气压差制冷的应用
，尤其涉及一种利用高压天然气管网压力能制冷的低温空气分离系统及方法。
技术介绍
天然气管网多数以10MPa以上的高压进行长距离的输送，而城市燃气管网设计压力在0.2～0.4MPa，需进行调压后输送至下游管网，在调压时，一般有一级调压和二级调压两种方式。将超高压或高压天然气直接降压至0.2MPa～0.4MPa(表压)的中压标准为一级调压；先将超高压力或高压天然气降压至1.6MPa～2.0MPa(表压)，然后再一次降压至0.2MPa～0.4MPa(表压)的中压标准为二级调压。调压过程蕴含着巨大压力能。目前在城市门站及分输站采用节流阀调压时，不仅产生巨大噪音，伴随的降温可能会造成下游管道低温冻堵，最重要的是该调压过程产生的巨大压降并未被回收利用，造成能源浪费。回收高压天然气管网压力的一个重要用途是可用于制冷，能有效应用于空气分离
，可以减少空分系统中由电力驱动的机械制冷产生用于维持低温环境和生产液体产品所需的大量冷能。降低空气分离工艺中的制冷成本，对降低电能需求量，促进空气分离产业发展有重要意义。氧气和氮气是常见的空气分离产品，它们不仅是化学工业的重要生产原料，同时在医疗、电子、冶金、航空、环保等领域也有着非常广泛的应用。随着世界科学技术与经济的高速发展，各行各业对氧气和氮气的需求迅速增加，用量也越来越多，推动了空气分离技术的发展。现有的空气分离技术主要是用于生产液氧、液氮等工艺气体产品，虽然最普遍的电压缩制冷空气分离技术可以得到各种工业、医药业和航空业所需要的氧气、氮气等，但由于需要创造及维持—150℃～—191℃的低温，对电能需求量巨大，设备能耗约占空分成本的70～80％。因而开发节能、高效的空气分离技术已成为空分行业发展方向。目前，回收的天然气压力能已被用于发电、冷库、冷水空调、制冰、滑冰场、空气分离、组分分离与净化、干冰生产、橡胶深冷粉碎以及天然气轻烃分离等领域。较成熟的高压天然气管网压力能的回收主要是用于制冷和发电，但均存在效率低，设备投资大，余压无法得到有效利用的缺点。现有技术中已经公开了的利用高压天然气压力能制冷的技术方案有很多，申请号为200810026979.4的中国专利提出了一种利用高压天然气直接通过无动力制冷机降压膨胀制冷的工艺流程，可以得到—40℃～—100℃之间的低温。但由于该专利中未回收膨胀过程中的机械能，仅利用膨胀产生的冷能，导致压力能利用率较低，小于50％，且无法获得—100℃以下的低温，不适用于空气分离。申请号为201210128345.6的中国专利和申请号为200510037532.3的中国专利提出了利用高压天然气压力能膨胀制冷液化天然气的工艺流程。采用预冷及膨胀制冷可以得到—100℃的低温天然气，但未考虑大的温降易造成输气管道冻堵，为保证正常生产需增大天然气处理的投资，运营成本较高。另外，公开号为CN101245956A、CN101852529B、CN102563958B、CN2791144Y、US5137558的专利也公开了相应回收利用管网压力的技术方案。但上述技术方案中仅公开了利用回收天然气管网压力能发电或制冷，目前天然气管网压力能用于空气分离的技术的发展人处于起步阶段，公开号为CN103968640A的专利了一种利用天然气压差发电冷能的空气分离系统，涉及天然气压差发电冷能应用
，该专利是将高压天然气调压发电与空气分离装置相结合，充分利用天然气调压发电过程产生的冷能，但压力能通过涡轮管回收效率较低，而空气分离仅为其附属工艺，而冷媒循环中损耗逐年增加，因而该技术存在空气分离产量低、设备投资大、仅适用于流量大压力高的天然气门站即适用范围较局限的缺点。因此，寻找一种能回收利用天然气压力能且不对管网造成冻堵，并能节约硬件投资的适用于中小型分离站的处理系统，对于实现绿色生产有很大的意义。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是为克服现有技术的不足，提供一种利用高压天然气管网压力能的空气分离系统。该系统结合天然气压力能回收和空气分离两种技术，将高压天然气的较高的压力能转换成空气分离的冷能，利用膨胀机及换热器作为能量转化的中间设备，不仅满足了压降的要求，而且能够将天然气管网压力能充分制冷充分利用，并解决现有空气分离技术能耗高及天然气管网压力能再利用中能量利用率低的问题。