上海航天能源股份有限公司 丁夢琪

1 概述

1.1 乏能利用發(fā)電技術的現(xiàn)狀

利用膨脹機發(fā)電技術可以對符合一定條件的余熱或者余壓資源進行回收可再生發(fā)電。根據(jù)項目工況條件及介質的不同，一般可以分為 ORC有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)(利用熱源加熱有機工質產生壓力，推動膨脹機做功發(fā)電)和 WST常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)(高溫高壓干濕飽和蒸汽或氣體直接進入膨脹機)，對乏能進行回收，推動膨脹機進行運行。

本文主要針對天然氣管網逐級降壓輸送過程中產生的差壓余能進行發(fā)電的技術性和經濟性進行分析。

1.2 目前天然氣調壓現(xiàn)狀

天然氣是一種的高效清潔能源，在國內外獲得了廣泛的應用。我國現(xiàn)有西氣東輸管線兩條，干支線及境外管線總長度達15000km以上，年總輸氣量近2 000億m3。根據(jù)《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》(GB 50025—2006)規(guī)定，城鎮(zhèn)燃氣輸配系統(tǒng)一般由門站、燃氣管網、儲氣設施、調壓設施、管理設施和監(jiān)控系統(tǒng)等組成。

天然氣從氣井通過干線調壓輸送至城市門站，然后由城市門站再次調壓后引接至各級燃氣管道(見圖 1所示)，其中城鎮(zhèn)燃氣管道設計的壓力級制按照高壓管網 4.0～1.6 MPa、次高壓管網1.6～0.4 MPa、中壓管網0.4～0.01 MPa、低壓管網小于0.01 MPa執(zhí)行。

圖1 城市管網高、中、低壓配送示意

天然氣城市管網目前多采用節(jié)流閥(等焓節(jié)流)降壓方式，壓力降低的同時會產生巨大的差壓余能，且釋放冷能降溫影響管道、閥門等設備的安全。傳統(tǒng)的解決方案是在降壓前將天然氣通過加熱設備，提前對高壓氣體預熱。如果能夠采用膨脹機在節(jié)流閥處吸收差壓能用以發(fā)電，可以回收差壓能，取得顯著的經濟效益和節(jié)能效果。

1.3 差壓余能發(fā)電運用現(xiàn)狀分析

現(xiàn)在國內外透平膨脹機發(fā)電基本都用于余熱、尾氣、蒸汽回收項目，透平膨脹機在輸氣管道降壓站發(fā)電項目的商業(yè)應用比較少。

2015年我公司為上海申能臨港燃機發(fā)電有限公司建設一套天然氣差壓發(fā)電機組，機組與上海天然氣 LNG末站并聯(lián)設置，為臨港燃機電廠提供機組運行用電，這是膨脹機利用天然氣差壓在國內電廠應用的首例。

2 壓差余能回收技術及經濟性分析

2.1 差壓發(fā)電原理

差壓發(fā)電是利用天然氣在膨脹機內進行絕熱膨脹，內能降低而對外做功轉換成機械能，然后膨脹機驅動發(fā)電機將能量轉換為電能進行回收。

差壓余能發(fā)電系統(tǒng)采用如下配置，當主路失效時，自動切入備用調壓路運行，保證系統(tǒng)的正常運行。

圖2 差壓余能發(fā)電系統(tǒng)

2.2 膨脹機功率計算

膨脹機的功率計算公式可以根據(jù)絕熱膨脹公式進行估算：

式中：W——發(fā)電機出口發(fā)電量，kW·h；

ΔHi——天然氣高壓端與低壓端之間的絕熱焓降，kJ/kg；

G——天然氣質量流量，kg/s；

ηt——熱電轉換效率取65%；

ηg——發(fā)電機效率取65%；

cp——平均等壓比熱取 2.2，kJ/(kg·℃)；

T1——天然氣入口溫度，K；

p1——天然氣入口壓力，MPa；

p2——天然氣出口壓力，MPa；

K——天然氣的絕熱指數(shù)取1.3。

以某公司目前在建設的2×400 MW級燃氣熱電項目為例，調壓站入口天然氣壓力 6MPa，溫度15 ℃。燃機入口天然氣壓力3 MPa。滿負荷情況下，兩臺機耗天然氣16.76萬m3/h，天然氣密度0.71 g/m。

根據(jù)上述公式(1)、(2)可計算得小時發(fā)電量Wh。

2.3 投資回收年限計算

投資回收年限=投資總額/(年發(fā)電量×電價)

投資總額(包括設備購置費、維護費、維修費、保險費)以1600萬元估算；售出電價按照上海市分布式能源政策上網售出電價為 0.454元/kW·h；透平機小時發(fā)電量 2 216.34 kW·h(利用上節(jié)計算結果)；透平機每年工作以360天計算；透平機每天利用小時分別按24 h、16 h和8 h計算，投資回收年限見表1。

表1 投資回收年限

3 膨脹機出口冷能利用技術及經濟性分析

3.1 膨脹機出口冷能利用能力分析

以上述項目為例計算。

根據(jù)絕熱膨脹溫度公式：代入該項目數(shù)據(jù)計算得：

熱量公式計算為：

式中：T2、T1——天然氣出、入口溫度，K；

Q1——膨脹機出口冷能，kJ/h；

m1——天然氣每小時的質量流量，kg/h；

c1——天然氣定容比熱容，取 1.78kJ/(kg·℃)。

計算得出：

3.2 膨脹機出口冷能用于冷卻電廠循環(huán)水回水

即：T3-T4=Q2/(m2×c2)

式中：Q2——膨脹機出口冷能，kJ/h；

m2——循環(huán)水每小時的質量流量，t/h；

c2——水定容比熱容，取4.2kJ/(kg·℃)；

T3、T4——循環(huán)水進、出口溫度，K。

其中設計水量m2約2 000 t/h。

代入(5)計算得出：T3-T4=Q2/(m2×c2)=2.12 K

由上述技術可知，如果利用膨脹機出口冷能，可以將循環(huán)水溫度降低約2.12 K左右。

4 結語

由以上分析可知：

(1)通過差壓余能回收技術發(fā)電，不僅可以節(jié)約能源，而且還具有良好的經濟效益。

(2)若是能進一步加強對膨脹機出口冷能的利用，收益也會進一步增加。