李秉繁，劉培勝，潘振,孫 超

（1. 遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

天然氣壓力能回收利用研究進展及分析

李秉繁1，劉培勝1，潘振1,孫 超2

（1. 遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

隨著我國長輸管道（高壓）的發(fā)展，管道內(nèi)的高壓天然氣的壓力能所具有的經(jīng)濟價值是不容忽視的，天然氣壓力能利用包括直接利用和間接利用，介紹了高壓天然氣（CNG）直接膨脹發(fā)電、天然氣壓力能用于制冷技術(shù)和一種改進的將天然氣壓力能用于冷熱電三聯(lián)供的方法與裝置存在的問題及分析。

壓力能; 經(jīng)濟價值; 壓力能利用

如表1所示國內(nèi)部分天然氣管道基本參數(shù)［1］，輸送管道的發(fā)展在距離上、壓力上不斷的刷新歷史，為了經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和節(jié)約資源，管道壓力能所蘊含的巨大經(jīng)濟價值得到了人們廣泛的關(guān)注。

表1 國內(nèi)部分天然氣管道基本參數(shù)Table 1 The basic parameters of the domestic partial natural gas pipelines

以西氣東輸二線管道（壓力可達到12 MPa）的設(shè)計運行，標(biāo)志著我國長輸管道技術(shù)達到國際先進水平。

1 天然氣壓力能用于發(fā)電技術(shù)

1.1 用于直接膨脹發(fā)電

如圖1所示天然氣壓力能用于直接膨脹發(fā)電裝置，高壓天然氣經(jīng)過加熱器加熱后進入透平膨脹機膨脹驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，再經(jīng)過加熱器后以低壓天然氣的形式輸出。其中，加熱器的作用是防止天然氣膨脹后溫度降低到 0 ℃以下使天然氣中的水分凝結(jié)阻塞管路[2]。

圖1 天然氣壓力能用于直接膨脹發(fā)電裝置Fig.1 Gas pressure energy direct expansion power generation plant

1.2 膨脹后的低溫天然氣用于降低燃氣輪機的吸氣溫度

由布雷頓循環(huán)知，在定壓加熱過程中溫度達到臨界值時，若降低燃氣輪機的吸氣溫度，則循環(huán)作功和其效率將得到顯著提高。膨脹后的低溫天然氣用于冷卻燃氣輪機入口進入的空氣，提高進入燃氣輪機的空氣質(zhì)量以提高其循環(huán)作功和效率[3]。

現(xiàn)存的天然氣壓力能用于直接膨脹和降低燃氣輪機的吸氣溫度相結(jié)合的一種新型天然氣壓力能發(fā)電技術(shù)，不僅減少了管網(wǎng)壓力能的浪費也提高了發(fā)電量綜合利用了資源[4]。

1.3 天然氣壓力能用于發(fā)電技術(shù)存在的問題

（1）高壓天然氣的爆炸極限較低，高壓天然氣進入透平膨脹機之前必須經(jīng)過預(yù)熱，防止天然氣膨脹后溫度降低使天然氣中的水蒸氣凝結(jié)，天然氣局部溫度能以控制問題。

（2）建設(shè)大型天然氣壓力能回收發(fā)電工廠，需要大量地高壓天然氣而天然氣管網(wǎng)化、城市接收門站和調(diào)壓站的分散布局，建廠的困難問題。

（3）天然氣的使用由于用戶、時間、溫度、節(jié)氣的不同，天然氣的使用量不斷變化而利用高壓天然氣壓力能發(fā)電必須滿足天然氣供應(yīng)的壓力和流量穩(wěn)定問題[5]。

2 天然氣壓力能用于燃氣調(diào)峰

天然氣高壓管道調(diào)峰主要是指利用鄰近城市的壓氣站到城市接收門站這一管段，將天然氣以壓縮天然氣的形式儲存在這一管段中。城市燃氣使用量隨著時間、溫度、氣候等息息相關(guān)，用氣量波動巨大，每天都要面臨著“調(diào)峰”，當(dāng)用氣量多時，天然氣管網(wǎng)的高壓天然氣膨脹輸送給用戶，當(dāng)用氣量少時，天然氣以高壓天然氣的是形式儲存在管網(wǎng)中[6]。

3 天然氣壓力能用于制冷技術(shù)

3.1 天然氣壓力能制冷用于粉碎橡膠

我國橡膠消費量每年以 7.2%的速度增長，2013年增至3.7×106t[7]。廢舊橡膠的回收利用已成當(dāng)務(wù)之急。將天然氣壓力能制冷用于廢舊橡膠冷卻至玻璃化溫度（-100 ℃左右）后在進行粉碎的方式與傳統(tǒng)的粉碎方式不僅節(jié)省了粉碎機的能耗、減少了噪音也合理利用了能源。以處理14 000 m3/h 天然氣的調(diào)壓站為例，壓力從5 MPa降至0.5 MPa的高壓天然氣能夠處理約10 000 t的廢舊橡膠[8]。

3.2 天然氣壓力能制冷用于不同品味的冷能用戶

圖2 天然氣壓力能制冷用于不同品位的冷能用戶流程圖Fig.2 Natural gas pressure energy refrigeration flowchart for different grade users

