王朝龍 李琦芬 苗沃生 謝 偉 俞光燦

上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院

0 引言

天然氣是一種高效的清潔能源[1]，因其熱值高、儲(chǔ)量大、易輸配、燃燒產(chǎn)物污染物少等優(yōu)點(diǎn)，在各國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的比重日益增大[2]。天然氣資源與需求市場(chǎng)多數(shù)存在地域不均衡問(wèn)題，為解決以上問(wèn)題，全球多數(shù)國(guó)家均采用鋪設(shè)天然氣管道的方式，且高壓力、大口徑[3-4]是目前天然氣輸氣管道發(fā)展的總趨勢(shì)。高壓天然氣在送往下游用戶之前，須在各城市的調(diào)壓站、場(chǎng)站以及天然氣接收門(mén)站等進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕祲?，從而保證下游普通燃?xì)庥脩舻恼０踩\(yùn)行。

天然氣在門(mén)站調(diào)壓前后會(huì)產(chǎn)生很大的壓力降[5]，在焦耳—湯姆遜效應(yīng)[6]下天然氣溫度會(huì)驟降，同時(shí)，降壓后會(huì)釋放大量的冷能。而調(diào)壓站一般均采用節(jié)流閥等調(diào)壓裝置將天然氣直接降壓，壓力能就會(huì)完全消耗在克服流動(dòng)阻力上而未推動(dòng)任何的機(jī)械做功，從而造成能源浪費(fèi)。例如，西氣東輸Ⅰ線和Ⅱ線，以300億m3/a的輸氣量計(jì)算，若按照壓力從8．0MPa降至0．4MPa來(lái)計(jì)算，則每年分別回收能量 24．3 億 kWh 和 45．6 億 kWh，則相當(dāng)于黃河小浪底年平均發(fā)電量（51億kWh/年）的1．37倍。

高壓天然氣調(diào)壓過(guò)程中除了有巨大的能量損失，因管線壓力的驟降所導(dǎo)致的天然氣溫度驟然降低加重了管線的負(fù)擔(dān)[7]，甚至在冬季造成天然氣地埋管發(fā)生凍脹，使天然氣管道的閥體離開(kāi)閥座[8]，造成天然氣泄露，對(duì)門(mén)站及分輸站的安全運(yùn)行造成很大的影響。如果能通過(guò)壓力能回收設(shè)備將這部分能量進(jìn)行充分回收，將在較大程度上提高天然氣管網(wǎng)的運(yùn)行收益和能源利用率。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在天然氣壓力能回收方面進(jìn)行了大量研究，目前已有的天然氣壓力能回收方式有：壓力能發(fā)電、壓力能制冷、壓力能儲(chǔ)氣調(diào)峰、壓力能用于制取干冰，或?qū)⑻烊粴饨祲汉蟮睦淠苡糜谥迫√烊粴馑衔铮每照{(diào)機(jī)組回收水合物的冷能，提高能源利用率[9-10]；除此之外，天然氣門(mén)站往往與CNG加氣站聯(lián)系起來(lái)，在利用天然氣壓力能發(fā)電同時(shí)，發(fā)電量供給CNG加壓設(shè)備，能起到就地消納電量的效果，省去部分成本[11-12]。

針對(duì)天然氣壓力能的浪費(fèi)及衍生問(wèn)題，以華中地區(qū)某天然氣門(mén)站為例，從實(shí)際情況出發(fā)，設(shè)計(jì)一套壓力能發(fā)電制冰系統(tǒng)，并對(duì)不同邊界條件影響因素下的方案經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析比對(duì)，選取最佳方案，為該工程提供參考。

1 管輸天然氣調(diào)壓過(guò)程可利用壓力能估算

對(duì)于管道輸送天然氣調(diào)壓過(guò)程中的壓力能與冷能的確定，目前多采用?方法與能量平衡分析法。

?方法考慮能量的品位，從熱力學(xué)第二定律的角度對(duì)調(diào)壓過(guò)程中可利用的壓力能的最大值進(jìn)行了估算。因此，其計(jì)算得出的壓力?與溫度?不存在能量品位的差別，可以直接相加，便于分析比較該過(guò)程中可利用壓力能的總量。

