陳實(shí) 蔣偉 張建聰 何波 何春燕

(西南油氣田公司重慶氣礦，重慶 404300)

1 引言

天然氣集輸配氣過(guò)程中，由于用戶的使用條件不同，需求不同，存在不同的集輸壓力，因此我們最常使用的調(diào)壓閥在集輸過(guò)程中起到舉足輕重的作用，幾乎成為集輸場(chǎng)站的標(biāo)配。而在實(shí)際使用過(guò)程中，不同的調(diào)壓方式，不同的結(jié)構(gòu)形式的調(diào)壓閥，都離不開(kāi)節(jié)流效應(yīng)和壓力損失。那么這樣的損失能不能合理利用呢？

目前，國(guó)內(nèi)天然氣管網(wǎng)壓力能的利用方式主要是發(fā)電和制冷。同時(shí)也有部分輕烴回收和天然氣脫水，化工制冷的運(yùn)用案例，其原理主要是利用節(jié)流效應(yīng)中的溫度變化或膨脹過(guò)程的能量釋放做功。而天然氣輸配氣過(guò)程中的壓力能利用實(shí)際運(yùn)用卻不多。

能量損失分析及應(yīng)用探索：從節(jié)流降壓的原理來(lái)看：節(jié)流降壓一般利用流通截面或長(zhǎng)度的變化通過(guò)改變流體的流速和流量進(jìn)行降壓，其節(jié)流過(guò)程可以看做一個(gè)近似等焓的過(guò)程，而熵在這個(gè)過(guò)程中不斷增加。這個(gè)過(guò)程中，壓力不斷降低，動(dòng)能不斷減小。當(dāng)壓力、速度下降時(shí)，流體密度必然發(fā)生改變，為克服分子之間的作用力，溫度發(fā)生改變，這個(gè)現(xiàn)象也叫焦耳湯姆遜效應(yīng)。而其膨脹過(guò)程中，根據(jù)伯努利方程：動(dòng)能+壓力勢(shì)能+重力勢(shì)能=常數(shù)。忽略氣體重力勢(shì)能的作用可以得到簡(jiǎn)略計(jì)算公式即：

式中：p為流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)；ν為流體該點(diǎn)的流速；ρ為流體密度；C是一個(gè)常量。

我們得到一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)論：通過(guò)降低壓力，能獲得能量和較低的氣體溫度。也就是說(shuō)如果利用透平壓縮機(jī)、渦輪壓縮機(jī)等膨脹做功設(shè)備完全可以對(duì)壓力能進(jìn)行再利用。某石化天然氣減壓站提出以高壓天然氣降壓產(chǎn)生的壓力能驅(qū)動(dòng)透平膨脹機(jī)做功并同軸帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)了冷能的回收和利用。該項(xiàng)目實(shí)施每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益1676.58 萬(wàn)元，每年可減排二氧化碳2603.9t。

對(duì)于天然氣大氣量輸配環(huán)節(jié)的壓力能利用目前已有成功案例，但小氣量環(huán)節(jié)中天然氣壓力能能得到充分的利用嗎？可以從能量損失和需求兩個(gè)方面對(duì)壓力能利用進(jìn)行綜合分析。某閥室位置偏僻，使用的太陽(yáng)能等供電設(shè)備供能不穩(wěn)，其進(jìn)站壓力1.2～1.8MPa,節(jié)流至0.8MPa 內(nèi)，供給直線距離500m 內(nèi)一配氣場(chǎng)站8×103Nm3/d 天然氣，最低瞬時(shí)2×103Nm3/d。由于焦耳湯姆遜效應(yīng)影響，其管線外壁冷凝水現(xiàn)象嚴(yán)重，腐蝕較快。

根據(jù)概算公式：

其中，Δex 為天然氣壓力比(火用)KJ/Kg；Cp 為天然氣定壓比熱容KJ/(Kg·K)；T 為天然氣溫度K；T0 為環(huán)境溫度K；R 為摩爾氣體常數(shù)kJ/(Kmol·K)一般取8.3145kJ/(Kmol·K)；M 為天然氣摩爾質(zhì)量kg/Kmol 取16；P2 是節(jié)流前端絕對(duì)壓力MPa；P1是節(jié)流后端絕對(duì)壓力MPa。

Cp 根據(jù)CH4 比熱容量(25℃)KJ/(kg·K)選擇2 進(jìn)行概算，T 取現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)氣溫度25℃(298.15K)取值，T0 按計(jì)量溫度20 ℃ (293.15K)計(jì)算，大氣壓力按0.1MPa 計(jì)算。

