俞光燦 李琦芬 梁曉雨 潘登宇

上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院

天然氣余壓發(fā)電制冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)際產(chǎn)能模擬

俞光燦 李琦芬 梁曉雨 潘登宇

上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院

針對天然氣分輸站目前無法對管輸天然氣壓力能進(jìn)行有效回收的問題，以及傳統(tǒng)的制冰行業(yè)電力消耗較大，而冰需求市場又逐年擴(kuò)大等問題，本文提出一種天然氣余壓發(fā)電制冰一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括膨脹發(fā)電系統(tǒng)、冷能利用系統(tǒng)兩部分，利用膨脹機(jī)回收天然氣壓力能并同軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，再利用換熱器對膨脹機(jī)出口的低溫天然氣冷能進(jìn)行回收。然后結(jié)合某天然氣分輸站供氣參數(shù)和膨脹機(jī)特性曲線，用Aspen軟件對整個(gè)工藝流程進(jìn)行模擬，以估算系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)電量、產(chǎn)冰量。系統(tǒng)既得到了高品位的電能，同時(shí)也能緩解冰需求市場的壓力，降低了制冰行業(yè)的高電力消耗。

天然氣；壓力能；發(fā)電；制冰；模擬分析

目前“西氣東輸”采用高壓管輸天然氣的方式進(jìn)行天然氣輸配，然而下游用戶的用氣壓力需求卻很小，豐富的天然氣壓力能在調(diào)壓門站通過調(diào)壓撬被白白釋放到了大氣中，若將該部分能量進(jìn)行回收利用，能有效減少壓力能損失，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用[1]。同時(shí)現(xiàn)今冰需求市場正在逐年擴(kuò)大，而傳統(tǒng)的制冰行業(yè)卻存在高電力消耗問題。在對這兩個(gè)問題思考的基礎(chǔ)上，筆者首先設(shè)計(jì)了一套天然氣余壓發(fā)電制冰系統(tǒng)，之后對實(shí)際天然氣分輸站供氣參數(shù)進(jìn)行了分析整理，在整理出的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用Aspen（Advanced System for Process Engineering, 過程工程的先進(jìn)系統(tǒng)）軟件對系統(tǒng)流程進(jìn)行仿真模擬，得出了系統(tǒng)實(shí)際的發(fā)電量和制冰量[2,3]。

1 天然氣余壓發(fā)電制冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)

天然氣余壓發(fā)電制冰系統(tǒng)是充分利用分輸站與下游用戶之間在調(diào)壓過程中損失的壓力能，將計(jì)量后的天然氣經(jīng)旁通閥引入壓力能發(fā)電制冰系統(tǒng)[4]。在天然氣壓力能利用過程中，一方面，計(jì)量并經(jīng)過穩(wěn)壓閥穩(wěn)壓后的高壓天然氣首先進(jìn)入透平膨脹機(jī)充分膨脹，將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并同軸帶動(dòng)齒輪箱，通過齒輪箱使得膨脹機(jī)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相匹配，進(jìn)而發(fā)出電能；另一方面，天然氣在膨脹機(jī)中膨脹后，溫度驟降，蘊(yùn)含著巨大的高品位冷能，通過換熱器將這部分冷量用于制冰[5]。低溫天然氣的冷能回收后，當(dāng)其溫度恢復(fù)到下游用戶所需的溫度時(shí)，天然氣再匯入下游管網(wǎng)，向下游用戶供氣。本文所設(shè)計(jì)的天然氣壓力能發(fā)電制冰系統(tǒng)具體的工藝流程如圖1所示，當(dāng)?shù)蜏靥烊粴馀c乙二醇換熱后，進(jìn)入儲水池與池水換熱，儲水池中的水將作為制冰原水進(jìn)入制冰系統(tǒng)。仍然具有一定冷能的天然氣可繼續(xù)通入前置換熱器預(yù)冷膨脹機(jī)進(jìn)口天然氣。最后天然氣可通過電加熱器使溫度恢復(fù)到下游用戶所需的溫度，向下游用戶供氣[6,7]。

其中，分輸站將壓力約為5.0 MPa、流量約為52000 Nm3/h的天然氣，經(jīng)膨脹機(jī)膨脹減壓后，以2.0 MPa左右的壓力輸往到下游燃?xì)庥脩?。該工藝流程主要包括膨脹發(fā)電系統(tǒng)與冷能利用系統(tǒng)，運(yùn)行全程通過安全控制系統(tǒng)控制，保證在天然氣 溫度、壓力、流量滿足下游用戶需求的條件下兼顧發(fā)電與制冰。

