王堯 楊海紅 何力 杜德飛 趙靚

（1.中國石油西南油氣田分公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院；2.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心安全環(huán)保技術(shù)研究所）

引言

隨著天然氣產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，我國加快了天然氣管網(wǎng)的建設(shè)，但氣源距離主要用氣城市較遠(yuǎn)，因此我國天然氣輸送多采用高壓長(zhǎng)輸管道，如“陜京二線”、“西氣東輸”的輸氣壓力都達(dá)到了10 MPa[1]。天然氣從高壓管道進(jìn)入城市管網(wǎng)系統(tǒng)前要進(jìn)行調(diào)壓，傳統(tǒng)調(diào)壓過程并未利用管網(wǎng)壓力能，白白浪費(fèi)了大量的能量。

從氣田開采的大量純天然氣經(jīng)長(zhǎng)輸管線送至城市，為配合城市各級(jí)輸氣管網(wǎng)的運(yùn)行，需在門站內(nèi)將燃?xì)庥筛邏海ㄈ玳L(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)壓力為10 MPa）降為較低壓力（我國城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿缐毫Χ酁?.6～4.0 MPa）[2]。調(diào)壓站一般采用直接將燃?xì)馔ㄟ^節(jié)流閥降壓降溫（焦耳—湯姆遜效應(yīng)），壓力能完全消耗在克服流動(dòng)阻力上，未推動(dòng)任何機(jī)械做功，浪費(fèi)大量的能量[3-4]。假定管網(wǎng)壓力為10 MPa，終端用戶的壓力為0.8 MPa，則每公斤可回收的最大壓力能為359.12 kJ。若年輸氣量為120萬億立方米，取氣體比容為1.5 m3/kg，則質(zhì)量輸氣量為80×108kg/a，則每年可回收的最大壓力能為28 729.6×108kJ。由此可見，天然氣運(yùn)輸管網(wǎng)中蘊(yùn)含著大量的壓力能，如果能對(duì)這部分能量進(jìn)行回收，將會(huì)極大的提高能量利用率、提高管網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，符合國家節(jié)能減排的基本政策，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

目前天然氣壓力能回收能量利用方式主要包括冷量利用和機(jī)械能利用。其中冷量利用主要包括制冷和儲(chǔ)氣調(diào)峰兩種方式；機(jī)械能利用主要是帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

1 壓差發(fā)電技術(shù)

利用高壓天然氣管道壓力能發(fā)電的基本原理就是利用高壓天然氣降壓時(shí)體積膨脹產(chǎn)生的機(jī)械能和位能來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

1.1 工藝介紹

來自高壓天然氣管網(wǎng)中的高壓天然氣首先經(jīng)過透平膨脹機(jī)膨脹通過轉(zhuǎn)軸輸出機(jī)械能，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)外供電，將壓力能轉(zhuǎn)換為電能。膨脹做功后的中壓天然氣溫度低于管道輸送要求，需要將其加熱至要求的溫度再進(jìn)入中壓管網(wǎng)中（圖1）。

圖1 天然氣膨脹發(fā)電流程

表1 膨脹機(jī)對(duì)比

1.2 關(guān)鍵設(shè)備

根據(jù)壓差發(fā)電的原理，流程的主要設(shè)備有：透平膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)組以及加熱器[5]。膨脹機(jī)和發(fā)電機(jī)是天然氣壓差發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，其中膨脹機(jī)的功能是將天然氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。其性能的優(yōu)劣直接影響發(fā)電系統(tǒng)的整體發(fā)電效率。

根據(jù)氣體膨脹輸出外功的方法，膨脹機(jī)分為容積式和透平式兩大類。容積式又分活塞式，波紋管式，膜片式，齒輪式，轉(zhuǎn)子式，螺桿式等幾種。常見的幾種膨脹機(jī)對(duì)比見表1。

綜合以上對(duì)比，按照不同進(jìn)出口壓力等級(jí)，流量和氣質(zhì)組成，建議在天然氣管網(wǎng)壓力能項(xiàng)目可采用透平膨脹機(jī)或螺桿膨脹機(jī)。

1.3 發(fā)電潛力計(jì)算

根據(jù)熱力學(xué)原理，是工質(zhì)（例如天然氣）的狀態(tài)參數(shù)，是其能量中理論上能夠可逆地轉(zhuǎn)換為功的最大數(shù)量，采用方法可以有效的分析天然氣從高壓狀態(tài)P1到低壓狀態(tài)P2可輸出的最大功[6]。

變化：

式中：Cp為定壓比熱容，kJ/（kg·K）；T為溫度，K；P為壓力，MPa；M為氣體摩爾質(zhì)量，kg/kmol；狀態(tài)1為進(jìn)口，2為出口，0代表環(huán)境狀態(tài)。

