摘要：為了節(jié)省天然氣輸送過(guò)程中的管線投資，一般長(zhǎng)距離輸氣管線的天然氣輸送壓力很高。但高壓天然氣在進(jìn)入城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)前，需要進(jìn)行降壓處理，降壓過(guò)程中的壓力損失，實(shí)際上是能量損失，這一過(guò)程會(huì)導(dǎo)致天然氣的溫度顯著下降，產(chǎn)生大量高品質(zhì)的冷能。本文通過(guò)對(duì)于采用透平膨脹機(jī)進(jìn)行降壓的過(guò)程建立數(shù)學(xué)分析模型，論述了通過(guò)膨脹進(jìn)行降壓時(shí)高壓天然氣產(chǎn)生的冷能的計(jì)算方法，并對(duì)不同降壓梯度的冷能大小進(jìn)行了評(píng)估。同時(shí)，對(duì)經(jīng)過(guò)透平膨脹機(jī)膨脹降壓后天然氣的溫度的計(jì)算方法也進(jìn)行了分析和改進(jìn)，為充分利用天然氣降壓過(guò)程產(chǎn)生的冷能提供了量的計(jì)算基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高壓天然氣；冷能；分析；熱力學(xué)計(jì)算；焓熵圖

High-pressure Natural Gas

Abstract：Generally speaking，the pressure of long-distant natural gas pipeline are very high for the purpose of saving the pipeline investment in the process of natural gas transportation. But the high-pressure natural gas has to experience pressure reduction before entering into the city gas transmission and distribution network，the pressure loss is actually the energy loss，in this process，the temperature of natural gas would be significantly dropped，and produced a large number of high-quality cold energy. The calculation method of cold energy from high-pressure natural gas that produced in the process of depressurization is discussed and the cold energy among different depressurization gradients are evaluated by establishing a exergy mathematical model for the process of adopting the turbo-expander to reduce the pressure. Meanwhile，the calculation method of the temperature of natural gas after depressurization by the turbo-expander expansion is also be analyzed and improved，it provides a quantity basis for taking full advantage of cold energy.

Key words：high-pressure natural gas：cold energy；exergy analysis；thermodynamic calculation；enthalpy-entropy diagram

　天然氣是一種高效的清潔能源，近年來(lái)，它在一次能源消費(fèi)中的比例不斷提高，并成為繼煤和石油之后的第三大能源形式。同時(shí)，我國(guó)也加快了天然氣輸氣管網(wǎng)的建設(shè)。由于采2用高壓輸氣可以減小輸送管道的管徑，從而節(jié)省管材和施工費(fèi)用，故當(dāng)前世界上天然氣的長(zhǎng)輸管道均采用高壓輸送，國(guó)外長(zhǎng)輸管道的輸送壓力多數(shù)都在10MPa以上。目前，我國(guó)管道天然氣的長(zhǎng)途輸送，也大多采用高壓管輸?shù)姆绞?，如已?jīng)投入使用的西氣東輸一線管道的輸氣壓力就達(dá)到了10MPa^[1～4]。

　通過(guò)高壓管線將天然氣輸送到用氣地區(qū)的城市門站后，需用調(diào)壓裝置調(diào)壓后才能進(jìn)入城市輸氣管網(wǎng)供給用戶使用^[5、6]。且由于降壓過(guò)程引起的天然氣低溫使其對(duì)后續(xù)的管道系統(tǒng)構(gòu)成了潛在的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)^[7]。

　降壓過(guò)程中天然氣的低溫效應(yīng)實(shí)際上已經(jīng)使其成為了一種低溫介質(zhì)，這對(duì)于需要冷能的工藝或者系統(tǒng)提供了利用的可能。如果要充分有效的利用冷能，在用調(diào)壓器進(jìn)行降壓的工藝過(guò)程中是很難實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的降壓方法是利用節(jié)流原理進(jìn)行降壓的，這導(dǎo)致降壓過(guò)程中傭損較大，造成了巨大的能量損失^[8、9]。