圖1 天然氣壓力能發(fā)電-制冰工藝流程圖

1.1 天然氣膨脹發(fā)電系統(tǒng)

分輸站接收上游來氣，經(jīng)過過濾和分離后，天然氣通過旁通閥將計(jì)量后的天然氣引入壓力能利用系統(tǒng)。天然氣首先經(jīng)過調(diào)壓閥將壓力微調(diào)穩(wěn)定至5.0 MPa，經(jīng)過脫水脫烴裝置脫除水分和重?zé)N后，進(jìn)入透平膨脹機(jī)并進(jìn)行膨脹做功，做工后壓力降至2.0 MPa，溫度降低，同時(shí)膨脹機(jī)同軸帶動(dòng)減速箱，減速后拖動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電如圖2所示[8]。

原有的天然氣調(diào)壓裝置保留，作為旁路系統(tǒng)，天然氣在膨脹發(fā)電機(jī)入口和原調(diào)壓系統(tǒng)入口均設(shè)置快速切斷閥，以確保在膨脹發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)或進(jìn)行停機(jī)維修維護(hù)時(shí)能穩(wěn)定迅速地切換至原調(diào)壓系統(tǒng)[9]。

膨脹發(fā)電系統(tǒng)包括一套膨脹發(fā)電機(jī)組、脫水脫烴裝置以及相關(guān)配套閥門、控制系統(tǒng)，采用PLC（可編程邏輯控制器）系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場控制，并預(yù)留上傳通訊接口。另外，膨脹發(fā)電機(jī)組設(shè)有潤滑系統(tǒng)和密封氣系統(tǒng)，均采用成熟可靠的先進(jìn)技術(shù)，以確保安全可靠運(yùn)行[10,11]。

1.2 冷能利用系統(tǒng)

高壓天然氣經(jīng)過膨脹后，其冷量將用于制冰，冷能利用系統(tǒng)如圖3所示，即將膨脹機(jī)出口的低溫天然氣的冷能用來制冰，制冰方法采用廣泛應(yīng)用的鹽水制冰法。膨脹后的低溫天然氣進(jìn)入換熱器中，持續(xù)為鹽水池中的鹽水(29.4% 的NaCl)提供冷量，使得鹽水池中的鹽水溫度保持在-10℃左右，而天然氣溫度升為-10℃左右。-10℃的天然氣之后經(jīng)電加熱器加熱至下游用戶所需溫度后再輸送到下游。最后，被冷卻的濃鹽水(-10℃左右)與冰桶內(nèi)的制冰原水充分換熱，水吸收冷量后冷凍成冰，完成天然氣冷量的回收利用[12,13]。

圖2 膨脹發(fā)電系統(tǒng)

系統(tǒng)主要組成設(shè)備有：冰桶、換熱器、鹽水池、融冰槽、冰桶架、電動(dòng)單梁起重機(jī)、倒冰架、滑冰臺等。本項(xiàng)目與傳統(tǒng)制冰系統(tǒng)區(qū)別在于：除了不需要電力制冰外，系統(tǒng)最后需要額外設(shè)置電加熱器以保證進(jìn)入下游天然氣的溫度滿足下游用戶的溫度需求[14]。

2 余壓發(fā)電制冰系統(tǒng)參數(shù)確定

根據(jù)“西氣東輸”某分輸站實(shí)際天然氣進(jìn)站參數(shù)，確定本方案余壓發(fā)電制冷系統(tǒng)各流程的參數(shù)，以及主要部件膨脹機(jī)的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)[15]。

2.1 分輸站天然氣參數(shù)分析

通過對某分輸站一年的運(yùn)行數(shù)據(jù)處理，對同一月份中每天同一時(shí)間的進(jìn)站參數(shù)求得平均值，最終得到某年12個(gè)月份的分輸站天然氣進(jìn)站的平均流量、壓力、溫度隨晝夜時(shí)間的變化數(shù)據(jù)與曲線圖。

圖4、5、6中，12條曲線整體變化趨勢基本相同，為了更加直觀地了解某市天然氣分輸站的進(jìn)站參數(shù)隨晝夜時(shí)間變化的趨勢，進(jìn)一步將圖4、5、6中的12條曲線求得平均值，得到天然氣年平均參數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖7、8、9所示。

