摘　要：介紹國內(nèi)外天然氣管網(wǎng)壓力能的回收利用技術(shù)分類及其研究進(jìn)展，指出由于天然氣管網(wǎng)壓力能利用技術(shù)不成熟、政策支持力度小等因素使得天然氣壓力能回收在我國發(fā)展緩慢的現(xiàn)實(shí)問題，提出了提高壓力能利用技術(shù)水平、豐富壓力能利用方式并依托國家政策支持等解決措施。

關(guān)鍵詞：管網(wǎng)壓力能；  發(fā)電；  回收利用；  制冷

Research Progress in Recycling Technology of Pressure Energy from Natural Gas Pipeline Network

Abstract：The classification and research progress in recycling technology of pressure energy from natural gas pipeline network at home and abroad are introduced．It is pointed out that the reasons for slow development of natural gas pressure energy recovery in China are the inmmturi ty of recycling technology of pressure energy from natural gas pipeline network，lack of pol icy support and other factors．Some problem-solving solutions including improving the recycling technology level of pressure energy，enriching the utilization mode of pressure energy and relying on the support of state policies are proposed．

Keywords：pipeline network pressure energy；power generation；recycling；refrigeration

1　概述

隨著天然氣產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，我國加快了天然氣管網(wǎng)的建設(shè)。長距離、大口徑、高壓力、網(wǎng)絡(luò)化并逐步形成大型供氣系統(tǒng)已成為當(dāng)前世界天然氣輸氣管道發(fā)展的總趨勢^[1]。高壓的天然氣蘊(yùn)含巨大的壓力能，合理高效地回收利用該部分壓力能已引起人們的廣泛關(guān)注。然而，目前燃?xì)夤芫W(wǎng)壓力能利用多限于理論研究。因此，有必要對國內(nèi)外壓力能利用進(jìn)行全面梳理，深刻剖析，結(jié)合國家政策及廠站實(shí)際情況指出其存在問題，提出解決方案，為相關(guān)工藝技術(shù)開發(fā)與項(xiàng)目建設(shè)提供參考依據(jù)。

2　壓力能回收利用技術(shù)概況

2.1　壓力能回收利用技術(shù)分類

目前常用的壓力能回收利用方式包括壓力能發(fā)電及壓力能制冷兩大類，主要用于發(fā)電、制冰、冷水空調(diào)、燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻、天然氣脫水及其液化、制取干冰及液態(tài)CO2、輕烴分離、LNG及天然氣水合物(NGH)調(diào)峰、橡膠粉碎和冷庫等領(lǐng)域。日本用天然氣壓差發(fā)電來回收管道的壓力能已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；歐美國家利用管道壓力能為液化天然氣提供冷量的技術(shù)比較成熟^[2]。目前國內(nèi)首個(gè)壓力能利用項(xiàng)目——深圳燃?xì)饧瘓F(tuán)求雨嶺壓力能發(fā)電制冰項(xiàng)目為我國的壓力能回收利用提供了典范^[3-4]；在壓力能的其他利用方面，國內(nèi)外均在開展相關(guān)技術(shù)的研究，但均尚未建設(shè)相應(yīng)的回收裝置。

2.2　壓力能回收利用技術(shù)進(jìn)展

目前，管網(wǎng)壓力能利用技術(shù)研究成果隨著天然氣產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展而取得了很大的進(jìn)展，研究領(lǐng)域涉及面較廣。國內(nèi)外在壓力能利用方面的成功案例仍局限于發(fā)電和制冰，且壓力能利用效率也較低，因此，國內(nèi)外的學(xué)者一直致力于壓力能的利用效率研究以提高壓力能利用效率。

Shen^[5]等提出了利用高壓天然氣管網(wǎng)壓力能制冷的天然氣液化工藝流程。該工藝將來自高壓天然氣管網(wǎng)的天然氣經(jīng)過透平膨脹機(jī)做功，驅(qū)動液化工藝的壓縮系統(tǒng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。高壓氣體在降壓膨脹后，產(chǎn)生的低溫流體中蘊(yùn)涵著非常大的冷能^[6]。對于這部分冷能的回收利用，美國專利^[7-10]介紹了利用高壓管網(wǎng)壓力能制冷液化管道天然氣的工藝，對冷能也有較好的回收利用。

