摘　要：本文探討利用自膨脹制冷工藝回收天然氣高中壓降壓過(guò)程中釋放的壓力能，并將其應(yīng)用于天然氣部分液化。被液化的天然氣可用于城市燃?xì)庹{(diào)峰和周邊市場(chǎng)配送，項(xiàng)目具有一定前景。文中以長(zhǎng)輸管道的高壓天然氣入口壓力為4.0MPa，供中壓城市管網(wǎng)的出口壓力為0.4MPa，日均天然氣處理量為50×10⁴Nm³的工況進(jìn)行研究，提出了項(xiàng)目實(shí)施的液化工藝流程，并對(duì)其運(yùn)行工況進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目年液化天然氣量約1728×10⁴Nm³，液化率約10.5％。根據(jù)管道天然氣與液化天然氣的進(jìn)銷差價(jià)評(píng)估項(xiàng)目的靜態(tài)經(jīng)濟(jì)回收期一般為4～6年。

關(guān)鍵詞：管網(wǎng)壓力能  液化天然氣  膨脹制冷  液化工藝

1　前言

我國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管道主要采用高壓輸氣，而城市輸配管網(wǎng)則主要采用中壓配氣，因此上游高壓管網(wǎng)輸氣至各城市區(qū)域時(shí)，需要經(jīng)過(guò)天然氣門站或者分輸站進(jìn)行高、中壓降壓后才能進(jìn)入城市輸配管網(wǎng)。傳統(tǒng)的降壓方法是采用調(diào)壓器進(jìn)行節(jié)流膨脹降壓，節(jié)流過(guò)程中壓損較大，使得大量的壓力能被浪費(fèi)掉。針對(duì)管網(wǎng)高、中壓降壓的壓力能回收，近年有不少的研究應(yīng)用案例。如利用高壓氣體膨脹推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；利用節(jié)流膨脹產(chǎn)生的冷能脫水，降低天然氣露點(diǎn)，減少堵塞，平衡穩(wěn)定供氣；利用節(jié)流膨脹產(chǎn)生的冷能降低溫度形成天然氣氣液混合物，在低溫分離器中分離出輕烴；經(jīng)節(jié)流降壓設(shè)備制冷得到深冷天然氣，與冷媒換冷，將冷媒冷量供給深冷裝置，同時(shí)天然氣膨脹功驅(qū)動(dòng)冷媒壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等^[1]。本文選擇生產(chǎn)工藝較為成熟的透平膨脹機(jī)實(shí)現(xiàn)高中壓降壓，同時(shí)回收壓力能用于部分液化天然氣。該項(xiàng)目液化下來(lái)的天然氣可以作為城市燃?xì)庹{(diào)峰供氣^[2-3]和周邊市場(chǎng)用氣配送，整個(gè)液化過(guò)程中基本不消耗額外的電能，所以其既具有節(jié)能效果的同時(shí)也具有現(xiàn)實(shí)意義。

2　調(diào)壓過(guò)程中的熱力學(xué)分析

為對(duì)降壓過(guò)程中釋放的壓力能進(jìn)行評(píng)估，本文采用燜分析法^[4]。天然氣管網(wǎng)適用于穩(wěn)定流動(dòng)開口系統(tǒng)，從給定的進(jìn)口狀態(tài)到出口狀態(tài)的穩(wěn)定單位質(zhì)量溫度物流的比用為：

忽略穩(wěn)定流動(dòng)工質(zhì)的宏觀動(dòng)能和位能，則穩(wěn)定物流的用就僅考慮焓一種形式的能量用，即：

ex,h＝h1-h2-T2(s1-s2)         (2)

根據(jù)熱力學(xué)熵的關(guān)系式：

把式(3)代入式(2)后，拆簡(jiǎn)得

由(4)式可以看出，穩(wěn)流物質(zhì)的用可分解為兩部分，即在某一壓力下系統(tǒng)與環(huán)境之間因熱不平衡而具有的溫度用ex,T和在環(huán)境溫度時(shí)系統(tǒng)與環(huán)境之間因力不平衡而具有的壓力用ex,T。分析表明天然氣在高中壓降壓過(guò)程中可回收的最大壓力用為