按最低流量2×104Nm3天然氣，密度0.71Nm3/kg 計(jì)算，實(shí)際能穩(wěn)定提供2×104×0.71×56.1÷86400,相當(dāng)于9Kw·h 能量。

圖1 管道內(nèi)置發(fā)電裝置工藝流程

也就是說(shuō)可以如果利用管道內(nèi)置的透平膨脹機(jī)或渦輪離心機(jī)進(jìn)行發(fā)電充能，按轉(zhuǎn)換效率50%計(jì)算，相當(dāng)于至少4.5KW電機(jī)的不間斷供能。這對(duì)于一些小型無(wú)人值守站、閥室的能量供給有重要意義，如儀表系統(tǒng)、自動(dòng)閥門、陰極保護(hù)裝置的穩(wěn)定供能，可以避免因采用太陽(yáng)能供電不足產(chǎn)生的潛在安全隱患，在減少壓差損失的同時(shí)，還可以利用電伴熱預(yù)加熱的方式減輕設(shè)備凍堵腐蝕等，達(dá)到設(shè)備保護(hù)的目的。

2 結(jié)語(yǔ)

目前輸配場(chǎng)站的調(diào)壓方式仍然采用節(jié)流裝置降壓為主，沒(méi)有壓力能有效利用體系。在輸配氣計(jì)量過(guò)程中，也沒(méi)有將壓力能作為一個(gè)有效能量進(jìn)行計(jì)算(只計(jì)天然氣標(biāo)準(zhǔn)下的燃燒熱值)，從井口到用戶的過(guò)程中，大多數(shù)能量被白白消耗。

大量采用的調(diào)壓裝置其實(shí)存在非常巨大的節(jié)能空間，但是我們?cè)诜治鲋幸舶l(fā)現(xiàn)，壓力能的利用在天然氣輸配氣企業(yè)中的推廣存在兩個(gè)不良因素：一是環(huán)境因素。實(shí)際上，我們?cè)谥苯用鎸?duì)用戶的調(diào)壓系統(tǒng)中，由于流量變化頻繁，壓差較小，單獨(dú)用戶實(shí)際壓力能損失較小，利用前景不大。而非化工類調(diào)壓過(guò)程中，能量需求不高，再利用條件受到限制。其次是設(shè)備因素。使用節(jié)流效應(yīng)的調(diào)壓設(shè)備使用普遍，基本能滿足變化調(diào)壓環(huán)境下的不同流量需求，而透平膨脹壓縮機(jī)、渦輪離心壓縮機(jī)小型化設(shè)備的可選范圍窄，運(yùn)用范例較少，安全性和可靠性待進(jìn)一步驗(yàn)證。同時(shí)，我們也看到，在一些儲(chǔ)氣庫(kù)、集輸管線，閥室的壓力節(jié)流過(guò)程中，其壓力能發(fā)電或充能項(xiàng)目有巨大前景，西氣東輸?shù)牟糠謮毫δ馨l(fā)電項(xiàng)目就是壓力能應(yīng)用的典范。在一些較大的輸配增壓場(chǎng)站，經(jīng)常出現(xiàn)一方面需要對(duì)輸配的部分用戶天然氣進(jìn)行節(jié)流降壓，另一方面又需要對(duì)進(jìn)入下游的管網(wǎng)天然氣進(jìn)行壓縮升壓的情況。我們同樣可以利用渦輪同軸原理一邊降壓做功，一邊增壓輸送?；蛘咴跉赓|(zhì)較好的單井采氣過(guò)程中利用壓力能進(jìn)行脫水等能量利用，利用前景廣闊。

隨著增壓設(shè)備小型化，多樣化趨勢(shì)變化，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我們還能找到并使用更多，更節(jié)能的新型增壓設(shè)備及發(fā)電設(shè)備。新的能源使用方式，必定會(huì)帶來(lái)更加廣闊的節(jié)能前景，增壓設(shè)備和發(fā)電設(shè)備可能會(huì)在未來(lái)的某一天替代調(diào)壓設(shè)備成為輸配場(chǎng)站的標(biāo)配。

總之，從能量損失的角度看問(wèn)題，再?gòu)男枨蟮慕嵌葘ふ医鉀Q的辦法，可以為我們節(jié)能減排找到新的突破口。就輸配氣過(guò)程中的能量損失而言，調(diào)壓過(guò)程的壓力損失，如果利用得當(dāng)，有極大的潛力可以挖掘。