王松嶺等^[11]。提出了一種回收天然氣管網(wǎng)壓力能的新型燃?xì)庖徽羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)，具體流程為：高壓天然氣首先通過膨脹機(jī)膨脹做功，膨脹后溫度和壓力都降低，然后通過空氣進(jìn)氣冷卻器，利用膨脹后低溫天然氣冷卻進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣，之后通過凝汽器，進(jìn)一步吸收蒸汽輪機(jī)排汽熱量，最后經(jīng)過排煙余熱回收器進(jìn)一步加熱后送入燃燒室與從壓氣機(jī)進(jìn)入的空氣混合燃燒。優(yōu)點(diǎn)在于該流程主要通過膨脹機(jī)膨脹、進(jìn)氣冷卻、提高凝汽器真空度、排煙余熱回收4個(gè)部分來回收天然氣能量，提高循環(huán)效率和能源的綜合利用率，最大限度地回收了管網(wǎng)壓力能。

中國專利l01245956A^[12]公開了一種利用天然氣壓力能的方法，即采用無動力制冷機(jī)降壓得到低溫天然氣，然后與常溫冷媒換熱，經(jīng)降溫的冷媒最終被送至冷能用戶，升溫后的天然氣進(jìn)入管網(wǎng)。該方法因工藝方便實(shí)用，同時(shí)降低運(yùn)行成本而具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，也可消除調(diào)壓過程中設(shè)備急冷的安全隱患。

羅東曉^[13]通過對透平膨脹機(jī)、渦流管、氣波制冷機(jī)3種設(shè)備回收壓力能制冷技術(shù)分析后，提出了某天然氣門站利用氣波制冷機(jī)回收壓力能的工藝流程。其中站內(nèi)為冷能獲取部分，站外為冷能利用部分?；厥盏奶烊粴鈮毫δ苡糜诶鋷炜梢源骐娏χ评?，不僅節(jié)約了能源，而且解決了調(diào)壓過程中的噪聲和安全問題，具有顯著的環(huán)保效益和社會效益。

申安云等^[14]提出了一種利用天然氣壓力能的輕烴分離方法。該方法采用膨脹后的低壓天然氣進(jìn)入脫甲烷塔，用于分離高熱值天然氣中的輕烴。該工藝由天然氣預(yù)冷、輕烴分離、冷能利用3部分構(gòu)成。以某門站為例，利用模擬軟件對該工藝進(jìn)行模擬計(jì)算，輕烴回收率可達(dá)到90％。此工藝在降低天然氣熱值的同時(shí)，可以回收大量的輕烴資源，而且整個(gè)系統(tǒng)的能耗較低，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

樊栓獅等^[15]將管網(wǎng)壓力能制冷與天然氣水合物調(diào)峰新技術(shù)聯(lián)合，在高效回收管網(wǎng)壓力能的同時(shí)。又實(shí)現(xiàn)了天然氣的安全儲存與凋峰。鄭志等^[16]認(rèn)為將高壓天然氣管網(wǎng)調(diào)壓過程中回收的電能和冷能與天然氣水合物的制備工藝有機(jī)結(jié)合，優(yōu)化和簡化了天然氣水合物的生成條件和制備流程，實(shí)現(xiàn)了天然氣水合物技術(shù)的規(guī)?；谩?/span>

論立勇等^[17]提出了基于輸氣管網(wǎng)壓力能的天然氣液化調(diào)峰方案，在調(diào)壓過程中進(jìn)行天然氣液化，液化后的天然氣可以用于城市燃?xì)獾娜铡r(shí)調(diào)峰；并對目前常用的調(diào)峰方案進(jìn)行了比較，認(rèn)為該方案幾乎無須消耗電能，運(yùn)行費(fèi)用低。

熊永強(qiáng)等^[18]為解決城市用氣的不均勻性，提出了一種通過回收天然氣調(diào)壓過程中的壓力能，利用膨脹制冷來制取液化天然氣的流程。該流程在增強(qiáng)燃?xì)馄髽I(yè)調(diào)峰能力，平穩(wěn)運(yùn)行天然氣管網(wǎng)的同時(shí)，還可以回收天然氣中的輕烴資源。熊永強(qiáng)等^[19]也研制了一種為廢舊橡膠低溫粉碎提供冷源的制冷裝置，在此裝置中將高壓天然氣分為2股，分別用于通過氣波制冷機(jī)降壓產(chǎn)生低溫和高壓天然氣的預(yù)冷，最后用循環(huán)氮?dú)庾鳛槔涿綖閺U舊橡膠提供冷源。該裝置不僅有效回收了管網(wǎng)壓力能，還降低了廢舊橡膠低溫粉碎的成本。

