蔣宏業(yè) 王志輝(西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院)

天然氣分輸調(diào)壓站壓力能利用方案研究

蔣宏業(yè) 王志輝(西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院)

城市門站的天然氣由高壓降到低壓的過程中，存有大量壓力能，可利用?分析法進(jìn)行分析。表述了當(dāng)前針對(duì)壓力能的回收利用方式，并結(jié)合某一典型分輸調(diào)壓站現(xiàn)狀，提出一種綜合利用壓力能的工藝流程，提高能源利用效率。

隨著清潔能源天然氣的普及，天然氣管道呈現(xiàn)距離長(zhǎng)、口徑大、壓力高的趨勢(shì)。其中陜京二線、川氣東送和西氣東輸一線的設(shè)計(jì)壓力為10MPa，西二線設(shè)計(jì)壓力已達(dá)到12MPa。

高壓天然氣通過輸氣干線到達(dá)分輸調(diào)壓站后需結(jié)合買方需求的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后再輸送給城市燃?xì)庥脩?、工業(yè)用戶等。天然氣從高壓調(diào)至低壓過程中，將產(chǎn)生相當(dāng)大的壓降，且有大量能量釋放。若將這部分壓力能進(jìn)行回收利用，進(jìn)可有力地推動(dòng)能源利用率的提高，改善管網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

本文采用?分析法對(duì)壓力能進(jìn)行分析，介紹當(dāng)前壓力能主要利用方式，結(jié)合某一分輸調(diào)壓站實(shí)際，設(shè)計(jì)一種壓力能利用工藝流程。

1 ?分析法對(duì)高壓天然氣壓力能的理論分析

?是某種能量在理論上能夠可逆地轉(zhuǎn)換為功的最大數(shù)量，稱為該能量中具有的可用能，利用?分析法來評(píng)價(jià)天然氣管網(wǎng)可以利用的壓力能是比較科學(xué)的。

應(yīng)用熱力學(xué)知識(shí)分析，可以把輸送天然氣的管網(wǎng)當(dāng)做一種開口系統(tǒng)。單位質(zhì)量的穩(wěn)定物流的焓?為：

式中：T0—環(huán)境溫度；h0、s0—物流在環(huán)境狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的比焓和比熵；h、s—物流所在狀態(tài)下的比焓和比熵。根據(jù)熱力學(xué)中熵的關(guān)系式：

穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，開口系統(tǒng)的焓?表達(dá)式為：

ex,T為溫度?：

ex,P為壓力?：

在工質(zhì)等溫流動(dòng)時(shí)，膨脹做出的技術(shù)功即為壓力?。

對(duì)于10 MPa的天然氣管網(wǎng)輸氣壓力，用戶需求壓力為0.3MPa，則可利用的壓力能最大數(shù)值為534.2 kJ/kg。而西氣東輸干線管道年設(shè)計(jì)輸氣量120億標(biāo)方，若取甲烷比容1.5 m3/kg（0.1MPa，20℃），則管路質(zhì)量流量為80×108kg/a，那么可利用的壓力能數(shù)量為42736×108kJ/a，與一座裝機(jī)489.2 MW電站一年的發(fā)電量相當(dāng)。

由此可知，當(dāng)管網(wǎng)中天然氣的輸送壓力越高，而用戶端需求壓力越低，且輸送量越大時(shí)，高壓天然氣中其所擁有的壓力能量越多。

2 高壓天然氣壓能利用的途徑

當(dāng)前，對(duì)高壓天然氣中的壓力能量利用研究主要集中于發(fā)電和制冷兩領(lǐng)域?；厥绽貌捎玫年P(guān)鍵設(shè)備為渦流管、透平膨脹機(jī)和氣波制冷機(jī)等，這些設(shè)備可以取代調(diào)壓閥等調(diào)壓裝置實(shí)現(xiàn)高壓天然氣的降壓。

2.1 將高壓天然氣管網(wǎng)中的壓力能量用于發(fā)電

利用天然氣壓能發(fā)電技術(shù)的主要原理，是利用高低壓差帶動(dòng)膨脹機(jī)做功轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，由膨脹機(jī)再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。據(jù)文獻(xiàn)記載，二十世紀(jì)初，日本東京電力公司宣布利用天然氣差壓能進(jìn)行發(fā)電，并建設(shè)一座電站，其發(fā)電量為7700kW[1]。

