回收高壓管輸氣壓力能用于冷庫的技術(shù)

摘 要

摘要：天然氣以高壓方式通過長輸管道輸送到終端用戶后，通常需要通過調(diào)壓設(shè)備進(jìn)行降壓處理，以便與用氣設(shè)施匹配。國內(nèi)外的現(xiàn)實(shí)情況是，調(diào)壓過程中天然氣內(nèi)蘊(yùn)含的巨大壓力能不僅被白
摘要：天然氣以高壓方式通過長輸管道輸送到終端用戶后，通常需要通過調(diào)壓設(shè)備進(jìn)行降壓處理，以便與用氣設(shè)施匹配。國內(nèi)外的現(xiàn)實(shí)情況是，調(diào)壓過程中天然氣內(nèi)蘊(yùn)含的巨大壓力能不僅被白白浪費(fèi)掉，而且還因?yàn)榧眲〗禍貙φ{(diào)壓及管道設(shè)備運(yùn)行安全構(gòu)成威脅。研究壓力能回收利用技術(shù)，將其用于發(fā)電、冷庫、冷水空調(diào)、制冰、滑冰場、空氣分離、干冰生產(chǎn)、橡膠深冷粉碎以及天然氣輕烴分離等領(lǐng)域。節(jié)能效果顯著，同時(shí)可消除生產(chǎn)過程產(chǎn)生的噪音和設(shè)備安全隱患，經(jīng)濟(jì)、社會效益都將十分可觀，市場推廣應(yīng)用前景廣闊，對于提高能源利用效率、促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞：天然氣；壓力能；冷能；回收利用
1 引言
    天然氣一般通過管道以高壓形式輸送[1]，但到達(dá)終端用戶時(shí)往往又需要進(jìn)行降壓處理。如果能夠?qū)⒔祲哼^程中這部分壓力能轉(zhuǎn)換成冷能加以回收利用，無疑可以產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益，意義深遠(yuǎn)而重大。
    計(jì)算結(jié)果表明，輸送壓力為10MPa的高壓天然氣降壓至0.4MPa時(shí)，能夠回收的最大壓力火用為400kJ/kg以上。以此推算，一個(gè)300億m3/a規(guī)模的輸氣項(xiàng)目，一年可以回收的壓力能可達(dá)近2億kwh的電力，節(jié)能效果是顯著的。
2 高壓管道天然氣壓力能轉(zhuǎn)換成冷能的技術(shù)
   將高壓天然氣降壓過程中的壓力能轉(zhuǎn)換為冷能的技術(shù)有很多種，核心設(shè)備是透平膨脹機(jī)、氣波制冷機(jī)、渦流管、射流管、脈動管、激流泵等，工作原理各不相同，其中傳統(tǒng)的透平膨脹機(jī)使用最為普遍[2]，先進(jìn)的氣波制冷機(jī)應(yīng)用技術(shù)則發(fā)展最快。透平膨脹機(jī)可以同時(shí)利用高壓天然氣在膨脹過程中由于體積增加而產(chǎn)生的機(jī)械能和氣體膨脹后溫度降低所得到的低溫冷能；而氣波制冷機(jī)則主要是利用高壓天然氣膨脹后溫度降低所得到的低溫冷能。
2.1 透平膨脹機(jī)回收壓力能制冷技術(shù)
    高壓天然氣在透平膨脹機(jī)的靜噴嘴環(huán)流道內(nèi)降壓提速。射入動葉柵流道再流出，出入口動量矩的改變使氣流對葉柵做功，氣流的動能降低，滯止焓下降，達(dá)到對外做功和制冷的目的。透平膨脹機(jī)用于天然氣壓力能制冷時(shí)的效率較高，可以達(dá)到70%～80%。但不足之處是結(jié)構(gòu)特別是潤滑系統(tǒng)復(fù)雜，制造成本高；操作維修難度大；變工況適應(yīng)性差，當(dāng)進(jìn)口氣體流量變化超過±20%時(shí)，將會顯著影響膨脹機(jī)的制冷效率。該技術(shù)只適合用于天然氣負(fù)荷比較穩(wěn)定的工況。
2.2 渦流管回收壓力能制冷技術(shù)
    渦流管是一種結(jié)構(gòu)簡單的能量分離裝置。高壓氣流在渦流管內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)過渦流變換后分離成總溫不相等的兩部分氣流，處于中心部位的氣流溫度低，而處于外層部位的氣流溫度高，調(diào)節(jié)冷熱流比例。可以得到最佳制冷效應(yīng)或制熱效應(yīng)，產(chǎn)生高溫和低溫兩種氣流。
