本发明总地涉及天然气管网余压回收发电领域，更具体地涉及一种基于无油双螺杆膨胀机的天然气管网余压综合发电系统。
背景技术：
天然气作为一种清洁、高效的化石能源，其开发利用越来越受到世界各国的重视。目前，天然气的长途运输主要是通过管网系统进行的，当前世界上长途管道的运输均采用高压输气，输送压力一般在10MPa以上，上游天然气通过高压管网送至各城市或大型用户，通过各地天然气调压站降压至0.4MPa左右送至用户使用，在这过程中大部分的压力能被浪费掉。
随着经济和技术的发展，逐渐出现了一些对天然气管网中余压的回收利用技术，主要分为制冷利用和发电利用。其中，制冷利用主要是制冰与生活制冷等；压力能发电工艺要求天然气的流量和压力相对稳定，但是天然气的使用存在严重的不均匀性，所以无法满足发电设备的稳定运行，并且天然气调压站的布局较为分散，而小型电力系统不具备上网的条件，不利于建设大型电力回收系统，只能在门站内自用，多余的电量不能储存造成浪费。
授权公告号为CN105201558A的发明专利公开了一种基于单螺杆膨胀机的天然气输送管线余压发电系统，该发明主要是利用单螺杆膨胀机将天然气输送管线的压力能进行发电，膨胀后的低压天然气进入油气分离器将天然气和润滑油分离，分离后的天然气经空气加热器进入原有天然气输送管线送至下游用户，分离后润滑油通过润滑油泵将润滑油加压后再次泵入单螺杆膨胀机需要润滑的位置，同时通过空气加热器将低温天然气回升至下游用户需要的温度。该发明提出的工艺仅仅是利用了部分的天然气余压，还有大量的冷能被浪费掉，发电效率较低，而且润滑油与天然气相接触，造成了天然气的污染。
授权公告号为CN103334891A的发明专利公开了一种天然气调压式发电装置，该发明采用涡轮装置回收天然气压力能发电。该发明提出的工艺，既没有考虑冷能的回收利用，也没有解决天然气直接膨胀后释放大量冷能引起的设备堵塞和腐蚀等问题。
另外，授权公告号为CN203430574U的实用新型专利公开了一种利用小型天然气管网压力能发电的装置，该实用新型提出采用小型气体膨胀机回收天然气压力能发电，实现小功率发电自用功能。膨胀后的天然气通过压力温度平衡器稳定天然气压力和对天然气回温。该实用新型尽管合理利用了天然气压力能实现发电自用，但由于发电功率较小，仅在1～5kW，不适合流量较大的天然气调压场所。同时，该实用新型同样存在天然气冷能无法回收的问题，且膨胀后的天然气通过压力温度平衡器调节后，天然气回温幅度有限，膨胀释放的冷能仍旧会引起设备堵塞和腐蚀问题。
同样地，授权公告号为CN104088605A的发明专利公开了一种基于压力能发电和热泵加热的天然气井口加热节流系统，该发明采用膨胀机发电机组替代传统的节流调压装置，利用膨胀发电机把气井采出的天然气中的压力能转换为电能，膨胀后的低温天然气加热首先通过空气预热器利用环境热量使天然气温度部分恢复，再通过膨胀发电机组生产的电能驱动热泵系统，通过再热器将热泵的热量用来加热经空气预热器后的天然气，使得膨胀降压后的天然气加热到外送集输管道所需的温度。该发明提出的工艺尽管节省了天然气加热的能源，并通过热泵装置实现膨胀后天然气的补热回温，但是仍旧没有考虑冷能的回收利用。
授权公告号为CN105041395A的发明专利公开了一种通过载冷剂子系统把压力能发电子系统和制冷补热子系统整合在一起，以实现压力能回收综合利用，利用分级补热方式，提高天然气膨胀发电量的同时，回收天然气冷能用于生产商品冰或者提供冷需求。该发明提出的工艺，虽然考虑了膨胀后释放大量冷能引起的设备堵塞和腐蚀问题，但是采用分级补热的方式进行的，增加了工艺的复杂性，而且浪费了部分的冷能。
为了综合利用天然气压力能，授权公告号为CN203847188U的实用新型专利公开了一种天然气调压站余能综合利用系统，该实用新型采用膨胀发电机组回收天然气中的压力能，并通过低温发电机组利用低温天然气冷能发电并回收部分冷能。同时，通过换热器进一步回收低温发电机组利用后的冷能，回收的冷量供冷用户或者直接向环境排放。与上述发明专利相比，有效利用了天然气的冷能，但由于天然气未经预处理，在常温下采用膨胀发电机组直接膨胀将导致设备堵塞、腐蚀和磨蚀现象的发生，并且低温发电机组的发电效率基本在10％左右，投资成本大，冷能利用率低。