2.2 天然氣管網(wǎng)壓力能量用于制冷領(lǐng)域

高壓天然氣膨脹時(shí)，因放熱而產(chǎn)生溫降，產(chǎn)生的冷量可用于制備LNG和NGH儲(chǔ)氣調(diào)峰、冷庫(kù)、冷水空調(diào)、低溫粉碎舊橡膠等方面[1]。

①制備LNG和NGH

城市天然氣需求量隨著季節(jié)、晝夜和時(shí)段的變化波動(dòng)非常大，若能將用氣低谷時(shí)多余的天然氣以LNG或NGH等方式儲(chǔ)存。在用氣高峰時(shí)期，利用儲(chǔ)存的天然氣補(bǔ)充需求缺口，對(duì)于保持天然氣平穩(wěn)供給有重要作用。

②用于冷庫(kù)系統(tǒng)

據(jù)了解，壓力5.0MPa，溫度20℃的天然氣經(jīng)過氣波制冷機(jī)后，當(dāng)出口壓力降至0.5MPa時(shí)，溫度可到達(dá)-58℃[2]。因此，可以采取“梯級(jí)利用”方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣降壓冷能的高效利用。

3 某天然氣分輸調(diào)壓站壓能利用工藝

據(jù)了解，冀寧聯(lián)絡(luò)線某分輸調(diào)壓站下游用戶既有居民城市燃?xì)庥脩?，又有CNG用戶?，F(xiàn)有場(chǎng)站工藝中配置有兩組調(diào)壓裝置，用于將上游側(cè)高壓天然氣調(diào)壓至低壓后分輸給燃?xì)庥脩?，調(diào)壓后管線因低溫易出現(xiàn)冰堵需要長(zhǎng)年增加電伴熱，耗費(fèi)電能。而CNG用戶則采取高壓天然氣直接輸送，然后用戶再利用壓縮機(jī)壓縮至20MPa再儲(chǔ)存至槽車運(yùn)輸，壓縮機(jī)消耗大量電能。

通過研究天然氣壓能回收利用方式，綜合此天然氣站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，立足整體，將上下游看成一體，筆者提出一種綜合利用壓力能工藝流程，圖1。

圖1 天然氣管網(wǎng)壓能綜合利用工藝簡(jiǎn)圖

此工藝流程在原調(diào)壓裝置基礎(chǔ)上增設(shè)一套壓力能發(fā)電裝置，原調(diào)壓裝置可備用。將高壓天然氣降為低壓時(shí)調(diào)壓中的壓力能用于發(fā)電，電能輸送給CNG用戶的壓縮機(jī)使用，再通過冷媒吸收降壓后低溫天然氣中的冷量，可以用在冷卻工作中的壓縮機(jī)和壓縮后的高溫天然氣。

通過綜合布局，針對(duì)此分輸調(diào)壓站與下游用戶之間的各自實(shí)際需求，將相關(guān)方有機(jī)聯(lián)系成統(tǒng)一整體，實(shí)現(xiàn)壓力能回收同時(shí)，消除冰堵風(fēng)險(xiǎn)，還能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

高壓天然氣中蘊(yùn)藏大量的壓力能，可應(yīng)用于發(fā)電、制冷等方面。如何最大程度提高壓力能回收利用效率，并實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)驗(yàn)再到商業(yè)化推廣，需要從技術(shù)、設(shè)備和環(huán)境等角度全方面考慮。但是，天然氣壓力能回收對(duì)提高天然氣管網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性有重要作用，是非常具有發(fā)展?jié)摿Φ囊豁?xiàng)技術(shù)。

[1]《中國(guó)能源》編輯部.日利用天然氣壓差發(fā)電[J].中國(guó)能源，2002（11）：45.

[2]羅東曉.回收高壓管輸氣壓力能用于冷庫(kù)的技術(shù)[J].上海燃?xì)猓?010，(5)：33-35.