用于小型城市调峰的ANG储罐装置及其ANG调峰方法

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用于小型城市调峰的ANG储罐装置及其ANG调峰方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及城市燃气调峰技术领域，特别是涉及一种用于小型城市调峰的ANG储罐及其ANG调峰方法。\n背景技术\n[0002] 天然气无论应用于工业还是民用，最需要解决的关键问题就是调峰，天然气输送过程中，需要解决供气量和用气量不均衡的难题，在民用气系统中更加突出。为解决这个问题，天然气的输配系统主要设置了调峰设施来实现供气与用气之间的平衡。\n[0003] 目前，用于天然气调峰的方法有很多，如压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)、吸附天然气(ANG)等，在这些天然气调峰方式中，CNG通过较高的压力将天然气形成压缩天然气进行储存，调峰运行时存在费用高、储存压力高、安全性低等问题；LNG方式则是在储罐内形成液化天然气，具有较高的体积能量密度，但这种方式的建站费用高、运行能耗大；ANG吸附方式则是通过吸附剂吸附天然气形成储存，成本投资小，储存压力低，安全性能好，具有比较明显的优势。\n[0004] 目前人们在ANG吸附储罐及其充分气过程的研究较多。中国发明专利申请CN \n1236075A公开了一种吸附天然气储罐及灌装工艺，其主要技术特点是在储罐内填充吸附剂，并且通过低温天然气再循环解决快速灌气的温升问题；但其缺点是储气容积有限且消除吸附热效应的工艺过于复杂。中国发明专利申请CN 1529084A公开了一种天然气储存运输方法及装置，其主要特点是在充气时利用冷风或冷水进行喷淋冷却，放气时利用热风或热水喷淋进行加热；但其缺点是耗能大，在天然气储气量较大时能耗过高，且根据研究表明，储罐较大时天然气的吸附热效应主要在储罐内部中心位置，该方法不能有效消除大型储罐的吸附热效应。中国发明专利申请CN 102302925A利用循环水消除吸附热效应，但其公开的循环水盘管布置仅适用于小型储罐，在城市调峰储罐较大的情况下，不能有效的消除天然气吸附和脱附时温度的变化情况。上述现有技术都有共同的缺点，即储罐的设计不适用于大型的天然气储存，并且城市燃气负荷有着较大的不均匀性，当供气量变化时，若按最大负荷设计会造成能量的浪费，若不按最大负荷设计又会造成满足不了正常运行，不能有效的消除设备的热负荷。\n发明内容\n[0005] 本发明目的在于提供一种用于小型城市调峰的ANG储罐装置及其ANG调峰方法，解决城市不同时段用气量变化的调峰问题，具有工作压力小、有效储气量高、操作安全等特点。\n[0006] 本法没目的通过如下技术方案实现：\n[0007] 用于小型城市调峰的ANG储罐装置，包括至少两个ANG储罐和至少两个预吸附罐；至少两个ANG储罐并联连接；至少两个预吸附罐并联连接，每一个预吸附罐一端与一个阀门串联连接后并联，并联端连接第一在线色谱检测仪，并通过第一阀门与高压天然气管路连接；每一个预吸附罐的一端还与另一个阀门串联后并联连接，并联端通过电加热器和第三阀门与高压N2管路连接；每一个预吸附罐的另一端分别与一个阀门串联后并接，并接的一端通过阀门与低压天然气管路连接；并接的一端还通过第二在线色谱检测仪和阀门与至少两个ANG储罐的并联端连接；第一在线色谱检测仪和第二在线色谱检测仪与计算机连接；\n[0008] 所述ANG储罐顶部有一根总循环水管向下，经过顶部圆形汇管分成数根循环水强化传热管，在储罐底部数根循环水强化传热管再经底部圆形汇管并为一根总循环水管；循环水管管内设有螺纹，管外设有翅片，循环水在管内流动，储罐内安装热电偶；ANG储罐设置多层丝网，每层丝网上设有活性炭；预吸附罐内设置丝网分层，吸附剂填充在丝网上。\n[0009] 优选地，所述预吸附罐的一端设有放空口，另一端设有排污口。\n[0010] 所述第一在线色谱检测仪和第二在线色谱检测仪选用GC910型气相色谱检测仪。