能量平衡分析法結(jié)合實(shí)際設(shè)備效率，直接給出接近實(shí)際工程的機(jī)械功及與給定溫差下天然氣所提供的冷量，這種方法中所給出的機(jī)械功及冷量具有不同的能量品位，不能直接相加進(jìn)行評(píng)估壓力能的總量。

以?方法為例，估算調(diào)壓過(guò)程中可利用的能量：

對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)的系統(tǒng)，忽略工質(zhì)的位能?及動(dòng)能?工質(zhì)在某一狀態(tài)下的比焓?可以用下式表示（字母均為基準(zhǔn)狀態(tài)（25℃、1 atm）下的熱力學(xué)值）：

對(duì)于理想氣體，焓僅為溫度的函數(shù)：其中cp為天然氣的比定容熱容，kJ/(kg·K)。

則穩(wěn)定物流的焓?可以表達(dá)為∶

根據(jù)上式的特點(diǎn)：理想氣體的焓?中前兩項(xiàng)僅與溫度有關(guān)，后一項(xiàng)僅與壓力有關(guān)，于是可將理想氣體的焓?分為兩部分：溫度?ex，H()T 和壓力?ex，H()P ，溫度?代表了由于溫度的變化所引起的穩(wěn)定物流?的變化，壓力?代表了由于壓力的改變所引起的穩(wěn)定物流?的變化值。即

因此，若要計(jì)算高壓天然氣膨脹降壓后產(chǎn)生的冷能，需計(jì)算出膨脹降壓后天然氣的溫度值。由于膨脹過(guò)程是一個(gè)多變過(guò)程，可得膨脹機(jī)實(shí)際出口溫度為：

例如以某調(diào)壓門(mén)站天然氣平均進(jìn)口壓力為5．0MPa，進(jìn)口溫度為15℃，流量為52 000Nm3/h，調(diào)壓至2．0MPa的輸氣管線作為研究對(duì)象，對(duì)該調(diào)壓門(mén)站可用能進(jìn)行估算。

假設(shè)天然氣的組分全部是甲烷，取天然氣的比定壓熱容cp為2．223 kJ/(kg·K)，絕熱非等熵過(guò)程的指數(shù)n為1．26。根據(jù)式（6）計(jì)算可得調(diào)壓后天然氣的溫度：，約為-35℃。

2 天然氣余壓利用系統(tǒng)一體化應(yīng)用設(shè)計(jì)

天然氣門(mén)站由計(jì)量系統(tǒng)、調(diào)壓系統(tǒng)及其它附屬設(shè)備構(gòu)成。調(diào)壓系統(tǒng)（調(diào)壓撬）將高中壓天然氣降壓到市政管網(wǎng)要求壓力范圍，而計(jì)量系統(tǒng)關(guān)系到燃?xì)夤九c燃?xì)庥脩糁g的結(jié)算，因此方案設(shè)計(jì)中，要考慮壓力能的回收，同時(shí)要消除對(duì)計(jì)量的影響。

本方案設(shè)計(jì)首選透平膨脹機(jī)作為壓力能回收的主要設(shè)備，透平膨脹機(jī)作為一種降壓設(shè)備，利用工質(zhì)流動(dòng)將進(jìn)出口壓力差所帶來(lái)的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，高壓天然氣經(jīng)透平膨脹機(jī)充分膨脹后，溫降很大，天然氣攜帶的冷能相當(dāng)可觀，綜合各類冷能利用方式，同時(shí)結(jié)合門(mén)站所在地天氣、經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)等相關(guān)因素，選擇最簡(jiǎn)單現(xiàn)實(shí)的冷能利用方式——制取冰塊。門(mén)站對(duì)天然氣的計(jì)量、安全穩(wěn)定運(yùn)行、參數(shù)變化等要求苛刻，為避免壓力能利用系統(tǒng)對(duì)門(mén)站天然氣造成影響，方案設(shè)計(jì)中引入脫水脫烴裝置、電加熱換熱器及超聲波計(jì)量器等裝置，做到計(jì)量統(tǒng)一，參數(shù)達(dá)標(biāo)，圖1為天然氣壓力能發(fā)電制冰一體化系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)流程圖。

