李 晶（中國石油西南油氣田公司輸氣管理處工藝技術(shù)研究所，四川 成都 610213）

天然氣壓能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的探討

李 晶
（中國石油西南油氣田公司輸氣管理處工藝技術(shù)研究所，四川 成都 610213）

摘 要：天然氣差壓發(fā)電系統(tǒng)其主要流程是高壓天然氣從進(jìn)氣管進(jìn)入透平膨脹機(jī)，帶動(dòng)連接其發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)作后，從排氣管排出進(jìn)入低壓管網(wǎng)，其主要問題是膨脹降壓過程伴隨著數(shù)十度甚至上百度的溫降，需利用加熱系統(tǒng)進(jìn)行換熱。以中石油某輸氣站為例簡(jiǎn)單介紹其經(jīng)濟(jì)性及工藝流程改造，主要對(duì)換熱系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：換熱；透平；流程

1　前言

天然氣從井口輸送至用戶，輸氣過程中需要節(jié)流降壓，若將其損失的壓力用來推動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，可以提供一定的電力能源，其主要流程是高壓天然氣從進(jìn)氣管進(jìn)入透平膨脹機(jī)，帶動(dòng)連接其的發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)作后，從排氣管排出進(jìn)入低壓管網(wǎng)，其主要問題是膨脹降壓過程伴隨著數(shù)十度甚至上百度的溫降，需利用加熱系統(tǒng)進(jìn)行換熱。

2　降壓發(fā)電系統(tǒng)

（1）發(fā)電系統(tǒng)

高壓氣體通過沖刷透平膨脹機(jī)葉輪的葉片使之高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能。

（2）換熱系統(tǒng)

由于高壓氣體膨脹降壓會(huì)產(chǎn)生溫降造成輸氣管路的冰堵，在其進(jìn)入透平機(jī)前有必要對(duì)其進(jìn)行加熱。由蒸汽鍋爐、循環(huán)管道和換熱器組成。

（3）旁通管路

在管道壓力較低不能滿足透平機(jī)最小壓降比時(shí)，氣體由傳統(tǒng)的調(diào)壓閥節(jié)流降壓。

3　管理因素

（1）場(chǎng)地因素

站內(nèi)必須有足夠的場(chǎng)地容納透平發(fā)電機(jī)組及其附屬的控制、換熱設(shè)備。

（2）環(huán)境條件

當(dāng)?shù)販囟群蜌鈮簵l件對(duì)發(fā)電效率和透平膨脹機(jī)出口氣體均有影響，溫度越高，效能越低。

（3）入網(wǎng)條件

必須得到電力運(yùn)行的準(zhǔn)入許可；站場(chǎng)與輸電管網(wǎng)的距離會(huì)影響入網(wǎng)連接成本，特別是需要安裝輸電線路和附屬設(shè)備時(shí)（如變壓器等），這些成本可能非常高昂，直接影響經(jīng)濟(jì)性。

4　經(jīng)濟(jì)合理性

由于各站場(chǎng)情況不同，需根據(jù)實(shí)際情況選擇適合條件的站場(chǎng)進(jìn)行改造，現(xiàn)以中石油某輸氣站為例。該站具有將813來氣降壓輸至南川、九宮廟的功能，813進(jìn)站壓力3.94MPa，南川出站壓力1.99MPa，平均每秒輸氣量7.29m3，九宮廟出站壓力1.27MPa，平均每秒輸氣量7.41m3，按照L=ρV△HiηTηg計(jì)算發(fā)電量 ，

L-透平發(fā)電機(jī)端的出力（kW）；

ηT-透平機(jī)效率，取0.82；

ηg-發(fā)電機(jī)效率，取0.95；

V-天然氣體積流量（m3/s），分別取7.29和7.41；

ρ-天然氣的密度（kg/m3），取0.71；

△Hi-天然氣高壓端與低壓端之間的絕熱焓降（kJ/kg），

Cp-天然氣質(zhì)量等壓比熱[kJ/（kg.K）]，取2.533；

T1-天然氣入口溫度（K），取293.15；

P1-天然氣入口壓力（MPa），取3.94；

P2-天然氣出口壓力（MPa），分別取1.99和1.27；

K-天然氣的絕熱指數(shù)，取1.3。

通過計(jì)算得出每月可產(chǎn)生827313kW·h的電量。

5　工藝流程改造

在二級(jí)調(diào)壓閥前、計(jì)量裝置后設(shè)置分支管道，連接透平發(fā)電機(jī)組，其前后分別設(shè)置閘閥、調(diào)壓閥，透平發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)閘閥打開，其前調(diào)壓閥將壓力穩(wěn)定至發(fā)電工作的最佳值，氣流經(jīng)過換熱器加熱后進(jìn)入透平機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，其后調(diào)壓閥控制進(jìn)入低壓管道的氣流壓力，當(dāng)氣壓不夠支持機(jī)組運(yùn)行時(shí)，閘閥關(guān)閉，氣流從旁通的調(diào)壓閥通過。

透平機(jī)功率在100kW-500kW范圍內(nèi)選擇，發(fā)電機(jī)功率在80kW-400kW范圍內(nèi)選擇，調(diào)壓閥選擇與站內(nèi)工藝相同的型號(hào)FLA-SRS/100×250，公稱通徑DN100/250，公稱壓力6.3MPa，連接管道的直徑為DN108×5。采用逆流式換熱器計(jì)算換熱面積，若發(fā)電前后壓力由4MPa降到2MPa，流量每秒15m3，根據(jù)絕熱膨脹溫度公式：。

其中：

T2-天然氣膨脹后的溫度；

T1-天然氣膨脹前的溫度，取293K。

得出膨脹后溫度為249K，即零下24℃，因此在發(fā)電前需將高壓管道內(nèi)的氣體加熱至344K，即71℃，

需要的熱量通過公式：

Q=mc（T-T1）

式中：Q-需要的熱量；

T-天然氣需加熱到的溫度；

m-天然氣每小時(shí)質(zhì)量流量；

c-天然氣定容比熱容，取1.78kJ/ （kg·℃）。

得出為3480505kJ/h。

鍋爐中水蒸氣的溫度取493K，流量取5000kg/h，水蒸氣的冷卻后溫度根據(jù)

式中：Tw2-水蒸汽冷卻后溫度；

Tw1-水蒸汽冷卻前溫度；

m0-水蒸汽質(zhì)量流量；

c0-水蒸汽比熱容，取4.19kJ/（kg·℃）。

得出為327K。

采用逆流式換熱器，根據(jù)公式

式中：A-換熱面積；

k-傳熱系數(shù)，取1140W/（m2·℃）。

得出換熱面積為10.84m2。

結(jié)語

節(jié)能環(huán)保是降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措，以上主要從換熱方面對(duì)差壓發(fā)電的工藝參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，由于接觸差壓發(fā)電的時(shí)間有限，本文只是簡(jiǎn)要對(duì)其實(shí)施進(jìn)行了探討。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：TU996

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A