\n[0011] 所述螺纹为内螺纹结构，螺距16mm、螺纹宽度8mm、螺纹深度2mm.[0012] 所述翅片为矩形翅片，翅片外形尺寸为4mm×16mm、翅片间距为14mm。\n[0013] 所述循环水管出入口分别设置一个温度计。\n[0014] 所述ANG储罐的每层丝网间距为1～1.5m。\n[0015] 所述活性炭为圆柱形状，直径为28～32mm、厚度为10～50mm。\n[0016] 所述ANG储罐选用低合金钢作为储罐材料，储罐容积设置为200m3、500m3、3000m3、\n3 3\n5000m或10000m 。\n[0017] 应用所述装置的天然气调峰方法，包括充气和放气过程：\n[0018] 1)充气过程：高压燃气的压力值大于设定值时，第一阀门打开，高压燃气经过第六阀门进入第一预吸附罐进行脱碳，第二预吸附罐作为备用；然后第八阀门、第十一阀门打开，预处理后的天然气进入ANG储罐进行储存；当第一在线色谱检测仪和第二在线色谱检测仪检测到预吸附罐后水及重烃含量差别不大时，此时第一预吸附罐中的预吸附剂失效，不能清除天然气中所含的水及重烃；关闭第六阀门、第八阀门，打开第七阀门、第九阀门使天然气进入第二预吸附罐进行预吸附除水及重烃，第一预吸附罐进行再生，两个预吸附罐交替运行；\n[0019] 预吸附罐再生过程：第一预吸附罐吸附满后，关闭第六阀门、第八阀门后打开储罐放空口，把储罐压力卸到稍高于大气压力，然后打开第三阀门、第四阀门，高压N2经过电加热器加热到200℃后通入失效的预吸附罐进行再生，使预吸附剂中的水及重烃脱附，恢复预吸附剂的活性；\n[0020] 放气过程：低压天然气管道的压力值低于设定值时，此时供气量不足，需调峰装置进行补充供气；打开第二阀门、第十阀门、第十一阀门，关闭其余阀门；低压管网的压力值较低，此时ANG储罐与低压管网连通后压力降低，自动进行脱附，脱附后的天然气经过第二阀门后进入低压管路。\n[0021] 本发明与现有技术相比，具有以下特点：\n[0022] 1)循环水管消除吸附热效应效率高。在天然气吸脱附过程中，吸附储罐沿轴向不存在明显的温度梯度，温度梯度主要存在于径向上，证明吸附热效应的影响集中于吸附储罐的中心位置。本发明根据球形储罐的特点，设计了循环水盘管样式，使盘管在球形储罐的中央位置平均分布，能高效的消除吸附热效应。\n[0023] 2)温控系统保证操作灵活。在储罐内安装温度探头，可以根据检测的温度调节循环水的用量，适用于调峰过程中天然气流量不均匀的情况。\n[0024] 3)充放气过程操作连续。针对管道天然气的组成，设置预吸附罐吸收天然气中的重烃及少量的硫，消除重烃等物质对高表面活性炭吸附性能的影响。同时针对调峰过程中，天然气流量大、操作连续等特点设置两个预吸附罐并联，其中预吸附罐T101吸附满后切断阀门，管路切换到预吸附罐T102，吸附罐T101进行再生，保证操作的连续性。\n[0025] 4)操作方便、设备少，运行成本低。传统的变压吸附过程需要利用压缩机对气体加压进行吸附，脱附时需抽真空进行减压，使气体从吸附剂中脱附。本发明利用天然气运输过程中需要调压的特点，在用气低峰时设备连通高压管网，利用调压前管网的高压进行吸附；\n用气高峰时设备连通低压管网，利用调压后管网压力较低的特点进行脱附。对比传统变压吸附过程具有操作便利、设备少、运行成本低的特点。\n附图说明\n[0026] 图1为用于小型城市调峰的吸附天然气储罐装置的结构示意图。\n[0027] 图2为图1中ANG储罐纵向剖面图。\n[0028] 图3为图2中A‐A向剖视图。\n[0029] 图4为图2中循环水管的剖面结构示意图。\n[0030] 图中示出：电加热器 1，放空口 2，预吸附装置 3，排污口 4，第一在线色谱检测仪 \n5，第二在线色谱检测仪 6，ANG 储罐 7，顶部圆形汇管 8，循环水强化传热管 9，底部圆形汇管 10，热电偶 11，丝网 12，螺纹 13，翅片 14。\n[0031] 具体实施方法\n[0032] 为更好地理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。