考慮到天然氣的溫度與壓力對膨脹機(jī)透平效率影響不是很大，所以模擬時(shí)可取天然氣平均壓力為5.7 Mpa，溫度為17.5℃。而天然氣流量晝夜差值最大為40 000 Nm3/h，晝夜變化明顯，且對膨脹機(jī)透平效率有較大影響，因此在對天然氣余壓發(fā)電制冰系統(tǒng)模擬時(shí)，需要將天然氣流量變化考慮其中[16,17]。

圖3 冷能利用系統(tǒng)圖

2.2 膨脹機(jī)運(yùn)行特性曲線分析

圖4 某分輸站天然氣不同月份平均溫度隨時(shí)間變化圖

圖5 某分輸站天然氣不同月份平均壓力隨時(shí)間變化圖

圖6 某分輸站天然氣不同月份平均流量隨時(shí)間變化圖

膨脹機(jī)可調(diào)式噴嘴的調(diào)節(jié)作用可以使膨脹機(jī)適應(yīng)較大范圍天然氣處理量（50%～120%）的變化。由某公司提供的額定流量為52 000 Nm3/h的膨脹機(jī)透平效率與處理天然氣量關(guān)系曲線如圖13所示，在設(shè)計(jì)流量的50%～130%流量范圍內(nèi)變化，透平效率不同。因此不同的處理氣量，天然氣余壓發(fā)電制冰系統(tǒng)的發(fā)電量與制冷量也會發(fā)生變化。為保持膨脹機(jī)的高效率，應(yīng)該使膨脹機(jī)處理天然氣量范圍在80%～120%之間[18,19]。

根據(jù)圖10膨脹機(jī)透平效率-處理量關(guān)系曲線和圖9某分輸站天然氣年平均流量隨時(shí)間變化曲線得到透平膨脹機(jī)在不同進(jìn)氣流量條件下的膨脹機(jī)效率，列于表1。

3 天然氣余壓發(fā)電制冰系統(tǒng)模擬與產(chǎn)能估計(jì)

天然氣分輸站年平均下的晝夜天然氣平均進(jìn)站流量在2 1670 Nm3/h～41 750 Nm3/h范圍內(nèi)變化，晝夜最大流量差值達(dá)到20 080 Nm3/h，主要是由于下游天然氣用戶在晝夜不同時(shí)間的天然氣需求量不同，使得天然氣進(jìn)站流量在晝夜范圍內(nèi)波動(dòng)較大。另一方面，透平膨脹機(jī)運(yùn)行效率隨天然氣進(jìn)口流量的變化而變化。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)的模擬收益計(jì)算時(shí)，需要將流量變化因素考慮其中，進(jìn)而得出更加精確的系統(tǒng)收益[20,21]。

在一天24小時(shí)變化范圍內(nèi)，將膨脹機(jī)進(jìn)氣流量和膨脹效率兩個(gè)因素同時(shí)考慮到天然氣余壓發(fā)電制冰系統(tǒng)Aspen模擬中，分別得到有代表性的天然氣進(jìn)站流量較小和較大時(shí)的模擬圖11、圖12，同時(shí)得到模擬的24組相關(guān)模擬結(jié)果，并得到實(shí)際制冰量與發(fā)電量隨時(shí)間的變化曲線如圖13所示[22,23]。

圖7 某分輸站天然氣年平均溫度隨時(shí)間變化圖

圖8 某分輸站天然氣年平均壓力隨時(shí)間變化圖

圖9 某分輸站天然氣年平均流量隨時(shí)間變化圖

由表1知，天然氣進(jìn)站流量最大與最小分別出現(xiàn)在9時(shí)和23時(shí)，所對應(yīng)的膨脹機(jī)效率也是最大值86.57%和最小值85.21%，圖11和圖12的模擬結(jié)果分別對應(yīng)了發(fā)電功率最小值385.27 kW、實(shí)際制冰量最小值1.95 t/h和發(fā)電功率最大值741.4 kW、實(shí)際制冰量最大值3.76 t/h，最大值與最小值基本都相差一倍，反過來也論證了天然氣流量的變化對系統(tǒng)實(shí)際的發(fā)電量與制冰量也會產(chǎn)生較大影響[18,19]。同時(shí)，不同天然氣的流量變化，對膨脹機(jī)的運(yùn)行效率也產(chǎn)生了一定的影響，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的產(chǎn)能。因此，如果僅單一取天然氣流量的年平均值對天然氣余壓發(fā)電制冰系統(tǒng)進(jìn)行模擬，而不考慮天然氣晝夜流量的較大變化，模擬的結(jié)果往往容易出現(xiàn)較大的偏差[24,25]。