將上述管網(wǎng)壓力能利用技術(shù)研究成果進(jìn)行匯總，結(jié)果見表1。

上述的研究成果均局限于理論研究，國內(nèi)外的實(shí)際工程案例較少。美國蘭森能源公司發(fā)明了總流量發(fā)電機(jī)，一種主要適用于回收蒸汽和天然氣壓力能的螺桿膨脹機(jī)。將此發(fā)電機(jī)用于壓力能回收的工藝流程為：高壓天然氣先通過加熱器進(jìn)行預(yù)熱，進(jìn)入螺桿膨脹機(jī)膨脹發(fā)電，膨脹發(fā)電后的天然氣溫度降低，再根據(jù)中壓管網(wǎng)的最低輸送溫度要求，在必要時(shí)進(jìn)行加熱后通過中壓管網(wǎng)輸送給下游用戶?；厥諌毫δ芩l(fā)的電量除了可供調(diào)壓站用電設(shè)施，還可以在允許發(fā)電上網(wǎng)的地方直接入網(wǎng)。深圳燃?xì)饧瘓F(tuán)的求雨嶺壓力能發(fā)電制冰項(xiàng)目是我國首個(gè)壓力能利用項(xiàng)目^[3-4]，該項(xiàng)目工藝包括3個(gè)系統(tǒng)：天然氣膨脹發(fā)電系統(tǒng)、電壓縮制冷系統(tǒng)及制冰系統(tǒng)。將天然氣的壓力能通過膨脹發(fā)電供給電壓縮系統(tǒng)的壓縮機(jī)制冷，聯(lián)合調(diào)壓后的低溫天然氣為制冰系統(tǒng)協(xié)同供冷。該制冰項(xiàng)目發(fā)電功率可達(dá)200kW，制冰量為80t／d。項(xiàng)目總造價(jià)為1000×10⁴元左右，年節(jié)電效益達(dá)208×10⁴元。該項(xiàng)目中設(shè)備可橇裝化、多地點(diǎn)循環(huán)使用，全部設(shè)備均可國產(chǎn)化。

3　存在問題及解決措施

3.1　存在問題分析

①壓力能利用進(jìn)展緩慢，工程實(shí)施嚴(yán)重落后。盡管壓力能利用的研究領(lǐng)域十分廣泛，涉及到壓力能發(fā)電、制冰、冷庫、輕烴分離、橡膠粉碎、天然氣液化及水合物調(diào)峰等多個(gè)領(lǐng)域，但大多仍處于理論研究探討階段，壓力能利用項(xiàng)目實(shí)際實(shí)施涉及到燃?xì)狻㈦娏?、制冷等多個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)多個(gè)產(chǎn)業(yè)之間的利益平衡是一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。

②壓力能利用效率低。現(xiàn)有的壓力能利用工藝，由于工藝較為復(fù)雜在實(shí)際建設(shè)中可行性較小，或者對壓力能回收不完全造成能量的浪費(fèi)等，是造成壓力能利用效率低的主要原因。此外，壓力能利用過程中能量匹配的差異也會造成較低的壓力能利用效率。

③天然氣供給存在著季節(jié)、晝夜及小時(shí)的不均勻性。由于下游燃?xì)庑枨罅侩S季節(jié)和晝夜波動，決定了天然氣降壓過程中的冷能無法穩(wěn)定回收。而冷能用戶的需求由冷產(chǎn)品的生產(chǎn)過程、市場需求決定。降壓制冷過程與用冷過程時(shí)間不一致，導(dǎo)致下游燃?xì)庹{(diào)壓需求與冷能用戶對冷能需求匹配程度不高，無法維持天然氣壓力能利用過程的持續(xù)穩(wěn)定。

④中小型壓力能回收存在一定的局限性。目前我國中小調(diào)壓站數(shù)量多、分布廣，但壓力能的回收利用難度大。主要原因在于天然氣調(diào)壓站布局分散，調(diào)壓站與用電用戶之間存在著地理限制，不利于建設(shè)大型的電力回收系統(tǒng)。同時(shí)中小型的壓力能回收裝置技術(shù)不成熟，嚴(yán)重影響著調(diào)壓站壓力能回收的發(fā)展。

⑤壓力能利用技術(shù)成熟度不高。燃?xì)庑袠I(yè)壓力能利用屬于一種新型的余壓利用。與其他的余壓利用項(xiàng)目相比，天然氣是一種易燃易爆的氣體，稍有不慎一經(jīng)泄漏，極易發(fā)生火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)。在未確定其安全可靠的前提下，企業(yè)與政府難以推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

