天然氣冷能回收技術(shù)在門站的應(yīng)用

摘 要

摘要：結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)門站天然氣調(diào)壓過(guò)程中產(chǎn)生的冷能進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)合門站周邊企業(yè)用冷需求，提出了采用氣波制冷機(jī)的冷能回收與利用方案。在門站實(shí)施冷能回收，替代用冷企業(yè)電力制
摘要：結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)門站天然氣調(diào)壓過(guò)程中產(chǎn)生的冷能進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)合門站周邊企業(yè)用冷需求，提出了采用氣波制冷機(jī)的冷能回收與利用方案。在門站實(shí)施冷能回收，替代用冷企業(yè)電力制冷，可產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
關(guān)鍵詞：天然氣；門站；壓力能；冷能回收；氣波制冷機(jī)
Application of Natural Gas Cold Energy Recovery Technology at Gate Station
LUO Dongxiao
Abstract：The cold energy produced during natural gas pressure regulation at a gate station is calculated through an engineering example.The cold energy recovery and utilization scheme using gas wave refrigerator is proposed according to the cold energy demand of enterprises around the gate station.The cold energy recovered at the gate station can be used as a substitute for electrical refrigeration，providing significant economic and social benefits.
Key words：natural gas；gate station；pressure energy；cold energy recovery；gas wave refrigerator
1 新奧東莞天然氣門站簡(jiǎn)介
   新奧東莞天然氣門站(以下簡(jiǎn)稱東莞門站)毗鄰上游供氣單位——廣東大鵬液化天然氣有限公司的東莞分輸站，擔(dān)負(fù)著向東莞東城、南城、莞城等城區(qū)，以及虎門、石碣等區(qū)域范圍內(nèi)各類用戶(燃?xì)怆姀S、CNG加氣站、大型工業(yè)用戶等)的供氣任務(wù)。
   上游長(zhǎng)輸管道的來(lái)氣抵達(dá)東莞分輸站后，經(jīng)過(guò)濾、計(jì)量后送達(dá)東莞門站，天然氣在門站內(nèi)經(jīng)過(guò)必要的處理，依據(jù)需要被調(diào)節(jié)成不同壓力，分別送往相應(yīng)的用戶或管網(wǎng)。按照設(shè)計(jì)，東莞門站天然氣處理總量為160×104m3/d，天然氣進(jìn)站溫度為15℃、壓力為9.0MPa。
    東莞門站工藝流程見(jiàn)圖1。出站的天然氣壓力等級(jí)有3種，分別為：①供應(yīng)東城、南城、虎門調(diào)壓站、虎門電廠，處理量為65×104m3/d，由調(diào)壓裝置1實(shí)現(xiàn)壓力由9.0MPa降至4.0MPa；②供應(yīng)東城科技園、寮步中壓管網(wǎng)，處理量為35×104m3/d，由調(diào)壓裝置2實(shí)現(xiàn)壓力由4.0MPa降至0.3MPa；③供應(yīng)東興電廠(每天發(fā)電時(shí)間為16h左右)，處理量為60×104m3/d，由調(diào)壓裝置3實(shí)現(xiàn)壓力由9.0MPa降至2.5MPa。