圖1 天然氣壓力能發(fā)電制冰一體化系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)流程圖[15]

2.1 脫水脫烴系統(tǒng)

在一定的溫度和壓力條件下，含水天然氣可生成白色致密的結(jié)晶固體，稱為天然氣水合物。正常情況下，4．0MPa時(shí)的水露點(diǎn)約在-12℃，0．4MPa時(shí)為-23℃。其烴露點(diǎn)變化的一般規(guī)律是：隨著天然氣壓力的降低，天然氣的烴露點(diǎn)相應(yīng)降低。當(dāng)壓力不變時(shí)，烴類溫度降低到該壓力下自身露點(diǎn)時(shí)，重?zé)N就會(huì)析出。但天然氣經(jīng)過(guò)絕熱節(jié)流后，溫降很大，當(dāng)其溫度等于或低于其水露點(diǎn)且壓力高于平衡絕對(duì)壓力時(shí)，就有可能導(dǎo)致結(jié)冰，C4以上組分含量較高時(shí)，甚至形成水合物，造成管道及設(shè)備堵塞、調(diào)壓設(shè)備破壞，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此設(shè)置脫水脫烴裝置（圖2），對(duì)天然氣進(jìn)行再次除水除烴以保證系統(tǒng)安全。表1為天然氣平衡絕對(duì)壓力與溫度對(duì)照表。

圖2 脫水脫烴系統(tǒng)流程圖

表1 平衡絕對(duì)壓力與溫度對(duì)照表

經(jīng)計(jì)量穩(wěn)壓后的高壓管網(wǎng)氣首先進(jìn)入原料氣入口分離器分離出固體雜質(zhì)及部分液態(tài)水，初步處理后的天然氣進(jìn)入3A分子篩脫除水分，再進(jìn)入AC活性炭吸附塔脫除重?zé)N，實(shí)現(xiàn)一塔脫水脫烴。脫除水分、重?zé)N的天然氣再進(jìn)入粉塵過(guò)濾器除去固體雜質(zhì)。在引入下游冷能利用后的天然氣分兩路進(jìn)入脫水、脫烴系統(tǒng)。應(yīng)用一路下游冷能利用后天然氣的剩余冷量對(duì)上游脫水、脫烴、除塵后的清潔天然氣進(jìn)行預(yù)冷卻，預(yù)冷后的天然氣進(jìn)入膨脹機(jī)。引用另一路冷能利用后的天然氣與高溫導(dǎo)熱油進(jìn)行換熱，換熱后作為再生氣通入活性炭吸附塔和分子篩塔，對(duì)吸附飽和的活性炭和分子篩進(jìn)行再生，再生后在活性炭吸附塔和分子篩塔內(nèi)通入下游引入的低溫天然氣，對(duì)塔進(jìn)行冷卻。攜帶重?zé)N及水分的再生氣經(jīng)再生氣冷卻器、再生氣分離器分離出重?zé)N和水分后進(jìn)入下游管網(wǎng)，而分離出的重?zé)N及水分也逐漸與下游管網(wǎng)氣混合，流向下游用戶，實(shí)現(xiàn)重?zé)N和水分零排放處理。為了保障出口天然氣質(zhì)量，在計(jì)量裝置中加裝水露點(diǎn)分析儀和色譜分析儀。

2.2 膨脹發(fā)電系統(tǒng)