以上这些专利的技术内容，均不够完善，存在以下技术问题：
1)润滑油与天然气相接触，容易造成天然气的污染；
2)常温的天然气经过膨胀，会析出少量的冰块，对于透平膨胀机等，会严重影响其安全运行；
3)在利用天然气管网中余压时，经膨胀机膨胀后的天然气含有大量的冷能，但是绝大部分都直接与空气进行换热，这部分冷能被浪费掉；
4)对于大部分的天然气管道，流量不均匀，容易造成膨胀机进气管道压力的不稳定，导致发电的压力和频率不稳定，严重影响并网；
5)大部分的发电装置都需要人工进行操作以及安装施工等，增加了运行的风险。
因此，需要一种天然气管网余压综合发电系统，以至少部分地解决上述问题。
技术实现要素：
为至少部分地解决上述问题，本发明提供一种天然气管网余压综合发电系统，其特征在于，所述天然气管网余压综合发电系统连接至天然气管道，并与原有天然气调压装置大体并联布置，包括：
天然气余压发电子系统，所述天然气余压发电子系统利用高压天然气降压所产生的压力能进行发电；
天然气余冷发电子系统，所述天然气余冷发电子系统以经过所述天然气余压发电子系统降压之后的低温天然气为冷源，以常温空气为热源进行发电；
润滑油子系统，所述润滑油子系统与所述天然气余压发电子系统和所述天然气余冷发电子系统分别连接以提供润滑作用；以及
监测调控子系统，所述监测调控子系统对所述天然气管网余压综合发电系统的运行状态进行监测调整。
可选地，所述天然气余压发电子系统和所述天然气余冷发电子系统的原动机为无油双螺杆膨胀机。
可选地，所述天然气余压发电子系统包括：
天然气预处理装置，所述天然气预处理装置的入口连接至高压天然气管道，所述天然气预处理装置的出口通过天然气原管线调节阀连接至所述原有天然气调压装置；
第一无油双螺杆膨胀机，所述第一无油双螺杆膨胀机的进气口连接至所述天然气预处理装置的出口，所述第一无油双螺杆膨胀机的出气口连接至所述原有天然气调压装置下游的低压天然气管道；
动减速机，所述动减速机与所述第一无油双螺杆膨胀机的转子连接；以及
发电机，所述发电机与所述动减速机连接。
可选地，所述天然气余冷发电子系统包括：
第二无油双螺杆膨胀机，所述第二无油双螺杆膨胀机的转子连接至所述发电机；
冷凝器，所述冷凝器的工质侧的入口与所述第二无油双螺杆膨胀机的出气口连接，所述冷凝器的冷源侧的进出口分别连接至所述第一无油双螺杆膨胀机的出气口与所述低压天然气管道之间的管道；
工质泵，所述工质泵的入口与所述冷凝器的工质侧的出口连接；
蒸发器，所述蒸发器的工质侧的入口与所述工质泵的出口连接，所述蒸发器的工质侧的出口与所述第二无油双螺杆膨胀机的进气口连接，所述蒸发器以空气作为热源。
可选地，所述润滑油子系统包括：
润滑油箱，所述润滑油箱用以收集来自所述天然气余压发电子系统和所述天然气余冷发电子系统的高温润滑油；
油泵，所述油泵的入口与所述润滑油箱的出口连接；
油过滤器，所述油过滤器的入口与所述油泵的出口连接；
换热器，所述换热器的润滑油侧的入口与所述油过滤器的出口连接；
油分配器，所述油分配器的入口与所述换热器的润滑油侧的出口连接，所述油分配器用以将低温的润滑油分配至所述天然气余压发电子系统和所述天然气余冷发电子系统的需要润滑的部位。
可选地，所述监测调控子系统包括PLC控制柜以及与所述PLC控制柜通过信号线连接的监测装置和流量调节装置。可选地，所述PLC控制柜起数据检测与调控的作用。
可选地，所述天然气余冷发电子系统所采用的工质为低沸点工质，诸如R22、R134a、CO2、氨气等。
可选地，所述冷凝器和所述换热器为板式换热器，所述蒸发器为一种高效肋片散热器。
可选地，所述换热器冷却侧的进口与出口分别连接至所述第一无油双螺杆膨胀机出气口与低压天然气管道之间的管道上，所述换热器的冷源为经过所述天然气余压发电子系统降压之后的一部分低温天然气。
可选地，根据所需润滑油的压力，在所述油分配器的出口布置限流孔板。