    為應(yīng)對(duì)天然氣調(diào)壓過(guò)程中的大幅度溫降，門站內(nèi)設(shè)置3臺(tái)WNS2.1型熱水鍋爐，燃燒天然氣生產(chǎn)熱水，在每個(gè)調(diào)壓裝置之前以熱水通過(guò)換熱器對(duì)天然氣加熱升溫，以確保調(diào)壓后的天然氣溫度符合要求。熱水鍋爐天然氣消耗量約3200m3/d。

    華潤(rùn)東莞雪花啤酒有限公司(以下簡(jiǎn)稱啤酒公司)與東莞門站一墻之隔，啤酒生產(chǎn)過(guò)程中的低溫冷卻工序所需冷量由電力驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)提供。2011年該公司啤酒產(chǎn)量達(dá)35×104t，用于制冷的耗電量約720×104kW·h。為降低耗電量，考慮利用天然氣冷能回收技術(shù)[1～7]，為啤酒公司提供冷量。
2 冷能回收計(jì)算
LNG的冷能可分為低溫、壓力[8]。對(duì)于管道天然氣，由于溫度接近常溫，低溫遠(yuǎn)小于壓力，因此通常只考慮壓力。當(dāng)壓力為p1的高壓天然氣降壓至壓力p2時(shí)，冷能比ex的計(jì)算式為：
 
式中ex——冷能比，kJ/kg
    T0——環(huán)境溫度，K
    R——摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)
    p1——降壓前的絕對(duì)壓力，MPa
    p0——大氣絕對(duì)壓力，MPa
    p2——降壓后的絕對(duì)壓力，MPa
    東莞門站的天然氣來(lái)自深圳大鵬天然氣，各組分的體積分?jǐn)?shù)為：甲烷88.77%，乙烷7.54%，丙烷2.59%，正丁烷0.57%，異丁烷0.45%，氮?dú)?.08%。經(jīng)計(jì)算可得，3個(gè)調(diào)壓裝置所在支路可回收的最大冷能分別為：調(diào)壓裝置1所在支路，能夠回收的最大冷能為107.5GJ/d；調(diào)壓裝置2所在支路，能夠回收的最大冷能為71.1GJ/d；調(diào)壓裝置3所在支路，能夠回收的最大冷能為90.2GJ/d。由此可知，東莞門站可回收的最大冷能為268.8GJ/d。
3 冷能回收利用技術(shù)方案
3.1 基本思路
    在東莞門站內(nèi)增設(shè)3套冷能回收裝置與現(xiàn)有3套調(diào)壓裝置并聯(lián)。正常工況下，高壓天然氣進(jìn)入冷能回收裝置，壓力降至要求值，溫度大幅度下降，壓力降低后的低溫天然氣再進(jìn)入換熱器與來(lái)自啤酒公司的冷媒換熱，天然氣溫度升高至5℃出門站外送相應(yīng)的用戶或管網(wǎng)，冷媒降溫后返回啤酒公司冷媒儲(chǔ)罐供用冷設(shè)備使用。此時(shí)，電力制冷機(jī)可停用或作為補(bǔ)充。正常工況下，冷能回收裝置具備獲取冷能和降低天然氣壓力的功能。非正常工況下，出現(xiàn)故障的冷能回收裝置停運(yùn)，高壓天然氣進(jìn)入調(diào)壓裝置進(jìn)行調(diào)壓，符合壓力、溫度要求的天然氣外送相應(yīng)的用戶或管網(wǎng)，其他冷能回收裝置照常運(yùn)行。
3.2 冷能回收系統(tǒng)
   ① 天然氣負(fù)荷規(guī)律
   壓力為4.0MPa供氣支路，總處理量為100×104m3/d。其中流量為35×104m3/d的一部分在門站內(nèi)調(diào)壓至0.3MPa后分別供應(yīng)東城科技園中壓管網(wǎng)、寮步中壓管網(wǎng)。另一部分流量為65×104m3/d，分別供應(yīng)東城調(diào)壓站、南城調(diào)壓站、虎門調(diào)壓站、虎門電廠?；㈤T電廠為調(diào)峰發(fā)電廠，每天發(fā)電16h，用氣時(shí)段負(fù)荷均衡。壓力為4.0MPa的天然氣抵達(dá)東城調(diào)壓站、南城調(diào)壓站、虎門調(diào)壓站后，再次調(diào)壓至0.3MPa，這3個(gè)調(diào)壓站所轄用戶均以工業(yè)、商業(yè)用戶為主，有部分居民用戶，用氣曲線具有典型城市燃?xì)庥脩籼卣鳌?/span>