經(jīng)計(jì)量后的高壓天然氣，需通過(guò)穩(wěn)壓閥進(jìn)行穩(wěn)壓，保證膨脹機(jī)入口前壓力穩(wěn)定，穩(wěn)壓后的高壓天然氣通過(guò)脫水脫烴裝置，脫除水分與重?zé)N。

高壓天然氣進(jìn)入透平膨脹機(jī)之前，會(huì)與后端冷能利用后的天然氣進(jìn)行預(yù)冷，再進(jìn)入透平膨脹機(jī)，壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，如圖3所示。

圖3 膨脹發(fā)電系統(tǒng)

2.3 冷能制冰利用系統(tǒng)

膨脹后的天然氣攜帶大量的冷能，可用于制冰，其冷能利用系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 冷能利用系統(tǒng)

采用最成熟的鹽水制冰法，為避免鹽水腐蝕，低溫的天然氣先通過(guò)螺旋換熱器與中間換熱介質(zhì)乙二醇（50%）換熱，乙二醇與天然氣換熱后，溫度降低至-19℃。鹽水池中的鹽水（NaCl，29．4%）再與乙二醇進(jìn)行熱交換，天然氣出口溫度升為-15℃左右。-15℃的天然氣仍然具有可利用的冷能，此部分冷能將通過(guò)儲(chǔ)水池與水換熱，此時(shí)天然氣溫度升至-5℃，而儲(chǔ)水池中的水降溫至10℃，并直接作為制冰原水。-5℃的天然氣經(jīng)電加熱器加熱至所需的溫度輸送到下游，被冷卻后的濃鹽水在鹽水池內(nèi)與冰桶內(nèi)的水進(jìn)行熱交換，將水冷凍成冰，完成天然氣冷量的利用。制冰公式可參考式（7）。1kg水冷卻結(jié)冰的熱量估算（KJ/kg）：

L—水的凝固潛熱KJ/kg；

3 案例分析

3.1 門(mén)站運(yùn)行情況及初步方案選擇

湖北地區(qū)某門(mén)站分別供應(yīng)A市、B市、C市和D市四路用戶。A市是以環(huán)網(wǎng)的方式進(jìn)行供氣，供氣量比較穩(wěn)定，供氣壓力為 1．2MPa～2．5MPa，天然氣供應(yīng)流量80 000Nm3/h，B市天然氣供應(yīng)流量30 000Nm3/h，本項(xiàng)目?jī)H考慮A、B市。

門(mén)站管輸天然氣壓力能回收設(shè)計(jì)，需結(jié)合門(mén)站當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境、產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)需求等因素，初步采用壓力能發(fā)電制冰一體化技術(shù)方案。該方案中，獲得的產(chǎn)品主要是電能和“冷能”（商用冰塊）。

最初方案只考慮A市一路，下游客戶需求供氣壓力1．6MPa，因不可預(yù)測(cè)因素，一段時(shí)間后，下游某用戶提出要求，要求壓力不低于2．5MPa，導(dǎo)致膨脹機(jī)出口壓力從1．6MPa升至2．5MPa，直接導(dǎo)致可回收利用的壓力能減少，天然氣出口溫度上升，冰塊產(chǎn)量下降。為了提高收益，考慮采用國(guó)產(chǎn)透平膨脹機(jī)代替進(jìn)口透平膨脹機(jī)，新增一套系統(tǒng)（因B市要求壓力不低于2．0MPa），在不同條件下進(jìn)行方案組合比較，通過(guò)測(cè)算投資、投資收益、投資回收期，最終決定投資方案，主要分為以下三個(gè)方案，簡(jiǎn)稱方案1、方案2和方案3，詳見(jiàn)表2。

表2 三個(gè)方案簡(jiǎn)介與特點(diǎn)

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

三個(gè)方案下的運(yùn)行參數(shù)按表3設(shè)定，通過(guò)Aspen Plus仿真軟件及設(shè)備商自備軟件，通過(guò)計(jì)算分別得到不同方案下的發(fā)電量，制冰量。