⑥政策支持力度小。目前在壓力能利用的兩種主要方式發(fā)電與制冷中，壓力能用于制冷的利用項(xiàng)目受下游冷能用戶的影響較大；而壓力能用于發(fā)電的利用項(xiàng)目主要依賴電力設(shè)施的建設(shè)(政策允許的條件下)，應(yīng)用較為廣泛，使得壓力能發(fā)電成為壓力能回收利用最主要的方式。然而，目前國家在發(fā)電上網(wǎng)方面未給出積極鼓勵政策，若開展壓力能發(fā)電項(xiàng)目，電能無法輸出的現(xiàn)狀也極大地限制了壓力能項(xiàng)目的開展。

3.2　解決措施

①優(yōu)化改進(jìn)工藝及設(shè)備，提高壓力能利用技術(shù)水平。通過對現(xiàn)有壓力能利用工藝及關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行研究分析，依照具體情況進(jìn)行工藝的優(yōu)化完善及設(shè)備改進(jìn)。同時(shí)，對各工藝進(jìn)行各方面的對比分析，綜合考慮，全面規(guī)劃，選擇出最佳壓力能回收方案及最優(yōu)的回收設(shè)備，提高能量利用率，促進(jìn)壓力能利用技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

②合理建設(shè)壓力能利用項(xiàng)目，豐富壓力能利用方式，積極開展其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能研究。目前壓力能利用主要集中在發(fā)電和制冷兩個(gè)方面，其中壓力能回收的冷量可應(yīng)用在冷庫、制冰、天然氣脫水、輕烴分離、LNG和天然氣水合物調(diào)峰、橡膠粉粹等方面。具體的壓力能利用方式需根據(jù)實(shí)際情況而定，例如：可采用微型透平發(fā)電裝置回收建在燃?xì)庥脩舾浇闹?、小型調(diào)壓站的余壓，將這部分回收的電力直接供應(yīng)附近樓字或居民小區(qū)使用。在大型調(diào)壓站附近建設(shè)熱電聯(lián)產(chǎn)的燃?xì)庹{(diào)峰發(fā)電廠，為起到燃?xì)獾蚍宓淖饔茫姀S燃料燒嘴和燃料系統(tǒng)按使用兩種燃料來設(shè)計(jì)。在冬季電量需求相對較少的情況下，可以少發(fā)電多供熱，或把調(diào)壓站的余能回收電量直接并入電廠的供電系統(tǒng)等。另外，優(yōu)化現(xiàn)有壓力能利用方式的同時(shí)，豐富壓力能利用方式，并積極開展其技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性研究，對我國壓力能利用的發(fā)展至關(guān)重要。

③依托政府扶持政策，利用本身優(yōu)勢大力發(fā)展。管網(wǎng)壓力能同收利用符合我國對于加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型和經(jīng)濟(jì)型社會的發(fā)展要求，具有直接的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此，除了積極爭取得到政府扶持外，還要發(fā)揮自身優(yōu)勢進(jìn)行全力發(fā)展。壓力能回收項(xiàng)目需要在政府統(tǒng)籌規(guī)劃之下，有計(jì)劃地進(jìn)行招商引資，并配合當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展規(guī)劃，爭取實(shí)現(xiàn)與調(diào)壓站同步建設(shè)。同時(shí)，爭取在用地和融資等方面的優(yōu)惠，申請按照國家有關(guān)資源綜合利用產(chǎn)業(yè)減免稅收的優(yōu)惠政策減免各項(xiàng)稅賦，從而順利開展這種節(jié)能減排項(xiàng)目。

4　結(jié)語

管網(wǎng)壓力能的高效回收利用可以提高能源綜合利用率，緩解緊張的用能壓力，增加天然氣管網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。但壓力能回收利用項(xiàng)目存在進(jìn)展緩慢、實(shí)施落后、技術(shù)成熟度低和利用效率低等問題，主要體現(xiàn)在如下幾方面：現(xiàn)有的壓力能回收利用工藝?yán)眯实?、調(diào)壓站的分散性、調(diào)壓站處理量及壓力的差異限制、調(diào)壓站與下游用戶在時(shí)間和空間上的不同步、壓力能利用與實(shí)際結(jié)合不充分等，迫切需要系統(tǒng)全面地解決。因此，可以通過統(tǒng)籌規(guī)劃壓力能利用產(chǎn)業(yè)鏈，做好調(diào)查，加快建設(shè)壓力能利用項(xiàng)目，同時(shí)豐富壓力能利用項(xiàng)目并依靠政府推動，加強(qiáng)扶持力度等方式加快解決，從而使壓力能回收利用技術(shù)更好地沿著節(jié)約高效、清潔環(huán)保的新型能源道路發(fā)展。

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本文作者：高順利  顏丹平  張海梁  李夏喜  孫寶躍  徐文東  李俊麗

作者單位：北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司高壓管網(wǎng)分公司

  華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院