为达此目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种利用高压天然气管网压力能的空气分离系统，包括天然气压力能回收系统、空气分离系统、连接天然气压力能回收系统同空气分离系统的冷媒循环回路，该冷媒循环回路用于天然气管网降压过程产生的巨大冷能转换至专利技术中的空气分离装置，提供空气分离系统所需的冷能，并通过吸收空气冷却时释放的能量保证输出的低压天然气温度不致过低；所述天然气压力能回收系统包括天然气净化装置、高压天然气膨胀机、高压冷媒压缩机、换热器A、冷媒膨胀机、中压冷媒压缩机、中压天然气膨胀机、换热器B；空气分离系统包括鼓风机、空气过滤器、空压机、空压机后冷却器、空气预冷器、分子筛吸附装置、电加热器、主换热器、空气膨胀机、精馏塔、氧气储存装置、氮气储存装置；天然气净化装置连接高压天然气膨胀机，然后连入换热器A，换热器A分别连接冷媒膨胀机和中压天然气膨胀机，中压天然气膨胀机连接换热器B，换热器B出口连接下游天然气管网，同时设有支路连接高压冷媒压缩机，高压冷媒压缩机接入换热器A；冷媒膨胀机连接主换热器，换热器有三个出口管线，分别连接中压冷媒压缩机、电加热器、空气膨胀机，中压冷媒压缩机连接换热器B，电加热器依次连接分子筛吸附装置和空气预冷器，空气膨胀机连接到精馏塔下部；鼓风机依次连接空气过滤器、空压机、空压机后冷却器，然后连入空气预冷器；精馏塔上端出口连接主换热器，下端出口分别连接氧气储存装置和氮气储存装置。一种利用高压天然气管网压力能的空气分离系统，包括以下操作步骤：首先，在高压天然气调压过程中，通过膨胀机将高压天然气的压力能转换为机械功和冷能，再利用冷媒作为媒介，回收产生的机械能及冷能，一方面利用高压天然气膨胀产生的机械功将冷媒压缩，使其成为高压制冷工质，另一方面，通过换热网络的优化设计，利用高压天然气膨胀产生的冷能来冷却压缩后的高压冷媒，同时提高高压天然气进入膨胀机的进气温度，增加高压天然气膨胀产生的机械功，进而利用保温管线将冷却后的高压冷媒输送至空气分离装置区域，再利用高压冷媒膨胀机膨胀产生的低温冷能；同时，高压冷媒膨胀产生的机械功用于冷媒经主换热器换热后初步增压；然后通过保温管线将初步增压后的冷媒输送至换热器回收高压天然气膨胀产生的冷能，形成冷媒循环。一种利用高压天然气管网压力能的空气分离系统，包括以下步骤。A.高压天然气压力能回收：高压天然气管网输送至调压站、分输站的高压天然气，压力在1.5MPa(绝对压力，下文出现压力的均为绝对压力)以上。高压天然气流经天然气净化装置初步处理后，进入高压天然气膨胀机膨胀降压至1～7MPa，高压天然气膨胀机输出的机械功用于中压冷媒压缩机的驱动，同时获得温度降低的中压天然气，并通过调节高压天然气膨胀机的出口压力，保证其温度高于天然气的水露点。通过高压天然气膨胀机膨胀后的中压天然气通过换热器A与经过高压冷媒压缩机压缩后的高压冷媒本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用高压天然气管网压力能的空气分离系统，其特征在于，包括天然气压力能回收系统、空气分离系统、以及连接天然气压力能回收系统和空气分离系统的冷媒循环回路，该冷媒循环回路用于天然气管网降压过程产生的巨大冷能转换至专利技术中的空气分离装置，提供空气分离系统所需的冷能，并通过吸收空气冷却时释放的能量保证输出的低压天然气温度不致过低；天然气压力能回收装置同空气分离装置通过制冷循环相连接，保证两区域的安全间隔。所述天然气压力能回收系统包括天然气净化装置、高压天然气膨胀机、高压冷媒压缩机、换热器A、冷媒膨胀机、中压冷媒压缩机、中压天然气膨胀机、换热器B；空气分离系统包括鼓风机、空气过滤器、空压机、空压机后冷却器、空气预冷器、分子筛吸附装置、电加热器、主换热器、空气膨胀机、精馏塔、氧气储存装置、氮气储存装置；天然气净化装置连接高压天然气膨胀机，然后连入换热器A，换热器A分别连接冷媒膨胀机和中压天然气膨胀机，中压天然气膨胀机连接换热器B，换热器B出口连接下游天然气管网，同时设有支路连接高压冷媒压缩机，高压冷媒压缩机接入换热器A；冷媒膨胀机连接主换热器，换热器有三个出口管线，分别连接中压冷媒压缩机、电加热器、空气膨胀机，中压冷媒压缩机连接换热器B，电加热器依次连接分子筛吸附装置和空气预冷器，空气膨胀机连接到精馏塔下部；鼓风机依次连接空气过滤器、空压机、空压机后冷却器，然后连入空气预冷器；精馏塔上端出口连接主换热器，下端出口分别连接氧气储存装置和氮气储存装置。...