方案1：A市流量80 000Nm3/h的天然氣進(jìn)入透平膨脹機(jī)膨脹（壓力降至2．5MPa，出口溫度-28℃），同軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電?？紤]發(fā)電機(jī)效率，則發(fā)電功率1 090kW，同時(shí)采用換熱器回收低溫天然氣攜帶的冷量進(jìn)行鹽水制冰，每天最大制冰量 70．18t；B市天然氣流量 30 000Nm3/h（壓力降至2．0MPa，出口溫度-39℃）壓力降至2．0MPa，發(fā)電功率520 kW，每天最大制冰量52．12t。則總發(fā)電功率1 610 kW，最大總制冰量122．30t/d。

表3 三個(gè)方案天然氣進(jìn)口參數(shù)與出口壓力要求

方案3中采用了國(guó)產(chǎn)膨脹機(jī)及發(fā)電設(shè)備，方案2中B市一路采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備，在發(fā)電效率與制冰量上與進(jìn)口設(shè)備存在差距。A市和B市均采用國(guó)產(chǎn)膨脹機(jī)及配套設(shè)備時(shí)，A市燃?xì)庖宦钒l(fā)電功率只能達(dá)到1 000kW，膨脹機(jī)出口處溫度為-25℃，B市燃?xì)庖宦钒l(fā)電功率400kW，出口溫度-35℃。表4為三個(gè)方案的運(yùn)行參數(shù)值。

表4 三個(gè)方案的運(yùn)行參數(shù)及最大制冰量

天然氣余壓利用類項(xiàng)目投資大，余壓發(fā)電側(cè)需申請(qǐng)上網(wǎng)，冷能利用端制取的冰塊需及時(shí)銷售，且項(xiàng)目受到安全、環(huán)境、資金、運(yùn)行成本、收益等因素影響。本項(xiàng)目涉及三個(gè)方案，因此項(xiàng)目按照工程科研報(bào)告的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行詳細(xì)的技經(jīng)分析測(cè)算，表5為三個(gè)方案的技經(jīng)分析表，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的測(cè)算，可以通過(guò)結(jié)論性的數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行決策，以得到最佳的投資方案。

表5 三個(gè)方案的成本、收益、投資回收期對(duì)比

方案1與方案2相比，方案2的技經(jīng)結(jié)果優(yōu)于方案1，方案2中B市一路系統(tǒng)（國(guó)產(chǎn)設(shè)備）占據(jù)了價(jià)格優(yōu)勢(shì)，且體量（30 000Nm3/h）相對(duì)來(lái)說(shuō)較小，其內(nèi)部收益率與投資回收期相對(duì)優(yōu)于方案1。

方案1與方案3相比，方案1初投資高了很多，主要因?yàn)椴捎眠M(jìn)口膨脹機(jī)及相關(guān)配套設(shè)備，以阿特拉斯設(shè)備為例，同等功率下，其生產(chǎn)的膨脹機(jī)及配套設(shè)備和國(guó)內(nèi)廠商相比高出近千萬(wàn)元，導(dǎo)致初投資成本高很多，但進(jìn)口設(shè)備發(fā)電功率較國(guó)產(chǎn)設(shè)備高，發(fā)電量存在差異，天然氣膨脹做功后的溫度位也更低（方 案 1（-28℃/-39℃）與 方 案 3（-25℃/-35℃）），制冰量存在差異，盡管項(xiàng)目初投資成本差距大，但方案1收益高。

方案2與方案3相比，區(qū)別在于采用進(jìn)口設(shè)備的A市一路系統(tǒng)，導(dǎo)致初投資成本相差近1 300萬(wàn)元，但A市一路發(fā)電功率較國(guó)產(chǎn)設(shè)備高，總體發(fā)電效率方案2（1 490kW）高于方案1（1 400kW），同樣由于A市天然氣出口溫度（-28℃）低于B市，可以獲得更高的冷能，總體收益高于方案3，且隨著國(guó)產(chǎn)設(shè)備的不斷優(yōu)化、不斷改進(jìn)，效率會(huì)提高，同等發(fā)電功率情況下，國(guó)產(chǎn)設(shè)備性價(jià)比更高。