    壓力為0.3MPa供氣支路，總處理量為35×104m3/d，東城科技園中壓管網(wǎng)用戶基本上為工業(yè)用戶，用氣負(fù)荷較為均衡。寮步中壓管網(wǎng)用戶以工業(yè)、商業(yè)用戶為主，居民用戶用氣量約占12%，用氣曲線具有典型城市燃?xì)庥脩籼卣?sup>[9]。
    壓力為2.5MPa供氣支路，總處理量為60×104m3/d，供應(yīng)給東興電廠。東興電廠也是調(diào)峰發(fā)電廠，每天發(fā)電16h，用氣時(shí)段負(fù)荷均衡。
    ② 冷能回收裝置的選取
    將壓力能轉(zhuǎn)換為冷能是天然氣壓力能回收利用技術(shù)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。目前，冷能回收裝置主要有透平膨脹機(jī)、渦流管、節(jié)流膨脹閥、氣波制冷機(jī)等[10]。分析上述各類冷能回收裝置的特性，并考慮東莞門站的工況條件和用氣負(fù)荷特征，氣波制冷機(jī)作為一種先進(jìn)高效的冷能回收裝置，應(yīng)用在東莞門站是較為適合的[9]。它利用天然氣的壓力能產(chǎn)生激波、膨脹波使氣體制冷，具有設(shè)備造價(jià)低、操作簡(jiǎn)便、故障率低、運(yùn)行可靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用省的特點(diǎn)。
   ③ 冷能回收系統(tǒng)工藝流程
   采用氣波制冷機(jī)作為冷能回收裝置，將啤酒公司冷媒引入門站內(nèi)換熱器換熱，構(gòu)成冷能回收系統(tǒng)，工藝流程見(jiàn)圖2。

   9.0MPa、15℃的天然氣分別進(jìn)入氣波制冷機(jī)1、3獲取冷能，壓力、溫度分別降至4.0MPa、-44℃和2.5MPa、-70℃，經(jīng)過(guò)換熱器1、3后溫度升至5℃。
   經(jīng)換熱器1的天然氣，一部分進(jìn)入氣波制冷機(jī)2，壓力、溫度分別降至0.3MPa、-28℃，經(jīng)過(guò)換熱器2溫度升至5℃后出門站供應(yīng)東城科技園中壓管網(wǎng)、寮步中壓管網(wǎng)。另一部分直接出門站進(jìn)入4.0MP。高壓管網(wǎng)供應(yīng)東城調(diào)壓站、南城調(diào)壓站、虎門調(diào)壓站、虎門電廠。經(jīng)換熱器3的天然氣，壓力、溫度分別為2.5MPa、5℃，供應(yīng)東興電廠。
    冷媒(酒精水溶液)來(lái)自啤酒公司，進(jìn)口溫度為15℃.出口溫度為-20℃，各個(gè)換熱器的冷媒流量由自動(dòng)控制系統(tǒng)控制，確保各個(gè)換熱器出口冷媒溫度一致。經(jīng)過(guò)流量計(jì)計(jì)量后供應(yīng)給啤酒公司，與啤酒公司的結(jié)算依據(jù)是由冷媒流量與溫差計(jì)算得到的實(shí)際冷能。
   ④ 氣波制冷機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)確定
   受用戶性質(zhì)和用氣規(guī)律的影響，3臺(tái)氣波制冷機(jī)所在支路的冷能分布不均勻?？紤]到氣波制冷機(jī)變負(fù)荷能力不強(qiáng)，為了最大限度回收天然氣冷能，在氣波制冷機(jī)選型時(shí)，需準(zhǔn)確掌握實(shí)際工況數(shù)據(jù)，確保氣波制冷機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際工況基本一致。因此選取與實(shí)際小時(shí)流量最為吻合的數(shù)據(jù)作為氣波制冷機(jī)的設(shè)計(jì)流量。