　有效回收冷能的設(shè)備可以采用透平膨脹機(jī)^[8～10]。透平膨脹機(jī)是一種膨脹降壓、回收能量的關(guān)鍵設(shè)備，它是利用工質(zhì)流動(dòng)時(shí)速度的變化來(lái)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的。如果采用透平膨脹機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓過(guò)程，高壓天然氣經(jīng)膨脹降壓后溫度顯著下降，可產(chǎn)生大量高品質(zhì)的冷能，而冷能的大小便是其是否具有利用價(jià)值的關(guān)鍵參數(shù)。如果能準(zhǔn)確地分析此過(guò)程中天然氣冷能的變化情況，那么這將為合理回收和利用天然氣冷能提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

　是某種能量在理論上能夠可逆地轉(zhuǎn)換為功的最大數(shù)量，稱為該能量中具有的可用能^[11]。下面利用分析法建立數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行分析。

　從熱力學(xué)角度看，天然氣管道可以看成一種開(kāi)口系統(tǒng)。天然氣經(jīng)節(jié)流或作等熵膨脹過(guò)程中的可表示為某壓力條件下熱不平衡引起的溫度與某溫度條件下力不平衡引起的壓力之和^[11]，即

e_s,h=e_x,T+e_x,p    (1)

式中e_s,h——天然氣的比焓，kJ/kg

    e_x,T——天然氣的比溫度，kJ/kg

    e_x,p——天然氣的比壓力，kJ/kg

　天然氣在從環(huán)境溫度降低到溫度T的過(guò)程中，其比溫度為^[11]：

 

式中T₀——環(huán)境溫度，K

       T——狀態(tài)變化后的天然氣溫度，K

        P₁——狀態(tài)變化前的天然氣絕對(duì)壓力，MPa

        C_p——天然氣的比定壓熱容，kJ/(kg·k)

比壓力相當(dāng)于天然氣等溫流動(dòng)時(shí)由于膨脹所作的技術(shù)功^[11]，即

 

式中P₂——狀態(tài)變化后的天然氣絕對(duì)壓力，MPa

       v——天然氣的比體積，m³/kg

        R_g——甲烷摩爾氣體常數(shù)，一般取0.518kJ/(kg·k)

　由式(2)可知，要想求出高壓天然氣膨脹降壓過(guò)程中產(chǎn)生的冷能的大小，就必須求出經(jīng)透平膨脹機(jī)膨脹降壓后天然氣的溫度，下面來(lái)具體分析它的確定方法。

　2.2.1 熱力學(xué)計(jì)算法

　從工程熱力學(xué)可知，對(duì)于理想氣體在絕熱等熵膨脹時(shí)，它的膨脹過(guò)程可以用下述簡(jiǎn)單的指數(shù)方程來(lái)表示^[12]：

　pv^k=常數(shù)    (4)

　但是在實(shí)際的透平膨脹機(jī)中，膨脹工質(zhì)偏離了理想氣體，因此上式就不再適用了。由于式(4)非常簡(jiǎn)便，所以在實(shí)際的膨脹過(guò)程中常常仍采用上述指數(shù)方程的形式，但同時(shí)又考慮實(shí)際氣體和流動(dòng)損失的影響。對(duì)于實(shí)際氣體的絕熱非等熵膨脹過(guò)程，這個(gè)過(guò)程可以利用與多變過(guò)程相似的過(guò)程方程式，即^[13]：

pvⁿ=常數(shù)    (5)

其中

式中n——絕熱非等熵過(guò)程的指數(shù)

    k——比熱容比，甲烷一般取1.29^[12]

    φ——透平膨脹機(jī)的速度系數(shù)

由式(6)求出絕熱非等熵過(guò)程的指數(shù)n后，便可由下式算出膨脹降壓后天然氣的溫度^[12]：

 

    式中T₁——透平膨脹機(jī)進(jìn)口氣體溫度，K

        T₂——透平膨脹機(jī)出口氣體溫度，K

　2.2.2 焓熵圖法

　在透平膨脹機(jī)中，標(biāo)志能量轉(zhuǎn)換過(guò)程完善程度的指標(biāo)就是效率。從理論上來(lái)說(shuō)，膨脹工質(zhì)在給定的進(jìn)、出口條件下可能實(shí)現(xiàn)的最大比焓降應(yīng)為等熵比焓降△hs，因此等熵比焓降是一個(gè)比較的標(biāo)準(zhǔn)。透平膨脹機(jī)進(jìn)、出口實(shí)際比焓降△h與等熵比焓降之比稱為等熵效率^[14]：

