朱力洋 熊 波 王志軍 鄒 銀 鐘明朗

1.中國石油西南油氣田公司 2.中國石油西南油氣田公司市場開發(fā)部 3.中國石油西南油氣田公司輸氣管理處

0 引言

壓差發(fā)電技術(shù)是利用工業(yè)生產(chǎn)中所產(chǎn)生的壓力差能量，將其回收轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電的技術(shù)。天然氣壓差發(fā)電技術(shù)充分利用天然氣的壓力能來發(fā)電[1]，該技術(shù)可有效解決天然氣調(diào)壓過程中產(chǎn)生的管道振動、噪音和急速降溫產(chǎn)生冰堵等問題，充分利用天然氣內(nèi)能且不產(chǎn)生污染，滿足零排放標(biāo)準(zhǔn)[2-4]。

國內(nèi)外關(guān)于天然氣管網(wǎng)壓力能利用技術(shù)理論研究較多，主要包括將電能及冷能用于發(fā)電、調(diào)峰、制冷和天然氣管網(wǎng)調(diào)壓等[5-9]。近些年，我國天然氣消費(fèi)量呈兩位數(shù)快速增長，天然氣消費(fèi)的季節(jié)性、區(qū)域性差異更加明顯，地下儲氣庫（以下簡稱儲氣庫）用于天然氣應(yīng)急調(diào)峰和戰(zhàn)略儲備的意義也愈加凸顯[10-11]。較之于常規(guī)天然氣管網(wǎng)調(diào)壓，儲氣庫有更大的、周期性的壓差及流量[12]，如果能將這部分能量回收，將極大地提高天然氣能量利用率和天然氣管網(wǎng)運(yùn)行的安全性[13]。為此，以國內(nèi)某儲氣庫為案例，探討了如何將國內(nèi)應(yīng)用廣泛的天然氣壓差發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到儲氣庫項目。

1 天然氣壓差發(fā)電技術(shù)

1.1 工作原理

膨脹機(jī)按能量轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為速度式膨脹機(jī)和容量式膨脹機(jī)兩大類[14]。透平膨脹機(jī)壓差發(fā)電是指利用天然氣壓力能驅(qū)動透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子，通過齒輪箱、聯(lián)軸器，把機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī)，使發(fā)電機(jī)工作發(fā)電[15-17]。為了綜合利用能源，同時避免天然氣加熱消耗電能，可以利用冷能制冰或給冷庫供冷。因此，透平膨脹機(jī)的主要特點(diǎn)是既可降低輸氣壓力做功，又可獲得制冷效果。

1.2 膨脹機(jī)性能對比

膨脹機(jī)的性能直接影響到發(fā)電系統(tǒng)的整體發(fā)電效率[18-22]。幾種常見膨脹機(jī)的性能對比分析如表1所示。

綜上如述，按照不同的進(jìn)出口壓力等級、流量和氣質(zhì)組成，建議在天然氣儲氣項目中可采用透平膨脹機(jī)或螺桿膨脹機(jī)。

表1 幾種常見膨脹機(jī)性能對比分析表

2 實例應(yīng)用分析

中國石油西南油氣田公司相國寺儲氣庫（以下簡稱相國寺儲氣庫）位于重慶市渝北區(qū)、北碚區(qū)境內(nèi)，于2013 年6 月注氣投運(yùn)，2014 年12 月調(diào)峰采氣。設(shè)計運(yùn)行壓力介于13.2 ～28.0 MPa，庫容量為42.6×108m3，墊底氣量為19.8×108m3，工作氣量為22.8×108m3，最大日注氣量為1 253×104m3，同時考慮季節(jié)調(diào)峰和應(yīng)急情況需要，最大日采氣量為2 855×104m3。2019 年采氣量為16.76×108m3，用電量為5 663×104kWh，電價為0.599 元/kWh。

2.1 采氣工藝流程

儲氣井采氣工藝流程如圖1 所示。采出的高壓天然氣（13.5 ～25.5 MPa，20 ～40 ℃）經(jīng)計量、井口節(jié)流到外輸壓力（小于13.5 MPa）后，再通過采氣干線輸往集注站。井口設(shè)置有高、低壓安全截止閥，進(jìn)、出站管線上設(shè)置有緊急截止閥，可在緊急、事故工況下及時截斷氣源。

2.2 注氣工藝流程

與采氣相比，注氣可視為采氣的逆過程，由于入口壓力一般為次高壓天然氣（壓力小于13.5 MPa，溫度介于－5 ～26 ℃），低于儲氣庫壓力。因此，實際工作過程中需要額外增加增壓設(shè)施以提高天然氣壓力。

2.3 透平膨脹機(jī)裝機(jī)規(guī)模

儲氣井工藝參數(shù)如表2 所示。

參考表2 參數(shù)，在350 000 ～430 000 m3/h 時，根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)，擬采用1 套透平膨脹發(fā)電機(jī)組用于減壓發(fā)電，電力輸出額定功率為1 800 kW，項目在各工況下的輸出功率如表3 所示。

通過調(diào)研，暫定在相國寺儲氣庫5 號注采站井口采氣調(diào)節(jié)閥上設(shè)置旁通，安裝透平膨脹機(jī)（圖2、3）。

圖1 儲氣井采氣工藝流程圖

表2 儲氣井工藝參數(shù)表

2.4 項目經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)上述熱力學(xué)計算，在相國寺儲氣庫安裝1 臺1 800 kW 透平發(fā)電機(jī)，每小時凈發(fā)電量1 747 kWh，每年發(fā)電611×104kWh（按采氣3 500 h 計算），每年節(jié)省電費(fèi)301 萬元。項目技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析見表4。

根據(jù)項目投資估算，項目總投資為1 526 萬元（項目建筑工程投資約400 萬元，設(shè)備購置費(fèi)600 萬元，安裝工程200 萬元，工程建設(shè)其他費(fèi)用276 萬元，預(yù)備費(fèi)50 萬元），項目利潤約301 萬元，稅后內(nèi)部收益率為13.08%，動態(tài)投資回收期為7.84 年（含建設(shè)期）。

表3 項目各工況下的分析計算表

圖2 天然氣透平膨脹發(fā)電機(jī)組原理圖

3 結(jié)論

1）相國寺儲氣庫壓差發(fā)電項目投資較少，經(jīng)濟(jì)效益較好，是天然氣行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗、綠色發(fā)展、提質(zhì)增效的重要技術(shù)手段。如果項目試點(diǎn)成功，可在全國新建儲氣庫全面應(yīng)用，將產(chǎn)生良好的示范作用。天然氣凈化廠、LNG 工廠和干線輸配氣站等單位的天然氣流量和壓差較大，有大量的壓能可以回收。

圖3 天然氣透平膨脹發(fā)電機(jī)在輸氣站場的安裝示意圖

表4 項目經(jīng)濟(jì)性分析表

2）由于儲氣庫采氣期自身用電量少，將產(chǎn)生大量富余電力，有關(guān)單位可以和國家電網(wǎng)協(xié)調(diào)，交納一定過網(wǎng)費(fèi)，向油田內(nèi)部用電大戶（如天然氣增壓站、天然氣凈化廠等）定向供電，解決儲氣庫發(fā)電富余電力的銷售問題。

3）在實際應(yīng)用中，壓差發(fā)電技術(shù)仍存在一些需要解決的問題，如膨脹機(jī)的密封問題，在透平膨脹機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行條件下，存在較大的噪音等，在天然氣壓差發(fā)電系統(tǒng)商業(yè)化運(yùn)行前，必須經(jīng)過多次中試實驗，以解決系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能存在的問題。