可选地，在所述天然气预处理装置的出口与所述第一无油双螺杆膨胀机的进气口之间的管道上设置第一流量调节阀、流量计和第一压力变送器，所述监测调控子系统根据所述第一压力变送器的压力信号的变化通过所述第一流量调节阀调节高压天然气的进气量。
可选地，在所述换热器的冷源侧的入口与所述第一无油双螺杆膨胀机的出气口之间的管道上设置有第二流量调节阀，在所述油分配器上设置有第二压力变送器和温度变送器，所述监测调控子系统根据所述第二压力变送器和所述温度变送器的信号变化通过所述第二流量调节阀调节进入所述换热器的低温天然气的进气量。
可选地，在所述第一无油双螺杆膨胀机和所述第二无油双螺杆膨胀机的轴和机壳上分别布置振动传感器，由所述监测调控子系统进行监测控制，当机壳振动值大于预定值时，立即联锁停机。
可选地，所述天然气管网余压综合发电系统做成整体撬装式。
可选地，在所述撬装内布置天然气检测传感器，由所述监测调控子系统进行监测控制，当天然气浓度大于预定值时，立即联锁停机。
根据本发明的天然气管网余压综合发电系统，发电机所采用的原动机为无油双螺杆膨胀机，在运行过程中，润滑油与天然气不接触，从而避免了天然气被润滑油污染的问题，并且由于无油双螺杆膨胀机本身的性质，可以忽略天然气经过膨胀析出的冰块对运行的影响。利用一部分膨胀降压之后的低温天然气对润滑油进行冷却，有效的提高了润滑油的品质，增强了润滑效果，也对这部分冷能进行了有效地利用。增加了余冷发电子系统，对天然气经膨胀降压产生的大量冷能进行了更充分地利用。通过采用PLC结合电磁阀、压力变送器、泄漏探测器和密封机撬，能够自动化实时监控发电装置的运行状态，在压力超标、燃气泄漏等状况发生时能够自行预警和联锁停机，具备了优越的安全性和稳定性。通过结构优化将整个装置组装成机撬，能够方便运输和安装，安装时直接将本装置进出口并联于原调压管网即可运行，具有易于推广应用的优点，还可以避免现场施工可能带来的安全风险。
附图说明
下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中：
图1为本发明所示的天然气管网余压综合发电系统的原理示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其它的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
针对上述的一系列问题，本发明提供了一种天然气管网余压综合发电系统，其包括天然气余压发电子系统、天然气余冷发电子系统、润滑油子系统和监测控制子系统。
本发明所示的天然气管网余压综合发电系统利用无油双螺杆膨胀机作为原动机，作为工质的天然气不和机组的润滑油接触，可以有效的减少润滑油对天然气的污染。另外，在天然气常温膨胀时，由于温度下降容易导致冰块析出，冰块的存在会严重影响应用透平膨胀机的系统的运行，但对于无油双螺杆膨胀机的运行，没有太大的影响。天然气余压发电子系统利用高压天然气的压力能膨胀做功进行发电。膨胀做功降压以后的天然气温度降低，蕴含有大量的冷能，这些冷能的一小部分用来对润滑油进行降温，大部分作为天然气余冷发电子系统的冷源。本发明创新性地将天然气管网中压力能的膨胀发电与膨胀后的冷能利用结合起来，进一步地提高了能量利用效率。嵌入监测控制子系统，自动监控整个天然气管网余压综合发电系统的运行状态，并根据运行状态参数自动调节各个气动阀的动作，达到最佳发电效果。当运行参数超过设定的联锁值时，监测控制子系统还可起到联锁保护功能，大大的提高了设备的安全可靠运行。同时，整个天然气管网余压综合发电系统可以做成一个整体的撬装式结构，仅需要在撬装结构外布置进气管道和排气管道以及天然气泄漏报警装置等即可，极大的减小了安装和施工的难度，适用于各种天然气余压利用场合。
下面结合附图对本发明所示的天然气管网余压综合发电系统进行详细介绍。
如图1所示，原有天然气调压装置90安装在天然气主管道上，调节阀91和92分别位于原有天然气调压装置90两侧的高、低压天然气管道上，整个天然气管网余压综合发电系统与原有天然气调压装置90大体呈并联布置。天然气管网余压综合发电系统由天然气余压发电子系统、天然气余冷发电子系统、润滑油子系统和监测控制子系统四部分组成。