式中：h2——出口狀態(tài)的比焓，kJ／kg；

h——進(jìn)口狀態(tài)的比焓，kJ／kg：

s2——出口狀態(tài)的比熵，kJ／(kg·K)；

s1——進(jìn)口狀態(tài)的比熵，kJ／(kg·K)；

Kc——速度，m／s；

g——重力加速度，m／s²；

z——高度，m；

CP——定壓比熱，kJ／(kg·K)：

T2——出口狀態(tài)的溫度，K：

T1——進(jìn)口狀態(tài)的溫度，K：

Rg——氣體常數(shù)，kJ／(kg·K)；

P2——出口狀態(tài)的壓力，MPa：

P1——進(jìn)口狀態(tài)的壓力，MPa

3　自膨脹部分液化天然氣工藝流程設(shè)計(jì)

以來(lái)自長(zhǎng)輸管道的高壓天然氣入口壓力為4.0MPa，中壓城市管網(wǎng)的出口壓力為0.4MPa，日均天然氣處理量為50×10⁴Nm³，天然氣溫度為25℃的工況來(lái)設(shè)計(jì)自膨脹制冷部分液化天然氣系統(tǒng)的工藝流程^{[2，3，6]}，如圖1所示，整個(gè)流程包括如下過(guò)程：

(1)原料天然氣的過(guò)濾、計(jì)量及加壓

來(lái)自長(zhǎng)輸高壓管道的天然氣進(jìn)入門站壓力為4.0MPa，溫度為25℃，其首先進(jìn)入過(guò)濾計(jì)量撬，即經(jīng)過(guò)濾分離器分離可能存在的水分或凝液后進(jìn)行計(jì)量；再進(jìn)入一級(jí)透平膨脹機(jī)加壓端進(jìn)行一級(jí)加壓，將天然氣壓力加壓到5.0MPa。由于加壓后氣體溫度較高，所以出口氣體需經(jīng)冷卻后再進(jìn)入二級(jí)透平膨脹機(jī)加壓端，天然氣壓力被加壓到6.0Mpa，出口氣體再次經(jīng)過(guò)冷卻后進(jìn)入凈化裝置。

該加壓過(guò)程是利用膨脹氣流在膨脹制冷過(guò)程中，會(huì)輸出一定量的膨脹功，利用同軸增壓機(jī)來(lái)吸收該功率，使原料天然氣壓力得以提升，從而降低液化過(guò)程的能耗。

(2)原料天然氣的凈化

該凈化過(guò)程的功能主要是因?yàn)樘烊粴庵兴?、重?zé)N的存在往往會(huì)形成水合物阻塞管路，影響冷卻液化過(guò)程；另外天然氣液化溫度低，水、重?zé)N的存在也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備凍堵，故必須脫水和重?zé)N。同時(shí)液化氣流中二氧化碳的含量也應(yīng)≤100ppm，否則在低溫下會(huì)凍堵。通常采用三組同樣的吸附塔吸附水分、重?zé)N、二氧化碳，并使用變壓和變溫吸附(PSA+TSA)方法從吸附劑中吸收或解吸天然氣中的水分、重?zé)N、二氧化碳。而脫汞，主要是因?yàn)楣瘜?duì)鋁材的腐蝕很強(qiáng)，而冷箱換熱器的制作往往采用鋁材，其經(jīng)汞腐蝕后會(huì)嚴(yán)重影響其承壓能力，甚至破裂，所以原料天然氣在進(jìn)冷箱換熱前往往需脫汞。

凈化過(guò)程如下：加壓之后的原料天然氣氣進(jìn)入分子篩和活性炭吸附塔(脫水、脫重?zé)N)除去水分和重?zé)N。天然氣由上而下通過(guò)吸附塔后出來(lái)的原料天然氣中水分含量≤1ppm、每種重?zé)N和芳香烴含量均≤10ppm。