【技术特征摘要】
1.一种利用高压天然气管网压力能的空气分离系统，其特征在于，包括天然气压力能回收系统、空气分离系统、以及连接天然气压力能回收系统和空气分离系统的冷媒循环回路，该冷媒循环回路用于天然气管网降压过程产生的巨大冷能转换至发明中的空气分离装置，提供空气分离系统所需的冷能，并通过吸收空气冷却时释放的能量保证输出的低压天然气温度不致过低；天然气压力能回收装置同空气分离装置通过制冷循环相连接，保证两区域的安全间隔。所述天然气压力能回收系统包括天然气净化装置、高压天然气膨胀机、高压冷媒压缩机、换热器A、冷媒膨胀机、中压冷媒压缩机、中压天然气膨胀机、换热器B；空气分离系统包括鼓风机、空气过滤器、空压机、空压机后冷却器、空气预冷器、分子筛吸附装置、电加热器、主换热器、空气膨胀机、精馏塔、氧气储存装置、氮气储存装置；天然气净化装置连接高压天然气膨胀机，然后连入换热器A，换热器A分别连接冷媒膨胀机和中压天然气膨胀机，中压天然气膨胀机连接换热器B，换热器B出口连接下游天然气管网，同时设有支路连接高压冷媒压缩机，高压冷媒压缩机接入换热器A；冷媒膨胀机连接主换热器，换热器有三个出口管线，分别连接中压冷媒压缩机、电加热器、空气膨胀机，中压冷媒压缩机连接换热器B，电加热器依次连接分子筛吸附装置和空气预冷器，空气膨胀机连接到精馏塔下部；鼓风机依次连接空气过滤器、空压机、空压机后冷却器，然后连入空气预冷器；精馏塔上端出口连接主换热器，下端出口分别连接氧气储存装置和氮气储存装置。2.一种利用高压天然气管网压力能的空气分离方法，其特征在于，包括以下操作步骤：首先，在高压天然气调压过程中，通过膨胀机将高压天然气的压力能转换为机械功和冷能，再利用冷媒作为媒介，回收产生的机械能及冷能，一方面利用高压天然气膨胀产生的机械功将冷媒压缩，使其成为高压制冷工质，另一方面，通过换热网络的优化设计，利用高压天然气膨胀产生的冷能来冷却压缩后的高压冷媒，同时提高高压天然气进入膨胀机的进气温度，增加高压天然气膨胀产生的机械功，进而利用保温管线将冷却后的高压冷媒输送至空气分离装置区域，再利用高压冷媒膨胀机膨胀产生的低温冷能；同时，高压冷媒膨胀产生的机械功用于冷媒经主换热器换热后初步增压；然后通过保温管线将初步增压后的冷媒输送至换热器回收高压天然气膨胀产生的冷能，形成冷媒循环。3.根据权利要求2所述的一种利用高压天然气管网压力能的空气分离方法，其特征在于，包括以下步骤：A、高压天然气压力能回收：高压天然气管网输送至调压站、分输站的高压天然气，压力在1.5MPa以上；高压天然气流经天然气净化装置初步处理后，进入高压天然气膨胀机膨胀降压至1～7MPa，高压天然气膨胀机输出的机械功用于中压冷媒压缩机的驱动，同时获得温度降低的中压天然气，并通过调节高压天然气膨胀机的出口压力，保证其温度高于天然气的水露点；通过高压天然气膨胀机膨胀后的中压天然气通过换热器A与经过高压冷媒压缩机压缩后的高压冷媒换热，获得热量后温度升高至—15℃～100℃；温度升高后的中压天然气通过中压天然气膨胀机，膨胀后压力降低至0.4～3MPa，得到温度降低的低压天然气，获得的机械功用于驱动高压冷媒压缩机，并保证其温度高于其水露点；低温低压天然气通过换热器B同经过中压冷媒压缩机压缩后的中压冷媒换热，换热后的低压天然气温度升高至0℃以上输送至天然气管网；B、用于连接天然气压差制冷系统同空气分离系统的冷媒循环：低温冷媒流经空气分离系统的主换热器同预冷后的高压空气及精馏塔分流出的低温废气换热，换热后冷媒温度升高至0～20℃；温度升高后的低压冷媒流入中压冷媒压缩机，增压至2～3MPa，温度升高至90～130℃，成为中压冷媒，其压力及温度受高压天然气膨胀...

【专利技术属性】
技术研发人员：马国光，张晨，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51