【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及天然气压力能回收利用，具体而言，涉及计及天然气压力能综合利用的电解水制氢及液化系统。
技术介绍
1、天然气由于其相对低的排放和巨大的全球储量，被认为是从传统化石燃料向可再生能源的一个有前途的过渡。常见的天然气运输方式是管道运输，天然气输送到用户负荷之前要经过降压处理。据相关研究测算，当管网压力10mpa，用户端压力0.8mpa时，可回收的最大压力能达359.12kj/kg，但是传统调压阀调压过程浪费了大量的压力能。我国天然气余压资源丰富，目前天然气压力能的回收利用方式以发电为主，且压差发电技术逐步成熟，但由于各种场站建造位置偏僻、布局分散、天然气供给不均及受气候影响因素大等原因，导致压力能发电具有随机性、分散性等特点，不利于并网。同时，由于场站的地理位置相对偏僻，伴生的冷能存在难以消纳的等问题。因此亟需研究场站压力能的综合利用方法，以有效地消纳天然气场站压力能，提高能源利用率和改善管网运营经济性。
2、氢能具有热值高、环保等优点，是未来最理想的能源。但是目前工业上广泛采取电解制氢技术，制氢系统大多由电网供电，由于是能量的二次转换，导致制氢的成本高昂，严重阻碍了氢能产业的发展；同时当前氢能利用的主要特点是“就地生产,就地消费”，这主要归因于氢能的储运困难，如果能在氢能生产时将其液化，就能解决氢气的储运问题。因此，利用更加廉价、清洁的能源大规模制取、液化氢气是现在的研究趋势。
3、有鉴于此，特提出本申请。
技术实现思路
1、现有技术存在的问题是压力
2、本专利技术通过下述技术方案实现：
3、计及天然气压力能综合利用的电解水制氢及液化系统，包括膨胀-发电模块、功率变换模块、电解水制氢模块、氢液化模块、换热模块和燃气轮机模块；
4、所述膨胀-发电模块的工质入口端与高压管网连接，工质出口端与换热模块入口连接，膨胀-发电模块的功率输出口与功率变换模块连接；
5、所述燃气轮机模块的一端与高压管网相连，另一端与功率变换模块连接；
6、所述功率变换模块的输出端一端直接连接氢液化模块，另一端与电解水制氢模块、氢液化模块顺次连接；
7、所述氢液化模块的冷能输入端与换热模块的入口相连；
8、所述换热模块的出口连接低压管网。
9、本专利技术压力能综合利用制氢系统，将膨胀-发电模块和燃气轮机模块联合向系统提供能量，由于膨胀-发电模块采用压力能发电，出力具有随机性，因此采用膨胀-发电模块和燃气轮机模块双电源供电，可以极大地保证整个系统的稳定性；其中，根据电解水制氢模块和氢液化模块的能耗控制选择膨胀-发电模块或燃气轮机模块进行供能；另外将天然气降压所获得的冷能作为氢气液化的外部冷能来源，最终能够形成完善的天然气压力能综合利用的电解水制氢及液化系统。
10、进一步的，还包括调压旁路模块，调压旁路模块的两端分别连接高压管网和低压管网。
11、进一步的，燃气轮机模块通过控制阀与高压管网相连。
12、进一步的，所述功率变换模块包括变电、整流、滤波和配电结构。
13、进一步的，所述膨胀-发电模块采用透平膨胀-发电机组。
14、进一步的，所述燃气轮机模块包括压气机、燃烧室和燃气透平。
15、进一步的，所述电解水制氢模块采用pem电解槽，且氢气出口处带有储罐。
16、进一步的，所述氢液化模块采用了预冷型praxair流程。
17、进一步的，所述换热模块采用板翅式换热器。
18、进一步的，所述膨胀-发电模块、换热模块和氢液化模块集成安装。
19、本专利技术中，膨胀-发电模块用于回收天然气压力能，当高压力的天然气进入透平膨胀机中，可认为作近似等熵膨胀，在这过程中，高压力的天然气将驱动透平膨胀机的叶片旋转完成机械能的传递，转子通过减速箱带动同步发电机转子旋转，从而实现发电过程；膨胀-发电机组在实现天然气降压的过程将天然气压力能转化为了电能，然后膨胀-发电机组将输出固定频率的三相交流电供给制氢系统。
20、一般用来描述压力能可回收的最大能量。将天然气管网看成一个开口系统，天然气在从调压前的状态到调压后稳定的状态过程中，天然气的比焓为：
21、
22、式中：ex,h表示天然气的比焓单位为kj/kg；h1、h2表示天然气调压前和调压后的比焓，单位为kj/kg；cp表示天然气的比定压热容，单位为kj/(kg·k)；t1、t2、t0表示天然气调压前、调压后的温度和环境温度，单位为k；s1、s2表示天然气调压前和调压后的比熵，单位为kj/(kg·k)；rg表示天然气的气体常数，单位为kj/(kg·k)；p1、p2表示天然气在调压前和调压后的绝对压力，单位为mpa。