 

　式中η_s——透平膨脹機(jī)等熵效率

        h₁——透平膨脹機(jī)進(jìn)口天然氣的比焓，kJ/kg

        h₂——透平膨脹機(jī)出口天然氣的比焓，kJ/kg

        h₃——天然氣在透平膨脹機(jī)中作等熵膨脹后的比焓，kJ/kg

　根據(jù)天然氣進(jìn)入透平膨脹機(jī)前的狀態(tài)參數(shù)T₁、P₁，可以從甲烷的焓熵圖^[15]中讀出h₁、h_s的值，若給定透平膨脹機(jī)的等熵效率，則由式(8)可求出透平膨脹機(jī)出口天然氣的比焓h₂，而透平膨脹機(jī)出口天然氣的壓力P₂是確定的，由h₂和P₂的值就可以在焓熵圖上確定透平膨脹機(jī)出口氣體溫度T₂的值。

　用熱力學(xué)計(jì)算法計(jì)算膨脹降壓后天然氣的溫度以及膨脹降壓產(chǎn)生的冷能。

　為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假定天然氣全部由甲烷構(gòu)成，取環(huán)境溫度為25℃，環(huán)境壓力(絕對(duì)壓力)為0.1MPa，天然氣輸送溫度為20℃，天然氣的比定壓熱容c_p取為2.223kJ/(kg·k)，透平膨脹機(jī)的速度系數(shù)為O.96。則此時(shí)絕熱非等熵過(guò)程的指數(shù)n為：

 

　如果輸氣管道壓力(相對(duì)壓力)P₁為10MPa，此壓力與西氣東輸管道設(shè)計(jì)輸氣壓力相同，用戶端壓力(相對(duì)壓力P₂為0.4MPa，由式(5)計(jì)算得知天然氣(甲烷)經(jīng)透平膨脹機(jī)膨脹降壓后的溫度降為

 

　則膨脹后天然氣比溫度可由式(2)計(jì)算出

　在不同的輸氣管道壓力下，當(dāng)用戶端壓力相同時(shí)，膨脹降壓后的溫度不同，冷能也會(huì)不同。同理可計(jì)算出環(huán)境溫度為25℃，輸氣管道壓力(相對(duì)壓力)P₁分別為8MPa、6MPa、4MPa、2MPa時(shí)，天然氣(甲烷)經(jīng)透平膨脹機(jī)膨脹降壓后的溫度以及比溫度，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

　資料顯示，西氣東輸一線管道每年供氣120.0×10⁸m³，如果取O.1MPa，25℃時(shí)甲烷的密度為O.7192kg/m³，則管路中甲烷的質(zhì)量流量為86.3×10⁸kg，以此為例，則每年可回收的冷能為1.07×10¹²kJ。取同樣的參數(shù)條件，則可以計(jì)算出國(guó)內(nèi)部分陸上天然氣管道可回收的冷能。國(guó)內(nèi)部分陸上天然氣管道情況及可回收的冷能見(jiàn)表2。

　若高壓天然氣膨脹降壓過(guò)程中產(chǎn)生的冷能能以100%的效率轉(zhuǎn)化為電能，則由表2可知，在文中所取的參數(shù)條件下，忠武線、陜呼線、陜京一線、澀寧蘭線、西氣東輸線可回收的冷能分別相當(dāng)于7.94×10⁷、2.52×10⁷、3.5×10⁷、5.31×10⁷、2.97×10⁸kW·h的電能。

　本文建立數(shù)學(xué)模型對(duì)高壓天然氣在透平膨脹機(jī)中的膨脹降壓過(guò)程進(jìn)行了分析，經(jīng)計(jì)算得知降壓梯度越大，降壓后的溫度越低，所能回收利用的冷能就越大。隨著我國(guó)天然氣輸氣管網(wǎng)的不斷完善，越來(lái)越多的天然氣將通過(guò)高壓管網(wǎng)輸送給用戶，由此可知我國(guó)高壓天然氣降壓后產(chǎn)生的冷能的總量是非常大的，若能合理地回收利用這部分能量，將會(huì)收到可觀的經(jīng)濟(jì)利益，對(duì)提高能源利用率以及節(jié)能環(huán)保都具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

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(本文作者：李靜靜 彭世尼 重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院)