    進(jìn)口氣體的壓力是渦流管工作的唯一動力源，膨脹比增加，在相同的冷流率下，渦流管的制冷溫度效應(yīng)顯著增加。
    渦流管沒有運(yùn)動部件。重量輕，體積小。具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、運(yùn)行安全可靠、造價(jià)低廉的優(yōu)勢。但制冷效率比較低，且受進(jìn)口氣體壓力、流量的影響比較大，只能用于一些特定的場合。
2.3 氣波制冷機(jī)回收壓力能制冷技術(shù)
    氣波制冷機(jī)是利用氣體的壓力能產(chǎn)生激波和膨脹波使氣體降溫的一種制冷設(shè)備，又稱壓力波制冷機(jī)或熱分離機(jī)[3]。它在制冷工藝中的作用與透平膨脹機(jī)、節(jié)流閥一樣，熱力過程則與膨脹機(jī)相似，靠氣體的等熵膨脹過程獲得低溫。與膨脹機(jī)不同之處在于，它是以氣波(激波、膨脹波)為主要工作元件的機(jī)器。其主要特點(diǎn)如下：
    ① 制冷效率高達(dá)75%，不需外部動力驅(qū)動，節(jié)能效果明顯。
   ② 設(shè)備投資低。
   ③ 制冷部分無運(yùn)動部件，且具有較強(qiáng)的兩相流侵蝕的能力，對氣體在機(jī)器內(nèi)發(fā)生的液化現(xiàn)象不敏感，允許帶液率最高達(dá)50%，適用于在氣體冷卻過程中會出現(xiàn)氣液兩相流的工況。
    ④ 對進(jìn)口高壓氣體的組成、流量、壓力及膨脹比的變化有較強(qiáng)的適應(yīng)性，特性曲線平坦，允許操作工況變化范圍大，適用的膨脹比范圍廣，不需要儀表控制。該工藝用于天然氣制冷的適用條件為：進(jìn)氣壓力范圍為0.6MPa～30.0MPa，流量范圍為1.0～40.0×104m3/d，膨脹比范圍為2～7。
    通過對上述3種不同的設(shè)備用于回收天然氣壓力能進(jìn)行制冷的技術(shù)進(jìn)行分析后得知，氣波制冷機(jī)的技術(shù)特征比較符合天然氣調(diào)壓站的特點(diǎn)，它在天然氣負(fù)荷大范圍波動時(shí)能夠像普通節(jié)流閥一樣調(diào)節(jié)而不影響制冷性能，且初始投資少，運(yùn)行可靠性較高，是一種較有前景的回收天然氣壓力能制冷技術(shù)。
3 回收天然氣壓力能用作冷庫
    由高壓天然氣壓力能轉(zhuǎn)換而回收得來的冷能，可用于橡膠深冷粉碎、冷庫、空氣分離、冷水空調(diào)、制冰、滑冰場、干冰生產(chǎn)等領(lǐng)域[4]。以現(xiàn)有技術(shù)成熟度以及和市場推廣應(yīng)用前景情況來看，將該部分冷能用于冷庫中代替電力制冷是一項(xiàng)較實(shí)用的投資少、見效快的利用途徑，具有明顯的優(yōu)勢。
以某城市一個(gè)天然氣調(diào)壓站為例。該站天然氣處理量為100萬m3/d，進(jìn)站壓力5.0MPa，出站0.4MPa，站址附近具有建設(shè)冷庫的條件，站內(nèi)建筑物夏季具有用冷需求。通過技術(shù)工藝路線比較，選擇氣波制冷機(jī)作為壓力能/冷能轉(zhuǎn)換設(shè)備。冷能通過冷媒分別供應(yīng)冷庫和站內(nèi)建筑物空調(diào)系統(tǒng)，其工藝流程如圖1所示。
 
    由圖1可知，冷能獲取部分設(shè)在調(diào)壓站內(nèi)，建設(shè)有壓力能/冷能轉(zhuǎn)換及相關(guān)的換熱設(shè)備、工藝管線等，氣波制冷機(jī)既是壓力能/冷能轉(zhuǎn)換設(shè)備，又執(zhí)行調(diào)壓功能。為穩(wěn)妥起見，保留了一套傳統(tǒng)的調(diào)壓設(shè)備作為備用；調(diào)壓站外是冷能利用部分，即冷庫和空調(diào)用戶，通過冷媒管線與調(diào)壓站設(shè)備相連。按照相關(guān)要求，冷庫可設(shè)在距調(diào)壓站3km的范圍內(nèi)。此外，為了平衡天然氣負(fù)荷與用冷設(shè)備需求間的矛盾，可設(shè)置蓄冷裝置用于冷能儲存。
    按照該調(diào)壓站的壓比及天然氣處理量規(guī)模，所回收的全部冷能可配套建設(shè)一座4000m2規(guī)模的中型冷庫。冷庫內(nèi)分-25℃深冷庫、-18℃中冷庫和-5℃冷藏庫三部分。冷水空調(diào)系統(tǒng)直接用于調(diào)壓站自身辦公樓，也可外輸至附近冷能用戶。