經(jīng)過(guò)脫水、脫重?zé)N的原料天然氣再進(jìn)入浸硫活性炭吸附塔(脫汞)，汞與浸硫活性炭上的硫產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成硫化汞，吸附在活性炭上，從而達(dá)到脫除汞之目的。經(jīng)脫汞處理的天然氣的汞含量小于0.01mg／Nm³。吸附塔(脫汞)設(shè)兩臺(tái)脫汞器，一般每半年切換一次。

經(jīng)脫汞后氣體其分成兩部分，膨脹氣流(70％)和液化氣流(30％)。

膨脹氣流在粉塵過(guò)濾器過(guò)濾粉塵后進(jìn)入液化冷箱。

液化氣流繼續(xù)在吸附塔(脫二氧化碳)中脫除二氧化碳，經(jīng)處理后的液化氣流中二氧化碳含量≤l00ppm。液化氣流在粉塵過(guò)濾器過(guò)濾粉塵后進(jìn)入液化冷箱。

過(guò)程中，吸附塔(脫水、脫重?zé)N)和吸附塔(脫二氧化碳)分別為三臺(tái)，兩兩串聯(lián)成一組，一組處于吸附狀態(tài)、一組處于再生狀態(tài)、一組處于冷卻狀態(tài)，循環(huán)切換使用(吸附周期約為8小時(shí))。

吸附塔中吸附劑的加熱再生采用從冷箱出來(lái)的膨脹氣流，該氣流通過(guò)流量計(jì)量后，進(jìn)入再生氣加熱爐加熱到260～280℃，由下而上通過(guò)加熱再生狀態(tài)的吸附塔組，將分子篩吸附的水和二氧化碳解吸，以及活性炭吸附的重?zé)N解吸。再生氣流出吸附塔組后，再經(jīng)過(guò)冷卻器冷卻，進(jìn)入再生氣分離器分離冷凝液體。冷卻后的再生氣匯入中壓管，再經(jīng)過(guò)緊急切斷閥出界區(qū)后進(jìn)入中壓城市管網(wǎng)。過(guò)程中，取出少量的尾氣作為再生氣加熱爐的燃料氣。

實(shí)際上，原料天然氣的凈化裝置是根據(jù)氣源的組分，所含雜質(zhì)的程度來(lái)進(jìn)行選擇組合的。并未完全包括上述介紹的常規(guī)過(guò)程。

(3)30％凈化天然氣的液化

30％經(jīng)脫除二氧化碳的液化氣流，進(jìn)入液化冷箱的預(yù)冷換熱器中冷卻到約-35℃，隨后進(jìn)入重?zé)N分離器將凝液分離出來(lái)。分離器頂部出來(lái)的氣流繼續(xù)冷卻至約-l35℃后進(jìn)入節(jié)流閥，節(jié)流降壓到液化天然氣(LNG)貯存壓力(約0.7MPa)，溫度約-137℃，進(jìn)入液化冷箱內(nèi)的LNG閃蒸罐，分離出的液體，即為LNG產(chǎn)品送入LNG儲(chǔ)罐。分離出來(lái)的氣體，在液化換熱器和預(yù)冷換熱器中復(fù)熱到常溫后進(jìn)入壓力為0.4MPa的中壓管。

(4)70％膨脹氣流的制冷

從吸附塔(脫汞)出來(lái)的約70％的原料氣進(jìn)入冷箱換熱器，壓力為6.0MPa，經(jīng)預(yù)冷到-18℃后進(jìn)入一級(jí)透平膨脹機(jī)的膨脹端進(jìn)口，膨脹機(jī)出口壓力約l.45MPa，溫度約-85℃，出口氣體經(jīng)換熱器換熱放冷后，溫度升至約-66℃，氣體然后進(jìn)入二級(jí)透平膨脹機(jī)的膨脹端進(jìn)口，膨脹機(jī)出口壓力為0.4MPa，溫度約-l02℃，進(jìn)入冷箱換熱器放冷復(fù)熱后出冷箱至0.4MPa的中壓管。其復(fù)熱過(guò)程包括前述吸附塔的解吸和進(jìn)入透平膨脹機(jī)作為換熱介質(zhì)。

