天然氣管網(wǎng)壓力能利用研究進(jìn)展

摘 要

摘要：高壓管網(wǎng)輸送的天然氣在調(diào)壓過程中釋放巨大的壓力能，通過降壓設(shè)備將這部分能量有效回收，用于發(fā)電、天然氣脫水、輕烴分離、LNG及NGH調(diào)峰、橡膠粉碎和冷庫等領(lǐng)域。具體描述
摘要：高壓管網(wǎng)輸送的天然氣在調(diào)壓過程中釋放巨大的壓力能，通過降壓設(shè)備將這部分能量有效回收，用于發(fā)電、天然氣脫水、輕烴分離、LNG及NGH調(diào)峰、橡膠粉碎和冷庫等領(lǐng)域。具體描述了聯(lián)合循環(huán)發(fā)電和回收壓力能所制得的冷能在冷庫中的運(yùn)用。針對天然氣供氣不平衡、調(diào)壓站分布不集中以及能量高效利用的問題，提出了改進(jìn)方案，充分利用膨脹機(jī)輸出的功驅(qū)動壓縮機(jī)等設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，將膨脹制得的冷量運(yùn)用在相應(yīng)的冷產(chǎn)業(yè)中，保證了壓力能的高效利用。
關(guān)鍵詞：高壓管網(wǎng)；天然氣；壓力能；調(diào)峰
Research Progress on Using of Pressure Energy From Natural Gas Pipeline Network
China Resources Gas(Holdings)Limited Liu Zongbin
School of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology Xu Wendong，Bian Haijun，Chen Min
Abstract：The natural gas in the high-pressure pipeline can release tremendous pressure energy during the process of adjusting pressure.The energy recovered effectively by the step-down pressure equipments can be used in the areas of power generation，natural gas dehydration，hydrocarbon separation，LNG and NGH peak-shaving，rubbe-cryogenic grinding and cold storages.The technologies of combined cycle power generation and the using of cold energy which is obtained dm-ing the process of adjusting pressure in cold storages are described. In order to resolve the problems of the nature gas supply imbalance，pressure regulating stations dispersion and using effectively of energy，some improvement suggestions are proposed.The output power of turbo-expander is recovered for driving the compressor and other equipments.Cold energy obtained in the process of step-down pressure is used in the corresponding industries.These all can eusure the efficient use of pressure energy.
Keywords：high-pressure pipeline network；natural gas；pressure energy；peak-shaving
1 緒論
    能源與環(huán)境已成為世界各國關(guān)注的基本問題，迫于當(dāng)今經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的壓力，作為清潔高效能源的天然氣在能源結(jié)構(gòu)中的比重日益加大。長距離、大口徑、高壓力和網(wǎng)絡(luò)化并逐步形成大型的供氣系統(tǒng)已成為當(dāng)前世界天然氣輸氣管道發(fā)展的總趨勢[1]。國外大多數(shù)天然氣輸氣管道壓力在8MPa～12MPa范圍內(nèi)，我國西氣東輸?shù)墓茌攭毫?0MPa，一些管線設(shè)計(jì)壓力在6.4MPa。7.0MPa之間[2]。