從投資、收益、回收期以及安全穩(wěn)定等因素出發(fā)，綜合三個(gè)方案，最終選取方案2。A市采用進(jìn)口設(shè)備，更穩(wěn)定可靠，收益相對(duì)而言更高，有保障；B市采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備，初投資低，且近年來(lái)國(guó)產(chǎn)設(shè)備的性能逐步提升，推動(dòng)了設(shè)備國(guó)產(chǎn)化。

3.3 節(jié)能減排量

相比于燃煤電廠通過(guò)燃燒燃煤發(fā)電，制冰廠商采用電能制取冰塊。本項(xiàng)目通過(guò)利用天然氣余壓發(fā)電制冰，不僅回收了大量浪費(fèi)的壓力能與冷能，而且起到了節(jié)約標(biāo)煤、減少CO2、SO2、粉塵灰渣等排放的問(wèn)題。按照國(guó)家《能源十三五規(guī)劃》中的要求，到2020年，煤電平均供電煤耗下降到每千瓦時(shí)310克標(biāo)準(zhǔn)煤以下，即：每節(jié)約1kWh的電耗，相應(yīng)節(jié)約0．31kg標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)減少CO2排放0．773kg，SO20．023kg，NOx 0．012kg，碳粉塵0．211kg。制冰耗電折算成能量進(jìn)行計(jì)算，取制冰用水溫度20℃，冰的終溫-10℃，代入式（7），得到1kg水冷卻結(jié)冰需要能量460．55kJ，折合成電能0．128kWh，對(duì)應(yīng)1t水冷卻結(jié)凍耗能128kWh，取開(kāi)利19XR離心式冷水機(jī)組制冷COP保守值5作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，則理論上1t水冷卻結(jié)冰耗電26．5 kWh。

方案2中，余壓發(fā)電側(cè)年發(fā)電1 192萬(wàn)kWh，年制冰量38 800t，則相應(yīng)的節(jié)能減排量見(jiàn)表6，單位：t。

表6 余壓發(fā)電制冰節(jié)能減排量

天然氣余壓發(fā)電制冰項(xiàng)目每年可以節(jié)約標(biāo)煤4 013．94t，減少 CO2排放 10 008．96t，SO2297．81t，NOx155．38t，碳粉塵2 732．07t，項(xiàng)目具有很好節(jié)能減排效應(yīng)，符合國(guó)家大力倡導(dǎo)的綠色發(fā)展道路，能起到很好的示范作用。

4 結(jié)論

（1）理論計(jì)算與軟件模擬能夠準(zhǔn)確的計(jì)算發(fā)電功率、天然氣出口溫度等，設(shè)計(jì)的天然氣余壓發(fā)電制冰一體化系統(tǒng)可以有效回收天然氣壓力能及膨脹后攜帶的冷能。

（2）膨脹機(jī)前段加裝脫水脫烴設(shè)置，可以有效地除去天然氣中攜帶的微量水分以及C4以上的重?zé)N成分，避免因壓降、溫降驟變，生成天然氣水合物，堵塞設(shè)備。

（3）依據(jù)實(shí)際狀況，通過(guò)詳細(xì)的技經(jīng)測(cè)算，比對(duì)三個(gè)方案，結(jié)果顯示，方案2最佳，盡管初投資較大，但運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、產(chǎn)品收益高。

（4）通過(guò)回收壓力能冷能產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)電能、商用冰塊，與傳統(tǒng)火電，電制冰相比，節(jié)約4 013．94t標(biāo)準(zhǔn)煤 ，減 少 CO2排 放 10 008．96t，SO2297．81t，NOx155．38t，碳粉塵2 732．07t，是很好的節(jié)能減排項(xiàng)目，可以廣泛的推廣。