3.1 流程說明
3.1.1正常工況
    5.0MPa、初溫20℃的高壓天然氣進(jìn)入氣波制冷機(jī)后，出口壓力降至O.5MPa、溫度降至-58℃，再進(jìn)入換熱器-1與冷媒R134換熱，其出口溫度升至5℃、壓力降至0.4MPa后進(jìn)入天然氣中壓管網(wǎng)。
    進(jìn)入換熱器-1的冷媒R134，被低溫天然氣冷卻至-50℃送入冷庫與冷庫內(nèi)部的二次冷媒換熱，升溫至-15℃后再進(jìn)入換熱器-2與冷水空調(diào)冷媒水換熱，升溫至6℃回到換熱器-1中。完成一次循環(huán)過程。
    冷庫內(nèi)的二次冷媒為乙二醇水溶液，溫度約為-40℃左右，依次進(jìn)入-25℃、-18℃、-5℃冷庫后，升溫至-13℃左右再與來至換熱器-1的低溫冷媒R134換熱。
    冷水空調(diào)系統(tǒng)的冷媒為水介質(zhì)，在換熱器-2中溫度降至5℃通過冷水空調(diào)輸送管道供應(yīng)用戶，升溫至14℃回到換熱器-2內(nèi)再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)過程。
3.1.2異常工況
    氣波制冷機(jī)故障或冷能利用系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，高壓天然氣通過傳統(tǒng)的調(diào)壓設(shè)備減壓至0.4MPa后進(jìn)入天然氣中壓管網(wǎng)。
3.1.3亢余系統(tǒng)
    當(dāng)冷媒循環(huán)系統(tǒng)停運(yùn)或某些冷能用戶停用時(shí)，利用常溫水加熱降壓后的低溫天然氣，替代冷能用戶建立系統(tǒng)新的能量平衡。比如，通過消防水供應(yīng)系統(tǒng)，消防水池初溫20℃，回水溫度在10℃左右。
3.2 主要工藝技術(shù)參數(shù)
3.2.1原料天然氣
    進(jìn)站壓力5.0MPa、初始溫度20℃、出站壓力0.4MPa、溫度5℃，流量100萬m3/d。
3.2.2冷媒
   一次冷媒R134，流量46000kg/h；
   冷庫二次冷媒(60%乙二醇水溶液)初溫-13℃，末溫-40℃，流量18000kg/h；
    冷水空調(diào)二次冷媒(水)初溫14℃，末溫5℃，流量2680kg/h。
3.3 項(xiàng)目投資
    整個(gè)項(xiàng)目投資測算為：站內(nèi)設(shè)備的投資約為180萬元；站外設(shè)備總投資約為680萬元(含設(shè)備購置、安裝、調(diào)試及廠房、道路、土建等費(fèi)用)，不含征地費(fèi)用。
3.4 收益分析
    測算表明，一個(gè)處理量為100萬m3/d的天然氣調(diào)壓站，其壓力能所轉(zhuǎn)換成的冷能可供應(yīng)4000m2規(guī)模的冷庫，年經(jīng)濟(jì)收入可達(dá)420萬元/a以上，直接經(jīng)濟(jì)效益約為200萬元/a。
4 結(jié)語
    高壓天然氣壓力能與生俱來，是名副其實(shí)的無價(jià)之寶，回收后用于冷庫代替電力制冷，可產(chǎn)生顯著的環(huán)保及社會效益。
    在城市燃?xì)庹{(diào)壓站以氣波制冷機(jī)獲取冷能并加以利用是一項(xiàng)新型的壓力能利用技術(shù)[5]。盡管氣波制冷機(jī)作為壓力能與冷能的轉(zhuǎn)換設(shè)備已經(jīng)開始應(yīng)用于天然氣上游開采環(huán)節(jié)的凈化處理流程，但在調(diào)壓站內(nèi)使用、且要替代傳統(tǒng)調(diào)壓器功能尚屬新鮮事物，還有不少具體技術(shù)工作要做。從氣波制冷機(jī)在其它領(lǐng)域的使用效果以及調(diào)壓站、冷庫的工藝要求方面分析，該項(xiàng)技術(shù)在工程上實(shí)施是具有可行性的，市場推廣應(yīng)用前景廣闊。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：羅東曉 新奧燃?xì)饪毓捎邢薰?065001)