本发明属于油气生产和天然气储运领域，具体涉及一种天然气压力能多能互补压差发电系统及其控制方法。
背景技术：
1、天然气输气干线下游的管网、城市门站等设施中，由于管网压力与末端用户压力之间存在压力差，蕴含有较丰富的压力能资源。利用压差发电可以为天然气降压站及周边生产、生活设施提供清洁电力。
2、中国专利申请cn105736216a公开了一种利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，包括：一利用地层压能发电的装置，包括一单进双出式转速调谐阀及控速联动执行机构、一过滤分离缓冲器、一多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机、一高背压天然气轮机及二发电机；以及一利用剩余压能发电的装置，包括并列连接于来自上级站高压出气口的活塞式单冲程天然气动机组及活塞式二冲程天然气动机组；本发明可以利用开采石油天然气的过程中地层所释放出的压能以及天然气输送到集气输气站、下级站、分支站、末站所剩余的压能来做功发电。
3、中国专利申请cn101245956a公开了一种利用天然气压力能的方法，即：高压管网中的天然气通过无动力制冷机降压降温得到低温天然气，然后与从常温罐输送来的常温冷媒换热，经降温的低温冷媒进入冷媒储罐备用，并最终被输送至冷能用户，升温后的常温天然气则进入管网；该专利将天然气压力能用于膨胀发电，以较低的运行成本将压力能转换成机械能，再转换至冷能，通过冷媒供调压站周边的冷库、冷水空调、废旧橡胶深冷粉碎等冷量用户使用，或制成冰块、干冰产品外运销售等。
4、中国专利申请cn105114131a一种利用天然气压力能膨胀发电与压缩制冷的一体化装置，包括监测调控系统、膨胀发电系统和冷媒制冷系统，通过膨胀机-发电机-压缩机联轴实现电力平衡，达到发电量与负载匹配的要求。
5、中国专利申请cn108894836a公开了一种天然气压力能回收技术领域的基于天然气压力能回收的多能互补系统，通过系统集成螺杆膨胀机压差发电、制冰技术、甲烷燃料电池等多项先进技术，能充分利用天然气压差能，且采用甲烷燃料电池和内燃机实现热电联供。
6、但是，本发明的发明人在实施本发明实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题和不足：
7、(1)由于天然气膨胀做功将同时消耗介质内能，导致出口温度急剧下降，不满足下游用户和管道耐低温要求，现有技术多采用空温/海水复热方式，受制于地理条件和季节气温变化等因素，该复热方式的热源不够稳定，导致压差发电装置在北方地区冬季发电利用小时数降低甚至由于出口温度过低无法运行，难以高效利用压力能资源；
8、(2)现有压差发电技术常采用透平或螺杆膨胀机工艺流程，为了控制膨胀比参数，限制后端温降，多选用单级膨胀设备，在单级膨胀前利用j-t阀调压后进行压力能回收，一般通过调压后将损失20％-50％的压力能，能量转化率低；
9、(3)相关技术冷量消纳能力存在不足，目前国内多种技术采用天然气补燃、甲烷燃料电池和内燃机工艺余热、与冷库供冷/制冰工艺耦合、与天然气液化(lng)工艺相关联的方式，用以消纳天然气压差发电伴生的冷量；但是上述工艺需要依托周边存在稳定用冷场景，不易于同制冷/制冰工艺解耦，系统调节灵活性差，系统投资较高，不适用于北方冬季气温较低、缺少水资源的工况。
技术实现思路
1、本发明旨在解决至少一种背景技术中存在的技术问题，提供一种天然气压力能多能互补压差发电系统及其控制方法，采用两级可调膨胀比式压差发电管路，增强压差发电系统的气候与工况适应性，提升系统发电利用率；同时，采用低温位吸热循环管路对油气生产过程中的环境热、余(废)热资源等低品位能源进行高效回收并用于压差发电后的天然气复热，能够实现热能的梯级利用，从而提高装置应用的灵活性。
2、为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：
3、一种天然气压力能多能互补压差发电系统，包括低温位吸热循环管路和两级可调膨胀比式压差发电管路；所述低温位吸热循环管路用于为两级可调膨胀比式压差发电管路循环提供复热热源；
4、所述低温位吸热循环管路包括多股流复合换热器、气液分离器、低温位储能换热管路、第一工质压缩机和循环流动的第一工质；所述多股流复合换热器的第一工质出口连接气液分离器；所述气液分离器的气体出口连接第一工质压缩机的进口，所述气液分离器的液体出口连接低温位储能换热管路的第一工质进口，所述低温位储能换热管路的第一工质出口连接至第一工质压缩机的进口；所述第一工质压缩机的出口连接至多股流复合换热器的第一工质进口；
