陳 躍

（中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦自貢采氣作業(yè)區(qū)，四川 自貢 643000）

目前，全球傳統(tǒng)的化石能源企業(yè)都在向綠色低碳綜合性能源公司極速轉(zhuǎn)型[1]，在開采天然氣的過程中，如果將豐富的地層能量充分開發(fā)利用，在發(fā)展天然氣井口壓差發(fā)電技術(shù)的同時(shí)，用多功能集成一體化技術(shù)改變傳統(tǒng)技術(shù)，將促進(jìn)油氣生產(chǎn)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

1 天然氣井口壓差發(fā)電及相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀

天然氣壓差發(fā)電也稱為“壓能發(fā)電”“余壓發(fā)電”等，主要有2 種技術(shù)路徑，一種是膨脹類發(fā)電技術(shù)，為了增強(qiáng)做功效率及克服等熵膨脹降溫效應(yīng)，工質(zhì)在做功過程中通常需要燃燒加熱來實(shí)現(xiàn)膨脹與做功，有二氧化碳的產(chǎn)生與排放[2-3]。另一種是軸流式壓差發(fā)電，這種類型的發(fā)電技術(shù)與膨脹機(jī)類發(fā)電最大的區(qū)別在于做功前后無須對工質(zhì)加熱，影響發(fā)電效率的主要因素有流量、壓差和流速的大小，設(shè)備構(gòu)造簡單、制造成本低廉，發(fā)電全過程零碳排放，有專家學(xué)者通過Aspend HYSYS 模擬軟件對軸流式壓差發(fā)電進(jìn)行了熱力學(xué)能效分析并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)[4]，論證了軸流式壓差發(fā)電技術(shù)在天然氣采輸流程中轉(zhuǎn)換效率優(yōu)于螺桿膨脹發(fā)電機(jī)。

近年來，隨著新能源的迅猛發(fā)展及電力削峰填谷的需求，儲(chǔ)能技術(shù)在不斷發(fā)展，儲(chǔ)能方式主要有電化學(xué)電池儲(chǔ)能、抽水儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能等，對天然氣產(chǎn)業(yè)而言，儲(chǔ)氣庫的建設(shè)本身就是一種儲(chǔ)能，壓縮空氣儲(chǔ)能[5]被視為最具潛力的儲(chǔ)能技術(shù)，目前主要分類有：①蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（TS-CAES）；②等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（I-CAES）；③水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（UW-CAES）；④液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（LAES）；⑤超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（SC-CAES），其中與井口天然氣工況條件相對最為接近的當(dāng)屬等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（I-CAES）。

絕大部分井口天然氣無須壓縮開采出來就具備高壓能量屬性，長期以來為了滿足集輸管網(wǎng)壓力要求，需要有效降壓的同時(shí)防止節(jié)流冰堵現(xiàn)象的發(fā)生，現(xiàn)行廣泛的技術(shù)方案為“節(jié)流閥+水套爐”或“注醇防凍劑+節(jié)流閥”模式，這一過程只注重如何滿足管輸壓力要求而忽略了原始能量的利用。目前，國內(nèi)天然氣壓差發(fā)電技術(shù)仍處于起步階段，中國石油西南油氣田公司天然氣凈化總廠引進(jìn)分廠的天然氣“余壓發(fā)電”裝置，自2021年9 月9 日運(yùn)行以來，創(chuàng)造了顯著的效益。這只是對天然氣輸送中間過程壓能的開發(fā)利用，而資源潛力更加巨大的天然氣井口壓力能仍等待著人們的開發(fā)。目前，制約天然氣井口壓差發(fā)電發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸主要有：①極高的壓力需要有高強(qiáng)度的可靠材質(zhì)；②需要克服硫化氫、二氧化碳等酸性腐蝕氣體帶來的腐蝕與氫脆現(xiàn)象；③需要有對高壓氣體可靠的密封技術(shù)；④需要克服氣田水干擾造成的流量壓力的大幅波動(dòng)；⑤高效率的壓能采集轉(zhuǎn)化與發(fā)電技術(shù)。如果這些技術(shù)瓶頸全部突破，天然氣井口壓差發(fā)電的蓬勃發(fā)展就將到來。