圖10 膨脹機(jī)透平效率與天然氣處理量關(guān)系曲線

表1 透平膨脹機(jī)在不同進(jìn)氣流量條件下的膨脹機(jī)效率

圖13反映了實(shí)際制冰量與發(fā)電量隨時(shí)間變化的曲線圖，兩條曲線的變化趨勢趨于一致，即當(dāng)發(fā)電量較高時(shí)，制冰量也高，發(fā)電量較小時(shí)，制冰量也會隨著減小。將24小時(shí)的實(shí)際制冰量和發(fā)電量進(jìn)行疊加，得到本文的天然氣余壓發(fā)電制冰系統(tǒng)實(shí)際每天制冰量約70.58 t，實(shí)際每天發(fā)電量約13 950.4 kWh[26]。

4 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)的天然氣余壓發(fā)電制冰系統(tǒng)在制冰系統(tǒng)出口設(shè)置了兩級冷能回收裝置，一個(gè)是利用制冰原水的儲水池回收剩余天然氣冷量，另一個(gè)是通過前置換熱器預(yù)冷膨脹機(jī)進(jìn)口天然氣，大大提高了冷能的回收效率，降低了電加熱器的使用功率，增加了系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性。

文中將分輸站天然氣余壓浪費(fèi)問題與傳統(tǒng)制冰行業(yè)高電耗問題相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一套天然氣余壓發(fā)電制冰工藝系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了制冰行業(yè)節(jié)能需求，也緩和了區(qū)域用電緊張問題。目前大型制冰廠電制冰電耗約為100 kWh/t，按系統(tǒng)平均每天制冰量70.58 t來計(jì)算，約等于每天節(jié)約電能7058 kWh，同時(shí)還能產(chǎn)出13 950.4 kWh的電能。

圖11 天然氣進(jìn)站流量較小時(shí)的優(yōu)化工藝模擬流程圖

圖12 天然氣進(jìn)站流量較大時(shí)的優(yōu)化工藝模擬流程圖

圖13 實(shí)際制冰量與發(fā)電量隨時(shí)間的變化曲線圖

文中在進(jìn)行Aspen模擬時(shí)，考慮了天然氣流量變化對膨脹機(jī)效率有一定影響，且分輸站天然氣流量晝夜變化比較大，根據(jù)全年的24小時(shí)天然氣平均流量變化，得出全年的24小時(shí)膨脹機(jī)透平效率變化，在此基礎(chǔ)上對天然氣余壓發(fā)電制冰系統(tǒng)進(jìn)行流程模擬，得出全年的24小時(shí)平均發(fā)電量、制冰量的變化，繼而得到一天的發(fā)電制冰量。相比于直接設(shè)置指定的膨脹機(jī)透平效率與天然氣參數(shù)來進(jìn)行一組模擬而得出的結(jié)果來說，本文模擬結(jié)果更加貼近實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況。

[1]陳秋雄，徐文東. 天然氣管網(wǎng)壓力能利用與水合物聯(lián)合調(diào)峰研究[J].煤氣與熱力，2010，30(8):A27-A30

[2]Pun-Lee Lam. The growth of Japan’s LNG industry: lessons for China and Hong Kong. Energy Policy[J]. 2000，28: 327-333

[3]賈承造，張永峰，趙霞. 中國天然氣工業(yè)發(fā)展前景與挑戰(zhàn)[J]. 本期試點(diǎn)，2014，34（2）：1-11

[4]孫潔. 城市門站壓力能回收設(shè)備研究應(yīng)用進(jìn)展[J]. 煤氣與熱力，2010，30(7):A18-A20

[5]楊艷利. 天然氣管網(wǎng)壓力能制冷技術(shù)及應(yīng)用研究[D]. 華南理工大學(xué)，2007.12-14

[6]嚴(yán)銘卿，廉樂明. 天然氣輸配工程[M]. 中國建筑工業(yè)出版社，2005.23-25

[7]劉雯，鄒曉波.國外天然氣管道輸送技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].石油工程建設(shè)，2005，31（3）：20-23

[8]余洋.中國油氣管道發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望[J].國際石油經(jīng)濟(jì)，2007，15（3）：27-29，33