5、所述两级可调膨胀比式压差发电管路包括高压天然气管线、一级膨胀发电机和二级膨胀发电机，所述高压天然气管线穿过多股流复合换热器连接至一级膨胀发电机的天然气进口，所述一级膨胀发电机的天然气出口穿过多股流复合换热器连接至二级膨胀发电机的天然气进口，所述二级膨胀发电机的天然气出口穿过多股流复合换热器连接至下游用户管路；同时，在一级膨胀发电机的天然气进口管路上设置有进一级膨胀机前调压阀，在二级膨胀发电机的天然气进口管路上设置有进二级膨胀机前调压阀，在二级膨胀发电机的天然气出口管路上设置有系统背压调节阀，所述进一级膨胀机前调压阀、进二级膨胀机前调压阀和系统背压调节阀构成两级膨胀比调节装置。
6、进一步地，所述低温位储能换热管路包括低温热源蒸发器、多能换热装置、循环泵、三通控制阀和循环流动的第二工质；
7、所述气液分离器的液体出口连接低温热源蒸发器的第一工质进口，所述低温热源蒸发器的第一工质出口连接第一工质压缩机的进口；同时，所述低温热源蒸发器的第二工质出口依次连接多能换热装置、循环泵和三通控制阀，所述三通控制阀的两个出口分别连接低温热源蒸发器的第二工质进口和多股流复合换热器的第二工质进口；所述多股流复合换热器的第二工质出口连接至多能换热装置的第二工质进口。
8、更进一步地，所述多能换热装置包括光热集热器和余热/废热/地热换热器，所述多股流复合换热器的第二工质出口与所述低温热源蒸发器的第二工质出口汇总至母管后分别连接至光热集热器、余热/废热/地热换热器的第二工质进口；所述光热集热器、余热/废热/地热换热器的第二工质出口均连接至热源多通控制阀的进口，所述热源多通控制阀的出口连接循环泵。
9、更进一步地，所述光热集热器为多组并联的槽式管热换热器。
10、进一步地，所述多股流复合换热器中包括第一工质列管和第二工质列管；
11、所述第一工质列管包括三个列管组，分别为第一列管组、第二列管组和第三列管组；所述第一列管组与二级膨胀发电机的天然气进口管路组对换热，所述第二列管组与一级级膨胀发电机的天然气进口管路组对换热；所述第三列管组与二级膨胀发电机的天然气出口管路组对换热；所述第一工质经多股流复合换热器的第一工质进口进入后，沿着与天然气流向相反的方向依次逆流流经第一列管组、第二列管组和第三列管组，最后经多股流复合换热器的第一工质出口流出；
12、所述第二工质列管靠近天然气管道进口侧与一级级膨胀发电机的天然气进口管路组对换热，所述第二工质沿着与天然气流向相反的方向逆流流经第二工质列管。
13、进一步地，所述气液分离器的液体出口与低温热源蒸发器的第一工质进口之间的管路上依次设置有j-t节流阀和空温预热器，所述j-t节流阀靠近所述气液分离器的液体出口设置；
14、所述空温余热器设置有第一旁通管路；所述第一旁通管路的两端分别连接所述空温余热器的进口管路和出口管路，所述第一旁通管路上设置有空温预热器旁通阀。
15、更进一步地，所述第一工质为卤代烃及其混合物冷媒剂或者碳氢化合物冷媒剂；所述第二工质为水或水基导热介质；
16、所述空温预热器为翅片列管式，立式或卧式安装。
17、更进一步地，所述卤代烃及其混合物冷媒剂包括r134a、r410a，所述碳氢化合物冷媒剂包括r290、r600a；所述水基导热介质包括乙二醇水溶液。
18、进一步地，所述高压天然气管线设置有第二旁通管路；
19、所述第二旁通管路的进口连接高压天然气管线，所述第二旁通管路的出口连接至下游用户管路上；
20、所述第二旁通管路上设置有系统旁通跨线阀。
21、进一步地，所述进一级膨胀机前调压阀设置在高压天然气管线进多股流复合换热器的管路上；
22、所述进二级膨胀机前调压阀设置在出多股流复合换热器、进二级膨胀发电机的管路上；
23、所述系统背压调节阀设置在出二级膨胀发电机、进多股流复合换热器的管路上。
24、同时，本发明还提供一种天然气压力能多能互补压差发电系统的控制方法，用以实施如上所述的系统，所述控制方法包括如下步骤：
25、步骤s1：启动低温位储能换热管路，开启第一工质压缩机的进出口管路阀门，导通第一工质的循环管路；
26、步骤s2：逐步开启两级膨胀比调节装置中的进一级膨胀机前调压阀、进二级膨胀机前调压阀和系统背压调节阀，导通两级可调膨胀比式压差发电管路，并调节经过一级膨胀发电机和二级膨胀发电机的流量；