一定質(zhì)量流量天然氣的壓力率計(jì)算公式為

式中：Pt為壓力率，kW；qV為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣體積流量，m3/h； ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣密度，kg/m3； ex,p為天然氣的比壓力，kJ/kg； Rg為天然氣氣體常數(shù)，kJ/（kg·K）。

則實(shí)際發(fā)電功率的計(jì)算公式為

式中：ηe為壓力能發(fā)電比率，一般為40%～45%。

2 應(yīng)用分析

根據(jù)調(diào)研，選取典型調(diào)壓站參數(shù)進(jìn)行舉例分析，氣源條件如表2。

表2 典型調(diào)壓站管網(wǎng)壓力能利用氣源條件

根據(jù)以上參數(shù)，為保證系統(tǒng)運(yùn)營的持續(xù)時(shí)間，可初步設(shè)定壓力能利用系統(tǒng)的三種工況，膨脹機(jī)進(jìn)口壓力取中低值即2.5/2.0 MPa；該系統(tǒng)出口壓力設(shè)計(jì)取略高值即1.0/0.8 MPa，以保證該支路氣體的優(yōu)先通過；為保證調(diào)壓系統(tǒng)的切換靈活性，壓力能對(duì)應(yīng)的流量設(shè)定為平均流量的50%以下。

因此，在20 000～30 000 m3/h（標(biāo)況）時(shí)，根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)該膨脹發(fā)電工藝擬采用1套透平膨脹發(fā)電機(jī)組用于減壓發(fā)電，壓力從2.5～2.0 MPa減至1.0～0.8 MPa，電力輸出額定功率為300 kW，具體參數(shù)見表3。

表3 發(fā)電工藝參數(shù)

由表3可見，該項(xiàng)目壓力能輸出規(guī)模為300 kW電力及對(duì)應(yīng)冷能，如何將電力及冷能進(jìn)行高性價(jià)比的使用或消耗，應(yīng)根據(jù)場(chǎng)站地區(qū)市場(chǎng)進(jìn)行配套設(shè)計(jì)。

根據(jù)實(shí)際產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，此報(bào)告針對(duì)川渝地區(qū)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)該項(xiàng)目發(fā)出電力用于CNG生產(chǎn)。電力用于壓縮機(jī)，同時(shí)冷能可相應(yīng)消化。CNG是燃?xì)夤鞠嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)，在生產(chǎn)安全要求、生產(chǎn)調(diào)度范疇，同燃?xì)庹{(diào)站有較密切的關(guān)聯(lián)，可較容易的控制及管理。并且川渝地區(qū)有CNG應(yīng)用市場(chǎng)，該應(yīng)用方式較為符合現(xiàn)有市場(chǎng)條件?，F(xiàn)按照發(fā)電量300 kW，可確定建設(shè)CNG設(shè)備用電規(guī)模：可配備1套約250 kW功率CNG壓縮機(jī)。項(xiàng)目的總投資估算為660萬元，詳情如表4。

表4 項(xiàng)目總投資估算

根據(jù)以上估算的投資，項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下：生產(chǎn)CNG項(xiàng)目預(yù)計(jì)運(yùn)行時(shí)間為5000 h/a，項(xiàng)目節(jié)電量為150×104kWh。電價(jià)按照0.9元/kWh計(jì)算，該項(xiàng)目年節(jié)電效益約為135萬元。按照單純節(jié)電效益計(jì)算，項(xiàng)目靜態(tài)投資回收期約為4.9年。

3 結(jié)論

1）天然氣管網(wǎng)壓力能發(fā)電用于CNG，不僅可以充分利用天然氣余壓，降低下游企業(yè)高耗能的日常維護(hù)成本，同時(shí)，通過循環(huán)冷卻工藝，還可使降壓后的天然氣滿足管輸天然氣的溫度要求，避免了再使用燃料天然氣加熱調(diào)壓后的低溫天然氣，因此，該技術(shù)具有良好的節(jié)能減排效果，值得推廣。

2）雖然目前天然氣壓差發(fā)電技術(shù)研究較成熟，工程應(yīng)用正處于快速發(fā)展階段，但是，壓差發(fā)電項(xiàng)目在實(shí)際工程應(yīng)用中，仍然存在一些工程問題需要解決，如膨脹機(jī)存在密封問題，存在天然氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)，在透平式膨脹機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行條件下，存在較大的噪音等等，在天然氣壓差發(fā)電系統(tǒng)商業(yè)化運(yùn)行前，必須經(jīng)過多次中式實(shí)驗(yàn)，解決系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能存在的問題。

[1]劉賀群，余洋.我國天然氣管網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)[J].當(dāng)代石油石化，2005，13（12）：11-15.

[2]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.

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