[9]張維.上海利用天然氣壓力能的可行性分析[J].燃?xì)饧夹g(shù)，2012，3（445）：16-22

[10]劉宗斌，徐文東，邊海軍等. 天然氣管網(wǎng)壓力能利用研究進(jìn)展[J]. 燃?xì)饧夹g(shù)，2012，01：14-17

[11]熊永強(qiáng)，華賁，羅東曉.用于燃?xì)庹{(diào)峰和輕烴回收的管道天然氣液化流程[J]. 天然氣工業(yè)，2006， 26(5): 130-134

[12]D. M. Shen.F. Fernandes and J. R. Sim?es-Moreira. Using gas pipeline pressure to liquefy natural gas or generate electricity [J]. Hydrocarbon Processing，2006， 85(1): 47-50

[13]呂達(dá).天然氣管道壓力能用于熱電系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)與工程化設(shè)計(jì)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.32-36

[14]屈長龍. 燃?xì)怆姀S天然氣管道壓力能的利用[J]. 油氣田地面工程，2014，33（7）：35-36

[15]Kostowski W J，Usón S. Thermoeconomic assessment of a natural gas expansion system integrated with a co-generation unit[J]. Applied Energy，2013，101: 58-66

[16] WANG Q，LI Y Z，WANG J． Analysis of power cycle based on cold energy of liquefied natural gas and low－grade heat source［J］． Applied Thermal Engineering，2004，24( 4) : 539 -548

[17]Serdyukov， Lentransgaz， Khodorkov I L. Mini-plants at Pressure Reduction Stations in Russia. LNG Journal， 2002，15(4):72-78

[18]Howard C， Oosthuizen P， Peppley B. An investigation of the performance of a hybrid turboexpander-fuel cell system for power recovery at natural gas pressure reduction stations[J]. Applied Thermal Engineering，2011， 31(13):2165-2170

[19]方曜奇，李洪安，鄒久朋等.一種天然氣膨脹冷析脫水的方法與裝置[P].中國專利1154262A.1997-07-16

[20]李學(xué)來，黃齊飛.天然氣管網(wǎng)壓力能發(fā)電制冰技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2003，32(9):A25-A27

[21]王松嶺，論立勇，謝英柏等. 基于天然氣管網(wǎng)壓力能回收的聯(lián)合循環(huán)構(gòu)思[J]. 熱能動(dòng)力工程，2005，20（6）：628-631

[22]徐文東，鄭惠平，郎雪梅等. 高壓管網(wǎng)天然氣壓力能回收利用技術(shù)[J]. 化工進(jìn)展，2010，29（12）：2385-2389

[23]安成名. 燃?xì)夤艿缐毫δ苡糜诎l(fā)電-制冰技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用研究[D] .廣州：華南理工大學(xué)，2013.45-48

[24]李琦芬，楊涌文，劉曉婧等.一種管網(wǎng)天然氣壓力能及冷能回收的高效利用系統(tǒng)[P]. 中國專利CN201510291787.6，2015-05-30

[25]陸涵. 燃?xì)夤艿缐毫δ苡糜诎l(fā)電-制冰系統(tǒng)的優(yōu)化[D] .廣州：華南理工大學(xué)，2013.25-29

[26]鄭曉明，王曉燕，閆杰等.輸氣管道凍脹原因分析與治理[J].油氣儲運(yùn)，2011，3（6）:467-471

Design and Practical Productivity Simulation of Natural Gas Residual Pressure Power Generation Ice Making System

Yu Guangchan, Li Qifeng, Liang Xiaoyu, Peng Dengyu
Shanghai Electrical Power University Energy and Mechanical Engineering College

There is no effective practical solution for recycling pipe transportation natural gas energy at natural gas distribution station and large electrical power consumption and huge ice demand for traditional ice making industry. The article puts forward integrated natural gas residual pressure power generation ice making system. The system includes expansion power generation system, cooling energy utilization system. Using expansion system to recycle natural gas residual pressure energy and driving coaxial generator to produce electricity, then using heat exchanger to recycle low temperature natural gas from expansion exit. Combined with gas supplying parameter and expansion unit characteristic curve at some natural gas distribution station, the author calculates practical power generation quantity and ice making quantity through Aspen software to simulate whole process. System has high grade electrical energy and reduces ice making demand pressure to cut down high electricity consumption of ice making industry.

Natural Gas, Pressure Energy, Power Generation, Ice Making, Simulation Analysis

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.10.010

俞光燦：（1992—），男，碩士研究生。

李琦芬：教授，研究方向?yàn)樾履茉磁c可再生能源，能源梯級利用，分布式能源。