27、步骤s3：一级膨胀发电机和二级膨胀发电机逐步加载实现稳定发电，同时，监控多股流复合式换热器中的各管路进出物流的温度变化，确保冷热源温度场趋于稳定；
28、当多股流复合式换热器中的冷热源温度场出现波动时，通过两级膨胀比调节装置调节一级膨胀发电机和二级膨胀发电机的进出压差，重新建立冷源与热源的平衡，以使最终出系统的天然气温度满足下游用户的温度要求。
29、进一步地，所述步骤s1具体包括：
30、步骤s101：开启热源多通控制阀、三通控制阀，启动循环泵，导通低温位储能换热管路；
31、步骤s102：开启第一工质压缩机的进出口管路阀门和气液分离器的液体出口管路上的j-t节流阀，逐步加载第一工质压缩机，调节第一工质压缩机吸气、排气压力稳定，并同步调整所述j-t节流阀的开度，适时打开空温预热器或空温预热器旁通阀，导通第一工质的循环管路。
32、进一步地，所述步骤s2具体包括：
33、步骤s201：打开两级可调膨胀比式压差发电管路的旁通管路上的系统旁通跨线阀，调节上下游管路压差至稳定；
34、步骤s202：逐步开启两级膨胀比调节装置中的进一级膨胀机前调压阀、进二级膨胀机前调压阀和系统背压调节阀，导通两级可调膨胀比式压差发电管路，并调节经过一级膨胀发电机、二级膨胀发电机的天然气流量；
35、步骤s203：逐步减小系统旁通跨线阀的开度直至完全关闭，使得天然气全量通过一级膨胀发电机和二级膨胀发电机。
36、进一步地，所述控制方法还包括季节工况控制方法，具体为：
37、当系统处于夏季工况，若平均环境气温≥20℃时，则打开空温预热器，关闭空温预热器旁通阀；若平均环境气温<20℃时，则关闭空温预热器，打开空温预热器旁通阀；
38、当系统处于冬季工况，若平均气温≥0℃时，则打开空温预热器，关闭空温预热器旁通阀；若平均环境气温<0℃时，则关闭空温预热器，打开空温预热器旁通阀；
39、当系统处于春秋季工况，若昼间气温高于多股流复合换热器的第一工质出口处的第一工质温度时，则打开空温预热器，并通过空温预热器旁通阀调节经过空温预热器的第一工质流量，以适应气温变化。
40、更进一步地，所述控制方法还包括昼夜工况控制方法，具体为：
41、当系统处于晴朗昼间时，则调节热源多通控制阀的流量比例，增大经过光热集热器的第二工质的流量，同时，导通三通控制阀至多股流复合换热器的管路，关闭三通控制阀至低温热源蒸发器的管路，使得第二工质直接输送至多股流复合换热器，并经多股流复合换热器的第二工质出口到达光热集热器和余热/废热/地热换热器；
42、当系统处于夜间工况或昼间无日照时，则调节热源多通控制阀的流量比例，增大经过余热/废热/地热换热器的第二工质流量，同时关闭三通控制阀至多股流复合换热器的管路，导通三通控制阀至低温热源蒸发器的管路，使得第二工质在低温位储能换热管路中循环流动，为第一工质换热。
43、更进一步地，所述控制方法还包括超低温工况控制方法，具体为：
44、当系统处于低温环境中、且热源侧的各项调节能力已无法满足天然气出系统温度满足下游用户要求时，通过调节两级膨胀比调节装置中的进一级膨胀机前调压阀、进二级膨胀机前调压阀和系统背压调节阀的开度，在保证下游天然气减压后压力满足要求的情况下，分别降低一级膨胀发电机和二级膨胀发电机的前后压力值，减小各级膨胀发电机的膨胀比，以降低系统发电出力，减少伴生冷量的输出，重新使冷热源平衡，恢复天然气出系统温度以满足下游要求，保证系统持续运转。
45、更进一步地，所述控制方法还包括故障工况控制方法，具体为：当系统出现故障时，开启系统旁通跨线阀，对系统进行维护。
46、与现有技术相比，本发明所产生的有益效果是：
47、(1)本发明的系统采用第一工质(如r600a等)和第二工质(如乙二醇水溶液等)双工质、多源互补吸收低品位热源(如余热/废热/地热、日光热、空气源热等)，将油气生产过程中的低温位能源进行高效回收并用于压差发电后的天然气复热，能够实现热能的梯级利用，且不需要与制冰、制冷等传统冷能消纳方式耦合就可以维持压差发电系统运行，既有利于资源的综合利用，又提升了压差发电系统对热源变化的适应性和能效水平，应用更加灵活；
48、(2)本发明的系统采用多股流复合式换热器，所述多股流复合换热器中包括第一工质列管和第二工质列管；所述第一工质列管包括与天然管路梯度组对的三个列管组，其中，第一列管组与二级膨胀发电机的天然气进口管路组对，第二列管组与一级级膨胀发电机的天然气进口管路组对；第三列管组与二级膨胀发电机的天然气进口管路组对；第一工质经多股流复合换热器的第一工质进口进入后，沿着与天然气流向相反的方向依次逆流流经第一列管组、第二列管组和第三列管组，最后经多股流复合换热器的第一工质出口流出；第二工质列管靠近天然气管道进口侧与一级级膨胀发电机的天然气进口管路组对，第二工质沿着与天然气流向相反的方向逆流流经第二工质列管；通过上述设置，所述多股流复合换热器可有效利用不同温度梯度的温度场实现分段逆流换热，提高与天然气的换热效率，与膨胀发电机前后分别设置换热器相比效率提升约10％；