2 天然氣降壓脫水與壓差發(fā)電井口一體化應(yīng)用的探索

目前，在天然氣采出到用戶的全流程中，在地面井口區(qū)域需要克服的壓降能量最大，天然氣開采井口區(qū)域施展各種技術(shù)應(yīng)用對氣藏采收率影響最大，因此，在采氣井口區(qū)域開展技術(shù)升級對提高天然氣開采價(jià)值最為有利，本文將以軸流式壓差發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)，用新視角與新思路對天然氣井口一體化技術(shù)進(jìn)行探討。

2.1 節(jié)流保溫、固液分離和壓差發(fā)電3 種技術(shù)的關(guān)聯(lián)性

在天然氣采輸氣井站中，常用的離心式分離器對固液雜質(zhì)的分離原理就是通過對原料氣的導(dǎo)流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，因密度不同產(chǎn)生的離心力不同而實(shí)現(xiàn)固液雜質(zhì)分離，而在軸流式透平壓差發(fā)電技術(shù)里，同樣有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的葉輪，旋轉(zhuǎn)就是其共性；在軸流式壓差發(fā)電技術(shù)中，既可以選擇徑向進(jìn)徑向出的葉輪驅(qū)動(dòng)方式，但也完全可以選擇徑向進(jìn)側(cè)向出（圖1）的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式，這中間只需用嚙合的圓錐齒輪組合做90°改變動(dòng)力傳遞方向即可，而高速轉(zhuǎn)動(dòng)的嚙合齒輪必然會(huì)因摩擦而生熱，且摩擦所產(chǎn)生的熱量與齒輪數(shù)和轉(zhuǎn)速成正比，在其他機(jī)械設(shè)備里，人們通常需要用輔助散熱系統(tǒng)進(jìn)行散熱，避免連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)對設(shè)備造成高溫危害，同時(shí)，在天然氣開采過程中，對井口高壓天然氣體節(jié)流降壓會(huì)產(chǎn)生“焦耳－湯姆遜”效應(yīng)而降溫，假如用前者不斷高速旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生的熱能來克服后者節(jié)流和膨脹效應(yīng)的降溫，只需將2 種應(yīng)用融合在一個(gè)空間不斷循環(huán)就能基本實(shí)現(xiàn)冷熱能量的傳遞與互補(bǔ)，且各工質(zhì)在各自獨(dú)立的系統(tǒng)中封閉循環(huán)運(yùn)行，這樣就可以達(dá)到實(shí)現(xiàn)多功能集成一體和零碳排放開采天然氣的目的；當(dāng)齒輪組合摩擦生熱不能克服后者的降溫時(shí)，輔助加熱器根據(jù)天然氣數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA 站控系統(tǒng)）的指令信號而開始對潤滑循環(huán)機(jī)油加熱，而機(jī)油輔助加熱器和循環(huán)泵所須要的電能，正是來自裝置自發(fā)電產(chǎn)生，故此，就能實(shí)現(xiàn)無須燃燒排放二氧化碳的方式替代傳統(tǒng)的天然氣開采模式。

圖1 天然氣降壓脫水與發(fā)電裝置復(fù)合葉輪初步設(shè)計(jì)圖

2.2 天然氣降壓脫水與發(fā)電裝置系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)與構(gòu)想

為了實(shí)現(xiàn)上述多功能集成一體達(dá)到改變傳統(tǒng)天然氣開采模式的目的，一種天然氣井口降壓脫水與發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)與原理如圖2、圖3 所示。