如圖2所示，天然氣壓力能制冷用于不同品位的冷能用戶，高壓天然氣經(jīng)過氣波制冷機換熱器1、2、3后以低壓常溫天然氣的形式輸出，將-30 ℃用于低溫冷庫，將-15 ℃用于較低溫冷庫，0 ℃用于空調(diào)系統(tǒng)。將天然氣壓力能用于制冷不僅較少了壓縮機制冷的成本，低溫天然氣的冷量梯級利用也提高了壓力能的利用效率[9]。

3.3 天然氣壓力能制冷用于液化燃氣調(diào)峰

如圖3所示天然氣壓力能制冷用于液化天然氣調(diào)峰流程圖，高壓天然氣經(jīng)過膨脹機1膨脹作功后變?yōu)橹袎旱蜏靥烊粴?，膨脹機驅(qū)動壓縮機5壓縮常溫常壓的冷媒，從膨脹機出來的高壓冷媒經(jīng)過水冷卻再經(jīng)過節(jié)流閥3進入換熱器2用于制取LNG；從膨脹機1出來的中壓低溫天然氣一部分經(jīng)過換熱器6預(yù)熱后供給中壓天然氣管網(wǎng)，一部分經(jīng)過換熱器2、節(jié)流閥7以常壓LNG的形式儲存在LNG儲罐中；當(dāng)用氣高峰時，LNG經(jīng)過壓縮機9供給中壓天然氣管網(wǎng)，實現(xiàn)了天然氣的調(diào)峰作用[10]。

圖3 天然氣壓力能制冷用于不同品位的冷能用戶流程圖Fig.3 Natural gas pressure energy refrigeration flowchart for different grade users

3.4 天然氣壓力能用于制冷技術(shù)存在的問題

（1）高壓天然氣在膨脹作功之前必須經(jīng)過預(yù)熱防止混合在天然氣中的水分凝結(jié)，高壓天然氣產(chǎn)生的冷量效益與預(yù)熱效益收支問題；

（2）氣波制冷機的制冷效率低問題；

（3）天然氣壓力、流量不穩(wěn)定問題。

用于低溫冷庫，將-15 ℃用于較低溫冷庫，0 ℃用于空調(diào)系統(tǒng)。將天然氣壓力能用于制冷不僅較少了壓縮機制冷的成本，低溫天然氣的冷量梯級利用也提高了壓力能的利用效率。

4 一種改進的將天然氣壓力能用于冷熱電三聯(lián)供的方法與裝置

如圖4所示一種改進的將天然氣壓力能用于冷熱電三聯(lián)供的裝置，高壓天然氣經(jīng)過預(yù)熱后進入透平膨脹機膨脹作功驅(qū)動壓氣機汽輪機同軸轉(zhuǎn)動，經(jīng)過透平膨脹機后的低溫常壓天然氣進入換熱器用于預(yù)冷燃氣輪機進口的空氣，換熱器還可以提供空調(diào)制冷系統(tǒng)所需的冷量。一種改進的將天然氣壓力能用于冷熱電三聯(lián)供的方法與裝置，其優(yōu)點在于： 1)天然氣壓力能用于膨脹作功驅(qū)動壓氣機、汽輪機提高了傳統(tǒng)冷熱電三聯(lián)供的發(fā)電量減少了天然氣壓力能的浪費； 2)將從膨脹機出來的低溫常壓天然氣用于冷卻燃氣輪機的吸氣溫度，提高了燃氣輪機的工作效率； 3) 低溫常溫天然氣還可以為空調(diào)系統(tǒng)提供冷量，合理利用天然氣所蘊含的冷能[11]。

圖4 一種改進的將天然氣壓力能用于冷熱電三聯(lián)供裝置Fig.4 An improved natural gas pressure energy CCHP system

5 結(jié)束語

根據(jù)天然氣壓力能用于發(fā)電技術(shù)存在的問題提出的以下解決辦法： 1)凈化天然中的水分； 2)建設(shè)小型壓力能發(fā)電廠，與冷熱電三聯(lián)供相結(jié)合將天然氣壓力能用于直接膨脹發(fā)電，低溫天然氣用于冷卻燃氣輪機進口吸氣溫度； 3)建設(shè)調(diào)峰裝置，以便電廠的安全穩(wěn)定運行[12]。

根據(jù)提出的以下解決辦法： 1)采用多能級梯度利用天然氣壓力能產(chǎn)生的冷量； 2)為穩(wěn)定天然氣壓力、流量建設(shè)必要的調(diào)峰罐，提高膨脹機的穩(wěn)定作功。

天然氣壓力能的利用不僅減少了壓力能資源的浪費，也減少了發(fā)電過程、制冷過程汽輪機和壓縮機能耗，壓力能的利用符合我國節(jié)能標(biāo)準[13]。

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Research and Analysis of Recycling Pressure Energy From Nature Gas Pipelines

LI Bing-fan1，LIU Pei-sheng1，PEN Zhen1，SUN Chao2
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Heibei Langfang 065000，China;）

With the development of China's long-distance pipelines (high pressure), economic value of the pressure energy of high pressure natural gas in the pipelines should not be ignored, application of the pressure energy includes direct utilization and indirect utilization. In this paper, the high-pressure natural gas (CNG) direct expansion power generation technology, natural gas pressure energy refrigeration technology and CCHP technology were introduced; existing problems in these units were analyzed.

Pressure energy; Economic value; Pressure energy use

TE 832

A

1671-0460（2014）12-2591-03

2014-04-12

李秉繁（1901-），男，遼寧撫順人，研究生在讀，遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運專業(yè)，研究方向：油氣管道輸送技術(shù)。E-mail：670264522qq.com。