\n[0033] 如图1所示，一种用于小型城市调峰的吸附天然气储罐装置，包括至少两个ANG储罐7和至少两个预吸附罐3；至少两个ANG储罐7并联连接；至少两个预吸附罐3并联连接，每一个预吸附罐3一端与一个阀门串联连接后并联，并联端连接第一在线色谱检测仪5；并联端还通过第一阀门F1与高压天然气管路连接；每一个预吸附罐的一端还与另一个阀门串联后并联连接，并联端通过电加热器1和第三阀门F3与高压N2管路连接；每一个预吸附罐的另一端分别与一个阀门串联后并接，并接的一端通过阀门与低压天然气管路连接；并接的一端还通过第二在线色谱检测仪6和阀门与至少两个ANG储罐7的并联端连接。第一在线色谱检测仪5和第二在线色谱检测仪6与计算机连接，在需要时检测天然气组成。预吸附罐3的一端设有放空口2，另一端设有排污口4。第一在线色谱检测仪5和第二在线色谱检测仪6可选用GC910型气相色谱检测仪。\n[0034] 如图2、3、4所示，ANG储罐7顶部有一根总循环水管向下，经过顶部圆形汇管8分成数根循环水强化传热管9，在储罐底部数根循环水强化传热管9再经底部圆形汇管10并为一根总循环水管，具体样式见图2、3所示。循环水由ANG储罐7的顶部进入、底部排除，循环水强化传热管9具体数量根据储罐具体容积确定；如图4所示，循环水管管内设有螺纹\n12，螺纹12为内螺纹结构，螺距16mm、螺纹宽度8mm、螺纹深度2mm；管外设有翅片14，翅片\n14为矩形翅片，翅片外形尺寸为4mm×16mm、翅片间距为14mm；循环水在管内流动，储罐内安装热电偶11，循环水管出入口分别设置一个温度计。ANG储罐7设置多层丝网12，每层间距1～1.5m，每层丝网上设有活性炭，活性炭为圆柱形状，直径28～32mm、厚度10～50mm；\nANG储罐7的工作压力1.8～2.2Mpa，设计压力略高于工作压力，工作温度为室温，设计温度略高于工作温度；\n[0035] 预吸附罐内也设置丝网分层，吸附剂填充在丝网上，一层吸附剂一层丝网，罐两边都用丝网压紧吸附剂，防止吸附剂粉末进入管道。\n[0036] ANG储罐7选用低合金钢作为储罐材料，储罐容积可设置为200m3、500m3、3000m3、\n3 3\n5000m或10000m 等。\n实施例\n[0037] 如图1所示，预吸附罐为两个，分别为第一预吸附罐T101和第二预吸附罐T102，ANG储罐9也为两个。第一预吸附罐T101和第二预吸附罐T102的一端分别与第六阀门F6和第七阀门F7串联连接后并联，并联端通过第一在线色谱检测仪5、第一阀门F1与高压天然气管路连接；第一预吸附罐T101和第二预吸附罐T102的一端还分别与第四阀门F4和第五阀门F5串联后并联连接，并联端通过电加热器5和第三阀门F3与高压N2管路连接；第一预吸附罐T101和第二预吸附罐T102的另一端分别与第八阀门F8和第九阀门F9串联后并接，并接的一端通过第十阀门F10和第二阀门F2与低压天然气管路连接；并接的一端还通过第二在线色谱检测仪6和第十一阀门F11与两个ANG储罐11的并联端连接。\n[0038] 本发明的充装方法包括充气过程和放气过程，此外还有预吸附罐再生过程。\n[0039] 充气过程：高压燃气的压力值大于设定值时，第一阀门F1打开，高压燃气经过第六阀门F6进入第一预吸附罐T101进行脱碳，第二预吸附罐T102作为备用。然后第八阀门F8、第十一阀门F11打开，预处理后的天然气进入ANG储罐进行储存。当第一在线色谱检测仪5和第二在线色谱检测仪6检测到预吸附罐后水及重烃含量差别不大时，证明此时第一预吸附罐T101中的预吸附剂失效，不能清除天然气中所含的水及重烃。此时关闭第六阀门F6、第八阀门F8，打开第七阀门F7、第九阀门F9使天然气进入第二预吸附罐T102进行预吸附除水及重烃，第一预吸附罐T101进行再生，两个预吸附罐交替运行。