圖2 天然氣降壓脫水與發(fā)電一體化裝置主視示意圖

圖3 天然氣降壓脫水與發(fā)電一體化裝置俯視示意圖

2.2.1 天然氣井口降壓脫水與發(fā)電裝置工作原理

天然氣井口高壓原料氣進(jìn)入裝置后，在水氣分離閥段內(nèi)，氣流從拉瓦爾噴射口噴出，驅(qū)動(dòng)復(fù)合透平葉輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，密度大的固液雜質(zhì)從葉輪正面吸入后因高速旋轉(zhuǎn)的離心作用，從葉輪側(cè)孔方向流出后，沿著水氣分離閥段筒體內(nèi)壁聚集且因重力作用而在固液排放口排出；分離后的密度更輕的天然氣，因?yàn)橛袎翰畹拇嬖谄浔囟〞?huì)向低壓區(qū)流動(dòng)，流入排氣筒體內(nèi)，并通過錐形壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)微調(diào)壓力后，從上部流出到輸氣管網(wǎng)，錐形壓力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)由遠(yuǎn)程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制，流入閥體的原始高壓氣體通過做功轉(zhuǎn)化為機(jī)械能消耗能量及錐形壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)微調(diào)達(dá)到適度降壓；復(fù)合透平葉輪的高速旋轉(zhuǎn)必然會(huì)帶動(dòng)閥腔內(nèi)嚙合的圓錐形齒輪組合摩擦生熱，同時(shí)，在左側(cè)閥腔底部還設(shè)有齒輪組合及旋進(jìn)葉片促進(jìn)閥體底部機(jī)油流動(dòng)實(shí)現(xiàn)充分換熱，在閥腔頂部設(shè)有油泵，將防凝凍機(jī)油加熱到設(shè)定溫度后，油泵抽吸泵出的機(jī)油沿封閉的循環(huán)通道流動(dòng)并實(shí)現(xiàn)熱能交換，實(shí)現(xiàn)對錐形壓力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)及外圍空間內(nèi)天然氣體的保溫防凍，達(dá)到降壓、分離和發(fā)電3 種功能集成一體的目的。所有數(shù)據(jù)信號的采集和顯示與自動(dòng)調(diào)節(jié)控制均集中并入到采氣場站的SCADA 計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)中（圖4），實(shí)現(xiàn)流量、溫度、壓力與轉(zhuǎn)速、輸出電流和電壓等各種數(shù)據(jù)的全自動(dòng)采集和電能沖、儲(chǔ)、放全自動(dòng)遠(yuǎn)程智能控制與運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 降壓脫水與發(fā)電系統(tǒng)邏輯關(guān)系圖

2.2.2 發(fā)電機(jī)、變速器的選擇

目前，寧德時(shí)代等國內(nèi)外知名公司普遍采用直流充儲(chǔ)+電化學(xué)電池的儲(chǔ)能技術(shù)路徑，未來輸配氣場站分布式綜合能源系統(tǒng)采用高性能、高密度電化學(xué)儲(chǔ)電技術(shù)是現(xiàn)實(shí)可行的路徑，天然氣壓差發(fā)電領(lǐng)域參考有關(guān)新能源成熟技術(shù)或許可以少走彎路。發(fā)電機(jī)的選擇是影響天然氣壓差發(fā)電效率的重要因素之一，井口天然氣流量和壓力因?yàn)橛袣馓锼蓴_具有較大的波動(dòng)性，故此，本裝置中的發(fā)電機(jī)主張選用防爆型恒壓勵(lì)磁直流發(fā)電機(jī)組，所發(fā)的直流電可以直接儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電池柜中，從而可以減少逆變環(huán)節(jié)的不必要耗損，而變速器的選擇要充分考慮氣田水干擾造成井口壓力的寬幅波動(dòng)，盡可能地滿足發(fā)電機(jī)最低發(fā)電轉(zhuǎn)速的需求，以利于實(shí)現(xiàn)長周期滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，故此適宜采用皮帶輪組合變速方式，如果不通過變速直驅(qū)葉輪發(fā)電，氣田水干擾造成的壓力波動(dòng)會(huì)顯著影響發(fā)電效率，參考新能源風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，其葉片轉(zhuǎn)速一般都不高，卻能保持持續(xù)發(fā)電，根本原因正是利用了變速增速技術(shù)，故此，天然氣井口軸流壓差發(fā)電，充分利用變速增速與恒速技術(shù)是不可或缺也是決定發(fā)電總體效率的關(guān)鍵因素之一。

2.2.3 復(fù)合透平葉輪的設(shè)計(jì)及壓力能的采集與轉(zhuǎn)換

本裝置中，復(fù)合透平葉輪是壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵采集元件，也是實(shí)現(xiàn)固液雜質(zhì)分離的主要元件，也是降壓脫水與發(fā)電3 種功能關(guān)聯(lián)的紐帶。根據(jù)做功原理公式W=FScosθ 得知，功W 的大小與作用力F 和位移大小S 及受力角度θ 有關(guān)，當(dāng)受力角度在0＜θ＜90°時(shí)，cosθ＞0，W＞0 做正功，從理論上講，復(fù)合透平葉輪45°傾斜時(shí)做功扭矩最大，但此時(shí)的振動(dòng)與噪聲也最大，故此以45°的80%~90%較為適宜，復(fù)合透平葉輪上的孔洞一方面可以避免做功打滑，另一方面在旋轉(zhuǎn)中如海綿一般有利于固液雜質(zhì)的正面吸收側(cè)面排出而實(shí)現(xiàn)有效分離，復(fù)合透平葉輪片在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，既應(yīng)能避免與噴射口的碰撞又要能實(shí)現(xiàn)對壓能的充分采集與固液雜質(zhì)的分離。