具体地，天然气余压发电子系统包括天然气预处理装置10、第一无油双螺杆膨胀机11、动减速机12和发电机13。其中，天然气预处理装置10布置在天然气主管道上，其进口与高压天然气管道相连接，其出口分别与天然气原管线的调节阀91和第一无油双螺杆膨胀机11的进气口相连接。第一无油双螺杆膨胀机11的出气口连接至天然气原管线的调节阀92的下游的低压天然气主管道上。第一无油双螺杆膨胀机11的转子与动减速机12连接，动减速机12连接至发电机13，从而实现第一无油双螺杆膨胀机11在高压天然气的作用下带动发电机13运转发电。
天然气余冷发电子系统包括第二无油双螺杆膨胀机20、冷凝器21、工质泵22和蒸发器23。其中，第二无油双螺杆膨胀机20的转子轴连接至发电机13，为发电机13提供动力。冷凝器21的冷源进出口连接至第一无油双螺杆膨胀机11的出气口与低压天然气主管道之间的天然气管道上，以经过膨胀做功之后的低温天然气作为冷凝器21的冷源，蒸发器23的热源为常温空气，这样实现了冷能的回收利用，进一步提高了能量利用效率，同时，也可以对低温天然气进行加热回温，节省了专门的天然气加热的能源。天然气余冷发电子系统所采用的工质为低沸点工质，如R22、R134a、CO2、氨气等。
润滑油子系统包括润滑油箱30，油泵31，油过滤器32，换热器33和油分配器34。其中，润滑油箱30用以收集来自天然气余压发电子系统和所述天然气余冷发电子系统的高温的润滑油。高温润滑油由油泵31加压输送，经过油过滤器32的过滤，进入换热器33进行降温。换热器33的所采用的冷源为经过天然气余压发电子系统膨胀做功以后的一部分低温天然气，这样在对润滑油进行降温以提供良好的润滑效果，对部分冷能回收的同时还能对经过换热器33的低温天然气进行一定程度的加热回温，起到节能的效果。经过换热器33降温的润滑油进入油分配器34，将低温的润滑油分配至天然气余压发电子系统和天然气余冷发电子系统的需要润滑的部位，比如第一无油双螺杆膨胀机11和第二无油双螺杆膨胀机20的轴承和同步齿轮、动减速机12的轴承和齿轮以及发电机13的轴承。根据各部位所需润滑油的压力的不同，在油分配器34的各个出口分别布置有大小不一的限流孔板(未示出)以对润滑油进行节流控制。
监测控制子系统包括PLC控制柜和一系列的监测装置和流量调节装置，PLC控制柜通过信号线连接至检测装置和流量调节装置。在天然气预处理装置10的出口与第一无油双螺杆膨胀机11的进气口之间的管道上，布置有第一流量调节阀41、流量计42、第一压力变送器43和截止阀44，在系统运行过程中，PLC控制柜40通过流量计42和第一压力变送器43的信号来监测系统的运行状态，当流量和压力出现波动的时候，PLC控制柜调节第一流量调节阀41的开度大小对天然气的流量和压力进行调节，保证系统的稳定运行。当系统出现异常时，控制截止阀44切断天然气，保证系统的安全。在油分配器34上布置有温度变送器45和第二压力变送器46，对降温后的润滑油的温度和压力进行检测，同时在第一无油双螺杆膨胀机11的出气口和换热器33之间的天然气管道上设置有第二流量调节阀47，在第一无油双螺杆膨胀机11的出气口和冷凝器21之间的天然气管道上设置有第三流量调节阀48。当监测到油分配器34内的润滑油的温度过低或过高时，PLC控制柜40通过控制第二流量调节阀47和第三流量调节阀48的开度以减小或增加经过换热器33的低温天然气的流量，从而使润滑油的温度处于最佳状态以提供最佳的润滑效果。从安全角度考虑，在第一无油双螺杆膨胀机11和第二无油双螺杆膨胀机20的轴和机壳上分别布置振动传感器(未示出)，在撬装内布置天然气检测传感器(未示出)，由PLC控制柜40进行自监测控制，当监测到机壳振动值大于某个预定的值，比如11.2mm/s时或者监测到天然气浓度大于某个预定的值，比如25％时，PLC控制柜40立即控制天然气管网余压综合发电系统联锁停机，防止安全事故发生。此外，在冷凝器21的出口和低压天然气主管道之间的管道上布置有第四流量调节阀49和第三压力变送器50，通过信号线连接至PLC控制柜40，以增加系统控制的冗余度。