\n[0040] 预吸附罐再生过程：第一预吸附罐T101吸附满后，关闭第六阀门F6、第八阀门F8后打开储罐放空口，把储罐压力卸到稍高于大气压力，然后打开第三阀门F3、第四阀门F4，高压N2经过电加热器加热到200℃后通入失效的预吸附罐进行再生，使预吸附剂中的水及重烃脱附，恢复预吸附剂的活性。\n[0041] 放气过程：低压天然气管道的压力值低于设定值时，此时供气量不足，需调峰装置进行补充供气。打开第二阀门F2、第十阀门F10、第十一阀门F11，关闭其余阀门。由于低压管网的压力值较低，此时ANG储罐与低压管网连通后压力降低，自动进行脱附，脱附后的天然气经过第二阀门F2后进入低压管路，此套充放装置与门站的调压系统并行排列。\n[0042] 这个具体的过程ANG储罐7的工作压力1.8～2.2Mpa，设计压力略高于工作压力，工作温度为室温，设计温度略高于工作温度。设计温度、压力都稍高于工作温度压力是为了保证设备的安全稳定运行，防止启停机的一瞬间出现危险状况。\n[0043] 天然气吸附过程放热引起系统温度升高，降低了吸附量；脱附过程吸热引起系统温度降低，增加了脱附残余量；两种效应在很大程度上会减少系统的动态吸附量。储罐设计时增加循环水系统维持储罐内部温度恒定，同时考虑到天然气的储存量与储罐内吸附剂的量成正比。所以在增加循环水系统的同时应尽量减少对储罐内部容积的影响，下面分别计算了内螺纹外翅片强化管和普通循环水管在相同情况下的换热效果。\n[0044] 某城市用气低峰时有40000m3天然气(1600kmol)，设定工作压力为2MPa，则需要储罐容积500m3、直径10000mm、壁厚38mm，内部设置130根循环水管，充气时间为8小时。\n3\n高表面性活性炭的吸附热是16KJ/mol，也就是说如果将40000m的天然气释放出来会产生\n7\n2.56×10KJ的热量。高表面活性炭的堆密度为450kg/m3，比热为1250J/(kg·K)，用量200吨。热量与换热面积之间有如下关系：\n[0045] Q＝A×K×ΔTm＝c×m×ΔT\n[0046] 高表面活性炭的升温量为ΔT＝2.56×107÷1.25÷200000＝102.4℃。室温为\n25℃，高表面活性炭温度为127.4℃，为保证高表面活性炭性能，应维持储罐内温度在尽可能小的范围内变化。\n[0047] 光滑管冷却：传热系数K取值为700W/(m2·℃)，循环水进出口温差为15℃。\n7 2\n循环水用量m＝2.56×10÷4.2÷15≈406350kg，选取流速4m/s，计算的管径为d＝\n406350×4÷3600÷8÷130÷π÷4，可得d＝0.186m。传热温差ΔT＝[(127.4‐20‐15)‐(40‐20)]÷ln[(127‐20‐15)÷(40‐20)]＝47.3℃，循环管换热面积A＝Q/(K×ΔTm)\n10\n＝(2.56×10 ÷3600÷8)÷(700×45.8×130)＝0.21。最小管长l＝0.21÷π÷0.186＝0.35m。\n[0048] 强化管冷却：传热系数K取值为1300W/(m2·℃)，循环水进出口温差为35℃。\n7 2\n循环水用量m＝2.56×10÷4.2÷15≈174150kg，选取流速4m/s，计算的管径为d＝\n174150×4÷3600÷8÷130÷π÷4，可得d＝0.12m。传热温差ΔT＝[(127.4‐20‐35)‐(40‐20)]÷ln[(127‐20‐35)÷(40‐20)]＝40.7℃，循环管换热面积A＝Q/(K×ΔTm)\n10\n＝(2.56×10 ÷3600÷8)÷(1300×40.7×130)＝0.13。最小管长l＝0.13÷π÷0.12＝0.33m。\n[0049] 循环水管在管内均匀布置，储罐内从外到内布置4组循环水管，每组循环水管以圆形组合排列，各组之间间隔1m，每组中各循环水管间距半米，具体样式见图2、3。对比光滑管和强化管的换热效果可以得出，相同换热效果的情况下，强化管用水量更少，水管的管径和管长都更小，有效的减少了对储罐有效容积的影响。所以在设备尺寸固定的情况下，循环水管长度及管径都不变，此时强化管可以在更短的时间内降低储罐内的温度，且在相同水量的情况下可将储罐的温度变化维持在更小的范围内。