任何流體在機(jī)械內(nèi)部的流動(dòng)都遵循物理學(xué)三大守恒定律：質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律。從能量守恒角度用平衡方程[6]對本裝置進(jìn)行分析，能量的采集、轉(zhuǎn)化理論平衡方程為輸入系統(tǒng)的=輸出系統(tǒng)+損失+系統(tǒng)的變化，用公式（1）表達(dá)

在將壓力能轉(zhuǎn)化為電能的同時(shí)，本裝置還能替代傳統(tǒng)的“節(jié)流閥+水套爐”，實(shí)現(xiàn)零碳化生產(chǎn)，在本裝置中，熱能產(chǎn)生、傳遞與交換過程中的影響因子有：齒輪組合數(shù)量及摩擦轉(zhuǎn)速度，循環(huán)機(jī)油量及機(jī)油比熱容與熱導(dǎo)率，機(jī)油循環(huán)流動(dòng)過程中熱能的損失，流經(jīng)錐形閥節(jié)流段時(shí)內(nèi)外空間熱能交換造成的熱能消耗，以及輔助加熱器所產(chǎn)生的熱能，這些影響因子之間同樣遵循以能量守恒為基準(zhǔn)的熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，且整個(gè)潤滑循環(huán)與保溫系統(tǒng)實(shí)際屬于前述理論平衡方程式（1）的子系統(tǒng)，用公式表述如下

假如在井口流程中只安裝一套天然氣壓差發(fā)電裝置，幾乎很難實(shí)現(xiàn)有效降壓、壓力能采集與轉(zhuǎn)化和固液雜質(zhì)的充分分離，參考現(xiàn)有分布式新能源的普遍模式，筆者主張采用撬裝模塊化、串并聯(lián)梯度連接方式實(shí)施天然氣壓差發(fā)電的井口一體化技術(shù)應(yīng)用場景模型如圖5 所示。

圖5 天然氣井口壓差發(fā)電及一體化技術(shù)應(yīng)用場景模型

圖5 中A、B、C、D 分別為一套井口降壓脫水與發(fā)電裝置組成的一個(gè)模塊，模塊1～6 分別為一組模塊，在一個(gè)天然氣開采一定區(qū)域（平臺）內(nèi)，只需要一套電力存儲(chǔ)與逆變設(shè)備即可，而井口降壓脫水與發(fā)電裝置的組裝數(shù)量，則可根據(jù)氣井所處地層能量而定，這種如“瀑布狀”的流程設(shè)計(jì)，可以有效解決井口壓力高流量大這一難題，并且可以充分提高對井口壓力能的采集與轉(zhuǎn)化效率及對固液雜質(zhì)的分離效率。

當(dāng)本裝置中因齒輪組合高速摩擦產(chǎn)生的熱能，不能滿足錐形壓力調(diào)節(jié)及膨脹因素而造成的降溫時(shí)，裝置內(nèi)的機(jī)油加熱器接收SCADA 系統(tǒng)指令而自動(dòng)啟動(dòng)加熱工作，從而達(dá)到零碳排放的目的，在裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量交換過程的動(dòng)態(tài)平衡。在整個(gè)天然氣流動(dòng)的過程中，其壓力能量的衰減主要應(yīng)該用于發(fā)電做功的消耗上，設(shè)計(jì)錐形閥段的目的是微調(diào)壓力；設(shè)計(jì)機(jī)油循環(huán)及通道的目的是既不浪費(fèi)裝置內(nèi)的摩擦生熱能量又能對錐形節(jié)流閥段的保溫力求物盡其用，達(dá)到高效零碳的綠色理念。參考四川長寧頁巖氣井注醇與加熱工藝成本分析[7]，一口氣井開采若用水套爐保溫或用注醇工藝降低露點(diǎn)防凍，其年耗費(fèi)成本都在四五十萬元，兩者成本都很高，而本裝置的目的就是希望替代傳統(tǒng)技術(shù)，節(jié)約相關(guān)費(fèi)用，降低天然氣開采成本。