    當(dāng)流經(jīng)氣波制冷機(jī)的天然氣實(shí)際流量等于設(shè)計(jì)流量時(shí)，所有天然氣均進(jìn)入氣波制冷機(jī)內(nèi)降溫降壓，再進(jìn)入換熱器與冷媒換熱。當(dāng)實(shí)際流量高于設(shè)計(jì)流量時(shí)，超出部分則通過(guò)與之并聯(lián)的調(diào)壓裝置進(jìn)行調(diào)壓，兩股氣流匯合后外供。
    當(dāng)用戶用氣流量低于氣波制冷機(jī)設(shè)計(jì)流量時(shí)，通過(guò)氣波制冷機(jī)前的調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)，使進(jìn)入氣波制冷機(jī)的天然氣流量降低、氣體壓力下降，盡管進(jìn)出氣波制冷機(jī)的氣體壓縮比有所降低，但進(jìn)入氣波制冷機(jī)的工況流量基本不變，從而保證氣波制冷機(jī)出口壓力不至于超壓。此時(shí)，與之并聯(lián)的常規(guī)調(diào)壓回路沒(méi)有氣體流過(guò)。非正常工況時(shí)，氣波制冷機(jī)停運(yùn)，高壓天然氣進(jìn)入與之并聯(lián)的調(diào)壓裝置，滿足用戶需求。
    ⑤ 東莞門站的可利用冷能
    東莞門站3個(gè)調(diào)壓支路擁有的最大冷能為268.8GJ/d，但這并不等于可利用冷能。原因在于任何冷能回收裝置及換熱器都存在效率問(wèn)題，況且用氣負(fù)荷的不均勻性也易導(dǎo)致冷能不能完全回收。將氣波制冷機(jī)作為冷能回收裝置時(shí)，對(duì)東莞門站可回收利用的冷能進(jìn)行計(jì)算，并折算成節(jié)省的電量?；谔烊粴庳?fù)荷的不均勻性，可回收利用的冷能按照最大冷能的70%進(jìn)行核算。在進(jìn)行節(jié)省電量的計(jì)算時(shí)，制冷性能系數(shù)取3.0。
    經(jīng)計(jì)算可得，氣波制冷機(jī)1可回收的冷能為75.25GJ/d，相當(dāng)于節(jié)省電量6967.6kW·h/d；氣波制冷機(jī)2可回收的冷能為49.77GJ/d，相當(dāng)于節(jié)省電量4608.3kW·h/d；氣波制冷機(jī)3可回收的冷能為63.14GJ/d，相當(dāng)于節(jié)省電量5846.3kW·h/d。東莞門站可回收利用的總冷能為188.16GJ/d，相當(dāng)于節(jié)省總電量為17422.2kW·h/d。
    ⑥ 冷能利用方式
    啤酒公司采用優(yōu)先利用門站冷能的方式，不足部分采用自有電力制冷機(jī)補(bǔ)充。此外，設(shè)置較大容量的冷媒儲(chǔ)罐可有效解決供冷與用冷需求間的不平衡問(wèn)題。
4 經(jīng)濟(jì)性分析
    冷能回收利用項(xiàng)目的造價(jià)為850×104元。每年可節(jié)省用于熱水鍋爐制備熱水的天然氣112×104m3/a，天然氣價(jià)格按3.6元/m3計(jì)算，折合403.2×104元。當(dāng)全部可回收冷能被回收利用時(shí)，每年可節(jié)省耗電量635.9×104kW·h/a，電價(jià)按0.6元/(kW·h)計(jì)算，則出售冷能的收益為381.5×104元。經(jīng)計(jì)算可得，總經(jīng)濟(jì)效益為784.7×104a，基本上1年就能收回增加冷能回收系統(tǒng)的造價(jià)。冷能回收利用項(xiàng)目利用的是天然氣抵達(dá)門站后的壓力能，具有典型的節(jié)能減排特征，提升了天然氣銷售的附加值。按照節(jié)約1kW·h電減排0.997kg二氧化碳計(jì)算，相當(dāng)于減排二氧化碳634t/a。
    分析表明，該項(xiàng)目具備技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，可復(fù)制性強(qiáng)，能提升天然氣的附加值，具有明顯的示范效應(yīng)，市場(chǎng)推廣應(yīng)用前景廣闊。
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(本文作者：羅東曉1、2 1.新奧能源控股有限公司 河北廊坊 065001；2.中山大學(xué) 廣東廣州 510275)