23、上式最终式子中，第一项为比温度第二项为比压力一般而言，比温度远远小于比压力忽略比温度乘以目前成熟的压力能出力系数，得到膨胀-发电机组出力模型如下：
24、
25、
26、式中，ex,p表示比压力单位为kj/kg；pt表示实际发电功率，单位为kw；qv表示标准状态下天然气体积流量，单位为m3/h；ρ表示标准状态下天然气密度，单位为kg/m3，ηe表示压力能发电比率。
27、本专利技术中的功率变换模块由膨胀-发电模块和燃气轮机模块供电，所述模块基于软开关技术，采用双电源供电模式，将电能转化后通过两个输出端给后续流程供电，该模块包括变电、整流、滤波、继电保护等部分。所述模块将输入的交流电压经过变电、整流、滤波后得到的恒定的直流电压通过端口输出，并供给电解水制氢模块；所述模块将输入电源通过变电后直接通过端口输出，给氢液化流程中压缩机和正仲氢转化器供电。在变电环节中，由于膨胀-发电机组出力具有随机性，因此采用双电源供电方式的好处在于可以极大地保证整个系统的稳定性。另外由于后续制氢流程较为复杂，电解槽等设备价格昂贵，因此，通过功率变换模块的加入也能够对后续流程设备起到良好的保护作用。
28、本专利技术电解水制氢模块采用pem电解水制氢技术，该模块由功率变换模块供电，功率变换模块输出所需的直流电压加在电解槽电极上，输出交流电压给压缩机供电。纯净水作为原料供入电解槽中，最终将在阴极产生氢气，阳极产生氧气，并在产生的气体出口设置了流量计。碱性电解槽考虑温度影响的u-i特性曲线模型及电解槽制氢量相关模型可由以下关系式表示：
29、
30、式中，uc为电压常数；t是温度，k；r1、r2是电解液的欧姆电阻参数，ωm2；s是与稳定相关本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.计及天然气压力能综合利用的电解水制氢及液化系统，其特征在于，包括膨胀-发电模块(10)、功率变换模块(11)、电解水制氢模块(12)、氢液化模块(13)、换热模块(14)和燃气轮机模块(16)；
2.根据权利要求1所述的计及天然气压力能综合利用的电解水制氢及液化系统，其特征在于，还包括调压旁路模块(15)，调压旁路模块的两端分别连接高压管网和低压管网。
3.根据权利要求1所述的计及天然气压力能综合利用的电解水制氢及液化系统，其特征在于，燃气轮机模块(16)通过控制阀(17)与高压管网相连。
4.根据权利要求1所述的计及天然气压力能综合利用的电解水制氢及液化系统，其特征在于，所述功率变换模块(11)包括变电、整流、滤波和配电结构。
5.根据权利要求1所述的计及天然气压力能综合利用的电解水制氢及液化系统，其特征在于，所述膨胀-发电模块(10)采用透平膨胀-发电机组。
6.根据权利要求1所述的计及天然气压力能综合利用的电解水制氢及液化系统，其特征在于，所述燃气轮机模块(16)包括压气机、燃烧室和燃气透平。
7.
8.根据权利要求1所述的计及天然气压力能综合利用的电解水制氢及液化系统，其特征在于，所述氢液化模块(13)采用了预冷型Praxair流程。
9.根据权利要求1所述的计及天然气压力能综合利用的电解水制氢及液化系统，其特征在于，所述换热模块(14)采用板翅式换热器。
10.根据权利要求1所述的计及天然气压力能综合利用的电解水制氢及液化系统，其特征在于，所述膨胀-发电模块(10)、换热模块(14)和氢液化模块(13)集成安装。
...【技术特征摘要】
1.计及天然气压力能综合利用的电解水制氢及液化系统，其特征在于，包括膨胀-发电模块(10)、功率变换模块(11)、电解水制氢模块(12)、氢液化模块(13)、换热模块(14)和燃气轮机模块(16)；
2.根据权利要求1所述的计及天然气压力能综合利用的电解水制氢及液化系统，其特征在于，还包括调压旁路模块(15)，调压旁路模块的两端分别连接高压管网和低压管网。
3.根据权利要求1所述的计及天然气压力能综合利用的电解水制氢及液化系统，其特征在于，燃气轮机模块(16)通过控制阀(17)与高压管网相连。
4.根据权利要求1所述的计及天然气压力能综合利用的电解水制氢及液化系统，其特征在于，所述功率变换模块(11)包括变电、整流、滤波和配电结构。
5.根据权利要求1所述的计及天然气压力能综合利用的电解水制氢及液化系统，其特征在于，所述膨胀-发电模块(10)采...
【专利技术属性】
技术研发人员：曾鹏升，李静，林冬，赵靓，程思杰，米杰，杨海红，周莉，董栖君，吴懈，纪文，陈廷库，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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