2.2.4 脫水、密封與材質(zhì)的選擇

在天然氣開采與集輸中，高效的油氣分離裝置，對油氣生產(chǎn)與集輸十分有利[8]，現(xiàn)實(shí)生活中利用離心原理脫水最常見的設(shè)備是洗衣機(jī)，其脫水功能與天然氣開采過程中的粗脫水本質(zhì)原理一樣，其脫水轉(zhuǎn)速通常在1 000 r/min 左右就能實(shí)現(xiàn)良好的脫水功能，在本裝置中，復(fù)合葉輪滿足發(fā)電機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)速區(qū)間在1 800~4 000 r/min，其轉(zhuǎn)速與脫水能力成正比，且是梯度多級分離，故此，本集成裝置的天然氣脫水功效，將完全滿足天然氣采輸氣流程中的粗脫水功能，而本裝置的建造耗材將比傳統(tǒng)分離器節(jié)省很多。

由于井口天然氣壓力通常極高，在將機(jī)械能采集轉(zhuǎn)化過程中，密封強(qiáng)度不夠?qū)е碌奶烊粴庑孤┪：O大，有關(guān)論文與實(shí)驗(yàn)中采用了磁力聯(lián)軸器[9]，由靜態(tài)密封替代動(dòng)態(tài)密封防止高壓天然氣的泄漏，在本裝置中（圖2）設(shè)置了水氣分離閥段，如果再結(jié)合磁力聯(lián)軸技術(shù)，完全可以實(shí)現(xiàn)對高壓天然氣體的有效隔離密封與可靠的動(dòng)能傳遞。

目前，我國已實(shí)現(xiàn)對四川普光氣田和安岳高含硫氣田成功開采多年的目標(biāo)，積累了對高含硫氣田的開采經(jīng)驗(yàn)，西南油氣田在川東北鐵山坡高含硫氣田自主開發(fā)中采用了鎳基合金雙金屬復(fù)合材料來克服高含硫的腐蝕危害，完全可以運(yùn)用到天然氣井口壓差發(fā)電領(lǐng)域。

2.2.5 儲(chǔ)能及規(guī)?；瘧?yīng)用

本裝置發(fā)電所產(chǎn)生的直流電流儲(chǔ)存于系統(tǒng)中的儲(chǔ)能電池柜中，再經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電流供井站自用或上網(wǎng)，一個(gè)天然氣開采井站平臺就會(huì)有一套儲(chǔ)電與逆變系統(tǒng)，通常一個(gè)氣田會(huì)有很多個(gè)井站（平臺），數(shù)量眾多的井站的儲(chǔ)電與逆變系統(tǒng)，匯聚起來就是一個(gè)規(guī)模化的電力削峰填谷系統(tǒng)，這正是分布式新能源應(yīng)用的普遍模式和傳統(tǒng)化石能源與新能源融合發(fā)展的轉(zhuǎn)型路徑之一。

3 結(jié)束語

在國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的引領(lǐng)促進(jìn)下，各種新能源的發(fā)展日新月異，天然氣開采中豐富的地層能量早就應(yīng)該開發(fā)出來保障國家能源安全，傳統(tǒng)的天然氣開采模式遲早會(huì)被更加綠色低碳的技術(shù)替代，本文僅針對以軸流壓差發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)的天然氣井口集成一體化技術(shù)提出初步的構(gòu)想，理論結(jié)合實(shí)際進(jìn)行了或?yàn)榇譁\的探討（與本論文同步申請的發(fā)明專利“基于降壓脫水發(fā)電的天然氣井口一體化裝置、系統(tǒng)”已在國家知識產(chǎn)權(quán)局公布），對于復(fù)合透平葉輪的設(shè)計(jì)，還應(yīng)用流體力學(xué)CFD（Computational Fluid Dynamics）模擬軟件進(jìn)行更加深入的仿真建模與流場分析后進(jìn)行優(yōu)化，需要有關(guān)科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行深入的探索，爭取早日應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，為國家建設(shè)助力加油。