   若輸氣壓力從5MPa降至2.5MPa的過程中，天然氣的比壓力火用為110.2kJ/kg。以2006年西氣東輸管道共計(jì)供氣99×108m3為例進(jìn)行計(jì)算，則該管道可回收的壓力能為7781.257×105kJ，相當(dāng)于裝機(jī)24.674MW的電站一年的發(fā)電量[3]。由此可見，高壓天然氣蘊(yùn)含著相當(dāng)大的壓力能。
   若能對此進(jìn)行有效回收，不僅減少了資源的浪費(fèi)，而且對于加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會具有重大意義。
2 天然氣輸送管網(wǎng)壓力能利用技術(shù)概況
    目前國內(nèi)外壓力能回收利用的方式有發(fā)電和制冷兩大類。利用高壓天然氣壓力能發(fā)電主要是以膨脹機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的調(diào)壓閥來回收高壓天然氣降壓過程中的壓力能，并將其用于發(fā)電。高壓氣體在降壓膨脹的過程中因放熱而導(dǎo)致溫度降低，膨脹后產(chǎn)生的低溫流體蘊(yùn)涵著非常大的冷能，以冷媒回收這部分冷量，并將其供給冷量用戶使用，從而達(dá)到回收高壓天然氣壓力能的目的。具體應(yīng)用技術(shù)見表1。
2.1 天然氣壓力能在發(fā)電領(lǐng)域中的應(yīng)用
   在天然氣壓力能發(fā)電技術(shù)中，直接膨脹發(fā)電雖然已經(jīng)投產(chǎn)使用，但它缺少對冷能部分的回收，同時還消耗額外功，效率相對較低。若將天然氣壓力能用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，不僅將降壓時的膨脹功轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動動力部件工作，同時主要回收了膨脹制得的冷量。文獻(xiàn)5中提出的一種回收天然氣管網(wǎng)壓力能用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的新工藝?yán)鞒桃妶D1。

    將高壓天然氣通過透平膨脹做功，帶動壓氣機(jī)工作，減少了燃?xì)廨啓C(jī)消耗在壓氣機(jī)上的功；將膨脹后的低溫天然氣用于燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣冷卻，增加燃?xì)廨啓C(jī)的出力和發(fā)電量；然后將溫度依然很低的天然氣通往凝汽器，冷卻凝汽器的排氣，降低飽和壓力，提高凝汽器真空，降低了機(jī)組煤耗；最后溫度還比較低的天然氣通過排煙余熱回收器，用排煙的余熱加熱天然氣，將升溫后的天然氣送入燃燒室。這個系統(tǒng)不僅可以避免高壓天然氣管線壓力能的浪費(fèi)，還能提高蒸汽聯(lián)合循環(huán)的循環(huán)效率，在很大程度上提高了能源的綜合利用效率。
2.2 天然氣壓力能在冷能領(lǐng)域中的應(yīng)用
    天然氣壓力能回收制得的冷量應(yīng)用范同較廣，如天然氣脫水、輕烴分離、LNG和NGH調(diào)峰、橡膠粉碎，但這些技術(shù)均處于研究探討階段。冷能在冷庫和制冰等領(lǐng)域的運(yùn)用由于其工藝相對簡單、投資較少，效益回收快，節(jié)約電力制冷等優(yōu)勢，其運(yùn)用和發(fā)展有了新的進(jìn)展，已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際開發(fā)運(yùn)用階段。
    傳統(tǒng)冷庫制冷采用電壓縮氨膨脹制冷，需要消耗大量的電力。以氨為制冷劑，1kW的電力可制得約2kW的冷量，將天然氣壓力能用于冷庫可大大降低冷庫的運(yùn)行成本。圖2是某門站利用氣波制冷機(jī)回收壓力能的工藝流程簡圖[13]。
    冷能獲取部分設(shè)在門站內(nèi)，冷能利用部分設(shè)在門站外。調(diào)壓站根據(jù)自身的地理位置和周邊的冷能用戶需求來經(jīng)營壓力能回收的冷能，即起到降壓的作用，同時回收了冷能供用戶使用，不影響正常供氣的同時得到收益又不至于能量的浪費(fèi)。
表1 天然氣壓力能回收和利用技術(shù)
天然氣壓力能運(yùn)用領(lǐng)域和方式
工藝特點(diǎn)
運(yùn)用概況
直接膨脹發(fā)電