4　項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)分析

如前述調(diào)壓過(guò)程中的熱力學(xué)分析可知，高中壓降壓過(guò)程中可回收的壓力能與調(diào)壓前后的壓差比以及溫度情況相關(guān)；壓差比越大，釋放的壓力能就越大。以門站來(lái)自長(zhǎng)輸管道的高壓天然氣入口壓力為4.0MPa，中壓城市管網(wǎng)的出口壓力為0.4MPa，天然氣溫度為25℃，摩爾質(zhì)量為16g／mol(天然氣以甲烷為主)，進(jìn)行估算得出降壓過(guò)程中釋放的壓力能約為356.5kJ／kg。按每天50×10⁴Nm³天然氣的處理能力計(jì)算一天釋放的壓力能約為12834×10⁴kJ。按目前國(guó)際上生產(chǎn)l噸LNG的能葬為850kwh計(jì)算^[7]，且假設(shè)自膨脹制冷部分液化天然氣系統(tǒng)中能耗損失為10％，即一天可以液化約37.7噸的天然氣(天然氣密度按0.72kg／Nm³計(jì)算，即約52361Nm³天然氣)，液化率約為10.5％。按一年運(yùn)行330天計(jì)算，即一年液化的天然氣量約為1728×10⁴Nm³。

根據(jù)天然氣自膨脹制冷部分液化工藝流程設(shè)計(jì)可知，項(xiàng)目包括以下幾個(gè)系統(tǒng)，天然氣凈化系統(tǒng)，透平膨脹系統(tǒng)，冷箱熱交換系統(tǒng)，以及LNG儲(chǔ)罐系統(tǒng)。具體項(xiàng)目投資因氣質(zhì)、壓力情況、士建及配套工程和運(yùn)行管理而有所不同、項(xiàng)目總投資一般約3500～4800×10⁴元。

經(jīng)濟(jì)淺析如下：假如管道天然氣與液化天然氣的進(jìn)銷差價(jià)達(dá)0.9～1.0元／Nm³，扣除每方天然氣液化及管理成本后，收益一般可達(dá)0.5元／Nm³。假如一年液化天然氣1728×104Nm³計(jì)算，每年收益約864×10⁴元，按項(xiàng)目總投資3500～4800×10⁴元估算，即靜態(tài)經(jīng)濟(jì)回收期約為4～6年。

5　總結(jié)

本文探討利用白膨脹制冷工藝回收天然氣高中壓降壓過(guò)程中釋放的壓力能實(shí)現(xiàn)天然氣部分液化。并以長(zhǎng)輸管道的天然氣入口壓力為4.0MPa，進(jìn)中壓城市輸配管網(wǎng)的出口壓力為0.4MPa，日均處理天然氣流量為50×10⁴Nm³的工況進(jìn)行項(xiàng)目研究分析。

(1)經(jīng)過(guò)對(duì)降壓過(guò)程的熱力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，降壓過(guò)程中的壓差比越大，可回收利用的壓力能越大。在計(jì)算工況下，一天可回收的壓力能約為12834×10⁴JT。

(2)自膨脹制冷部分液化天然氣工藝流程主要包括：原料天然氣的過(guò)濾、計(jì)量及加壓，原料天然氣的凈化，30％凈化天然氣的液化，70％膨脹氣流的制冷；主要設(shè)備系統(tǒng)則包括：天然氣凈化系統(tǒng)，透平膨脹系統(tǒng)，冷箱熱交換系統(tǒng)，以及LNG儲(chǔ)罐系統(tǒng)。

(3)經(jīng)過(guò)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)淺析發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目總投資約為3500～4800×10⁴元，年液化天然氣量約為1728×10⁴Nm³，液化率約為10.5％。根據(jù)管道天然氣與液化天然氣的進(jìn)銷差價(jià)評(píng)估項(xiàng)目的靜態(tài)經(jīng)濟(jì)回收期約為4～6年。

(4)在項(xiàng)目工況下，城市輸配中壓管網(wǎng)的接收能力需滿足除液化下來(lái)外的其它天然氣釋放量，不小于45×10⁴Nm³／d。

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本文作者：林梓榮　趙先勤

作者單位：佛山市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司