本发明所示的天然气管网余压综合发电系统的工作原理如下：
高压天然气主管道内的高压天然气经过天然气预处理装置10预处理之后，经过第一流量调节阀41、流量计42和截止阀44进入第一无油双螺杆膨胀机11，同时PLC控制柜40监测高压天然气的压力信号。高压天然气在第一无油双螺杆膨胀机11内膨胀做功推动转子转动，同时天然气降压降温。第一无油双螺杆膨胀机11的转子的转动通过动减速机12传递给发电机13进行发电，从而使高压天然气的压力能转变为电能。PLC控制柜40通过接收到的压力信号调节第一流量调节阀41的开度，也即调节第一无油双螺杆膨胀机11的进气量，保证系统稳定运行。
经过天然气余压发电子系统做功并降温降压的天然气的一小部分进入润滑油子系统的换热器33内，与高温润滑油进行换热，在给润滑油降温以提高润滑效果的同时，也给这一部分天然气进行回温加热。此时，PLC控制柜40根据安装在油分配器34上的温度变送器45和第二压力变送器46所传递的低温润滑油的温度和压力信号来控制第二流量调节阀47和第三流量调节阀48的开度，也即调节换热器33的进气量，使润滑油降温之后能够达到最佳润滑效果所要求的温度。
小部分与润滑油换热的低温天然气排出换热器33后与其余的低温天然气混合，进入冷凝器21内，作为冷源，对天然气余冷发电子系统的工质进行冷凝，实现冷能的利用，同时也对低温天然气进行回温加热。工质在冷凝器21内被低温天然气冷凝为液态，由工质泵22输送至蒸发器23，以常温空气作为热源进行蒸发变为气态，气态工质进入第二无油双螺杆膨胀机20内做功推动转子转动。转子的转动再传递给发电机13进行发电。做功之后的气态工质重新进入冷凝器21被低温天然气冷凝，形成循环。与天然气余冷发电子系统的工质换热之后的低温天然气温度得到一定程度的回升，从冷凝器21排出后，经过第三压力变送器50和第四流量调节阀49进入低压天然气主管道，从而完成整个天然气余压综合利用发电的过程。
下面结合具体实例对本发明所示的天然气管网余压综合发电系统的工作过程做进一步描述。
经过第一无油双螺杆膨胀机11之后的气体状态以及发电量如表1所示：
表1经过第一无油双螺杆膨胀机11后的天然气状态及发电量
经润滑油子系统之后的气体冷能利用量：
假设采用的润滑油为32号润滑油，第一无油双螺杆膨胀机11和第二无油双螺杆膨胀机20的轴承和同步齿轮、动减速机12的轴承和齿轮以及发电机13的轴承等产生的热能全部被润滑油带走，按照机械损耗为10％计算，不同状态下的机械损耗热量如表2所示：
表2机械损耗热量
假设润滑油的进油温度为40℃，出换热器33时，润滑油的温度为常温20℃，忽略换热器33对周围环境的换热损失，根据能量平衡，润滑油的散热量等于低温天然气所吸收的热量，即：
Q＝mccp,c(Tc,i-Tc,o)＝mhcp,h(Th,i-Th,o)
其中：mc，mh——分别表示天然气、润滑油的流量，kg/s
cp，c，cp，h——分别表示天然气、润滑油的定压比热，J/(kg·℃)
Tc，i,Tc,o——表示天然气的进出口温度，℃
Th，i,Th,o——表示润滑油的进出口温度，℃
根据以上公式，按照润滑油的质量流量为2.88kg/s计算(润滑油量的大小要按实际工况具体核算)，润滑油的定压比热为1871J/(kg·℃)，天然气与润滑油子系统的换热量如表3所示：
表3低温天然气与润滑油子系统换热量
进一步的，按照天然气的排气温度核算利用天然气余冷的发电量，按照环境温度为20℃计算。在天然气余冷发电子系统中，工质可以选择R134a、R22、CO2或氨气等，本实例中采用的制冷剂为R134a，按发电效率为20％计算，所得发电量如表4所示：
表4天然气余冷发电子系统发电量
因此，总的发电量即如表5所示：
表5天然气管网余压综合发电系统总发电量
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。