高壓氣體膨脹推動電機(jī)發(fā)電，未回收膨脹轉(zhuǎn)化的冷量，需外加能量加熱膨脹導(dǎo)致的溫度過低的天然氣
日本已投產(chǎn)使用
聯(lián)合循環(huán)發(fā)電
膨脹功驅(qū)動壓氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，冷量用于冷卻進(jìn)氣、排氣、回收余熱
研究探討階段
天然氣脫水
降低天然氣露點(diǎn)，避免堵塞，平衡供氣
研究探討階段
輕烴分離
將冷媒和低溫天然氣含有的冷量供冷，形成氣液混合物，在分離器中分離出輕烴
研究探討階段
LNG調(diào)峰
天然氣凈化后，降壓設(shè)備制冷，得到的冷量用于液化天然氣，LNG氣化后調(diào)峰
國內(nèi)外小型液化技術(shù)均已成熟
NGH調(diào)峰
壓力能得到的冷能移走水合物生成的反應(yīng)熱，通過加熱NGH釋放出天然氣調(diào)峰
研究探討階段
橡膠粉碎
經(jīng)降壓設(shè)備制冷得到深冷天然氣，與冷媒換熱，將冷媒冷量供給深冷裝置，天然氣膨脹功驅(qū)動冷媒壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)
研究探討階段
冷庫等
降壓后的低溫天然氣與冷媒換熱，再將冷媒供應(yīng)給冷庫等
已達(dá)到工程應(yīng)用水平
中國專利101245956A[1]采用氣波制冷機(jī)降壓得到低溫天然氣，然后與常溫冷媒換熱，通過冷媒逐級供給-30℃冷庫、-15℃冷庫和空調(diào)冷水系統(tǒng)，升溫后的天然氣進(jìn)入管網(wǎng)。以一個50萬m3/d規(guī)模的調(diào)壓站為例，生產(chǎn)干冰節(jié)電效益約為1024萬元/a，用于冷庫產(chǎn)生的節(jié)電效益約為527萬元/a、用于冷水空調(diào)的節(jié)電效益約為250萬元/a，其工藝如圖3所示。
 

3 存在問題及解決措施
    天然氣壓力能利用主要存在以下幾個問題：①中小調(diào)壓站余能的回收利用難度大；②天然氣調(diào)壓站布局分散，不利于建設(shè)大型的電力回收系統(tǒng)；③調(diào)壓站與冷能用戶之間存在著地理限制，嚴(yán)重影響著調(diào)壓站壓力能回收得到冷能利用的進(jìn)展；④在運(yùn)用中能量匹配存在差異；⑤天然氣供給存在著嚴(yán)重的季節(jié)、晝夜及小時的不均勻性。
    據(jù)此，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)附近樓宇或居民小區(qū)使用[15]。根據(jù)冬季天然氣用量大，夏季用量少的情況，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，電廠燃料燒嘴和燃料系統(tǒng)按使用兩種燃料設(shè)計(jì)，可以起到燃?xì)庹{(diào)峰的作用。另外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)[16]；通過在合理的地域建設(shè)燃?xì)鈨庠O(shè)備，可有效均衡天然氣的使用。對于長輸管道引起的天然氣壓力波動，可在進(jìn)站處設(shè)置穩(wěn)壓設(shè)備穩(wěn)定壓力，保證各儀器設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。
    華南理工大學(xué)某課題組提出了如圖4所示的改進(jìn)工藝[17]。
    該工藝在利用膨脹后的低溫天然氣冷量的同時，利用膨脹機(jī)輸出功驅(qū)動壓縮機(jī)做功，節(jié)省了壓縮機(jī)電耗，壓縮后的氣態(tài)冷媒經(jīng)冷凝后進(jìn)入冷媒儲罐備用。將所制得的冷能充分用于冷庫、冷水空調(diào)或其它冷產(chǎn)業(yè)。同時，工藝中高低壓天然氣調(diào)峰罐的使用，起到了穩(wěn)流天然氣的作用，保證了膨脹機(jī)輸出功的穩(wěn)定性。
    在實(shí)際工程實(shí)施中，應(yīng)充分考慮到調(diào)壓站與周邊冷能用戶的關(guān)系，力求做到能量的合理、經(jīng)濟(jì)、最優(yōu)化利用。
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(本文作者：劉宗斌1 徐文東2 邊海軍2 陳敏2 1.華潤燃?xì)庥邢薰?518001；2.華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 510640)