49、(3)本发明的系统采用两级可调膨胀比式压差发电管路，使该系统能够灵活调节发电伴生的冷量输出以适应热源端温度变化，从而克服北方冬季气温较低、热源不充足的工况导致的下游天然气温度过低、压差发电系统被迫停运的情况，增加了系统发电利用小时数和天然气的持续供应稳定性；
50、(4)与国内外已公开的余能利用技术相比，本发明的系统和控制方法使油气生产和天然气储运场景中的余压资源利用率提升20-40％。
1.一种天然气压力能多能互补压差发电系统，其特征在于，包括低温位吸热循环管路和两级可调膨胀比式压差发电管路；所述低温位吸热循环管路用于为两级可调膨胀比式压差发电管路循环提供复热热源；
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述低温位储能换热管路包括低温热源蒸发器、多能换热装置、循环泵、三通控制阀和循环流动的第二工质；
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多能换热装置包括光热集热器和余热/废热/地热换热器，所述多股流复合换热器的第二工质出口与所述低温热源蒸发器的第二工质出口汇总至母管后分别连接至光热集热器、余热/废热/地热换热器的第二工质进口；所述光热集热器、余热/废热/地热换热器的第二工质出口均连接至热源多通控制阀的进口，所述热源多通控制阀的出口连接循环泵。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述光热集热器为多组并联的槽式管热换热器。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多股流复合换热器中包括第一工质列管和第二工质列管；
6.根据权利要求2-5任一项所述的系统，其特征在于，所述气液分离器的液体出口与低温热源蒸发器的第一工质进口之间的管路上依次设置有j-t节流阀和空温预热器，所述j-t节流阀靠近所述气液分离器的液体出口设置；
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一工质为卤代烃及其混合物冷媒剂或者碳氢化合物冷媒剂；所述第二工质为水或水基导热介质；
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述卤代烃及其混合物冷媒剂包括r134a、r410a，所述碳氢化合物冷媒剂包括r290、r600a；所述水基导热介质包括乙二醇水溶液。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述高压天然气管线设置有第二旁通管路；
10.根据权利要求2-5任一项所述的系统，其特征在于，所述进一级膨胀机前调压阀设置在高压天然气管线进多股流复合换热器的管路上；
11.一种天然气压力能多能互补压差发电系统的控制方法，用以实施如权利要求1-10任一项所述的系统，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括：
13.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述步骤s2具体包括：
14.根据权利要求11-13任一项所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括季节工况控制方法，具体为：
15.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括昼夜工况控制方法，具体为：
16.根据权利要求15所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括超低温工况控制方法，具体为：
17.根据权利要求16所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括故障工况控制方法，具体为：当系统出现故障时，开启系统旁通跨线阀，对系统进行维护。
